以创新为驱动的物联网工程翻转教学模式探索与实践
陶宇炜
摘 要：从如何发挥实践教学对高校学生的实践应用能力和创新能力，结合物联网工程专业特点，引入翻转课堂，对实践教学进行逆序创新，将实践教学活动重新划分为线上线下、课内和课外翻转的教学模式。以在线课程学习平台为载体，结合虚拟环境，在线上和线下开展学习活动和实践教学活动。通过在物联网工程专业实践教学应用表明，翻转课堂教学效果显著，激发了学生的自主探究精神，有助于学生创新思维的培养和专业实践应用能力和创新能力的提升。
关键词：创新驱动;物联网工程;翻转课堂;虚拟互动
中图分类号：G424.1
文献标识码：A文章编号：2095-5995（2020）07-0091-07
“云计算”、“互联网+”等信息技术和教学模式的融合，有力地推动了高校本科课程教学的发展和创新。纵观近些年来教育信息技术助推高校教育教学改革的成效来看，翻转课堂在高校的本科课程教学中效果显著[1][2][3][4]。翻转课堂通过将教学内容前移至课前学习，课堂教学以学生为中心，教师重点转向针对学生进行个性化学习指导，通过师生之间双向和多向的互动和交流，协作探究解决课程学习中遇到的困难和问题，使学生达到较为满意的学习效果[5]。物联网工程专业面向“互联网+”新形态，培养适合行业发展需求，具备较强工程实践能力和创新能力的技术人才。将翻转课堂引入我校物联网工程专业课程教学实践，结合虚拟互动环境，对实践教学进行逆序创新，探索适合高校物联网工程专业人才培养目标要求的教学模式。
一、物联网工程专业教学剖析
物联网工程专业课程涉及较多新技术，理论知识较为抽象，如RFID技术、无线传感器网络等，通过理论课的讲授，难以建立准确直观的概念，理论和实践之间关联度较高，仅仅通过理论知识的学习并不能真正掌握知识点，实践教学以培养高校学生的专业综合能力为导向，以具体的实践项目作为载体，帮助学生理解并掌握专业课程理论知识，培养学生在动手实践中独立探究解决具体问题的能力[6][7]。
物联网工程专业课程开设的实践项目受实践设施条件等限制，在真实的实践环境没有条件正常开展，难以通过教师的讲授真正理解和掌握专业理论知识。教材上的实践内容大多为原理性的验证型实验，只是从实践角度帮助学生理解理论原理，学生面对一些实际问题不能通过自主探索加以解决。受实验设备本身在技术上的封闭性限制，束缚了教师自主设计和调整实践项目内容，不能满足物联网工程专业人才培养的需要。学生的学习往往达不到预期的教学效果，很容易使学生形成畏难情绪，从而降低学生学习的积极性和主动性。
二、翻转课堂实践教学模式
翻转课堂是线上线下混合学习的重要呈现方式。在课前学生利用在线课程学习平台自主学习教师上传的实践教学内容，完成教师下达的学习任务。通过为学生创设虚拟环境，引导学生探索研究，激发学生的求知欲，提高学生的理论知识的理解程度，使其产生较为愉悦的学习体验。在课堂上，学生完成实践操作，自主探究解决问题，教师组织和指导实践项目，围绕教学内容互动交流，开展深层次的问题探究。课后进行反思和总结，评价实践教学效果[8]。
翻转课堂实践教学通过为学生提供在线学习环境，完成知识的传授，学生有更多时间进行实践操作练习，完成实践体验。教师可以为更多学生提供实践操作练习指导。通过教师和学生之间双向或多向的研讨交流，完成知识的内化。学生有更多时间思考问题，自主进行实践探索解决问题。翻转课堂实践教学以更加灵活便捷的方式促进学生随时随地学习，通过激发学生的探究精神，在实践中培养学生的创新能力。
三、物联网工程专业综合实践翻转教学设计
教学设计是针对学习者的特点，设计课程教学内容，组织课程教学活动，帮助学习者达到教学目标要求的系统性活动[9]。教学设计结合我校正在开展的“卓越工程师培养计划”，引入翻转课堂教学模式，将传统课内、课外学习重新划分为线上和线下、课内和课外相互融合，应用虚拟环境，在线上和线下充分开展实践教学和学习活动。构建有效的情境协作模式促进学生主动参与实践过程，提出疑问，自主探究解决问题，培养学生的实践应用能力和创新能力。
（一）课前教学任务设计
课前教学任务设计首先要明确教学目标，教学目标决定课程教学的总体方向，对教学环节的展开具有引领和制约作用。课程教学任务设计要以教学目标为依据，充分知晓学生的学习能力，按照理论教学重点和难点以及学生对理论知识的学习情况，以问题为导向，分层次设计教学任务。
