CDIO理念支持的初中物联网工程教育实践与探索——以“心率监测、科学助跑”为例

祁小明 江苏省江阴市教师发展中心

陆燕芳 江苏省江阴市礼延实验学校

●CDIO工程教育理念与物联网教学的关联

CDIO工程教育是由麻省理工学院联合多所大学合作而建立的高校工程人才培养模式。CDIO是构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）和运作（Operate）的简写，代表了工程教育的四个环节。

《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》对“物联网实践和探索”模块的学业要求是理解万物互联，设计并搭建简易物联系统，读取并处理物联网功能设备中的数据，适当反馈或控制，从而认识物联网自主可控技术的重要作用。在国内，由于工程教育起步较晚，中小学基础教育阶段多以应试教育、会考方向为主，工程教育文化缺失，导致普通高中学生实践操作和创新能力普遍偏低，学生对工程教育缺少正确的认知，因此，在物联网教学中引入工程教育理念具有重要的意义。

首先，帮助学生理解并探索真实的生活世界。在物联网探索活动中引入工程教育理念能够有效提高学生的创新能力，并引导他们在实践中不断丰富自己的知识；能够让学生意识到自己也可以设计并改造周围的物联网应用，进而培养他们的工程意识。

其次，培养学生利用工程思维解决问题的能力。物联网工程教育可以改变学生对真实生活世界的理解，改变他们对数字化生活知识结构的认知，并提高应用物联网技术来解决问题的实践能力。

最后，提高学生学习的自主性和责任感。物联网工程教育使学生承担更多的责任，他们能看到工作的潜在作用，意识到未来的可能性，改变他们对未来数字化时代可能的职业选择。

●物联网项目“心率监测、科学助跑”设计思路

在教学中，笔者尝试将CDIO工程教育理念引入初中信息科技，并以“心率监测、科学助跑”作为研究项目，按照CDIO模式开展项目设计与实践活动。

1.整合资源，确定主题

在展开物联网工程教育的过程中，教师首先要结合学生的学习情况，有针对性地选择与其生活相关的活动，激发学生的求知欲，从而促进他们对物联网知识的掌握。结合全国每年出现的学生运动意外事故，笔者确定了“心率监测、科学助跑”工程教育主题。这是一个科学跑步的工程设计问题，能激发学生对心率数据深层次探究的动力。

例如，心率传感器采用光电容积脉搏波描记法（Photo Plethysmo Graphy，PPG），通过测量血液中血红蛋白随心脏跳动而对氧气吸收的变化量来测量人体心率参数。在项目前期，教师先引导学生讨论心率传感器，探讨帮助人们解决生活问题的应用，接着抛出问题“心率传感器可以获取心率数据，我们能否尝试应用在跑步中呢”，引出本次工程项目主题“心率监测、科学助跑”，从而引导学生从心率数据的感知、心率数据的获取上分析，帮助学生理解物联网三层逻辑结构—感知层、网络层和应用层。

2.注重引导，有效构思

物联网技术本身就具有很强的趣味性，但在开展物联网工程教育过程中，应注重引导。教师可以按照优势互补原则对学生进行分组，每组4人，合作探索。可穿戴心率监测器的构思、设计、制作、测试、应用过程涉及艺术、科学、数学、工程、体育等方面的知识，学生需要学习获得相关学科知识和方法进行整体构思。而且，可穿戴心率监测器的设计，不仅需要考虑使用场景，还需要考虑成本、设备的舒适度、可佩戴性、防水性，甚至不同的人群对颜色外形等喜好差异等因素，因而对该项目的综合实践探究，有助于学生进行系统的思考、创造、合作与交流等。

例如，学生体验教师制作的简易心率监测器，观察心率实时数据，并以小组为单位分析设备的运行流程，把项目进行分解。通过小组研究分析项目，确定需要实现的功能与需要的硬件设备，并在创趣物联平台对设备进行自主探究，了解模块的设计原理和使用方法。

3.迭代设计，优化方案

迭代设计可以帮助学生了解设计过程的可变性，有助于学生理解在实际应用中设计过程的复杂性。学生通过不断测试和优化，不断更新设计，寻找更有效的方法来解决问题，最终获得更好的结果。

