基于CDIO理念的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究生課程教學(xué)實(shí)踐

陶丹 高睿鵬 陳紫微

[摘 要] 為提高物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究生課程的教學(xué)效果，更好地培養(yǎng)研究生的創(chuàng)新實(shí)踐能力，以CDIO工程教育理念為指導(dǎo)，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式、實(shí)踐教學(xué)和課堂考核四個(gè)方面進(jìn)行了教學(xué)改革實(shí)踐。實(shí)踐證明，教學(xué)改革對(duì)提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性和提升課堂教學(xué)質(zhì)量具有較好效果。

[關(guān)鍵詞] CDIO;物聯(lián)網(wǎng);研究生課程

[基金項(xiàng)目] 電工電子基礎(chǔ)課程國(guó)家級(jí)教學(xué)團(tuán)隊(duì)建設(shè)項(xiàng)目（244033529）;電工電子國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)項(xiàng)目（351003535）

[作者簡(jiǎn)介] 陶 丹（1978—），女，山東平度人，工學(xué)博士，北京交通大學(xué)國(guó)家電工電子教學(xué)基地副主任，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事物聯(lián)網(wǎng)與智能信息處理研究;高睿鵬（1988—），男，內(nèi)蒙古呼和浩特人，工學(xué)博士，北京交通大學(xué)軟件學(xué)院副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事物聯(lián)網(wǎng)與智慧交通研究;陳紫微（1988—），女，吉林長(zhǎng)春人，工學(xué)博士，北京交通大學(xué)電子信息工程學(xué)院副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事基于深度學(xué)習(xí)的圖像處理及信號(hào)處理研究。

[中圖分類號(hào)] G642.0 ? ?[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A ? ?[文章編號(hào)] 1674-9324（2020）36-0224-02 ? ?[收稿日期] 2019-12-20

一、引言

作為國(guó)家新興戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心領(lǐng)域，物聯(lián)網(wǎng)上升為國(guó)家戰(zhàn)略。新技術(shù)的發(fā)展需要大批專業(yè)技術(shù)人才，為滿足行業(yè)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)人才的需求，眾多高等院校開設(shè)了物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)及相關(guān)課程。課堂教學(xué)作為研究生培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)之一，是培養(yǎng)研究生掌握基礎(chǔ)理論和專業(yè)知識(shí)的途徑，也是培養(yǎng)研究生具有從事科研工作能力和擔(dān)負(fù)專門技術(shù)工作能力的保證。然而，我國(guó)工科教育實(shí)踐中仍存在一些問題，迫切需要引入新型的教育教學(xué)理念。CDIO作為一種新型工程教育理念，目前已廣泛應(yīng)用于全球高校的工程教育領(lǐng)域。CDIO代表構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計(jì)（Design）、實(shí)施（Implement）、運(yùn)行（Operate），它是“做中學(xué)”和“基于項(xiàng)目教育和學(xué)習(xí)”的集中概括[1，2]。

北京交通大學(xué)較早面向研究生開設(shè)了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)課程。筆者基于CDIO教學(xué)理念，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)課程進(jìn)行了相關(guān)教學(xué)改革實(shí)踐，取得了相應(yīng)的教學(xué)效果。

二、教學(xué)面臨問題

（一）教學(xué)內(nèi)容更新不及時(shí)

由于知識(shí)點(diǎn)多而課時(shí)有限，教學(xué)內(nèi)容通常是物聯(lián)網(wǎng)的概念、原理和方法等基礎(chǔ)知識(shí)，導(dǎo)致教學(xué)內(nèi)容缺乏層次性，且與本科生授課區(qū)分度不明顯。

（二）教學(xué)方式單一

目前，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究生課程教學(xué)仍以課堂教授為主，學(xué)生長(zhǎng)期處于被動(dòng)接收信息的狀態(tài)，課堂參與度較低，導(dǎo)致課堂教學(xué)效果不理想。

