基于CDIO理念的物聯(lián)網(wǎng)課程教學(xué)改革與實(shí)踐

余發(fā)軍， 王雙紅， 林漫漫

（中原工學(xué)院電子信息學(xué)院，鄭州450007）

0 引 言

工程教育專業(yè)要求以學(xué)生為中心、以培養(yǎng)目標(biāo)達(dá)成度為標(biāo)準(zhǔn)、以畢業(yè)生產(chǎn)出質(zhì)量為導(dǎo)向，是近些年我國高等教育各專業(yè)培養(yǎng)人才的新規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)［1-2］。實(shí)現(xiàn)高校開設(shè)專業(yè)達(dá)到符合國際工程教育專業(yè)認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)，需從師資、培養(yǎng)方案、課程體系、辦學(xué)條件、配套設(shè)施設(shè)備等各環(huán)節(jié)入手，進(jìn)行系統(tǒng)性規(guī)劃和改革［3-4］。課程體系服務(wù)于專業(yè)目標(biāo)，課程內(nèi)容是專業(yè)目標(biāo)的具體化和實(shí)現(xiàn)載體，而課程教學(xué)方式是實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)指標(biāo)點(diǎn)能否達(dá)成的關(guān)鍵環(huán)節(jié)［5］。CDIO 是一種全新工程教育理念和實(shí)施體系，倡導(dǎo)學(xué)生在掌握扎實(shí)工程理論和專業(yè)知識(shí)的基礎(chǔ)上，將教學(xué)融入具體的工程應(yīng)用中［6］。CDIO理念將構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計(jì)（Design）、實(shí)施（Implement）、運(yùn)行（Operate）4 個(gè)環(huán)節(jié)貫穿于整個(gè)人才培養(yǎng)目標(biāo)體系和課程的教學(xué)實(shí)踐中，使學(xué)生具備專業(yè)基礎(chǔ)扎實(shí)和實(shí)踐能力強(qiáng)的創(chuàng)新型人才，是工程教育專業(yè)有效的實(shí)施路徑之一［7］。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是集傳感技術(shù)、通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計(jì)算機(jī)處理技術(shù)和智能系統(tǒng)等技術(shù)于一體的交叉性學(xué)科［8］，該課程具有內(nèi)容涉及知識(shí)面廣，應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?，?xiàng)目實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)［9］。如何開展物聯(lián)網(wǎng)課程的教學(xué)改革，使其促成在工程教育專業(yè)培養(yǎng)指標(biāo)點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)，是任課教師亟須解決的問題。針對(duì)我校測控技術(shù)與儀器專業(yè)工程教育標(biāo)準(zhǔn)下對(duì)物聯(lián)網(wǎng)課程的培養(yǎng)指標(biāo)要求［10］，結(jié)合課程的內(nèi)容體系，提出基于CDIO 理念的教學(xué)改革與實(shí)踐方式。首先按專業(yè)培養(yǎng)指標(biāo)點(diǎn)設(shè)置課程指標(biāo)點(diǎn)，再將課程內(nèi)容知識(shí)點(diǎn)映射到課程指標(biāo)點(diǎn)上，然后，以課程指標(biāo)點(diǎn)制定對(duì)應(yīng)知識(shí)點(diǎn)的項(xiàng)目教學(xué)，采用CDIO 教學(xué)理念，以案例項(xiàng)目為依托，促成專業(yè)培養(yǎng)指標(biāo)點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)。

通過結(jié)合工程應(yīng)用中“基于ZigBee技術(shù)的溫泉水溫監(jiān)測系統(tǒng)”的案例項(xiàng)目，闡述CDIO理念的“構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、運(yùn)作”4 環(huán)節(jié)的具體教學(xué)實(shí)踐方式。過程性評(píng)價(jià)和考核結(jié)果表明，基于CDIO 理念的物聯(lián)網(wǎng)課程項(xiàng)目教學(xué)方式，可激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物聯(lián)網(wǎng)課程的積極性，增強(qiáng)在工程實(shí)踐中的創(chuàng)新和動(dòng)手能力，是促成工程教育專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的有效手段。

