CDIO理念下的物聯網課程實踐教學改革探究

陳昌興　馮小燕

摘 要：按照物聯網工程專業教學的要求，該專業學生既要精通理論又要具有工程實踐能力。作者引入CDIO工程教育理念，重點在物聯網課程實踐教學改革及其相應的實踐教育思路等方面進行了深入探討，對提高高校物聯網工程專業教學水平，提升學生綜合素質和工程能力，具有一定的實際指導意義。

關鍵詞：CDIO；物聯網；教學改革；實踐

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1673-8454（2015）22-0065-03

一、引言

隨著電子信息技術的進步和全球工業化的迅猛發展，物聯網等信息技術的第三次革命將給人們的生活帶來重大的改變。而物聯網工程技術人才匱乏的現象日益突出，業內急需物聯網技術專業人才。

如何結合高校學生學習實際情況和認知規律，培養適應市場的物聯網技術人才，成為物聯網專業教育改革發展的當務之急。

本文借鑒發達國家高校工程人才培養模式的成功經驗，參照《高等學校計算機科學與技術專業人才專業能力構成與培養》[1]的相關理念與指標，提出了在工程教育能力結構上，高校的物聯網人才培養模式應注重理論與實踐的緊密結合，以生產第一線的實際需要為目標，注重面向實踐科研，增強學生的綜合素質，突出“產學研”互相結合，使學生循環漸進地掌握物聯網技術和解決實際問題的方法。

二、CDIO理念的引入

高校開展的物聯網課程是為計算機、電子信息類本科學生開設的專業課程，課程的目的是使學生掌握物聯網技術的基本理論，培養學生運用物聯網技術分析問題和解決實際問題的能力，能夠對整合網絡內的人機交互設施進行實時管理和控制，具備解決實際問題的工程素質和創新能力，達到物聯網工程技術對人才的要求。

CDIO 培養體系是21世紀提出的先進教育理念，其體系和評價標準面向產業對工程人才的需求，把構思—設計—實現—運行（CDIO）作為工程教育的環境背景，由此獲得一系列詳細而合理的教學目標。[2]

CDIO教學計劃的制訂是以技術應用能力和工程素質培養為主線，其核心定位在于掌握基礎理論知識的基礎上，著力培養學生從事專業實際工作并能直接參與到應用系統開發過程中的實際能力。強調實踐能力與工程素質，這是物聯網課程引入CDIO實踐教學計劃相結合的關鍵點。CDIO教學計劃強化了學生的理論基礎，并能進行技術創新，體現了物聯網專業學生實踐能力的核心素質培養。

三、物聯網課程CDIO實踐教學改革的要求

物聯網CDIO教學實踐要求學生既要精通物聯網理論，又強調工程實踐，更加強調注重創新精神和工程實施。因此根據物聯網課程設置和課時安排，要求學生掌握開發環境的建立、程序的開發、軟件的調試、通信接入與處理原理等基礎理論。在初步具備基礎知識后，通過項目的開發掌握應用于實踐工程的綜合能力。教學與實踐有機結合，實現從事物聯網工程及應用技術研究的應用型高級專門人才的教學要求。

物聯網課程CDIO實踐教學具體教學基本要求如下：

1.物聯網概論的了解

物聯網產業鏈廣，因此需要掌握物聯網的發展趨勢，對物聯網體系架構要全面了解，并熟悉物聯網的應用層、網絡層及感知層的功能、關鍵技術及技術分析，在教學過程中加強學生對物聯網領域的思維和更多的感性認識。

2.熟悉物聯網開發環境的構建

物聯網學習者需要熟悉掌握IAR Embedded Workbench集成環境，使用該IT開發工具可以有效提高聯網工程項目開發效率，如功能強大的編輯器、便捷的中斷處理和模擬等，符合不同層次用戶的開發需求。

學生能應用相關原理和技能通過物聯網教學實驗平臺系統的Linux開發環境進行實驗模擬和仿真，根據應用項目的需要進行硬件和軟件的配置，這是物聯網CDIO實踐教學中必不可少的一項內容。