根据布鲁姆认知目标分类法[10][11]，从低级思维到高级思维的顺序，在认知维度上把教学目标分为记忆、理解、应用、分析、评价和创造六个层次，前两个层次是低级思维，实现对知识的再认和转述;后四个层次是高级思维，侧重于知识的分析、理解和迁移性运用。在翻转课堂教学模式下，通过课前任务设计，让学生明确要求的学习内容的重点和难点，创设问题情境，激发学生的自主学习积极性，达成具体的学习目标。
课前阶段的自主学习要求学生明确学习目标，通过自我学习监督，开展自我学习评价。学习者运用自身的知识和经验完成新知识的建构。教师为学习者的知识建构提供指导和帮助，同时创设情境组织学生开展协作学习。建构主义倡导的自主学习和协作学习与翻转课堂相一致。
（二）课堂实践教学设计
翻转课堂实践教学开展深层次的認知实践活动。虽然学生在课前阶段通过自主学习活动对知识有基本的理解，但由于在教育背景、认知能力和思维方式上存在着差异，学生对同一知识点的理解会不尽相同，甚至有部分学生会遇到自主学习解决不了的问题，因此，教师在课堂上要有效安排教学环节，组织学生积极参与课堂教学活动。戴尔学习金字塔理论认为[12][13]，学习者的学习方式包括讲授、阅读、视听组合、演示、讨论、实践练习和教授他人等七个层次，前四个层次为被动学习，后三个层次为主动学习，两周后学习内容平均保持率从5%到90%逐步提高，传统的讲授和示范为主的教学方式导致的学习效果明显低于实际参与学习方式的学习效果。
随着学生认知层次的不断提升，对实践教学内容的理解不断深入，将课堂实践教学活动划分为入门阶段、进阶阶段和探究阶段。在入门阶段，通过教师的引导学习，完成培养基本认知能力的基础验证性实验，培养学生对实验的兴趣，实现把学生“引进门”，树立学生的自信心和成就感。在进阶阶段，主要完成扩展专业知识综合运用能力的设计型实验，针对学生个体实践过程中出现的疑难问题，学生之间通过互相讨论，相互学习，解决问题。教师仅在学生遇到瓶颈问题时进行疏导。在探究阶段，考虑学生个体之间的差异，因人而异地开展创新性实践项目，通过小组成员之间分工协作，激发学生的创新潜能，通过独立思考，探索解决较为复杂的问题，培养学生孜孜以求的科学精神。
（三）课后学习评价和反馈
学习评价既是对前一阶段学习情况的分析和总结，又是对学习的指导和帮助。教师通过学习评价了解课程教学和学生的学习情况，调整课程教学设计，更好地满足学生的学习需求。学生通过学习评价反思学习过程中的问题，检查、矫正和调节学习活动，激励和强化学习动机。学习评价贯穿整个实践教学过程，采取学生自我评价、学生之间相互评价和教师综合评价的方式，评价内容包括学生认知方面的绩效、学生学习过程表现和学生参与学习的状态等方面。
学生在课后对课程实践过程进行总结，巩固重点和难点，交流实践过程中遇到的问题及解决措施，撰写并上传实验报告。教师对实验完成情况和实验重点难点进行系统梳理，做好实践教学总结，并通过网络教学平台发布，让学生了解实验的成效和需要改进提高之处。
四、物联网工程专业综合实践翻转教学实施
物联网工程专业综合实践翻转教学实施过程以创新为驱动，以问题为引领，教师创设问题情境，引导学生分析问题，自主设计，探究问题，并进行延伸拓展，与工程实践相互衔接，提升实践教学效果。在翻转实践教学过程中更加明确了教师和学生在课前、课堂和课后三个实施阶段的具体角色。
（一）课前学习阶段
课前，按照课程教学目标要求，教师将本次实践课程的学习目标、实验原理和目的、实验内容等教学资源以文档、课件和微视频的形式上传到我校在线课程学习平台，并创设问题，线上开展交互式教学[14]。学生通过移动终端如手机APP、QQ、微信等登录我校在线课程学习平台学习微视频、课件等，明确学习目标和具体的学习任务，完成在线微测试内容，包括选择题、简答题等，并通过平台提交预习报告，及时反馈课前学习遇到的问题，学生相互之间可以通过平台讨论和交流。教师在课前通过在线课程学习平台统计学生课前学习任务完成情况，归纳学生课前学习遇到的问题，进行在线答疑，引导学生充分理解实验内容，为课堂翻转教学做好充分准备。教师根据学生在课前的学习情况决定是否调整教学内容和教学方法。