1 物聯(lián)網(wǎng)課程特點(diǎn)與教學(xué)現(xiàn)狀

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是基于互聯(lián)網(wǎng)、傳統(tǒng)電信網(wǎng)、移動(dòng)數(shù)據(jù)網(wǎng)或?qū)ｉT網(wǎng)等通信載體，通過信息載體將所有能夠被獨(dú)立尋址的普通物理對(duì)象實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通的技術(shù)。按工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，專業(yè)課程體系分成4 類：數(shù)學(xué)與自然科學(xué)類、工程基礎(chǔ)類、專業(yè)基礎(chǔ)、專業(yè)課。物聯(lián)網(wǎng)課程在測控技術(shù)與儀器專業(yè)課程體系中屬于專業(yè)課，課程內(nèi)容涉及傳感器技術(shù)、傳輸與通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)處理技術(shù)和智能系統(tǒng)等技術(shù)，具有理論涉及廣、應(yīng)用性強(qiáng)的特點(diǎn)。

現(xiàn)有教學(xué)模式主要以教師講授對(duì)應(yīng)知識(shí)點(diǎn)、學(xué)生被動(dòng)接收聽講方式為主，這種以教師為主導(dǎo)的教學(xué)方式，難以調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，難以達(dá)到工程教育專業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)要求，主要表現(xiàn)為［11］：

（1）師資力量薄弱，任課教師缺乏物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的知識(shí)與應(yīng)用更新。在5G 到來之際，萬物互聯(lián)的時(shí)代悄然來臨，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)日新月異，任課教師缺乏最新技術(shù)，勢必影響授課質(zhì)量和學(xué)生知識(shí)的掌握程度。目前，現(xiàn)有講授多以傳統(tǒng)經(jīng)典知識(shí)點(diǎn)為全部內(nèi)容，沒有將新技術(shù)（如手機(jī)APP）融入知識(shí)體系中講授。

（2）教學(xué)知識(shí)內(nèi)容沒有對(duì)照工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)去對(duì)標(biāo)講授，缺乏明確的教學(xué)目的性和培養(yǎng)規(guī)格的指引性?，F(xiàn)有教學(xué)只按選定教材的內(nèi)容安排按部就班地講授，講授過程沒有明確目標(biāo)指引，講完之后學(xué)生的成果導(dǎo)出效果不得而知。

（3）教學(xué)方式陳舊，缺乏教學(xué)項(xiàng)目案例，所講知識(shí)點(diǎn)多以理論為主，學(xué)生的參與程度低，難以調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)激情。另外，考核方式多采用試卷形式，學(xué)生知識(shí)體系掌握多靠記憶，缺乏項(xiàng)目實(shí)踐的動(dòng)手能力培養(yǎng)環(huán)節(jié)［12］。

2 基于CDIO的物聯(lián)網(wǎng)課程改革方案

2.1 總體思路

針對(duì)工程教育專業(yè)下培養(yǎng)規(guī)格要求，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)課程特點(diǎn)，采用基于CDIO理念的教學(xué)改革，克服現(xiàn)有教學(xué)現(xiàn)狀的弊端，其總體思路如圖1 所示。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)課程教學(xué)改革總體思路

在該物聯(lián)網(wǎng)課程教學(xué)的改革思路中，從上到下的方向?yàn)椋河蓽y控技術(shù)與儀器專業(yè)工程認(rèn)證對(duì)人才培養(yǎng)規(guī)格的要求，決定物聯(lián)網(wǎng)課程指標(biāo)支撐點(diǎn)；由指標(biāo)支撐點(diǎn)決定課程達(dá)到的技能要求；由技能要求決定課程的內(nèi)容安排；再由課程內(nèi)容決定項(xiàng)目的設(shè)置。從下到上方向?yàn)椋和ㄟ^工程案例項(xiàng)目促成課程內(nèi)容的掌握；通過課程內(nèi)容的掌握促成技能要求的實(shí)現(xiàn)；通過技能要求的實(shí)現(xiàn)促成指標(biāo)點(diǎn)的達(dá)標(biāo)；最后促成人才培養(yǎng)規(guī)格的實(shí)現(xiàn)。橫向?qū)哟我灰粚?duì)應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)層次的要求。