（三）實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)薄弱

本課程實(shí)踐性要求高，傳統(tǒng)的課堂教學(xué)以理論教學(xué)為主，實(shí)踐教學(xué)為輔，實(shí)踐課時(shí)非常有限，無法滿足課程內(nèi)容的實(shí)踐需求。

（四）課堂考核方法不合理

考核內(nèi)容側(cè)重于課堂教授的書本知識(shí)，缺乏對(duì)學(xué)生綜合掌握和運(yùn)用知識(shí)等能力的考核。考核方式以考試為主，容易導(dǎo)致學(xué)生只注重理論而輕視實(shí)踐。

三、基于CDIO理念的教學(xué)實(shí)踐

（一）教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化

借鑒物聯(lián)網(wǎng)國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材[3]，搭建起層次化的課程知識(shí)體系。根據(jù)信息生成、傳輸、處理和應(yīng)用原則，將物聯(lián)網(wǎng)分為感知識(shí)別層、網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建層、管理服務(wù)層和綜合應(yīng)用層。課程知識(shí)體系各層的知識(shí)點(diǎn)分明、關(guān)聯(lián)緊密，共同組成了物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)架構(gòu)，為學(xué)生全面、深入理解課程教學(xué)內(nèi)容提供了便利。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是一門技術(shù)和內(nèi)容更新都很快的學(xué)科，這就要求教學(xué)過程中要適時(shí)更新能反映最新科技和理論發(fā)展動(dòng)態(tài)的教學(xué)內(nèi)容。課程教學(xué)內(nèi)容陸續(xù)補(bǔ)充了藍(lán)牙5.0、NB-IoT、可見光定位、無線感知等前沿技術(shù)。構(gòu)思了符合工程實(shí)施的實(shí)踐教學(xué)計(jì)劃，將RFID系統(tǒng)、無線傳感網(wǎng)系統(tǒng)、智能家居系統(tǒng)等與實(shí)際應(yīng)用密切相關(guān)的項(xiàng)目作為CDIO的教學(xué)項(xiàng)目載體。

（二）教學(xué)方式改革

1.CDIO工程教育理念在教學(xué)過程中注重啟發(fā)式教學(xué)，結(jié)合日常生活、工程實(shí)踐生產(chǎn)中的實(shí)際案例來啟發(fā)學(xué)生，引導(dǎo)學(xué)生積極思考。同時(shí)，引入項(xiàng)目導(dǎo)向教學(xué)，教學(xué)重點(diǎn)由原本的基本概念和原理講解轉(zhuǎn)向引導(dǎo)學(xué)生選擇合適的技術(shù)方案。

2.將互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與傳統(tǒng)教學(xué)有機(jī)結(jié)合，開展了線上線下混合教學(xué)模式。將微課視頻、課件PPT等上傳至我校研究生網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)，引導(dǎo)學(xué)生觀看微課視頻，做好課前預(yù)習(xí)，課堂上重點(diǎn)回答學(xué)生的疑惑，課下布置作業(yè)或?qū)嶒?yàn)讓學(xué)生鞏固訓(xùn)練。

3.以3～4人小組為單位，老師提供若干物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相關(guān)題目或領(lǐng)域頂級(jí)會(huì)議論文供學(xué)生自主選擇并開展研討;各小組在課下自主學(xué)習(xí)，在課堂上展示PPT匯報(bào);同學(xué)可以提問，教師進(jìn)行點(diǎn)評(píng)，既鍛煉了學(xué)生自主學(xué)習(xí)、語言表達(dá)能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)，又促進(jìn)了師生交流互動(dòng)。

4.以論文形式撰寫技術(shù)綜述，培養(yǎng)學(xué)生收集、分析、處理信息的能力，讓學(xué)生會(huì)用批判質(zhì)疑的眼光去看待、分析、解決問題，讓學(xué)生熟練掌握科技論文的基本寫法和寫作規(guī)范，提升學(xué)生的文獻(xiàn)檢索能力和科學(xué)寫作能力。

（三）實(shí)踐教學(xué)改進(jìn)

對(duì)課程實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了完善，引入了物聯(lián)網(wǎng)綜合實(shí)驗(yàn)箱和樹莓派開發(fā)板。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容突出層次化。

