基于OBE理念的物聯網工程設計與實施課程建設研究

劉保羅，聶雅琳，李 晨

（洛陽理工學院，河南 洛陽 471000）

0 引 言

隨著2018年9月教育大會的召開，高校本科教育得到了前所未有的重視，對《工程教育認證標準》進行修訂，明確提出培養具有創新創業意識、數字化思維和跨界整合能力的“新工科”人才。在“新工科”背景下，提出基于OBE（Outcome-Based Education, OBE）理念，建設以學生為主體的課程體系，引領應用型人才的培養方向，推動教育教學進一步改革，最終實現培養高質量人才的目標[1]。為了建設物聯網工程設計與實施應用型課程，按照專業工程認證要求，針對現有教學所存在的問題，基于OBE理念，對課程的教學模式、評價體系進行探索和研究。

1 OBE的概念及課程建設目標

成果導向教育（OBE）教學理念興起于20世紀八九十年代的美國，其核心是以培養學生的能力為目標導向進行各項教學活動，也稱為成果導向教育或目標導向教育[1]。在OBE理念中，教學設計和實施的目標是學生最終取得的學習成果（Learning Outcome）。從教學培養目標出發，設計、實施和評價教學活動，同時以學生最終達到的學習成果來反饋并改進教學設計與教學實施[1-4]。根據《工程教育認證標準》要求以及OBE理念下的課程建設目標，關注目標、需求、過程、評價和改進5個關鍵因素，明確課程在知識、能力和素質三方面的培養目標與需求，以培養目標設計教學過程、評價和改進，使學生達到既定的技能水平[1-4]。

2 現有教學模式存在的問題

物聯網工程設計與實施是物聯網工程的核心專業課，是按照工程實施方法論講述物聯網工程設計與實施的主要問題，使學生了解和掌握物聯網工程的設計要求、設計方法、工程實施過程及要求。從教學內容上看，課程涉及通信技術、單片機技術、嵌入式技術、傳感器技術等，知識面較廣，是物聯網工程專業的綜合課程。面向物聯網工程的設計、開發與實施，其實踐性強、綜合性強，要求學生具備系統分析、開發能力和物聯網工程項目的管理、實施能力[5]。

目前，我院物聯網工程設計與實施課程設置為理論教學+實驗（64學時）和課程設計（2周）實訓環節。這種教學模式存在以下問題：

（1）重視理論知識的講授，與本課程的能力培養要求存在差距。現有教學模式重視課堂理論教學，其以教師“教”為主，強調教授內容和教授方法；學生學習過程是上課聽講，課后完成作業，最終達到考試要求。這種接受性思維學習難以培養學生自主學習能力。課堂信息輸入量有限，作業及考試注重考察知識細節，缺乏知識的應用能力培養與考核。實驗和課程設計作為課程的實踐環節，其題目根據教學內容來設計，教學內容受限于課堂講授。因此，實驗多以驗證性問題為主，課程設計所涉及的難度和廣度與實際工程課題有差距，對學生創新能力、解決問題的能力達不到應有的培養要求。

（2）教學考核與評價單一，缺乏形成性評價。現有教學成績評定包括平時成績、考試成績和實驗成績，評定公式為：最終成績＝平時成績×20%+實驗成績×20%+考試成績×60%。式中給出的各項比重為通用關系，考試成績為期末試卷成績。這種方式雖然在考核時考慮了平時成績和實驗成績，但以考試成績考核為主。考試為統一命題試卷，每個學生考核標準統一，為所有學生預設一般性的學習標準，注重橫向比較。因此，統一標準的考核難以針對每個學生給出形成性評價。

（3）課程的教學內容和培養目標與經濟社會發展需求存在一定的脫節。由于物聯網應用技術是一個新興專業，科技發展迅速，課堂中所使用的案例多來自課本，缺乏真實場景、行業項目與工程案例，課堂的教學與社會需求存在一定差距。

3 基于OBE理念的課程改革

3.1 依照工程教育專業認證標準修訂課程教學大綱，明確課程培養目標

依據OBE理念，筆者根據工程認證版的培養方案及畢業要求，重新制定教學大綱，明確課程教學目標應支撐的畢業要求，提出以培養學生能力為導向，針對現有課程教學存在的問題，轉變教學理念，改變教學模式。

根據物聯網工程專業的培養目標和畢業要求，確定課程在專業培養的支撐點，明確本課程的教學目標是：

（1）熟悉物聯網工程系統設計的相關知識、實施以及管理的基本流程和方法，掌握物聯網工程設計方法、實施和管理流程。

（2）能夠綜合運用所學軟硬件知識進行物聯網工程系統的分析、設計、開發和實施。

（3）培養學生分析問題能力、實踐創新能力，使學生具有工程意識、團隊協作意識、質量意識和市場經濟意識。

3.2 以培養學生能力為導向，轉變教學理念，改變教學模式

針對現有的以“教”為中心教學模式存在的問題，結合本課程培養要求，轉變教學理念，改變教學模式，具體采用以下改進措施：

（1）采用翻轉課堂教學模式，學生通過課程教學視頻、課件、作業主動完成學習。翻轉課堂以學生“學”為中心，改變傳統課堂的以教師“教授”為主的方式，強調學生學習的自主性[6-8]。翻轉課堂設計為課下和課堂兩部分。使用“學習通”信息化教學平臺，給學生提供豐富的教學視頻、課件、數據手冊等教學資源，課前學生在線自主完成學習。課堂的教學任務是組織小組討論、互助答疑及教師答疑等環節來解決學生在學習過程中遇到的問題。課堂答疑設置為兩部分，一部分是理論知識的答疑，以提問的形式檢查學生理論知識是否掌握和理解；另一部分是理論提升答疑，從小節到各章節，以及與其他學科的角度，設置一些綜合性問題，啟發學生思維，引導學生深入學習。使用小組討論的方式可以根據問題開展頭腦風暴活動，啟發學生的發散思維，以及思考問題的多種解決方式。

