本文摘要：摘 要：研究生教育是提升国家科技竞争力、实现人才强国的重要途径，因此研究生专业课程教学不仅要适应技术发展，更要培养学生的科学素养和科研能力。为此，从物联网技术的课程特点、研究生教育培养目标和北京邮电大学计算机学院科研特色出发，在教学内容优化、教学方法
摘 要：研究生教育是提升国家科技竞争力、实现“人才强国”的重要途径，因此研究生专业课程教学不仅要适应技术发展，更要培养学生的科学素养和科研能力。为此，从物联网技术的课程特点、研究生教育培养目标和北京邮电大学计算机学院科研特色出发，在教学内容优化、教学方法创新、考核方法完善等方面进行改革与实践，形成理论学习与科研案例相结合、基本知识与领域前沿互补充、课程学习与课题研究相衔接的教学模式。实践结果表明，课程改革提升了学生的自主学习和研究分析的能力，将学生科研能力与创新能力的培养贯穿到课程学习的全过程中，有助于培养研究生的科研能力，为理工科高新技术类研究生课程改革提供借鉴。
关键词：物联网;研究生教育;教学改革;科研能力
0 引言
物联网(Internet of Things，IoT)将物理世界与虚拟世界相连接，是继计算机、互联网之后信息产业发展的第三次浪潮[1]。特别是物联网与 5G、大数据、人工智能等技术相融合，正成为支撑经济发展、社会进步和科技创新的重要技术，因此迫切需要培养大量适应新时代特征与发展需求的物联网领域高水平人才[2]。北京邮电大学计算机学院于 2011 年开设物联网技术研究生课程，课程初期采用团队授课、专题讲授形式，全面介绍物联网体系、感知、传输、处理等技术，采用以知识传授为导向，教师为主导的教学模式。该模型便于教师系统地传授科学知识，适合物联网技术刚刚兴起，学生普遍对该领域知识不了解的时期，但由于课程内容与学生的科研项目关联性较低，难以充分调动学生的主动性，不利于培养学生的创造性思维和创新能力。物联网相关技术内容广、发展快，从简单物联到智能物联，从热点领域到所有领域，从专有系统到开放物联，不断催生各类新的理论、技术和应用。针对这一特点，北京邮电大学计算机学院教学团队以培养学生的科研能力为出发点进行课程改革。
在课程内容编排方面，结合北京邮电大学计算机学院的科研重点，将学科前沿新理论、产业应用新需求和领域发展新技术融入教学内容中。在科教融合方面，将科研案例和原型系统改造为教学演示系统。在教学方式方面，通过翻转课堂师生共讲、问题导向型探究式学习、目标导向型研究式学习、成果汇报与展示等方式构建多样化课堂。在考核方式方面，从传统的单一笔试转变为学习过程综合评价。通过以上各方面的努力，实现了理论学习与科研案例相结合、基本知识与领域前沿互补充、课程学习与课题研究相衔接的课程改革目标，对高新技术类课程中如何培养学生的科学素养和创新能力进行了探索。
1 相关工作
当前，国际竞争与日俱增，培养高层次拔尖创新人才是提升国家竞争力、实现人才强国的重要手段，也是新一轮“双一流”建设研究生教育和改革的重要内容。研究生教育的核心是培养学生的科研能力、创新能力和实践能力。针对研究生科研创新能力培养问题，张凯等[3]将研究生科研能力分为模仿经典、夯实基础，开展研究、发现问题，思维创新、解决问题 3 个阶段进行培养，并针对每个阶段的发展规律，结合计算机专业特点，提出相应的培养举措。尹波等[4]以计算机学科为例，提出以跨学科团队为主要实施载体，优化课程结构和课程内容、加强科研实践、提高学科交叉融合的培养模式。
张扬等[5]提出一套基于研究生内在需求特点，构建科研创新激励机制的方法。赵菊珊等[6]提出一种拔尖创新人才质量评价的量表构建方法。荣利颖等[7]使用 2017 年全国研究生教育满意度调查数据，利用多层线性模型从个体层面、院系层面和学校层面综合考察研究生创新能力的影响因素，实验结果表明，科学研究和导师指导的对教学的影响作用较大。物联网是计算机、通信、网络、安全、智能信息处理等多个学科相互结合、综合发展的交叉学科，新技术和新知识更新快、内容多，既有广度又有深度，理论性和工程性并重。针对交叉学科的学生培养，郑丽萍等[8]比较了中、美计算机专业研究生教育特点，提出我国计算机研究生教育应该在交叉学科协同培养模式下，增加跨专业选修课程，实施以学生为中心的课堂教学。刘晓璇等[9]从生态系统理论视角出发，根据模式建构的一般经验，尝试构建了研究型大学研究生跨学科培养模式的概念模型。李占华等[10]以农业信息学为例，探讨了交叉学科研究生培养的制约因素和改进措施。
