基于CDIO理念的物聯網工程專業實踐教學活動研究

羅海馳 張正道 田 玉

(江南大學 a.物聯網工程學院; b.教育信息化研究中心，江蘇 無錫 214122)

物聯網工程專業是在計算機科學與技術、信息與通信工程、控制科學與工程、電子科學與技術等多學科交叉的基礎上，面向國家戰略性新興產業發展需求而建立的綜合性專業。物聯網工程專業的人才培養目標要求學生既能夠從技術角度看產品，具備運用專業理論知識分析設計物聯網系統的能力，也要會從政治、社會、法律、環境等其他角度看產品，具備從不同非技術角度分析、設計和評價物聯網系統的能力，從而為今后在物聯網工程領域從事軟硬件產品設計、開發、運維及科學研究等工作打下良好的基礎。物聯網工程專業自帶綜合屬性，其綜合實踐教學環節是實現物聯網工程專業培養目標的重要途徑。綜合實踐教學不僅能打破學科內多課程間的壁壘，而且更關注跨學科的銜接與融合，引導學生將各學科基礎理論知識與設計開發技術融會貫通，培養學生的工程實踐能力與創新能力。因此，如何設計并有效實施綜合實踐教學活動，全面激發學生的創新思維和創造能力，合理評價學生在實踐中的表現并給予反饋，成為物聯網工程教學研究的熱點問題之一。

CDIO是近年來廣受關注的工程教育模式，主張以產業需求為導向，將構思 ( Conceive)、設計 (Design)、實施 ( Implement)、運行( Operate)融入教學實踐，以啟發和引導學生從理論知識體系、實踐能力體系以及人際交往技能體系出發，主動建構起自己的綜合工程實踐能力體系[1]。本研究以物聯網工程專業綜合實踐課程為依托，探索基于CDIO理念的物聯網工程專業實踐教學模式的設計與評價，旨在更好地發揮學生的主體作用，激發學生的實踐潛能和創新能力，提升綜合實踐類課程的教學質量，為后續的工程專業課程教學提供相應指導和借鑒。

1 物聯網工程專業綜合實踐教學活動過程中存在的問題

現有物聯網工程專業的綜合實踐教學研究主要聚焦于綜合實踐平臺研發[2-3]、綜合實踐教學體系構建[4]以及綜合實踐項目評價研究[5]，在實踐教學過程組織方法和評價標準等方面的研究較少。物聯網工程專業綜合實踐教學活動過程中的問題主要體現在以下兩個方面。

1.1 實踐教學活動缺乏完整的模式設計

現有實驗教學主要采用小組分工的方式組織教學活動。教師在課題目標設立、組內任務分解、項目進度控制、技術難點實現等方面進行相應指導，最后對小組成果進行答辯驗收。這種常規的實驗教學活動組織方式一方面不利于引導學生體驗工程項目的整體設計和開發流程，另一方面由于缺乏對學生階段性工作的指導和反饋，也不利于教師了解學生的實際情況，發現教學中存在的問題。

“實驗教學重在過程。”[6-8]精心設計的實驗教學過程是達成實驗教學目標，獲得良好實驗教學效果的重要保障。物聯網工程專業綜合實踐教學活動的核心目標是使學生在實踐中加深對理論知識的理解，鍛煉學生的工程能力，培養學生的工程師素養，因此，應圍繞這一目標進行實驗教學課程設計。

1.2 實踐教學活動缺乏系統的評價體系與方案

學生實踐課程的成績是檢驗老師在綜合實踐教學活動中是否達成教學目標的依據，也是對學生在這一過程中表現出的學習能力的評價。通過考查課題成果，可以對學生的理論知識掌握情況、系統的設計開發能力、創新意識和創新能力等方面進行評價，也可以讓學生進一步了解自身的優勢和不足，從而引導和促進學生的成長和發展。

目前，物聯網工程專業綜合實踐課程成績的評定大多以學生小組提交的課題成果為主要評價依據，再結合學生的平時考勤及學生間的互評情況，給出學生的個人課程成績，而對學生在實踐教學活動中的過程性和表現性評價則相對較少。在實踐課程活動中，小組課題成果往往是由個人能力較強的學生獨立完成的，而學生互評也存在評價標準和尺度不統一的問題，難以借此針對每位學生給出適當的評價及個性化的引導。

2 基于CDIO的綜合實踐教學活動設計

物聯網工程專業綜合實踐教學活動設計應充分體現學生的CDIO技能，各個環節的設計應以能反映學生的構思、設計、實施和運作技能為原則。下文是對基于CDIO的綜合實踐教學活動各個環節的設計進行的詳細介紹。

