面向OBE 的物聯網專業實驗教學案例庫建設研究

殷 俊，施衛娟，胡夏蕓，李 鑫，仇晨曄，胡 楓

（1.南京郵電大學 物聯網學院，江蘇 南京 210003；2.金陵科技學院 軟件工程學院 江蘇 南京 211169）

0 引言

物聯網工程是一門實踐性極強的計算機工程類學科，因此如何在教學設計中增強學生的動手實踐能力是新工科背景下人才培養的關鍵。案例教學法通過引入生產實踐的具體案例，啟發引導學生參與實際工程問題的思考分析實踐，是一種激發學習興趣、培養學生綜合實踐能力的高效教學方法[1]。目前，案例教學法及其依托的案例庫建設已作為一個核心內容納入許多國外高校的專業課程建設。例如作為高等教育的先行者，哈佛大學商學院最早于1921 年就成立了案例開發中心，從最初的案例甄選，到案例鏈的形成，再到案例群族的管理，最后才形成了舉世聞名的哈佛案例庫[2]。落腳到物聯網專業，目前國內高校在部分課程教學上采用案例教學法，例如武漢大學在課程建設過程中，結合教學過程和物聯網課程群特點設計了一系列案例構建與實施措施[3]，著力提高學生的實踐能力，但這些碎片化的案例尚未形成整體，待建立一套完整而規范的課程教學案例庫。從整體來看，囿于專業較新、經驗積累、資金和人員等多方面因素，物聯網專業的案例庫建設和教學還處于起步的階段。

與此同時，考慮到物聯網工程專業培養目標是高素質工程技術人才，其培養體系理應符合工程教育專業認證的成果導向教育（OBE）理念要求。OBE 要求學生實踐過程中能夠充分發揮其主觀能動性，強調學生的綜合能力培養目標達成度，并能夠持續迭代改進實踐教學效果，達到技能與知識、方法與過程的統一。盡管當前已有部分高校開展了OBE 教學模式下的單科課程或課程群的教學改革研究與實踐[4-5]，但對OBE 模式下實踐課程案例庫建設的研究較少。為了滿足新工科背景下工程人才實踐教學需要，迫切需要研究一套案例庫建設方法。

1 存在的共性問題

1）案例碎片化，課程間缺乏聯動。

由于各校的物聯網工程專業均在2010 年教育部下達申報通知后陸續開設，專業較新、可借鑒經驗匱乏，初期建設實驗案例內容時，只能按照具體課程的需要獨立設計，未能兼顧課程群內的知識關聯性，導致實驗案例資源的碎片化明顯。例如，我校開展的RFID 原理與應用的課內實驗相關案例資源均建立在PC 端VS2010 開發環境上，由于硬件接口及軟件API緣故無法直接應用到物聯網嵌入式系統綜合設計課程。

2）物聯網技術更新迅速，實驗案例缺乏適應性。

物聯網專業發展日新月異，相關技術類課程內容更新、升級頻繁，而部分已開設的實驗案例內容因為軟硬件提前配置等因素，無法及時升級改造，造成教學與實踐的脫節。例如，一些高校開設的無線傳感器網絡課程的實驗教學采用的依然是工作在TinyOS 系統上的Zigbee 開發板[3]，原因可能是建立實驗室時z-stack 協議棧剛剛興起，國內的教學器材供應商還不能提供基于該協議的設備，非標定制研發又無足夠的人力、財力資源，最終只能招標選用基于Tiny OS 系統的開發板。實踐中發現，盡管Tiny OS 系統已經被淘汰，但是學生為了上手實驗還是需要花費大量時間提前學習該系統復雜的源碼，時間成本過高，也掣肘了該實驗資源向外專業學生開放。

3）優質案例資源供應不足，未實現案例持續改進。

物聯網專業實驗隸屬嵌入式應用范疇，實驗牽涉的軟硬件龐雜，大多數案例是課程建立時一次性確立，導致實驗教學中優質的、實時性高的資源不足，未能持續迭代更新。

此外，案例庫建設還存在以計劃內實驗為主，計劃外開放資源不足，不利于設備使用績效提升等情況。盡管建立一套完整而規范的物聯網工程專業實踐課程教學案例庫面臨以上諸多問題，但從培養高質量的物聯網工程應用人才角度出發，迫切需要研究如何建設一套完整的、綜合的案例庫，以推進物聯網工程的課程理論與實際相結合，提高人才培養質量。

