基于CDIO理念的物联网课程教学改革与实践

余发军， 王双红， 林漫漫

（中原工学院电子信息学院，郑州450007）

0 引 言

工程教育专业要求以学生为中心、以培养目标达成度为标准、以毕业生产出质量为导向，是近些年我国高等教育各专业培养人才的新规格标准［1-2］。实现高校开设专业达到符合国际工程教育专业认证的标准，需从师资、培养方案、课程体系、办学条件、配套设施设备等各环节入手，进行系统性规划和改革［3-4］。课程体系服务于专业目标，课程内容是专业目标的具体化和实现载体，而课程教学方式是实现培养指标点能否达成的关键环节［5］。CDIO 是一种全新工程教育理念和实施体系，倡导学生在掌握扎实工程理论和专业知识的基础上，将教学融入具体的工程应用中［6］。CDIO理念将构思（Conceive）、设计（Design）、实施（Implement）、运行（Operate）4 个环节贯穿于整个人才培养目标体系和课程的教学实践中，使学生具备专业基础扎实和实践能力强的创新型人才，是工程教育专业有效的实施路径之一［7］。

物联网技术是集传感技术、通信网络技术、计算机处理技术和智能系统等技术于一体的交叉性学科［8］，该课程具有内容涉及知识面广，应用领域宽，项目实践性强的特点［9］。如何开展物联网课程的教学改革，使其促成在工程教育专业培养指标点的实现，是任课教师亟须解决的问题。针对我校测控技术与仪器专业工程教育标准下对物联网课程的培养指标要求［10］，结合课程的内容体系，提出基于CDIO 理念的教学改革与实践方式。首先按专业培养指标点设置课程指标点，再将课程内容知识点映射到课程指标点上，然后，以课程指标点制定对应知识点的项目教学，采用CDIO 教学理念，以案例项目为依托，促成专业培养指标点的实现。

通过结合工程应用中“基于ZigBee技术的温泉水温监测系统”的案例项目，阐述CDIO理念的“构思、设计、实现、运作”4 环节的具体教学实践方式。过程性评价和考核结果表明，基于CDIO 理念的物联网课程项目教学方式，可激发学生学习物联网课程的积极性，增强在工程实践中的创新和动手能力，是促成工程教育专业培养目标实现的有效手段。

1 物联网课程特点与教学现状

物联网技术是基于互联网、传统电信网、移动数据网或专门网等通信载体，通过信息载体将所有能够被独立寻址的普通物理对象实现互联互通的技术。按工程教育专业认证标准，专业课程体系分成4 类：数学与自然科学类、工程基础类、专业基础、专业课。物联网课程在测控技术与仪器专业课程体系中属于专业课，课程内容涉及传感器技术、传输与通信技术、计算机处理技术和智能系统等技术，具有理论涉及广、应用性强的特点。

现有教学模式主要以教师讲授对应知识点、学生被动接收听讲方式为主，这种以教师为主导的教学方式，难以调动学生学习的积极性，难以达到工程教育专业的标准要求，主要表现为［11］：

（1）师资力量薄弱，任课教师缺乏物联网技术的知识与应用更新。在5G 到来之际，万物互联的时代悄然来临，物联网技术日新月异，任课教师缺乏最新技术，势必影响授课质量和学生知识的掌握程度。目前，现有讲授多以传统经典知识点为全部内容，没有将新技术（如手机APP）融入知识体系中讲授。

（2）教学知识内容没有对照工程教育专业认证标准去对标讲授，缺乏明确的教学目的性和培养规格的指引性。现有教学只按选定教材的内容安排按部就班地讲授，讲授过程没有明确目标指引，讲完之后学生的成果导出效果不得而知。

（3）教学方式陈旧，缺乏教学项目案例，所讲知识点多以理论为主，学生的参与程度低，难以调动学习激情。另外，考核方式多采用试卷形式，学生知识体系掌握多靠记忆，缺乏项目实践的动手能力培养环节［12］。

2 基于CDIO的物联网课程改革方案

2.1 总体思路

针对工程教育专业下培养规格要求，结合物联网课程特点，采用基于CDIO理念的教学改革，克服现有教学现状的弊端，其总体思路如图1 所示。

图1 物联网课程教学改革总体思路

在该物联网课程教学的改革思路中，从上到下的方向为：由测控技术与仪器专业工程认证对人才培养规格的要求，决定物联网课程指标支撑点；由指标支撑点决定课程达到的技能要求；由技能要求决定课程的内容安排；再由课程内容决定项目的设置。从下到上方向为：通过工程案例项目促成课程内容的掌握；通过课程内容的掌握促成技能要求的实现；通过技能要求的实现促成指标点的达标；最后促成人才培养规格的实现。横向层次一一对应，实现对应层次的要求。

2.2 课程内容的设计

根据测控技术与仪器专业工程教育认证标准［10］，物联网课程支撑12 项通用标准中的第1 项为工程知识、第2 项为问题分析、第3 项为设计／开发、第10 项为沟通、第11 项为项目管理，共5 项为指标点（见表1）。据此，将支撑指标点映射到物联网课程的技能培养目标点上。

由技能培养目标点要求决定课程内容的安排，如表2 所示。需要说明的是物联网课程内容的安排服务于专业总体规格标准，并由此制定课程的教学大纲和教学计划，而教学方式是授课这些内容的具体形式，是支撑指标点乃至培养规格标准实现的关键环节［13］。

