大学生物联网技术课程改革与实践

摘  要：为提高大学物联网技术课程教学效果和质量，西安电子科技大学微电子学院针对物联网课程教学现存的一系列问题，融入思政育人理念，通过精细教学设计、采取启发教学、引入科学实验、重视能力培养、鼓励团队竞赛和优化考核方式等措施，旨在为微电子专业一线高校教师提供物联网技术教学参考。课程改革从教学内容、教学方法、考核方式三方面展开，通过问卷调查的方式收集学生的学习体验，并将学生成绩与改革前进行对比分析。结果表明，学生的动手实践能力、综合思维能力、团队协作能力和创新创业能力均得到大幅提升，课程改革成果显著。

关键词：物联网；微电子；课程改革；实践能力；创新创业

中图分类号：G642      文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2024）25-0147-05

Abstract： In order to improve the teaching effect of IoT Technology courses， the concept of ideological and political education is integrated into a series of existing problems of it in the School of Microelectronics at Xidian University. By means of the fine teaching design， the inspiring teaching mode is used， introducing scientific experiments， emphasizing ability cultivation， encouraging team competition， and optimizing evaluation method， which is aimed to provide some references for the university teachers to implement IoT Technology teaching. The curriculum reform is carried out from three aspects： teaching content， teaching style， and assessment methods. Students' learning experiences are collected through questionnaire survey， and their grades are compared with beforeand academic performances are analyzed. This practice proves that these methods are effective to improve the students' hands-on practical skill， comprehensive thinking ability， team collaboration ability， and innovation and entrepreneurship capability. Thus， the result of the curriculum reform is remarkable.

Keywords： Internet of Things; Microelectronics; curriculum reform; practical ability; innovation and entrepreneurship

自2017年以来，随着“复旦共识”“天大行动”和“北京指南”的相继发布，新工科建设的“三部曲”奏响了高校人才培养的主旋律，开拓了工程教育改革新路径[1]。培养创新型、实践型、复合型的高素质人才成为目前各大高校新的立足点和发展方向。

物联网技术是目前国家战略性新兴技术，是电子科学与技术、计算机科学与技术、信息与通信工程及其他相关学科交叉渗透、相互融合的基础上发展起来的一门新型应用型学科[2]。它的涵盖面较广，包括了传感器技术、无线通信技术、定位技术和物联网安全等。随着物联网技术的发展，物联网组件向着更小、更快、精度更高的方向发展，这就要求各组件具有集成化、规模化的特点，从而增加了对微电子技术的依赖，因此，培养具有微电子背景的物联网人才变得越来越重要。

微电子技术是在电子电路和电子系统的超小型化及微型化过程中逐渐形成和发展起来的，以集成电路芯片为核心的电子技术[3]。随着国外技术垄断和封锁，微电子技术已经成为目前国家亟需解决的“卡脖子”工程技术。然而，目前在物联网技术快速发展的背景下，传感器技术、MCU模块、射频芯片、MEMS和芯片加工等技术的落后严重制约了我国物联网技术的发展，因此，探寻培养物联网发展背景下的微电子专业复合型人才的教学方法具有重要的现实与战略意义。

一  物联网课程教学现状

面向新工科背景下的国家战略需求，西安电子科技大学微电子学院为本科生开设了物联网技术课程，旨在为微电子专业学生澄清物联网的基本概念，使其掌握物联网的体系结构和关键技术，具备在微电子专业领域跟踪新理论、新知识、新技术的能力以及较强的创新实践能力，从而为国家的硬科技贡献自己的力量。但是，由于物联网技术的涵盖面较广，关键技术较多且入门门槛较高，因此，在教学过程中仍然存在很多的问题有待解决。具体如下。

（一）  学生对课程的兴趣不高

首先，对于微电子专业的本科生而言，他们认为只要学好传统的专业课程（如半导体物理，模拟、数字集成电路等）就会有好的发展，学生对于在本专业领域进行深造或者工作的意愿更强，认为物联网与微电子的关联度不够，因此很难产生兴趣。其次，在传统的课堂教学过程中，往往采用全程由老师讲解，学生被动接受的教学模式。这使得学生的课堂参与度较低，学生感觉课堂枯燥无味，难以真正地融入到教学过程中，从而无法激发学生的学习兴趣。基于以上两点，物联网课程在微电子本科生的教学效果并不理想。

（二）  课程思政理念欠缺

传统的课程授课仅仅是专业课程的讲授，包括专业知识和专业技能。随着课堂思政的推进，大学生的思政教育已经不只是思想政治教育课老师的任务，也是每一位专业课程老师的义务。课程思政就要求将思想政治教育的理论知识、价值理念以及精神追求等融入到课程中，潜移默化地对学生的思想意识、行为举止产生影响。对于物联网课程来说，繁杂的理论课程学习的任务较重，专业课程的讲授已经占用了较大的精力，如何将课堂思政融入到专业讲授当中对授课老师提出了较大的挑战。

（三）  网络、密码学部分难以理解

对于微电子专业的学生来说，硬件对于他们的吸引力远远超过软件，然而，物联网中的网络部分和密码学部分的内容相对较多，这对网络和密码学部分的讲授带来严峻的挑战。一方面，网络和密码部分的思维与传统半导体的思维模式不同，需要转变思维去理解；另一方面，网络和密码部分的课时有限，如何在有限课时的前提下提升学生的理解力和接受力也是目前需要探索的目标。