例如，在心率数据的实时监测过程中，学生首先会认识物联网模块的功能，把心率检测模块、显示屏模块与主控进行连接，给物联网主控写入代码，然后完成简易的心率检测器。但学生会发现，这样设计只有佩戴者能查看数据，如果长跑时发生意外，心率数据却不能实时在平台呈现并发挥作用。由此，教师可以引出将应用层连接到物联网平台的迭代设计，并引出具体的步骤：连接Wi-Fi连接物联网平台（MQTT协议）实现心率数据上传与实时监测。接着，学生设计方案采集心率数据，分析数据，再一次升级项目。迭代设计是工程教育中不可或缺的一部分，它可以帮助学生获得更好的设计结果。

4.项目驱动，注重实践

初中阶段是培养学生动手能力的重要阶段，教师要有意识地将理论知识与实际操作结合起来，提高学生的动手能力。CDIO工程教育是实践性很强的人才培养模式，通过创设真实的工程环境，让学生在解决实际问题的过程中培养工程师技能。

例如，“心率监测、科学助跑”项目可分为五个子项目展开：物联网初探、心率数据的实时监测、心率数据的远程监测、基于运动心率数据的科学决策、心率监测设备优化及个性化设计。在初步掌握物联网相关知识后，小组完成心率数据的实时监测和作品搭建，学生通过LED屏可以看到心率数值。采用在线表格方式填写运动前、运动后、运动后3分钟的心率值。学生使用汇总的心率数值对数据进行分析，得到心率数据背后的信息。采用物联网Wi-Fi模块连接IOT平台。对于物联网Wi-Fi模块的配网设置，笔者没有采用讲授法进行知识灌输，而是引用学生熟悉的手机连接Wi-Fi进行知识迁移，引导学生绘制连接物联网平台的流程图（如下页图）。在此基础上完成物联网平台的子程序代码，完成IOT平台的连接，登录物联平台完成设备的建立与数据显示方式的设置。可见，以项目驱动方式开展物联网工程教育，不仅可以帮助学生应用所学知识解决实际问题，还可以培养学生的工程实践、团队合作和问题解决等能力。

5.运行评估，创新评价

CDIO工程教育对学生能力的评价方式与传统教育不同。课程实施中不仅要评价学生个人的学习经验和能力，还要通过小组过程性评价促使学生与其他成员密切合作，协调各自的职责和任务，进行充分的沟通和交流，培养学生的团队意识，增强与他人的互动能力。

例如，在“心率数据的远程监测”项目实施过程中，学生要完成物联网设备连接IOT平台，整个过程包含三个子项目：连接Wi-Fi网络、物联网设备与IOT平台连接、IOT平台数据监测。操作环环相扣，如果不进行小组过程性评价，不仅无法全面反映学生在整个工程项目中的实际表现，而且也不能及时了解各组学生的完成情况。于是，笔者使用希沃的板中板功能，设计了过程性评价表格。小组成员自由选择擅长的方向，按照不同职能进行固定分工，如组长、硬件搭建人、编程操作人和文案策划人等。在组长的协调下，以合作为导向，成员相对独立地完成方案设计、作品搭建、流程图的绘制、程序的编写与调试。第一个完成子项目的小组的组长，就可以拖动“苹果”图标到相应的子项目评价单元格，后续完成的小组的组长拖动“五角星”图标到相应的子项目评价单元格。这样，小组过程性评价不仅可以让学生不断反思、调整和改进解决问题的方式，还能够帮助教师提供针对性的指导和支持。

●实践反思

经过一段时间的实践与探索，笔者发现只有少数学生能够完成产品的多次迭代设计。因此，在项目探究中，可以把任务进行再次拆解，整体细化，降低难度，安排更多的时间留给学生思考、探究，或者可以根据不同的难度给小组提供不同的分层任务，实行弹性教学，挖掘每个小组的潜力和发展空间。总之，开展物联网工程教育，要及时对学生的表现进行反馈，鼓励学生不断改进和提高，鼓励学生之间进行互相帮助和协作，加强学生之间的联系和个人发展。