2.2 課程內(nèi)容的設(shè)計(jì)

根據(jù)測控技術(shù)與儀器專業(yè)工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)［10］，物聯(lián)網(wǎng)課程支撐12 項(xiàng)通用標(biāo)準(zhǔn)中的第1 項(xiàng)為工程知識(shí)、第2 項(xiàng)為問題分析、第3 項(xiàng)為設(shè)計(jì)／開發(fā)、第10 項(xiàng)為溝通、第11 項(xiàng)為項(xiàng)目管理，共5 項(xiàng)為指標(biāo)點(diǎn)（見表1）。據(jù)此，將支撐指標(biāo)點(diǎn)映射到物聯(lián)網(wǎng)課程的技能培養(yǎng)目標(biāo)點(diǎn)上。

由技能培養(yǎng)目標(biāo)點(diǎn)要求決定課程內(nèi)容的安排，如表2 所示。需要說明的是物聯(lián)網(wǎng)課程內(nèi)容的安排服務(wù)于專業(yè)總體規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)，并由此制定課程的教學(xué)大綱和教學(xué)計(jì)劃，而教學(xué)方式是授課這些內(nèi)容的具體形式，是支撐指標(biāo)點(diǎn)乃至培養(yǎng)規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)［13］。

表1 物聯(lián)網(wǎng)課程主要技能培養(yǎng)目標(biāo)點(diǎn)

表2 物聯(lián)網(wǎng)課程的主要內(nèi)容安排

2.3 課程教學(xué)的設(shè)計(jì)

為了達(dá)成物聯(lián)網(wǎng)課程各內(nèi)容的技能培養(yǎng)目標(biāo)點(diǎn)的要求，采用如圖2 所示的課程教學(xué)3 環(huán)節(jié)：理論環(huán)節(jié)-基礎(chǔ)精講、實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)-加強(qiáng)鞏固、項(xiàng)目環(huán)節(jié)-提高拓展。

圖2 物聯(lián)網(wǎng)課程教學(xué)3環(huán)節(jié)

（1）理論環(huán)節(jié)。基礎(chǔ)理論（如物聯(lián)網(wǎng)概念、組成部分、核心組成技術(shù)等）以學(xué)生課前預(yù)習(xí)、課上提問方式進(jìn)行，調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)主動(dòng)性；技術(shù)理論（如傳感與檢測、定位、傳輸、通信等）以精講實(shí)現(xiàn)原理、應(yīng)用范圍為主；系統(tǒng)理論（如系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則、步驟等）以分析案例為主。

（2）實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。以學(xué)校配套物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)箱為載體，通過與傳感器實(shí)驗(yàn)臺(tái)配合，以ZigBee、藍(lán)牙、WiFi、現(xiàn)場總線等方式進(jìn)行組網(wǎng)，通過這些基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容促成學(xué)生對(duì)物聯(lián)網(wǎng)課程中傳感器檢測層和傳輸網(wǎng)絡(luò)層基礎(chǔ)知識(shí)的掌握。

（3）項(xiàng)目環(huán)節(jié)。通過布置每個(gè)知識(shí)內(nèi)容點(diǎn)配套的項(xiàng)目案例，讓學(xué)生完成項(xiàng)目的“構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、運(yùn)作”4 環(huán)節(jié)，促成對(duì)應(yīng)技能目標(biāo)點(diǎn)的達(dá)標(biāo)。每個(gè)知識(shí)點(diǎn)配套的項(xiàng)目案例如表3 所示，通過配套案例4 環(huán)節(jié)評(píng)價(jià)與考核機(jī)制，保障學(xué)生在項(xiàng)目環(huán)節(jié)中提高技能、擴(kuò)展知識(shí)點(diǎn)的應(yīng)用能力。

