基于OBE理念的物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實踐教學(xué)體系建設(shè)研究

摘要：本文結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)建設(shè)實踐，提出基于OBE理念的實踐教學(xué)質(zhì)量保障體系，從解決復(fù)雜工程問題、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)分析設(shè)計能力培養(yǎng)出發(fā)，設(shè)計了實踐教學(xué)環(huán)節(jié)持續(xù)改進的具體方法，包括創(chuàng)新型實踐教學(xué)平臺建設(shè)、產(chǎn)教融合的綜合實訓(xùn)、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐等，并展示綜合實踐類課程的達成評價分析。

關(guān)鍵詞：OBE理念；物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)；實踐教學(xué)體系

中圖分類號：G420 文獻標識碼：A 論文編號：1674-2117（2024）19-0109-04

引言

工程教育專業(yè)認證以“學(xué)生為中心”“成果導(dǎo)向”和“持續(xù)改進”為核心理念，其目的在于建立起高校工程教育的質(zhì)量保障體系，培養(yǎng)與用人單位和行業(yè)發(fā)展緊密契合的具有國際競爭能力的高校畢業(yè)生。[1]近年來，物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展勢頭迅猛。對于應(yīng)用型本科高校來說，物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的培養(yǎng)目標是培養(yǎng)工程實踐能力強，掌握物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的分析、設(shè)計、實施等能力，具有創(chuàng)新能力，適應(yīng)技術(shù)進步和社會需求變化的高素質(zhì)應(yīng)用型工程技術(shù)人才。但專業(yè)建設(shè)中面臨的最主要問題是如何結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)行業(yè)的發(fā)展，從培養(yǎng)目標、實踐教學(xué)體系構(gòu)建、教學(xué)組織方式、教學(xué)質(zhì)量評價和持續(xù)改進機制等方面著手，建立基于產(chǎn)教深度融合的物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實踐教學(xué)模式。

大學(xué)生的工程實踐能力培養(yǎng)需要通過多個環(huán)節(jié)來實現(xiàn)，包括專業(yè)核心課程的課內(nèi)實驗、課程設(shè)計、企業(yè)項目實訓(xùn)、創(chuàng)新實踐、畢業(yè)設(shè)計等。相關(guān)文獻[1]通過對物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實踐教學(xué)現(xiàn)狀的分析，針對實踐教學(xué)環(huán)節(jié)中存在的共性問題，分別從實踐教學(xué)平臺、課程實驗、課程設(shè)計、綜合實訓(xùn)、學(xué)科競賽和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)等方面提出了針對性的改革措施和方法。文獻[1]提出的基于面向產(chǎn)出理念的智能物聯(lián)實訓(xùn)項目教學(xué)內(nèi)容框架，融合了針對需求工程、架構(gòu)設(shè)計、統(tǒng)一建模、編程開發(fā)、網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃等多門類信息學(xué)科課程的專業(yè)知識訓(xùn)練。文獻[2]提出BOPPPSI教學(xué)模型并運用到實踐教學(xué)中，通過完整展示從教學(xué)目標設(shè)計到達成情況分析的全過程，為相關(guān)專業(yè)課程的工程教育改革提供參考。

上述文獻從不同角度對計算機類專業(yè)在工程教育認證過程中實踐教學(xué)模式構(gòu)建問題進行研究和探討，對于實踐教學(xué)質(zhì)量的持續(xù)改進有積極意義，但是對于特定區(qū)域和層次的高校，在物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實踐教學(xué)體系構(gòu)建過程中仍存在需要進一步解決的問題。因此，筆者結(jié)合所在學(xué)院物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的建設(shè)實踐，從產(chǎn)教融合、課程設(shè)計、企業(yè)項目實訓(xùn)、學(xué)科競賽、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目等方面探討提高物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實踐教學(xué)體系構(gòu)建和教學(xué)質(zhì)量持續(xù)改進的有效途徑。