表1 物联网课程主要技能培养目标点

表2 物联网课程的主要内容安排

2.3 课程教学的设计

为了达成物联网课程各内容的技能培养目标点的要求，采用如图2 所示的课程教学3 环节：理论环节-基础精讲、实验环节-加强巩固、项目环节-提高拓展。

图2 物联网课程教学3环节

（1）理论环节。基础理论（如物联网概念、组成部分、核心组成技术等）以学生课前预习、课上提问方式进行，调动学习主动性；技术理论（如传感与检测、定位、传输、通信等）以精讲实现原理、应用范围为主；系统理论（如系统设计原则、步骤等）以分析案例为主。

（2）实验环节。以学校配套物联网基础实验箱为载体，通过与传感器实验台配合，以ZigBee、蓝牙、WiFi、现场总线等方式进行组网，通过这些基础实验内容促成学生对物联网课程中传感器检测层和传输网络层基础知识的掌握。

（3）项目环节。通过布置每个知识内容点配套的项目案例，让学生完成项目的“构思、设计、实现、运作”4 环节，促成对应技能目标点的达标。每个知识点配套的项目案例如表3 所示，通过配套案例4 环节评价与考核机制，保障学生在项目环节中提高技能、扩展知识点的应用能力。

表3 物联网课程知识点的配套项目案例

3 基于CDIO的物联网课程教学实践

上述基于CDIO理念的物联网课程改革思路确定了教学内容和教学方式，下面以“基于ZigBee 技术的温泉水温监测系统”项目为例，阐述具体的教学实践过程。

（1）“构思”环节。教师抛出问题“温泉酒店中各汤池的温度如何集中控制显示”，引导学生查询并思考分析“温泉水温监测系统”项目的市场需求和涉及主要技术等。学生通过这一环节可以了解到：现阶段的温泉酒店中，汤池水温监测系统多以现场采集方式为主，各汤池水温是分散独立测量和显示的，采用分散测量与集中监控的网络化监测系统相对较少。

（2）“设计”环节。教师引导问题“酒店汤池间距与哪种组网技术相匹配”，学生根据问题查询资源了解具体组网技术中ZigBee 协议。教师理论精讲ZigBee协议原理、特点和应用场合，让学生去设计基于ZigBee协议的技术方案，学生设计的总体方案如图3所示。

（3）“实施”环节。提醒学生在这阶段要进行软硬件联调、测试条件，测试每个节点最大间距、每个节点采集水温值的精度等信息，引导学生在设计好硬件和软件后，如何进行下一步的测试和改进工作。学生通过这一阶段的学习训练过程，会理解如何在硬件条件下更好地编程实现功能要求，如何在正式投入使用前进行模拟测试，如何通过理论与实际结合进行产品的精度分析等实践经验知识。图4、5 所示分别为学生设计的水温采集节点模块与中心机协调器模块。

图3 系统总体设计图

图4 水温采集节点实施框图

图5 中心机协调器节点实施框图

（4）“运行”环节。这一阶段主要让学生综合考虑硬件、软件和整个系统制成产品后的综合测试，得出优势，分析如何与市场对接，根据市场对产品的反馈意见，进行设计方案、软硬件评估，以促进产品的后续修订、改进和优化。在这一阶段还要求学生根据市场行情撰写市场策划和运营模式计划书，以增强学生对物联网技术创新创业方面的素质培养。

4 过程评价与考核

基于CDIO理念的物联网课程教学改革模式，要求以学生的成果导出为目标，在每个环节都配合有过程评价与考核，保障学生在各环节保质保量的完成［14］。每个技能目标点都需要对应的知识点内容去支撑完成，而每个知识点内容的学习是通过配套案例项目实现的，因此对每个案例项目的过程性评价与考核，是保障整个课程技能培养目标点能否实现的关键环节［15］。过程评价与考核方式如表4 所示。

表4 基于CDIO的课程教学评价与考核内容和方式

下面以“基于ZigBee 技术的温泉水温监测系统”项目为例，阐述具体的评价与考核过程。每次以3 人为1 组，组织学生的案例实施，学生自己根据自己特长参与组内分工协作。“构思”阶段，组内学生通过实际调研或网络资源给出市场上现有“温泉水温监测”的主要产品的特点、实现技术等，将其汇总成电子版报告，并与文献资料一起打包共享到课程的公共平台上，让其他组学生打分，教师给出评语，学生打分的平均值即为“构思”得分。“设计”阶段，组内学生对拟采用ZigBee技术的理论方面描述和系统总体方案设计报告以电子版形式，让其他组学生打分，教师检查硬件设计实物打分，两者分数的平均值即为“设计”得分。“实施”阶段，学生演示软硬件联调结果，教师验收打分，并结合每组学生联调结果，给出建议和点评，教师打分值即为“实施”得分。“运行”阶段，学生根据测试联调结果结合教师建议给出改进方案，并实施验证，撰写策划／运营计划书，形成电子档报告，让其他组学生打分，教师验收改进后的实物，结合计划书给出点评和建议，学生打分的平均值即为“运行”得分。

5 结 语

对测控技术与仪器专业2017 ～2019 3 届毕业生采用了基于CDIO 理念的物联网课程教学模式，其教学效果改善明显，主要体现在：①课程对学生知识渗透明显加深，学生勇于选择与物联网相关的题目作为毕业设计题目或各类学科竞赛题目，并取得了很好的成果；②课程激发了学生的创新创意热情，课外积极与教师讨论物联网技术方面的项目技术和新应用领域，如“物联网＋无人机”创新创意项目；③从事物联网技术相关工作的毕业生人数明显增加，其中许多成为相关企业的技术骨干。这些效果的改善得益于基于CDIO理念的物联网课程教学模式对技能培养目标点与教学内容的准确定位、内容知识点与案例项目的结合、教学方式和项目教学过程性评价与考核体系的实施。