表3 物聯(lián)網(wǎng)課程知識(shí)點(diǎn)的配套項(xiàng)目案例

3 基于CDIO的物聯(lián)網(wǎng)課程教學(xué)實(shí)踐

上述基于CDIO理念的物聯(lián)網(wǎng)課程改革思路確定了教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式，下面以“基于ZigBee 技術(shù)的溫泉水溫監(jiān)測系統(tǒng)”項(xiàng)目為例，闡述具體的教學(xué)實(shí)踐過程。

（1）“構(gòu)思”環(huán)節(jié)。教師拋出問題“溫泉酒店中各湯池的溫度如何集中控制顯示”，引導(dǎo)學(xué)生查詢并思考分析“溫泉水溫監(jiān)測系統(tǒng)”項(xiàng)目的市場需求和涉及主要技術(shù)等。學(xué)生通過這一環(huán)節(jié)可以了解到：現(xiàn)階段的溫泉酒店中，湯池水溫監(jiān)測系統(tǒng)多以現(xiàn)場采集方式為主，各湯池水溫是分散獨(dú)立測量和顯示的，采用分散測量與集中監(jiān)控的網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測系統(tǒng)相對(duì)較少。

（2）“設(shè)計(jì)”環(huán)節(jié)。教師引導(dǎo)問題“酒店湯池間距與哪種組網(wǎng)技術(shù)相匹配”，學(xué)生根據(jù)問題查詢資源了解具體組網(wǎng)技術(shù)中ZigBee 協(xié)議。教師理論精講ZigBee協(xié)議原理、特點(diǎn)和應(yīng)用場合，讓學(xué)生去設(shè)計(jì)基于ZigBee協(xié)議的技術(shù)方案，學(xué)生設(shè)計(jì)的總體方案如圖3所示。

（3）“實(shí)施”環(huán)節(jié)。提醒學(xué)生在這階段要進(jìn)行軟硬件聯(lián)調(diào)、測試條件，測試每個(gè)節(jié)點(diǎn)最大間距、每個(gè)節(jié)點(diǎn)采集水溫值的精度等信息，引導(dǎo)學(xué)生在設(shè)計(jì)好硬件和軟件后，如何進(jìn)行下一步的測試和改進(jìn)工作。學(xué)生通過這一階段的學(xué)習(xí)訓(xùn)練過程，會(huì)理解如何在硬件條件下更好地編程實(shí)現(xiàn)功能要求，如何在正式投入使用前進(jìn)行模擬測試，如何通過理論與實(shí)際結(jié)合進(jìn)行產(chǎn)品的精度分析等實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)知識(shí)。圖4、5 所示分別為學(xué)生設(shè)計(jì)的水溫采集節(jié)點(diǎn)模塊與中心機(jī)協(xié)調(diào)器模塊。

圖3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖

圖4 水溫采集節(jié)點(diǎn)實(shí)施框圖

圖5 中心機(jī)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)實(shí)施框圖

（4）“運(yùn)行”環(huán)節(jié)。這一階段主要讓學(xué)生綜合考慮硬件、軟件和整個(gè)系統(tǒng)制成產(chǎn)品后的綜合測試，得出優(yōu)勢，分析如何與市場對(duì)接，根據(jù)市場對(duì)產(chǎn)品的反饋意見，進(jìn)行設(shè)計(jì)方案、軟硬件評(píng)估，以促進(jìn)產(chǎn)品的后續(xù)修訂、改進(jìn)和優(yōu)化。在這一階段還要求學(xué)生根據(jù)市場行情撰寫市場策劃和運(yùn)營模式計(jì)劃書，以增強(qiáng)學(xué)生對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)方面的素質(zhì)培養(yǎng)。

4 過程評(píng)價(jià)與考核

基于CDIO理念的物聯(lián)網(wǎng)課程教學(xué)改革模式，要求以學(xué)生的成果導(dǎo)出為目標(biāo)，在每個(gè)環(huán)節(jié)都配合有過程評(píng)價(jià)與考核，保障學(xué)生在各環(huán)節(jié)保質(zhì)保量的完成［14］。每個(gè)技能目標(biāo)點(diǎn)都需要對(duì)應(yīng)的知識(shí)點(diǎn)內(nèi)容去支撐完成，而每個(gè)知識(shí)點(diǎn)內(nèi)容的學(xué)習(xí)是通過配套案例項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)的，因此對(duì)每個(gè)案例項(xiàng)目的過程性評(píng)價(jià)與考核，是保障整個(gè)課程技能培養(yǎng)目標(biāo)點(diǎn)能否實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)［15］。過程評(píng)價(jià)與考核方式如表4 所示。