此外，专业方向课教学是研究生培养的重要环节。李占山[11]等针对研究生计算理论课程，提出基于计算思维与创新能力培养的课程教学设计方法。王勇等[12]针对研究生高级计算机网络课程，以创新能力培养为导向，设计了非严格分层的理论教学内容、遵循科学发现过程的层次化实验教学、激发创新兴趣的二维系统化教学方法和强调创新能力的综合考核方法。近年来，许多院校针对物联网工程专业开展教学改革研究。例如，何腊梅等[13]提出将 CDIO(Conceive DesignImplement Operate，CDIO)工程教育理念引入物联网专业教学，围绕基础知识、个人能力、团队能力和工程系统能力4个目标进行课程建设，提升学生工程应用能力，但现阶段物联网专业的教学改革主要面向本科生，对研究生物联网专业课程的建设方案仍然较少，需要进行深入研究。
2 课程改革方案
物联网技术为 32 学时的计算机专业核心课，课程的教学目标是使学生能够掌握物联网的基本概念，了解对象感控层、数据交换层、信息整合层、应用服务层的基本功能和关键技术，明晰物联网典型系统和技术的基本原理、最新成果和发展趋势，为进一步深入开展相关领域研究奠定基础。为此，本文对该课程的教学内容、教学模式和考核评价3个方面进行改革。
2.1 优化课程内容
2.1.1 优化知识点
教学内容是知识的承载体，是达到教学目标的基本因素。为实现知识体系与专业特色的统一，在优化教学内容时，结合北京邮电大学计算机学院在信息网络和智能计算领域的科研特色，结合物联网与 5G、大数据、人工智能等技术相融合的发展新趋势，对课程内容进行调整。设置了以物联网体系结构为引导的课程内容，设立了无线射频识别技术、短距离无线传感网、广域物联网技术、边缘计算 4 个技术专题，并且专题内容之间既存在相互联系，又相对独立完整，有助于学生形成完整的知识结构。每个专题均包括知识点讲授、系统样例展示、新技术研讨3个部分，综述部分包括物联网的体系架构、典型应用、技术演进路线。
专题 1 为无线射频识别技术(Radio frequency identifi⁃cation，RFID)，知识点包括 RFID 基本工作原理、基于 RFID的标准协议、RFID 中间件和 EPCGlobal 体系，新技术研讨围绕远距离 NFC 技术、基于 RFID 的被动感知与定位、RFID中的安全问题等。
专题 2 为短距离无线传感网，知识点包括无线传感器网络的结构、硬件平台、操作系统、通信协议，新技术研讨围绕群智感知、面向信息质量(Quality of Information，QoI)的传输协议、轻量级网内数据融合处理技术等。
专题 3 为广域物联网技术，知识点包括低功耗广域网(Low-Power Wide-Area Network，LPWAN)的结构与特点、Sigfox、LoRa、窄带物联网(NB-IoT)等新型网络协议和应用系统，新技术研讨围绕 LPWAN 与智慧城市、智能物联网等。
专题 4 为边缘计算，知识点包括边缘计算的主流架构、计算卸载技术、资源管理技术和移动管理技术，新技术研讨围绕边缘计算在车联网、工业互联网领域中的技术挑战和最新研究成果。每个专题增加了前沿性、综合性和跨学科的交叉性知识。通过将学科前沿、产业需求和技术发展的有机统一，帮助学生构建演进式的物联网思维。