（二）课堂实验阶段
课堂实验阶段分为前期个人实验、中期小组协作和后期总结提升三个阶段。课堂实验阶段以学生为主体，主要由学生进行操作，运用课前自己在线自主学习的知识去思考和解决实践过程中出现的问题，教师作为组织者和引导者，主要工作是掌控课堂实验秩序，引导学生学会分析问题和解决问题，组织小组讨论，指导并解答学生的疑惑，对整个实验过程进行归纳总结。
实验前期，教师针对课前学生自主学习的共性问题，在实验课堂上进行精讲，引导学生积极思考和研讨，解决课前学习遇到的问题。然后，学生完成预先布置的实验任务，教师对学生完成的实验进行评价，使学生通过动手实验将课前学习的理论知识和实验操作相结合，进一步内化课前所学的知识。这一阶段允许学生独立思考提出实验中的问题，也可以拓展实验内容，进行讨论和交流。教师作为旁观者引导学生思考并解决问题。学生通过完成从设置软件到编写程序，硬件连接到软件和硬件通讯，虚拟仿真到真实实验的完整实验步骤，理解并掌握基本的物联网技术理论。例如，利用Fritzing软件内置的元器件和传感器的三维模型，绘制仿真的硬件电路连接示意图，元器件连接关系清晰可见，可以随时进行修改和重复使用。采用这种直观和易学的方式，避免了文字描述上的理解困难，提高了学生的学习兴趣和实验效率。
实验中期，按照课前分组情况开展创新设计实验。教师提出任务驱动式项目设计要求，学生以小组为单位分工协作开展项目研讨和探究，完成项目设计方案的制定和具体实施。在线课程学习平台提供丰富的实验资源库，例如，开放的微软官方物聯网实验论坛和Hackster论坛上提供众多与实际应用接轨的物联网实验案例，每个实验案例提供较为详尽的实验流程，并且提供参考代码，丰富了物联网实践教学内容，便于学生学习和理解掌握物联网实验内容。学生可以利用在线课程学习平台提供的虚拟实验环境进行物联网实践项目的设计和模拟开发。在此过程中，教师针对小组研讨解决不了的问题，由浅入深地引导学生积极思考，寻找解决方案。通过有针对性的指导，营造协作探究的实验环境，培养学生的创新思维。
以设计一个无线传感器网络环境检测系统为例，由于传感器网络包括数据采集模块、信息处理模块、通信协议等多个功能模块，每个功能模块要求掌握数据采集部件（如传感器节点、RFID等部件）、CPU、无线网络通信模块和串口通信模块的原理和实现方法，并能编写较为复杂的控制函数实现对硬件的控制。各个功能模块包含较为复杂的技术细节，初涉物联网工程专业的学生要掌握功能模块的原理和实现方法，往往难度较大。在实验前期，教师讲授接口函数的原理和实现方法，学生理解了预备知识，再调用任课教师提供的接口函数并进行一些简单的编码操作，进一步加深对无线传感器网络的理解，再由学生编写接口函数实现对硬件的控制操作。学生在无线传感器网络环境检测系统增加查询处理模块，运用以前所学的高级数据库知识实现查询某个监测区域的环境温度、湿度等环境监测数据，数据经过标准化处理后，发送到连接计算机的节点上，再通过与计算机相连接的串口传送数据给计算机，完成整个实践项目。项目任务驱动式实践教学有利于学生直观感性理解并掌握专业理论知识，调动学生的求知欲，在实践中学习探究解决问题，教学效果有了明显的提高。
实验后期，针对实践项目设计方案和实验结果，学生以小组为单位进行成果交流发言，发表各自的见解，展示实践项目成果，分析讨论实践过程中的成功和不足，不断完善实验结果。教师全程参与，适时进行指导和答疑，对实验效果进行归纳点评，帮助学生自我反思课前自主学习和课堂实验中存在的问题，激发学生对实验的持续探究能力。
（三）课后拓展阶段
学生完成课内实验内容后需要及时对实验内容和实验过程进行分析和总结，明确每一个实践环节的设计目的，温故知新，鞏固和内化实验知识，并通过拓展延伸实践项目，迁移应用到工程实践中去。在前期完成实践项目的基础上，教师可以结合专业特点，共享一些相关的课外电子资源，激发学生的学习热情，组织学生组建科研团队，积极参与科技创新实践活动，满足学生自身的发展需求。通过熟悉和掌握基本的研究方法，增强学生的科研兴趣，培养学生的创新思维，形成持续创新能力，提升学生的社会竞争力。
（四）实践教学评价