3.對傳感器的分類、組成的掌握

傳感器是物聯網工程信息采集的基礎，種類繁多，因此只需要掌握典型的傳感器的系統構成，包括作用、原理圖及電路圖，在此基礎上能學會根據傳感器原理特征和目標程序的診斷，排除故障和滿足項目的信息傳輸處理要求。

4.掌握物聯網關鍵技術

掌握射頻識別技術、物聯網通信技術與無線傳感器網絡技術以及RFID關鍵技術的基本原理及其應用，此外要求掌握ZigBee網絡原理及其應用方法，能通過RFID技術、ZigBee網絡技術及無線傳感器組建物聯網，熟悉人機交互、物機交互原理。

5.物聯網系統設計方法的掌握

了解人工智能的算法、智能系統的設計方法，并掌握物聯網開發環境下的編程與硬件調試知識，特別是傳感器信息采集所涉及的接口設計和編程設計，掌握運用ZigBee無線組網和無線安全設計技術進行創新性的系統開發應用。

四、開展CDIO物聯網實踐教學改革的嘗試

1.構建科學的CDIO物聯網課程體系

根據物聯網專業學科的特點，結合學校實際情況，在構建CDIO物聯網實踐體系時，將實踐教學融入理論教學過程中，各個教學環節強調教學內容與實踐教學互相滲透，并按照能力為本位，側重物聯網技術的整體訓練。

課程的安排以項目開發及應用為主要實訓、實習內容，通過校內實訓和企業實習方式進行。以物聯網技術實驗室和CDIO科技創新實驗室為依托，只有構建適合物聯網發展的實驗教學體系，才能真正達到強化學生實踐能力的效果。

2.建立健全開放型物聯網工程實驗室

由于CDIO物聯網實踐教學以學生實踐為主導，因此，物聯網工程實驗室建設需把教學和實踐相結合，課堂內外實驗、技術競賽、項目實踐以及校內與校企實訓的教學與實踐相融入，創建“產學研”開放型一體化實驗室。[3]

這種實驗室模式的特點是物聯網工程專業學生專用的開放型實驗室，教學與實踐開發相結合，課程的開展和項目開發指導可以同步進行，有利于師生的學習交流，有利于課程設計改革的具體實施，充分體現了CDIO實踐教學的指導思想。

3.選擇物聯網綜合實踐教學平臺

實踐教學平臺是培養物聯網工程專業技術人才的必備實驗設備，用戶在學習物聯網基礎理論知識后，通過實踐教學平臺進一步理解和掌握物聯網軟件開發工具與實際硬件環境的調試，提高相關技術的應用能力，在此基礎上，用戶也容易理解和學習物聯網的應用和分析案例。

因此，一個好的物聯網實踐教學平臺可以幫助學生系統地掌握物聯網技術與方法，培養學生運用物聯網技術分析和開發應用項目的能力。

一般來說，具備最基本的ZigBee無線網絡實驗實訓與RFID技術綜合訓練的開發環境是物聯網CDIO實踐教學必不可少的。至于Android開發環境搭建、內核實驗及控制擴展模塊等其他開發實驗平臺工具，則可以根據實際的應用軟件和開發計劃來選用。

在軟件方面，選取IAR Embedded workbench集成開發環境，該開發環境的交叉編譯器和調試器是比較完整和容易使用的專業嵌入式應用開發工具，具有代碼緊湊、硬件資源的節省、支持擴展工具、瓶頸性能分析等特點，[4]可以滿足開發用戶的不同需求。

4.校企實訓、校外實習模式開展產學研合作

CDIO教學模式提倡實踐教學與科研課題結合，通過CDIO教學模式強化所學知識點，培養技能，充分提高物聯網課程的教學質量。我校計算機學院與軟件企業共同合作，探索出了一種“產學研”相結合的軟件，運用于開發校企聯合培養的應用型實踐人才的實訓模式。