面向工程能力培養(yǎng)的實踐教學(xué)體系

筆者所在學(xué)院在物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的實踐教學(xué)過程中面臨的主要問題包括：①物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的理論課程體系包含計算機、電子信息、人工智能等多個學(xué)科，實踐環(huán)節(jié)涉及的知識模塊較多，且綜合性強，對任課教師的工程實踐能力和系統(tǒng)分析設(shè)計能力有較高要求，而高校教師在能力方面主要進行學(xué)術(shù)研究，具有較強工程實踐能力的教師相對不足。②從引入企業(yè)師資和企業(yè)實際項目提升實踐教學(xué)環(huán)節(jié)質(zhì)量的角度來看，校企合作主體間相對分散，有效的合作機制難以保障。企業(yè)指導(dǎo)教師和校內(nèi)教師的職責劃分不夠清晰，雙方的優(yōu)質(zhì)資源難以共享，難以達到產(chǎn)教深度融合；工程實訓(xùn)類教學(xué)與工程實踐聯(lián)系不夠緊密，企業(yè)參與度不夠深入。③實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的形式較為單調(diào)，缺乏靈活性和層次性，在對學(xué)生多元化、多層次分類培養(yǎng)方面的針對性不足。

針對上述問題，筆者認為，在實踐教學(xué)環(huán)節(jié)首先需要改變教學(xué)觀念，轉(zhuǎn)換教師和學(xué)生的角色，讓學(xué)生在教師的指導(dǎo)下主動完成相關(guān)知識的構(gòu)建。其次，加強實踐環(huán)節(jié)訓(xùn)練，設(shè)計綜合性強的應(yīng)用案例，強調(diào)以學(xué)生思考、分析、操作為主，通過系統(tǒng)需求分析、系統(tǒng)硬件選型與設(shè)計、軟件設(shè)計、功能與性能測試等環(huán)節(jié)，在企業(yè)導(dǎo)師和校內(nèi)導(dǎo)師的指導(dǎo)下完成嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計，提高學(xué)生對物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計與實踐能力。

筆者所在學(xué)院的物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)根據(jù)學(xué)校定位打造了“產(chǎn)教融合”和“創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育”等辦學(xué)特色，學(xué)生除了在課內(nèi)學(xué)習(xí)掌握本專業(yè)基礎(chǔ)理論知識外，還可以通過校企聯(lián)合培養(yǎng)、參與企業(yè)實訓(xùn)工程項目、參與教師課題、大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目、參與學(xué)科競賽等方式深度參與到智能家居、環(huán)境監(jiān)控、智慧養(yǎng)老等物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的架構(gòu)、設(shè)計、開發(fā)、實施等環(huán)節(jié)中，全面培養(yǎng)系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計能力，提升就業(yè)與升學(xué)競爭力。

此外，圍繞解決物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計中的復(fù)雜工程問題的工程能力培養(yǎng)，本專業(yè)基于學(xué)生畢業(yè)要求，結(jié)合企業(yè)項目實訓(xùn)中的“嵌入式系統(tǒng)設(shè)計”“移動應(yīng)用開發(fā)方向”等，設(shè)計了多個復(fù)雜工程問題案例，如：①基于物聯(lián)網(wǎng)的智能萌寵盆栽系統(tǒng)。該項目要求設(shè)計具有植物生長參數(shù)選擇、盆栽環(huán)境自動控制、植物生長環(huán)境監(jiān)測和表情互動、APP遠程監(jiān)測與遠程控制等功能的智能萌寵盆栽系統(tǒng)。以ESP32-S3作為控制器，控制整個盆栽系統(tǒng)的運行。空氣溫濕度傳感器、光照強度傳感器、土壤濕度傳感器、震動傳感器組成傳感器模塊，將收集的環(huán)境數(shù)據(jù)發(fā)送至單片機；水泵、加濕器、LED補光燈組成控制設(shè)備模塊，顯示屏模塊實現(xiàn)系統(tǒng)控制等功能。ESP32-S3集成的Wi-Fi將接收的傳感器數(shù)據(jù)上傳至互聯(lián)網(wǎng)，同時接收手機APP發(fā)送的控制指令。②軌道交通數(shù)據(jù)可視化平臺。建立一卡通大數(shù)據(jù)平臺系統(tǒng)，包括底層存儲與計算環(huán)境、ETL與數(shù)據(jù)治理、標簽系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析與挖掘BI、GIS分析與展現(xiàn)、自定義門戶展示、數(shù)據(jù)安全監(jiān)控管理等子系統(tǒng)功能。根據(jù)一卡通數(shù)據(jù)入庫與清洗、統(tǒng)計與分析，及大數(shù)據(jù)分析后臺的運行結(jié)果進行數(shù)據(jù)可視化呈現(xiàn)，以直接、全面、美觀的效果為數(shù)據(jù)分析人員提供一站式數(shù)據(jù)分析解決方案。