大量实践和研究表明，评价对学生的学习不仅具有诊断和甄别功能，而且能够产生强烈的导向、驱动和激励作用[15]。评价贯穿整个课程实践教学过程，及时追踪学生的学习情况，增强学生的学习积极性和主动性，也有利于教师适时调整教学进程，改进教学设计，促进学生更加有效地学习。通过建立合乎教育规律的考核评价机制，真实反映翻转课堂实验教学效果，促进学生对整个实践过程进行深层思考和自我反思，培养学生的开拓进取精神[16]。
实践教学评价结合课程教学目标，以学生的实践操作技能评价为主，课前线上学习和课后拓展创新为辅。课前学习评价占20%，主要考查学生课前在线自主学习情况，包括微视频、课件等课程资源的学习，在线微测试和预习报告等。课堂实践评价占40%，主要考查学生课堂实验完成情况，解决问题能力，团队协作能力。课后拓展评价占20%，主要考查学生实验报告完成情况，实验过程的分析和实验总结，以及进一步拓展创新应用能力。实验课程期终考试占20%，主要考查学生的知识掌握情况和现场解决问题能力。基础知识测试围绕课程学习应知应会知识作答，其中30%为开放题。实践操作考查学生在规定时间完成随机抽取的实践操作试题。
五、翻转课堂实践教学效果
以我校二年级物联网工程专业的两个班级为实验对象，对比采用不同实践教学模式的两个班级的教学情况，实验班的学生使用翻转实践教学模式，普通班的学生使用传统实践教学模式，每个班级人数均为32人。在授课前对两个班级的学生开展问卷调查，结果显示，两个班级的学生对物联网工程的相关理论知识的了解和实践技能水平基本相同，处于同一起点。
通过一个学期的教学实践，对实验班和普通班的学生进行问卷调查、访谈、在线课程学习平台统计数据等方式，就两个班级的学生在知识点的理解和掌握程度、课程实验完成情况、参与实验问题讨论、课外科技活动参与等数据进行对比分析。
（一）实验完成质量
实验完成质量是指学生完成教学目标要求的实践操作内容，达到相应教学目标要求的实验结果。在授课计划课时内，安排了15次单元实验内容，实验班的学生全部保质保量完成实践操作内容;普通班的学生在同样课时内有70%的学生完成实践操作内容，其余学生因对实验内容理解不透，实验要求不够明确，未能完成实验任务。实验班的学生在课前通过在线课程学习平台自主学习和交流，为完成实验内容奠定了基础，大多数学生在课堂实践操作技能表现较为熟练，实践操作出现问题时独立探索解决，确保实验完成质量和效果。
从学生提交的实验报告完成情况看，实验班学生的实验报告中对实验原理的理解、实验步骤的记录、实验结果的分析和问题探讨等方面符合考核要求。可见，以学生为主的翻转课堂实践过程，学生的学习更加积极和主动，助推了学生高质量地完成实验任务。
（二）学习能力对比分析
采用不同教学模式的两个班级在保持教学进度一致的情况下，进行了两次实践操作测试，两次测试题目的难度由浅到深，循序渐进，两个班学生同时进行测试，测试时间均为90分钟。两次测试成绩分布如表1所示。
从表1的两次测试成绩分布情况来看，实验班学生的成绩70%以上在优秀和良好之间;普通班学生第一次测试50%学生成绩为及格，优秀和良好的学生比例不及50%，明显低于实验班学生。第二次测试题目稍有些难度，普通班学生近半数不及格，成绩总体分布较第一次低。从两次测试可以发现，实验班的学生采用翻转课堂教学模式，通过课前自主学习教学资源并进行学习自检，与教师、同学之间交流互动，课后知识巩固和拓展等，加深了对知识的理解和掌握，学习效果更加明显。
在学期期末，实验班和普通班的学生统一参加学校组织的课程期末考试，在规定的时间交卷。实验班和普通班的成绩分布如表2所示。
实验班学生期末考试平均成绩为79.10分，普通班学生期末考试平均成绩为72.66分。从表2中实验班和普通班学生期末分数分布情况看，实验班学生的成绩分布在76—89分之间的人数超过50%，普通班学生的成绩分数在61—75分之间的人数达50%。实验班学生的优秀和良好的比例远远超过普通班学生的比例，实验班学生的不及格率低于普通班学生。从总体情况看，实验班学生的期末考试成绩更好些。
通过对实验班和普通班学生的期末成绩比较，可以看出，实验班的学生实施翻转课堂教学模式后，无论是实验内容的知识掌握程度，还是学生的实践操作技能都有了较为显著的提高。
（三）学生问卷调查分析