該模式分為校內實訓和校外實習兩個階段：

在校內實訓階段，由企業安排具體物聯網項目進行學習，授課地點安排在校內物聯網實驗室，讓學生在真實的開發環境中理解、驗證及掌握知識，企業導師通過物聯網實驗教學平臺及實訓課題，把課堂上難以理解的學科知識在真實的項目開發過程得到展示，讓學生身臨其境，最大限度地開發學生的潛能，使學生獲得物聯網工程師的技能，并在實踐中積累相關的實際項目經驗，為下一步去企業實習打下扎實的基礎。

通過前期校內實訓后，學生進入企業實習時，企業為學生提供一個真實的項目課題，學生參與到其項目開發中，一方面學習物聯網前沿的實際應用方法與技巧，另一方面培養學生的企業素質、群體協作技巧等綜合素質，取得實際項目開發經驗，提高其適應社會工作的能力。

實訓是課堂學習的補充，校外實習是實訓的延伸，二者有機結合，能夠有效地提高學生的知識應用能力和實踐能力，使學生成為開拓創新的實踐應用人才。

5.建立有效的實踐教學管理措施

實踐教學管理是將實踐教學過程的教學計劃、教學質量進行規范化、標準化，建立一套完整的實踐教學管理措施。能起到對學校的實訓實驗室與校外實訓基地進行有效的配制使用，并對實踐教學過程質量進行有效監控的作用。管理措施不僅貫穿于實踐教學過程中，同時監測學生在實訓實驗室及企業實習基地的學習情況，并根據人才培養方案的目標和定位，及時調整監測中發現的問題，不斷提高實踐教學質量和水平。

五、CDIO教學效果的評價

通過對我校2013屆、2014屆物聯網專業實施CDIO實踐教學模式，近兩年來，按照CDIO能力大綱[5]進行綜合分析，結果表明（見表1）。

這種實踐教學模式，學生高度參與，不再被動地接收理論知識，而是主動、靈活地運用各種物聯網知識解決實際應用問題。

師生之間互相啟發，完整地參與項目的開發過程，這種“做中學、學中做”的實踐教學模式，既能促進教學，有利于學生物聯網知識的學習，另一方面，物聯網應用知識傳授得到了深化和升華。

校內實訓和企業實習可以幫助學生及早地了解和接觸物聯網知識的運用方法與技巧，為物聯網專業學生創造了接觸物聯網新觀點和實踐經驗的機會。

對學生來說，參加物聯網項目研發，不僅提高了實踐能力，而且學生從事物聯網科學研究的能力也得到很好的鍛煉，更能將所學奉獻社會、產生效益，達到了“學以致用”的功效。

近兩年來，我院學生在國際競賽活動中頻頻獲獎，其他省級競賽也獲得不錯的成績。同時學生也積累了一定的項目成果，當展示這些作品給用人單位看時，這些畢業生往往更受用人單位的青睞，從而達成就業協議，無形中提高了我校學生的就業競爭力。

六、結束語

物聯網工程專業人才培養質量是一項復雜的系統工程，我校開設物聯網工程專業時間比較短，應用CDIO實踐教學模式改革的效果也只能從近年專業學生的綜合素質上檢驗。

如何有效地將創新與實踐更好地相結合，更好地通過CDIO進行實踐教學，需要探索的東西還有很多，現在CDIO實踐教學模式的引入只是進一步改革的起點， 愿本文能為物聯網工程及其他理工科專業提供有益借鑒。

參考文獻：

[1]教育部高等學校計算機科學與技術教學指導委員會.高等學校計算機科學與技術專業人才專業能力構成與培養[M].北京：機械工業出版社，2010.

[2]張樺，溫顯斌，王勁松.基于CDIO模式的計算機專業教學改革[J].計算機教育，2010（11）：71-73.

[3]李雪.基于物聯網的高職院校實驗室建設研究[J].實驗科學與技術，2003，11（6）：175-186.

[4]熊茂華，熊昕，陸海軍.物聯網技術及應用開發[M].北京：清華大學出版社，2014.

[5]向梅梅，劉明貴.應用型本科高校實踐教學研究[M].廣州：暨南大學出版社，2011.

（編輯：李曉萍）