2 案例庫建設整體思路

為了構建基于OBE 理念的物聯網工程專業實踐教學課程案例庫，實現專業課程系列案例的價值“最大化”，首先需要建立滿足創新創業能力培養需求的新的實驗教學體系，不能簡單地做加減法，例如增加一些創新創業教育課程、實踐育人環節和創業平臺，或減少一些課程、教學環節，甚至盲目鼓勵學生脫離專業學習，過早介入創業實踐等。其次，應該根據物聯網工程專業人才培養規律，以課群為核心，將OBE 等新型教學理念與傳統的教學流程相融合，建立完整覆蓋物聯網工程專業實驗教學的各種實驗類型與教學環節。還需要在此基礎上，研究建立案例教學過程質量監控機制，維護好案例庫，實現OBE 良性迭代促進閉環，整體思路及三者的關聯見圖1。

圖1 面向OBE 的物聯網工程專業案例庫建設整體思路

1）基于OBE 優化物聯網工程專業實踐教學體系。

案例庫中的課程體系應當以學生為中心、以能力培養為基礎開展實踐課程內容，綜合總結實踐教學經驗，對市場做出充分調研，避免出現理論依據匱乏，課程案例之間無關聯性，防止課程知識體系對應培養目標的模糊化，與學生能力培養脫節的情況。與此同時，應該將OBE 理念融入實踐課程體系構建，在已有實踐課程群基礎上，通過培養目標能力逆向設計各實踐課程，形成課程知識——課程目標的對應體系，探索構建符合新工程人才培養要求，具有一定培養特色的物聯網工程實踐課程知識體系。

2）建設模塊化、多樣化和規范化的實踐教學案例庫資源。

物聯網工程專業實踐課程門數多，實踐性和工程性很強，案例教學必不可少。實踐中，大部分高校對于實踐教學中案例資源的應用沒有按照系列課程統一規劃，案例庫分散建設、各自為政，導致案例碎片化嚴重，案例庫資源缺乏統一格式和管理規范，不利于學生學習，也不利于案例庫管理。解決途徑是，應該將各課程能力目標培養融入案例庫資源建設，整合課程體系案例資源結構，這樣既可以體現實踐課程案例庫資源的多樣性、整體性和關聯性，又可以根據實踐教學的預期成果進行案例構建，保證實踐教學能力目標的達成。

3）采用科學、合理的案例庫實施效果評價與持續改進方法。

實踐教學案例庫的建設目前還處于探索階段，應用實施效果需要驗證，但目前大多實踐教學案例庫在構建初期并未考慮怎樣評估教學效果，無法確定其可行性與有效性。采用OBE教學理念后，不是從教師“教得怎么樣”出發，而是通過學生“學得怎么樣”來評價，根據課程目標分解出的學生預期學習成果，將案例考核、教師評價、學生互評相結合，構建有效考核機制，從而提升實踐教學案例庫應用的建設效果。

3 具體實施方案

1）構建科學的實踐教學案例庫課程知識體系。

構建實踐教學案例庫體系的首要目標是明確案例庫的課程內容，這就需要根據專業培養計劃細化實踐教學的具體目標；然后，根據目標要求的能力逆向回溯設計各門實踐課程；最后，根據OBE 的要求，確立各課程對能力值的貢獻度，并形成可評價的能力指標點。最終將學生的能力培養量化，形成各課程目標與人才能力培養的對應矩陣。圍繞優化后的實踐教學案例庫系列課程，還可以同理依據課程具體能力要求指標點逆向設計教學案例與知識點內容，為案例庫的案例資源提供依據。

2）建立符合OBE 理念的物聯網人才培養實踐教學案例庫。

這是案例庫建設的關鍵內容，也是重點難點內容，涉及以下方面。

（1）案例的設計與選取。案例的設計需要面向課程目標，既要有覆蓋具體知識點的基礎案例，又要有體現系統工程化要求的綜合型應用案例。同時在維度、粒度和內容上精心設計，相互銜接，體現課程內容的關聯性，大小適中，適合單個教學模塊的教學需求。案例的選取還需要以代表學生學習成果的能力目標為導向，來源于實際工程項目，或實踐課程的教學，或企業實訓。案例庫的案例內容兼顧課程群知識點的共性銜接，以及所處階段、應用場景、課程目標的不同，要能支撐對應畢業要求能力的達成。最終選取出一批具有代表性的能突出學生能力目標要求的素材，在此基礎上進行加工提煉和補充開發，最終構建滿足實踐教學要求的系列課程案例庫。