表4 基于CDIO的課程教學(xué)評(píng)價(jià)與考核內(nèi)容和方式

下面以“基于ZigBee 技術(shù)的溫泉水溫監(jiān)測系統(tǒng)”項(xiàng)目為例，闡述具體的評(píng)價(jià)與考核過程。每次以3 人為1 組，組織學(xué)生的案例實(shí)施，學(xué)生自己根據(jù)自己特長參與組內(nèi)分工協(xié)作?！皹?gòu)思”階段，組內(nèi)學(xué)生通過實(shí)際調(diào)研或網(wǎng)絡(luò)資源給出市場上現(xiàn)有“溫泉水溫監(jiān)測”的主要產(chǎn)品的特點(diǎn)、實(shí)現(xiàn)技術(shù)等，將其匯總成電子版報(bào)告，并與文獻(xiàn)資料一起打包共享到課程的公共平臺(tái)上，讓其他組學(xué)生打分，教師給出評(píng)語，學(xué)生打分的平均值即為“構(gòu)思”得分?！霸O(shè)計(jì)”階段，組內(nèi)學(xué)生對(duì)擬采用ZigBee技術(shù)的理論方面描述和系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)報(bào)告以電子版形式，讓其他組學(xué)生打分，教師檢查硬件設(shè)計(jì)實(shí)物打分，兩者分?jǐn)?shù)的平均值即為“設(shè)計(jì)”得分。“實(shí)施”階段，學(xué)生演示軟硬件聯(lián)調(diào)結(jié)果，教師驗(yàn)收打分，并結(jié)合每組學(xué)生聯(lián)調(diào)結(jié)果，給出建議和點(diǎn)評(píng)，教師打分值即為“實(shí)施”得分?！斑\(yùn)行”階段，學(xué)生根據(jù)測試聯(lián)調(diào)結(jié)果結(jié)合教師建議給出改進(jìn)方案，并實(shí)施驗(yàn)證，撰寫策劃／運(yùn)營計(jì)劃書，形成電子檔報(bào)告，讓其他組學(xué)生打分，教師驗(yàn)收改進(jìn)后的實(shí)物，結(jié)合計(jì)劃書給出點(diǎn)評(píng)和建議，學(xué)生打分的平均值即為“運(yùn)行”得分。

5 結(jié) 語

對(duì)測控技術(shù)與儀器專業(yè)2017 ～2019 3 屆畢業(yè)生采用了基于CDIO 理念的物聯(lián)網(wǎng)課程教學(xué)模式，其教學(xué)效果改善明顯，主要體現(xiàn)在：①課程對(duì)學(xué)生知識(shí)滲透明顯加深，學(xué)生勇于選擇與物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的題目作為畢業(yè)設(shè)計(jì)題目或各類學(xué)科競賽題目，并取得了很好的成果；②課程激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)意熱情，課外積極與教師討論物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)方面的項(xiàng)目技術(shù)和新應(yīng)用領(lǐng)域，如“物聯(lián)網(wǎng)＋無人機(jī)”創(chuàng)新創(chuàng)意項(xiàng)目；③從事物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相關(guān)工作的畢業(yè)生人數(shù)明顯增加，其中許多成為相關(guān)企業(yè)的技術(shù)骨干。這些效果的改善得益于基于CDIO理念的物聯(lián)網(wǎng)課程教學(xué)模式對(duì)技能培養(yǎng)目標(biāo)點(diǎn)與教學(xué)內(nèi)容的準(zhǔn)確定位、內(nèi)容知識(shí)點(diǎn)與案例項(xiàng)目的結(jié)合、教學(xué)方式和項(xiàng)目教學(xué)過程性評(píng)價(jià)與考核體系的實(shí)施。