2.1.2 增加案例分析和应用系统展示在综述部分通过展示国内外在智能工厂、自动驾驶、无人超市、远程医疗、沉浸式教学等方面的应用视频资料，提升研究生对物联网最新应用进展和相关技术领域的认识。在专题讲授部分，结合北京邮电大学计算机学院课程团队在物联网领域多年的研究积累，将无源感知、群智感知、边缘计算方面的科研案例引入课堂，并将科研项目原型系统改造为课程教学设备以配合课堂展示。例如，基于UHF Gen2的RFID物流跟踪系统，可让学生直观了解RFID的基本工作原理和技术特点;基于 NB-IoT 的远程环境监控系统，可直接接入中国移动的 OneNet 物联网平台，展示广域物联网的工作过程和开放式的开发模式。以理论教学内容为支撑，以项目展示与实验演示为辅助，深化学生对物联网基本理论的理解，解决课堂教学与实践环节相互脱节的问题，激发学生的学习兴趣。
2.1.3 加强文献阅读和拓展最新成果物联网理论发展、技术演进与应用拓展日新月异，研究生教育需要重点培养学生跟踪新技术、发现新问题、提出新想法的科研能力。为此，针对每个课程专题，除了在讲授内容中引入与本专题密切相关的最新技术成果外，还设计了文献阅读与综述报告环节。课外文献阅读主要分为知识扩展类、学术研究类、技术综述类，主讲教师每年根据技术发展更新文献列表。具体的，知识扩展类阅读只给出学习目标，不给出具体参考书目，要求学生通过查找经典文献学习总结相关知识点，培养学生通过网络和文献获取知识的自主学习能力;学术研究类阅读由授课老师选择近 3 年国内外顶级会议或期刊中的优秀论文，要求学生课下阅读原文并分析其解决的科学问题和技术创新性，课上带领学生在学习前沿研究成果的同时，探讨如何突破技术瓶颈、开展高水平研究;技术综述类阅读要求学生跟踪物联网特定领域前沿发展并结合自身研究兴趣或实验室科研方向，搜集并阅读至少 5 篇近 5 年的期刊或会议文献(含 2 篇以上外文文献)并完成综述报告，以达到课程学习与课题研究相衔接的教学目的。
2.2 改革教学模式研究生教育最重要目标是培养学生独立思考的能力和主动发现问题、分析问题和创造性解决问题的能力[14]。为培养研究生的科研意识和科研能力，本文全方位改革专业课程的教学模式，以学生为主体，通过交互式、探究式、研究型等教学方式，从知识获取能力、文献阅读与综述能力、学术交流能力、实践创新能力、团队协作能力、学术论文撰写能力等方面落实学生能力素质培养。
2.2.1 团队授课教学课程组由多位多年从事物联网研究的教师组成，每位老师负责 1~2 个专题。团队授课模式可充分发挥不同教师的研究优势和教学特色，不仅可达到集众家之所长，丰富课程内容的目的，还能够根据不同老师的学术思想、学科背景和研究风格，改变研究生的思维方式，激发学生研究兴趣。
2.2.2 翻转课堂在传统教学模式中，学生通常为被动接收知识，自主思考能力较弱，特别当学生知识背景不同、深度不一的情况下，大部分学生不愿意开口讨论问题，不善于表达自己的观点，从而导致学生学习的知识受到限制，无法适应新兴物联网行业技术快速发展的需求。为了让学生能够主动融入教学，尝试采用翻转课堂的教学模式，先挑选学生易于掌握的内容，让学生主讲知识点，教师进行归纳总结。然后进入难点分析，在介绍关键知识点和技术发展脉络基础上，布置知识拓展类阅读作业以锻炼学生的自学能力。此外，在实际教学过程中还应该鼓励学生自由提问，对教师的讲课内容进行质疑，培养和锻炼学生独立思考、勇于质疑的科学精神。
2.2.3 前沿论文研读与新技术分享
为有效启发学生思维，让学生学发现科学问题，首先要在了解前人知识的基础上进行前沿追踪，感性认知相关领域研究的进展及新问题。为此，每个技术专题都设计了研究论文赏析，开展问题导向型探究式学习，教师将针对某一典型问题，从近 3年国内外顶级会议或期刊中选择优秀研究性论文，供学生课下选择 1~2 篇进行研读并在课上进行分享。例如，在RFID 专题研究了阿里集团发表在 SigComm2020 关于远距离 NFC+的 创 新 性 技 术 ;边 缘 计 算 专 题 研 究 了 发 表 在TMC2019 的关于计算卸载与资源管理的联合优化与博弈的文章。首先让学生对文献的主要工作和成果进行归纳，对核心理论或算法进行分析，然后教师对文献进行解读，明确文献所解决的科学问题及研究意义，引导学生针对论文内容展开比较分析，提升学生学术辨析能力。此外，为进一步调动学生的学习积极性，将课内所学知识与课后研究相结合，每个专题设计了新技术研究与分享，开展目标导向型研究式学习。
