基于物联网工程专业的高级语言程序设计教学方案
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作者:许鹏飞
[摘 要] 为了提高物联网工程专业的编程学习成绩，提出了一种有效的高级语言程序设计教学方法，开发软件使用技能，将智能信息技术融合到现有的物联网行业中，以促进智能信息化。
[关 键 词] 学业成绩;教学方法;就业率
[中图分类号] G642 [文献标志码] A [文章编号] 2096-0603（2022）34-0058-04
一、前言
物联网（IoT）与人工智能（AI）、区块链、第四次工业革命（工业4.0）都是未来最有发展空间的技术。随着工业和社会通过ICT技术实现计算机化和自动化，编程能力的重要性正在逐步凸显。
编程基于创造性和科学逻辑，通过程序语言来实现解决问题方案的自动化过程。进入工业4.0时代，软件不仅占据了工业和教育领域，而且还占据了现实生活，编程技能显然已成为最为重要的能力之一。要在工业4.0时代提升竞争力，利用ICT的能力和编程实现的能力是不可或缺的，这也直接影响着未来的就业。本文旨在寻求可用于学生就业和学业指导的教育措施，通过开发编程学科教授物联网工程专业各种发展的教学方法，提高学生对编程领域的兴趣，从而提高就业率。首先，我们希望通过开发教学方法，加强物联网工程专业学生的自主学习。其次，我们希望开发最佳的教学方法，使物联网工程专业学生能够在提高编程领域兴趣的策略下，提高编程相关学科的学业成绩。
为了在融合时代成长为核心人力资源，学习计算原理和技能以培养创造性和高效解决问题所需的能力非常重要。教育、科W和技术部也提出了一项未来教育政策，强调融合思维和创造性问题解决。程序是计算机可以理解的问题解决形式，相关高级语言程序设计课程旨在培养算法思维和解决问题的技能，旨在帮助学生通过简单的语法表达丰富的想象力和创造力。这种程序教育应该只是针对程序或编程本身的教育，可以引导学生通过编程解决他们在现实生活中遇到的问题。工程教育认证以“学生中心、产出导向、持续改进”为基本理念，以培养学生“解决复杂工程问题”能力为根本定位[1]。
程序设计教育的主要目标：首先，学生可以理解一个框架，该框架监督如何将信息输入计算机、如何处理输入信息以及如何输出处理结果等所有问题。其次，学生可以发展更高的思维技能，如逻辑思维、解决问题、创造力和创造性活动。最后，在工业4.0时代，发展编程技能可以提供广泛的职业选择。提高编程教育效率的因素包括课程、教学方法、教师素质、学生编程兴趣和信心、学生对编程价值的认识和学习动机。编程课程可以提高识别逻辑关系和找到解决方案的反思性思维能力，提高产生不同想法的增殖性思维能力，以及学生发现解决方案的信心和独立性。教师应该开发各种与编程相关的教学方法，引领学生通过自主学习提高编程学习成绩，同时考虑学生的学习动机、积极的学习观念、自我效能感以及学习的满意度和意识。
二、物联网工程专业高级语言程序教学方案
学生需要在教师的引导下进行协作或自主地实施面向对象语言的高级编程，在编程过程中重点关注每个专业课程中的实际问题和情况。为了克服物联网领域技术进步的局限性，软件技术在未来ICT行业中的重要性越来越突出。
为了强调编程教育，以便为物联网工程专业学生提供足够的编程能力。本文提出以下观点：开发有效的程序设计教学方法，包括如下五个主要阶段。
第一阶段：通过编程学习计算机知识、信息和功能，培养解决问题的技能。
第二阶段：在探索编程问题的过程中，培养创造性利用能力，自行解决问题。
第三阶段：通过自由解决软件相关知识结构或内容的问题，发展自我开发能力。
第四阶段：通过实施以自我导向方式设计的项目，培养实践能力。
第五阶段：强调软件的重要性，开发编程能力，以克服未来ICT行业电子技术进步的局限性。
所有这些阶段或步骤都有助于教育工作者设计他们的编程教学方法。通过开发与编程相关的教学方法，提高物联网工程专业学生的兴趣、价值认同、学习动机、编程信心和兴趣，促进物联网课程中有效的编程教育。