產(chǎn)教深度融合的實踐教學(xué)體系構(gòu)建

筆者所在學(xué)院的物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)還充分利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)創(chuàng)新實驗室及相關(guān)軟硬件資源環(huán)境，構(gòu)建了物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)教學(xué)體系，該體系分為專業(yè)基礎(chǔ)課、專業(yè)核心課、企業(yè)項目實訓(xùn)等部分，如上頁圖1所示。

在企業(yè)項目實訓(xùn)環(huán)節(jié)，針對物聯(lián)網(wǎng)的特定應(yīng)用場景（工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、智能農(nóng)業(yè)、智能家居、智慧工廠等），企業(yè)指導(dǎo)教師會指導(dǎo)學(xué)生從需求分析、系統(tǒng)方案設(shè)計、軟硬件開發(fā)、系統(tǒng)級測試等方面進行完整的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計。企業(yè)實訓(xùn)項目一般會安排學(xué)生分組完成，在該過程中通過解決復(fù)雜問題的實踐，培養(yǎng)學(xué)生的分析思考能力和創(chuàng)新能力，使其能夠更加靈活地應(yīng)對各種挑戰(zhàn)。根據(jù)產(chǎn)教融合、校企合作培養(yǎng)工程型人才的理念，部分綜合性實踐類課程（專業(yè)認識實踐、單片機技術(shù)課程設(shè)計等）嵌入式培養(yǎng)模式引進企業(yè)的真實工程項目案例（智能家居、智慧工廠等）及其管理方式，由校內(nèi)教師和企業(yè)指導(dǎo)教師共同承擔實訓(xùn)項目的設(shè)計和指導(dǎo)任務(wù)，使學(xué)生潛移默化地接受企業(yè)文化與職業(yè)素養(yǎng)，并拓展學(xué)生的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計能力。同時，在第七、八學(xué)期，安排部分學(xué)生到企業(yè)實訓(xùn)基地，讓學(xué)生按照企業(yè)的開發(fā)模式進行企業(yè)開發(fā)實戰(zhàn)實訓(xùn)、實習(xí)、就業(yè)，進一步提升職業(yè)的綜合素質(zhì)并完成畢業(yè)設(shè)計（論文）教學(xué)環(huán)節(jié)。

本專業(yè)與多家企業(yè)合作建立了物聯(lián)網(wǎng)工程創(chuàng)新實驗室，該實驗室引入多個物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域的創(chuàng)新實踐項目，包括工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（智慧工廠）綜合實訓(xùn)平臺、泛在接入物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)平臺與管控系統(tǒng)、大氣網(wǎng)格化智能監(jiān)測平臺、智能交通車聯(lián)網(wǎng)信息系統(tǒng)、基于ZigBee的煤礦智能安防系統(tǒng)、基于STM32的智能樓宇監(jiān)控開發(fā)系統(tǒng)等。該實驗室采用自頂向下的設(shè)計模式，實現(xiàn)了具備以下能力的綜合實驗平臺：底層可接入個性化/自定義設(shè)備模塊頂層可實現(xiàn)多樣化數(shù)據(jù)展示，后臺可對數(shù)據(jù)進行分析、挖掘、分類、評估及預(yù)測，前端可接入各類移動終端以及嵌入式設(shè)備，在技術(shù)上涵蓋物理層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層以及應(yīng)用層的全部實驗場景。實驗室架構(gòu)如圖2所示。