学生通过结合自身研究兴趣或实验室科研方向，选择一个物联网的热点研究或应用领域，搜集相关技术文献、总结项目研究成果、提出创新和构想，完成综述报告并在课上进行汇报，以培养学生从未来技术发展和应用需求中提炼科学问题、给出创新解决思路的研究能力。通过以上分析表明，研读赏析论文和研究新技术，可培养学生发现新问题、探索新途径的学术研究能力;撰写综述报告，可培养学生的论文写作能力;通过成果宣讲、互问互答等形式对论文研读和综述报告的内容进行汇报，锻炼了学生的表达能力和学术交流能力;不同专业学生进行技术分享与交流，不仅可拓宽学生的知识面，还能够提升学生运用多学科理论和方法进行知识整合、解决复杂问题的能力。
2.3 完善考核评价
考核目的不应局限于考试分数，更重要的是实现教学的引导性、激励性和实效性作用，培养出专业竞争力强、适应社会发展的高水平创新型人才[15]。传统考核方法通常以考试成绩作为评价学生的主要依据，缺乏对学生研究能力、创新能力等方面的过程性考核。为此，对传统考核方法进行完善，取消了期末理论考试，强调过程性和研究性考察，并设置了多元化综合考评体系，从不同角度评判学生的学习情况。完善后的考核成绩由课堂表现、专题研究报告、演讲展示等部分组成。其中，课堂表现包括课堂出勤、课堂交流与讨论等，占比 10%;专题研究报告评价主要依据内容完整性(包括研究背景、主要技术/算法、应用场景或系统、与其它技术比较等方面)、格式规范性、见解独立性等方面进行评判，占比 70%;演讲展示评价主要依据技术合理性、创新性、回答问题的正确性、条理性等方面进行评判，占比20%。
3 教学实践与分析
在北京邮电大学计算机学院2020年的教学实践中，来自计算机、电子信息、软件工程、电子工程等专业的硕士、博士研究生共69名参与研究。课程含 4个专题，每个专题布置了 4个研究主题，分别为领域技术综述、最新学术论文研读、应用系统调研、应用/研究创意设计，每位学生针对各专题均选择一个主题撰写研究报告。
实践分析表明，学生选择 4 类主题的比例为 41%、24%、27%、8%，研究报告平均成绩为 75.3，优秀率为 20%，证明大部分学生对物联网领域的技术概况和应用前景更感兴趣，但在创新设计方面的投入还存在不足;参与演讲的学生占 95%，演讲平均成绩为 83，优秀率为 47%，证明学生对公开演讲和答辩非常重视;92% 的学生认为通过本课程深入了解了文献查阅的各种方法，获取新知识的能力得到显著增强，文献材料归纳能力提升显著;80% 的学生认为报告撰写和演讲环节设置十分重要，不仅起到了督促学生学习的作用，而且提升了学生论文写作和学术交流的能力;超过半数的学生认为通过本课程的学习，能够使得自身更系统、深入地分析问题。
4 结语
本文以研究生科研能力养成为目标，以北京邮电大学计算机学院研究生物联网技术课程为例，全面阐述了紧跟领域前沿的课程内容改革方案和提升科研素质的教学模式与评价方式探索。实践表明，课程改革方案保证了课程内容的先进性，探索研究式学习过程显著提升了学生的自主学习和研究分析能力，以期为理工科高新技术类研究生课程改革提供借鉴和启示。今后，将在研讨环节增加创新设计的课题比例和成绩奖励，以提升学生创新能力。
参考文献：
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选自期刊：软件导刊 第 21卷 第 7期
作者信息：罗 红，孙 岩(北京邮电大学 计算机学院，北京 100876)
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