首先，在物联网工程专业的一年级，采用讲座式教学方法和互动式教学方法举办讲座，以培养解决问题的能力。其次，编程学科是一门核心学科，如果学生在低年级对编程失去兴趣，他不仅会放弃编程领域，还会放弃相关的物联网工程专业，因此需要有效的特色教学方法。最后，编程课程应根据物联网工程的基本概念和原理抽象出各个领域的问题，设计解决方案，能够理解计算系统的有效资源管理方法，培养编程软件实现和自动化的能力，从而在物联网工程的各个领域创造性地实现复杂问题的解决。此外，教科书应以学生为中心和目标导向的教育角度进行研究开发。
随着工业4.0进入一个连接人、物和空间的超智能社会，人工智能、机器人、物联网和虚拟现实等服务正在改变学生的生活方式。在这种环境下长大的学生通过事先获得编程知识，熟悉编程，同时自然认识到编程课程的重要性。高校计算机基础教育阶段的首要任务是“培养大学生的计算思维能力”，我们在第一学期开设了C语言程序设计，第三学期开设了Python程序设计和Java程序设计，第六学期开设了高级语言技术实训课程，而这些高级语言中包含了大量的解决问题的算法及思维模式[2]。表1（见文末）是物联网工程专业的主要课程教学进度表。
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云计算、大数据、人工智能以不可阻挡之势席卷而至，而这些现代数字技术无一能离开程序的设计。C语言是一门结构化程序设计语言。它是人工智能、计算机科学与技术、软件工程、电子信息工程、物联网工程等专业的一门非常重要的编程语言，兼有高级语言和低级语言的功能。C语言实践性很强，学习它既要掌握概念，又要动手编程，还要上机调试运行。它不仅可用于编写应用软件，还可以编写系统软件以及嵌入式系统。目前流行的面向对象程序设计语言，如C++、Java、C#等都是在C语言的基础上发展派生而来的。C语言可以用于开发比较底层的东西，比如驱动、通信协议之类，在Unix和Linux环境中也是不可或缺的，另外，在嵌入式领域也大有作为。Python是Guido Rossum于1989年创建的面向对象编程语言。Python语言的语法简洁、自然而优雅，具有易于学习、易于使用、易于移植和资源丰富等优点，成为云计算、大数据、人工智能的首选语言。它是复杂应用程序快速原型设计的理想选择。它有许多操作系统调用和库的接口，可以扩展到C或C++。许多大公司使用Python编程语言，包括NASA、谷歌、YouTube、BitTorrent等。现阶段，高校普遍将它作为计算机相关专业的一门主干课程。Java是一种高级的、基于类的、面向对象的编程语言，其设计目的是尽可能少地依赖于实现。它是一种通用编程语言，旨在让程序员编写一次，随时随地运行，这意味着编译后的Java代码可以在所有支持Java的平台上运行，而无须重新编译。Java应用程序通常编译为字节码，可以在任何Java虚拟机（JVM）上运行，而不管底层计算机架构如何。Java的语法类似于C和C++，但其底层功能比这两种语言都少。Java运行时提供了在传统编译语言中通常不可用的动态功能。据GitHub统计，截至2021年，Java是使用中最流行的高级编程语言之一，特别是对于客户端-服务器web应用程序，据报道有900万开发者。IEEE Spectrum 2021编程语言使用频度情况如表2所示。由其可知，Python，Java和C语言使用频度稳居前三名。
传统的计算机课程教学方法主要以教师为中心。教师在全班面前提供大部分信息，而学生在学习中被动地倾听和吸收，主要使用书籍作为学习和记忆的来源。因此，学生无法理解所学课程的应用，因为他们主要是记忆知识，而不是搜索和应用知识。虽然这在过去可能奏效，但新的现实要求计算机课程的学习方式发生范式转变。应采用以学生为中心的PBL教学方法，使学生能够应对这一现实。基于问题的学习（Problem Based Learning，PBL）为学习者提供了真正的机会来培养主动学习能力，促进批判性思维发展，支持知识构建，并将学习与现实问题联系起来。