（2）案例庫規范化、模塊化設計。物聯網工程專業多門實踐課程教學需要多樣化的案例，適用于不同的場景，映射出體現不同課程目標的各種知識點。模塊化的實驗案例單元可以較好地解決不同硬件平臺間因協議或標準不統一而產生的通用性問題，由其構成的實驗案例資源庫也因此具有較好的通用性。同時，行業相關技術更新迭代后，所對應的案例資源也易于根據技術更新方向進行改造升級。為了規范這些案例，需提取其公共要素，定義案例庫規范化設計的基本元素，構建案例庫基本元素，見圖2。

圖2 案例庫基本元素示例

其中案例庫規范化設計基本元素中的“案例表現形式”可將案例設置為文檔、代碼框架、原型系統等。如在物聯網嵌入式軟件設計課程中，一個可行的案例是為學生搭建的一個OpenFrame框架，學生可從半成品框架中學習相應開發技術，然后融入完善形成自己的解決方案。該案例對應的畢業要求為掌握程序設計理論與方法，具備軟件開發技能；具體的目標能力要求為初步具有使用清晰、規范語言描述軟件系統分析、設計及實現過程的能力。

（3）案例教學設計。案例、學生和教師構成了案例教學系統的三要素，案例始終貫穿其中，學生是學習的主體，教師擔任設計者、組織者、引導員和評論員的角色。案例教學過程見圖3，首先需要為學生營造一個自主的學習環境，通過創設有助于學生對所學內容進行意義建構的案例“情境”，由教師輔助和引導，以學生為主體進行資料搜集、分析驗證、反饋評價等教師和學生、學生和學生之間的“協作”學習，通過平等的“交流”和討論，幫助學生基于原有的認知結構建構出有關知識的意義，實現知識結構的更新。

圖3 案例教學設計過程

3）形成案例教學過程質量監控與反饋調節機制。

案例庫建設包含的課程多、涉及面廣，案例庫建設另一難點在于實踐過程，即如何在現有的課程教學大綱框架內，開展合理的教學內容、教學方式和教學評價措施。OBE 教學理念主張“教得怎么樣”要通過“學得怎么樣”評價。因此，需要根據從課程教學目標分解出的學生預期學習成果，考核評價課題建設的案例，考核方式可以包括學生個人自主學習考核、課堂學習考核、案例學習成果考核以及最終測試考核，實現個人考核與團隊考核結合、過程考核與結果考核并重、知識考核與能力考核同行的立體化考核體系，評價方案框架見圖4。

圖4 案例教學考核評價方式

通過對各課程案例教學學習成果進行過程性評價和總結性評價，包括教師評價、學生評價、學生互評、師生互評等。評價結果作為專業實踐教學持續改進的一部分量化證據，建立案例庫教學評價后，關鍵在于如何實現反饋調節，這也是案例教學評價的根本目的，有益于對教學和案例的進一步優化設計。通過案例教學環節過程監控和質量評價促進畢業要求的達成，最終實現以評促建，以評促教，以評促管，通過案例庫建設、教學實施與考評、統計與分析、反饋與改進、完善與優化形成了螺旋上升模型，見圖5。當然在案例的考核和量化評價過程還需兼顧學校已有教學評價機制，在執行過程中進一步細化。

圖5 案例庫評價與反饋

4 結語

OBE 教育理念的實施對現有工程專業教育的教學內容、教學手段和教學評價體系等提出了更高的要求。以OBE 導向構建的物聯網工程專業實踐教學案例庫緊密了課程之間知識聯系，貫通了能力目標的達成，以過程質量監控機制檢驗了案例庫建設及案例教學的有效性，集中培養了學生解決復雜工程問題的能力，對提高物聯網工程專業的實踐教學質量起到促進作用；形成的研究成果能夠促進實踐教學的持續改進，更好地提升學生工程實踐能力和協作創新能力，使學生能夠獲得更多的就業機會。此外，融合OBE 理念制定實踐教學案例庫資源、組織案例教學，對促進工程教育專業認證的落地實施，起到積極的推動作用。