例如，本專業(yè)與某公司合作在項目實訓(xùn)中引入了泛在接入物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)平臺，為學(xué)生對物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計提供了完整的實訓(xùn)方案，并可作為學(xué)科技術(shù)基石進行創(chuàng)新、擴展與延伸。在技術(shù)上，云平臺服務(wù)端以Python體系的Django架構(gòu)實現(xiàn)，使用MySQL作為數(shù)據(jù)庫，并通過C++/Qt實現(xiàn)中間件接口，在用戶接口方面，平臺使用了前后端分離的設(shè)計模式，以B/S架構(gòu)為主，配合微信小程序?qū)崿F(xiàn)跨平臺訪問。

教學(xué)質(zhì)量持續(xù)改進機制

物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)依照OBE理念的核心要素“學(xué)生中心、產(chǎn)出導(dǎo)向、持續(xù)質(zhì)量改進”，從培養(yǎng)目標、畢業(yè)要求、課程體系和課程質(zhì)量等方面不斷改進工作，形成校內(nèi)循環(huán)和校外循環(huán)，校內(nèi)循環(huán)的實施基于教學(xué)過程質(zhì)量監(jiān)控機制和畢業(yè)要求達成度評價機制，校外循環(huán)的實施則基于畢業(yè)生跟蹤反饋機制和社會評價機制。校內(nèi)、校外通過培養(yǎng)目標、畢業(yè)要求的評價與改進形成有機的整體，相互支撐，相互促進。本專業(yè)的持續(xù)改進機制如上頁圖3所示。

同時，為了保證本專業(yè)全體學(xué)生了解物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的發(fā)展和就業(yè)前景，學(xué)院開設(shè)了專業(yè)導(dǎo)學(xué)課程與專業(yè)認識實踐課程。專業(yè)導(dǎo)學(xué)課程安排在大一第一學(xué)期，任課教師向?qū)W生解讀專業(yè)培養(yǎng)方案，包括培養(yǎng)目標、畢業(yè)要求和課程體系結(jié)構(gòu)，重點闡述物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的課程體系，讓學(xué)生明白各課程之間的支撐關(guān)系及要重點掌握的核心課程，并對學(xué)生的學(xué)習(xí)規(guī)劃及發(fā)展方向進行引導(dǎo)和建議。專業(yè)認識實踐課程通過結(jié)合企業(yè)工程案例，使學(xué)生接觸社會，考察企業(yè)人才結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀和社會對本專業(yè)人才的需求情況，認識和了解產(chǎn)品研發(fā)過程，了解本專業(yè)的形成和發(fā)展過程、專業(yè)內(nèi)涵和應(yīng)用狀況及其發(fā)展趨勢。圖4為專業(yè)持續(xù)改進的信息交流和反饋機制。

實施效果

通過近三年實踐教學(xué)改革和實施，筆者所在學(xué)院物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)學(xué)生的工程實踐能力和創(chuàng)新能力明顯提高，尤其在學(xué)科競賽獲獎、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目、升學(xué)率、就業(yè)率等方面均有較大提高。這說明，基于OBE理念的實踐教學(xué)體系建設(shè)有利于培養(yǎng)學(xué)生扎實的物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)基礎(chǔ)理論知識和工程實踐能力，較強的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)精神、團隊協(xié)作意識和社會責任感。

參考文獻：

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[2]肖堯，王嬌琳，劉勝藍，等.工程認證下計算機類實踐課程的BOPPPSI教學(xué)模型設(shè)計與實踐[J].計算機教育，2023（08）：166-171.

基金項目：常州工學(xué)院教學(xué)改革重點項目“基于OBE理念的物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)教學(xué)體系創(chuàng)新模式研究（jgkt2022-8）”；教育部供需對接就業(yè)育人項目“新工科背景下無線傳感網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)改革研究（20220102602）”。