PBL自从20世纪70年代初推出以来，它已在世界各地的各种本科课程中使用。在PBL中，学生必须学会应用知识，而不仅仅是获取知识。PBL是一种以学生为中心的教学策略，用于促进主动学习。PBL旨在培养不仅记住理论，而且知道如何以及何时应用理论的学习者。PBL源自这样一种理论，即学习是学习者主动建构知识的过程。学习是学习者行动的结果;教学只有在能够促进建设性活动开展的情况下才能发挥作用。教师不是简单地讲授解决方案，而是向学生介绍或确定他们自己的问题，这些问题推动了他们的探究和学习过程。PBL的理论基础是建构主义。建构主义是一种认知学习方法，强调学习者先前知识的重要性。建构主义以相反的思想设计教学过程，即“在解决问题的过程中学习”。当学生能够将新信息与他们已经吸收的知识和经验联系起来时，学习就会发生。教师可以根据教学内容设计一些有意义的问题，然后让学生思考并尝试解决它们。在这个过程中，教师可以提供一些支持和指导，组织学生讨论和合作。教师的活动不应妨碍学生的独立思考。在解决问题的过程中，学生根据自己的经验构建新知识。当他们同化时，他们将新的经验融入已经存在的框架中，而不改变该框架。在这里，学生在学习过程中发挥着积极的作用。这种方法有利于培养学生的创造性思维能力和解决问题的能力。布鲁克斯在1999年提出了以下建构主义指导原则，他们将学习视为一个主动过程，并将其分类为：（1）学习是一个主动的过程（心理或身体）;（2）学习是社会活动;（3）学习是情境性的;（4）学习需要知识;（5）学习需要时间。PBL要求学生在小组中共同解决现实世界的问题。PBL是一个主动、互动的过程，让学生识别他们各自领域的已知和未知知识以及与现实生活的联系。他们解决问题的内在动机将用于发现新知识，并应用所学知识解决给定问题。PBL可以与讲座相结合，形成一种混合教学模式，几乎可以在所有课程和科目中实施。在基于问题的学习中，学生可以提高他们的问题解决技能、研究技能和社交技能。PBL是一种教育策略，帮助学生培养成功所需的推理和沟通技能。它是一种构建课程的方法，涉及让学生面对实际问题，从而刺激学习。PBL旨在培养学习能力，而不是为了获取知识而学习。PBL经常以项目的形式出现，在PBL项目中，学生以团队形式工作。学生会收到一个由学科老师设计的问题，或者学生自己设计一个问题，然后与学科教师一起检查这是一个问题还是一个需要回答的问题。学生还将检查教师设计的问题是否与主题字段相关、是否与现实世界相关。整个项目可以持续4或6周到整个学期。我们计划安排两个月的时间编写一份书面报告，再安排2～4周的时间对报告进行更正，并为演讲做准备。完成某些阶段的具体截止日期将在项目期间确定。PBL课堂还包括自我评估和同伴评估。在项目完成前进行同行评估可能有助于提高持续过程和最终产品的质量。此外，学生还将评估老师，以指出老师的优势和劣势，这将使他们更容易适应自己的工作。PBL可以改善编程学习，增强学生的分析技能和解决问题的能力。有证据表明，与其他教学方法相比，PBL对于提高学生学习和解决问题的质量具有价值。PBL有一个问题驱动学习的学习环境，因为它的提出方式让学生意识到他们需要获得新知识才能解决问题。这项研究的发现将有助于我们理解学习引导式编程的困难，并为教育工作者提供一种改进编程语言教学的替代策略。通过在这些课程中采用互动式教学方法和团队项目教学方法，重点提高学生对编程的兴趣，使学生提高自我驱动能力，能够在物联网工程、计算机科学与技术、信息与通信工程相关领域从事物联网感知与控制，有线/无线网络与传输，软件与信息服务的研究、开发、集成、应用以及系统规划、分析、设计、实施、管理、运维等工作，最终提高物联网工程应用领域的就业率。
三、结论
本文提出有效开展物联网工程程序设计课程的教学方法，帮助学生理解解决实际问题的思路和方法，提高学生计算思维、创新思维和编程技能，进而提高物联网工程专业的教育质量，促进学业成绩和就业，最终培养具有硬件设计和软件开发能力的复合型人才。
参考文献：
[1]施炯，李君.面向工程教育认证的物联网工程专业课程体系构建[J].宁波工程学院学报，2022，34（1）：103-108.
[2]唐彩红.基于计算思维的计算机程序设计课程教学改革研究：以C语言为例[J].教育现代化，2019， 6（29）：100-101.
本文受宿迁学院人才引进科研启动基金（项目批准号：106-CK0004296）资助。
作者简介：许鹏飞（1980―），男，汉族，工学博士，讲师，美国加州大学戴维斯分校访问学者，研究方向：智能信处理。
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