一个学期的课程教学活动结束以后，调查统计实验班和普通班学生学习效果，了解学生对不同教学模式的反响和满意度。从调查结果反馈情况看，有75.47%的学生偏向于喜欢翻转课堂教学模式。调查采用翻转课堂教学模式对学生学习能力的帮助程度，有88.68%的学生认为对提高学习能力有较大帮助。调查在线课程教学平台对理解和掌握实验原理和解决学习中遇到的问题时，有83.02%学生认为有助于掌握相关知识，79.25%的学生认为有助于提高解决问题的能力，86.79%的学生认为这种教学模式提高了他们的交流协作能力，通过彼此之间的学习交流和小组任务协作，促进了学习的共同提高。总而言之，通过实施翻转课堂实践教学，学生的学习兴趣更加浓厚，学习更加积极和主动，与老师和同学通过在线课程学习平台有效互动。激发了学生的探究精神，能够深入思考和分析问题，解决问题。提高了课堂实践操作技能，通过个性化的学习指导，学生的工程实践应用能力和创新能力得到了有效提升。
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Exploration and Practice of Flipped Teaching Mode in Internet of Things Engineering Based on Innovation-driven
TAO Yu-wei
（Center of Information Development and Management， Changzhou University， Changzhou， Jiangsu 213164）
Abstract： In order to give full play to the practical application ability and innovation ability of college students in practical teaching， combined with the characteristics of the internet of things engineering major， flipped classroom is introduced to carry out reverse innovation in practice teaching， and practice teaching activities are reclassified into online and offline， in-class and after-class flipped practice teaching mode. The integration of the online course learning platform with the virtual circumstances enables the teacher and students to implement learning activities and practice teaching activities both online and offline. The results at the practice teaching of the internet of things engineering major shows that flipped classroom practice teaching has achieved remarkable effect. It aroused the students' independent inquiry spirit， which is helpful to cultivate students' innovative thinking and improve students' professional practice application ability and innovation ability.
Keywords：innovation-driven; internet of things engineering; flipped classroom; virtual interactive