（四）  学生实践动手能力差

作为一门与现实生活结合很强的课程，仅仅通过理论的学习很难掌握其技术精髓。此外，之前的教学对培养学生动手实践能力的重视程度不够，从而无法使学生将所学的专业知识与实践有机结合起来。使其无论是在未来工作还是科研岗位上，遇到复杂的项目实践时无从下手，无法达到工科院校学生应该具备的素质能力要求。

（五）  缺乏自我管理和有效方法，难以提升学习质量

相比于高中阶段，大学阶段的课程更多，学习内容也更丰富。对于学生来讲，如何在有限时间内合理安排时间进行高效学习，变得非常重要。但实际上，在脱离高中集中管理和集中学习的状态下，大学生往往缺乏自主管理能力。大学阶段不仅课程门类多，社团活动也多，如果学生缺乏自主管理能力，就会对学习、生活、社团活动的安排茫然无措，甚至耽误课程学习。加上物联网课程综合性强、理论性强、难度大等特点，学生对于如何学好这门课程并未掌握行之有效的方法，如果延续以往单一的考核方式，必定存在大量学生死记硬背理论知识来应付期末考试，而不注重理解和实际应用的情况，教学质量难以提升。

二  课程教学改革方案及教学案例

（一）  总原则

物联网技术课程的教学改革，总体坚持学生为主体、教师引导、课内课外相结合、理论与实践相结合、自主学习和合作探究相结合、阶段性考核和期末考核相结合、创新创业教育与思政教育相结合的原则。在教学内容和教学设计上，加强对课程的宏观把握，提前规划课程框架，融入与课程相关的人工智能知识、半导体相关实验、应用案例等，构建有趣、有用、有深度的课程体系，提高课程教学的质量。

（二）  教学模式

课程改革采取课内理论课外实践相混合的教学模式，课内活动包括新课讲授、案例评析、学生展示和师生互动等，课外活动包括小组合作搜集资料、动手实验、参加竞赛和创新创业活动等。混合式教学模式的优势在于在有限的课堂时间内高效完成学习目标，提高学习效率，难点在于如何在课堂上调动学生的积极性，以及布置可行性强、能力值提升快的课外任务。

（三）  课改方案及教学案例

本次课程教育改革的总体思路见表1。

1  翻转课堂

物联网技术是一门启发性高、创新性强、实践性突出的学科，目的是讲述物联网的基础知识，通过案例讲解、实验教学等方式激发学生兴趣，培养学生独立探索与自主学习的能力。传统的填鸭式教育可以快速增加学生的基础知识，但是大学生众多课程设立的初衷是为了打开学生知识体系的新大门，启发学生进一步研究、思考并加以创新转化。翻转课堂的引入正是为了增加学生的课堂参与度，帮助每一个同学理解知识的同时，激发学生课堂学习积极性与科学研究的主动性。例如，在自动识别技术中重点介绍了新兴的射频识别技术（RFID）[4]，从技术的基本概念和发展历程出发，讲述了数据和能量传输的原理，介绍了技术的分类、突出特点以及具体应用。通过射频识别技术的详细介绍[5]，引导部分学生以小组合作的形式调研和讲解生物识别技术、IC卡识别技术等，锻炼学生团队协作能力。

2  加入专业性较强的实验

知识简单的传授很难激发学生对物联网技术的兴趣，专业性实验的加入可以起到学以致用的效果，同时拉近学生与科学研究的距离，通过实践的方式可以让学生进一步体会到微电子专业与物联网技术的密切关联度。趣味实验的设计以课堂教学为基础，以学校平台为依托，旨在提高学生动手实践以及科学探究的能力，实验报告和实验心得的填写可以锻炼学生总结归纳和逻辑表达的能力，有利于养成较好的科研习惯。比如，在传感器节点电源系统的学习中，了解电源系统中DC-DC电路的工作原理，对感兴趣的同学开展电路图的绘画以及仿真软件Cadence的学习，锻炼学生的实践能力；由于物联网中涉及到微加工技术，这和微电子专业学生息息相关，因此，结合了课题组平台开展半导体功率器件的制备实验，并进行简单的表征与测试，通过老师和研究生的演示与指导，帮助学生了解微加工的具体过程与注意事项，熟悉半导体微加工的工艺和关键技术，提高学生对微电子专业的兴趣，加深学生对物联网技术领域的了解。

3  将思政元素融入教学过程

物联网是一门科学性及实践性极强的学科，对课程思政的开展和发挥课程的德育功能十分有利。立德树人是高校教师的天职，我们需要在教育教学过程中将思政元素融入课堂，潜移默化地影响学生的思维。

首先，物联网技术中蕴含着大量的思政元素，可以融入到课堂教学中，进一步激发学生对物联网技术的探索欲望和学习兴趣。例如，在传感器部分，在课堂中引入了微电子专业知识，与纳米级微加工和MCU模块联系起来，进而给学生讲述了光刻机以及欧美国家对我国的技术封锁，加强了学生学习微电子专业的使命感；在定位技术中，介绍卫星定位技术时强调了中国北斗卫星的定位原理，以及和美国的GPS，意大利的伽利略、俄罗斯的格洛纳斯进行了对比，增强了学生的民族自豪感与自信心；在密码学部分，融入了抗战期间我国情报工作人员的破译故事以及感人事迹，让学生深知我们幸福生活来之不易，增加了学习的积极性。