1.驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)：如基于物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)箱的RFID系列實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生通過學(xué)習(xí)API手冊(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)簽的基本操作，鍛煉學(xué)生手冊(cè)查閱能力和代碼編寫能力。WSN系列實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生熟悉傳感器部分知識(shí)，加強(qiáng)對(duì)WSN網(wǎng)絡(luò)和短距離無線通信知識(shí)理解。

2.設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)：結(jié)合家庭安全和智能設(shè)備，設(shè)計(jì)一種基于樹莓派的嵌入式家庭機(jī)器人系統(tǒng)，以樹莓派為嵌入式CPU，設(shè)計(jì)Android手機(jī)終端實(shí)時(shí)進(jìn)行視頻監(jiān)控和數(shù)據(jù)監(jiān)控。

指導(dǎo)學(xué)生結(jié)合現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件，根據(jù)課上所學(xué)理論知識(shí)和課下查閱資料，自主完成實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)的構(gòu)思、實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)步驟的實(shí)施以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果的運(yùn)行等一系列過程，真正實(shí)現(xiàn)“做中學(xué)、學(xué)中做”。

（四）課堂考核實(shí)施

為實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生綜合能力的有效評(píng)價(jià)，對(duì)本課程考核進(jìn)行了改革，通過技術(shù)綜述、專題研討、項(xiàng)目實(shí)踐和隨堂測(cè)試等方式實(shí)施多元化的課程考核。其中，技術(shù)綜述考查學(xué)生對(duì)課程理論知識(shí)及前沿技術(shù)的理解，鍛煉文獻(xiàn)檢索能力和科學(xué)寫作能力;專題研討考查學(xué)生在課下對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的學(xué)習(xí)情況，鍛煉自主學(xué)習(xí)、語言表達(dá)能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí);項(xiàng)目實(shí)踐考查學(xué)生對(duì)所學(xué)理論知識(shí)的應(yīng)用實(shí)踐情況，鍛煉動(dòng)手實(shí)踐和創(chuàng)新能力;隨堂測(cè)試考查學(xué)生綜合運(yùn)用基本概念、原理和分析方法的能力。

多元化課程考核既能較為準(zhǔn)確地反映學(xué)生實(shí)際學(xué)習(xí)情況，也為任課教師進(jìn)行課程教學(xué)總結(jié)和反思提供了較為準(zhǔn)確的依據(jù)。

四、教學(xué)實(shí)踐效果

在基于CDIO工程教育理念的指導(dǎo)下，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究生課程教學(xué)進(jìn)行改革實(shí)踐。從學(xué)生的反饋結(jié)果來看，教學(xué)效果良好，主要表現(xiàn)在以下四個(gè)方面：從教學(xué)內(nèi)容來看，教學(xué)素材信息量大，既有微課視頻、課件PPT，也提供有相關(guān)國(guó)內(nèi)外學(xué)習(xí)資源庫，拓展了學(xué)生的知識(shí)面，開闊了學(xué)術(shù)視野;從課堂教學(xué)來看，教學(xué)方式靈活多樣，知識(shí)傳授采用查閱資料、研討交流等方式來解決，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性;從實(shí)踐教學(xué)來看，確保實(shí)踐教學(xué)手段的先進(jìn)性，在“做中學(xué)、學(xué)中做”過程中，逐步掌握實(shí)踐技能，提升學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí);從課堂考核來看，通過技術(shù)綜述、專題研討、項(xiàng)目實(shí)踐和隨堂測(cè)試等方式實(shí)施多元化的課程考核，實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生綜合能力的有效評(píng)價(jià)。

五、結(jié)論

本文針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究生課程教學(xué)，以CDIO工程教育理念為指導(dǎo)對(duì)課程教學(xué)進(jìn)行改革，這些措施是根據(jù)筆者在實(shí)際教學(xué)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)而來的，并且已經(jīng)在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)課程教學(xué)實(shí)踐中實(shí)際運(yùn)用，取得了一定的教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)

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