（2）理論教學與工程教學并重。本課程從能力培養出發，強調工程教學，提出理論教學與工程教學并重，理論教學服務于工程應用。工程教學體現在實踐、實訓之中，以開放性作業和小項目課題形式穿插于整個教學之中，增加課程深度與廣度，減少理論性、驗證性作業。開放性作業和小項目課題作業沒有固定答案，避免學生固定式思維去尋找標準答案，培養學生分析問題與解決問題的能力。從現實工程項目中設計開放性作業和小項目課題，在解決實際問題中促進學生探索理論知識，并直接將理論知識應用于實際問題的解決中，從而訓練了學生的自主學習能力、動手能力和工程實踐能力，提高學生學習興趣。

（3）建構階梯式的教學模式。根據布魯姆教育理論，知識可分為事實性、概念性、程序性、元認知四個維度，認知過程可分為記憶、理解、應用、分析、評價、創造六個維度[9]。根據由簡單到復雜、由淺到深的認知層次，構建金字塔式的課程教學目標，如圖1所示。課程教學目標劃分為三個遞進式目標：初級目標、中級目標和高級目標。結合本課程，初級目標是：理解物聯網工程系統設計的相關理論知識，初步掌握工程實施的基本流程與方法；中級目標是：掌握物聯網工程設計方法、實施和管理要素及流程，能夠進行物聯網工程系統的分析、應用、管理和實施；高級目標是：綜合運用所學軟硬件知識進行物聯網工程設計方案的評價、設計、開發和改進。

圖1 金字塔式課程教學目標

依照金字塔式的教學目標，課題組完善了信息化課程教學平臺，明確了教學各環節、各單元的教學目標及知識、能力培養的層次，并依據三個層次設置階梯式的模塊化教學單元，設計階梯式的學習任務、學習內容和測試單元，使學生在自主學習時，明確自已在教學目標中處于哪個層次，以及進一步訓練的方向，從而實現學生個體化的分層教學。

3.3 設計梯形評價體系，客觀評價學生學習成果

構建科學的教學評價體系有助于準確掌握學生的學習狀態，OBE的教學評價標準是梯次的、進程式的、高度期許的形成性評價[1]。

基于這一理念，課題組按照金字塔式的教學目標，設計梯形的訓練與測試。對每一階段給予不同的評定等級，并記錄每個學生的進程式評價的過程和效果，達成形成性評價。在實施中，針對每一教學單元按照三級教學目標設計作業庫、試卷庫。結合線上線下混合教學模式，針對初級目標和中級目標評價，設計線上習題庫，給學生提供足夠的分等級、分章節練習與測試，使學生實現自我考核。針對中級目標和高級目標評價，設計開放課題和項目實踐等環節，根據教學能力要求，按照難易程度設計分模塊、分等級的訓練。這種梯形評價體系實現了學生學習成果及能力的客觀評價，客觀檢測學生三級教學目標的達成度。

在具體實施過程中，輔以討論課進行答疑、啟發和引導，實現以學生“做”為重點，培養學生的動手實踐能力、分析設計能力及創新能力。梯形的測評系統能夠給出學生的進程式評價，充分調動學生學習知識的自主性。

3.4 開展校企合作創新人才培養模式

基于OBE 理念，校企合作是應用技術型人才培養模式創新的關鍵環節[10]。物聯網工程設計與實施課程具有實踐性強、綜合性強、工程性強的特點，密切的校企合作可以使師生接觸行業中的真實案例，了解行業需求，避免教學培養目標與社會需求脫節。

我院以多種角度開展校企合作。專業教師到企業中參觀、培訓、掛職鍛煉，學習企業的先進技術、管理理念，了解市場需求；密切聯系地方企業，與地方企業建立教學合作單位，成立教學實訓基地，并開展多項物聯網橫向項目服務于地方企業。

目前本課題組與武漢中智訊、鄭州信盈達等軟件公司進行密切合作，與企業一起制定教學計劃，并在實施過程中不斷完善、調整授課內容，例如：新版授課計劃中，在原有的采集層、通信層設計基礎上，增加云端APP層設計、人臉識別等AI設計內容，使得教學具有高階性和創新性，緊隨市場行業需求。此外開設校企合作課程，零距離接觸企業的實際工程項目。對接企業實際需求，有針對性地培養物聯網工程高質量應用人才。

4 結 語

按照成果導向教育（OBE）理念，結合物聯網工程設計與實施課程特點以及我院的教學情況，從“依據工程標準，明確課程培養目標”“轉變教學理念，改變教學模式”“客觀準確評價學生學習成果”“校企合作”四個方面進行了課程教學探索和改進。以成果為導向的教學模式應用，注重學生的工程實踐能力的培養，提高了學生學習的主動性、積極性，也提高了教學目標的達成度。