2.1 構思——課題設置

CDIO理念強調讓學生在真實場景中考慮通過現有的技術支持來進行項目的設計[9]，在這個環節，教師應給學生提供具有情境性和真實性的課題，以豐富學生的沉浸式體驗，構思出最合理的設計方案。在物聯網工程專業的實踐課程設計中，課題目標設置應更具開放性，以發揮學生的創新能力；所用實驗設備組件的選型應符合或接近工程實際，且便于擴展和更新；應盡可能在教學環境中還原課題的需求場景，以便引導學生更好地理解課題，啟發學生從技術和非技術角度進行綜合觀察與思考。

圖1是用于智能家居課題的實景沙盤。沙盤中預置了小型且可實際使用的電視機、風扇、電動窗簾、電動衣架、門禁、紅外對射器、攝像頭、智能水表、智能電表、智能氣表、溫濕度傳感器、煙霧傳感器、加濕器等組件，并預留了接口，可支持其他設備的接入，網關及通信協議可以由學生自行設計，也可直接使用沙盤提供的配套設備，這樣既便于教學，又不脫離實際。結合智能家居實景沙盤，可以將智能家居樣板房設計作為開放式課題目標，以學生熟悉的家庭生活為切入點，引導學生挖掘用戶需求，并從開發商、住戶、物業管理人員等不同視角對解決方案進行思考和討論。

圖1 智能家居實景沙盤

2.2 設計——課題發布

設計環節旨在讓學生能夠根據自己的構思進行項目設計，從而順利實施項目。為便于學生進行相應項目設計，課題發布時可以以具體的項目場景為例，讓學生能夠沉浸在角色中，從角色出發進行設計，例如，綜合實踐教學可以模擬物聯網應用解決方案招投標過程，由教師團隊擔任項目招標方，由3～5名學生自由組隊成立初創公司，作為項目投標方。

在實踐活動開始前，由教師團隊向全體學生發布實踐課題的內容及要求，并給出實踐進程的各個時間節點。教師應在發布課題的同時向學生明確各階段需完成的主要工作以及要提交的階段性成果的形式和規范，提示學生各階段應關注哪些主要問題，對各階段的人力資源配置方案進行引導，推薦相關的參考資料及信息渠道，給出課程評價指標體系及評價方法，同時提供沙盤組件的用戶文檔及例程，以及實驗教學服務器的配置參數和使用手冊。

在課題發布后，學生可以自由組隊，確定公司名稱、成員名單及各成員的角色分工并提交。可設置的角色主要有產品經理、市場調研員、系統架構師、文案編輯等，一名學生可以擔任多個角色，但一個角色只能由一名學生擔任，并要求角色間分工明確，角色所負責的工作范圍符合角色定位。隨后各小組需要圍繞課題目標，在指定期限內完成需求調研；在課題給出的約束條件下設計解決方案并論證該方案的可行性，完成軟硬件的技術選型；制訂項目的實施計劃，估算項目成本，確定項目報價。

在設計中期，教師團隊可以組織一次面向所有小組的公開答疑，主要解答有關課題內容、要求、系統邊界等方面的問題。

2.3 實施——過程監控

實施就是項目作品的制作環節，是方案變現的過程。在這個環節，各組均需定期召開組會，在組內交流進展、討論問題、確定計劃和分工。教師參加組會，傾聽學生討論、觀察學生的表現、啟發學生的思路、引導學生進行思考，但既不提供具體幫助，也不參與決策，只是對學生的實施過程進行監控、把握進度。

學生的項目設計方案完成后即可進入實施階段。在項目實施階段，各學生小組按本組制訂的項目實施計劃完成系統的設計、開發、軟硬件集成、測試、部署工作，制作演示文稿和演示視頻，以展示系統各功能模塊的實現情況及系統各項性能要求的達成情況。

2.4 運作——考核評價

運作即學生把學習成果完整呈現出來，展示項目功能及優勢，同時接受教師和同學的考核與評價。在項目實施階段結束時，各學生小組提交設計說明書、測試文檔和用戶手冊，教師團隊組織面向所有小組公開的項目演示和答辯。在答辯結束后，教師團隊給出各組的項目實現評價結果。答辯和演示都要面向全體學生公開進行，這樣教師團隊既能對各組的階段性成果給出評價，也能促進學生的組間交流，通過表述、提問、回答、辯論等過程，使學生能夠更全面、更深入地認識問題。教師在給出評價的同時，還應當給出改進建議，通過個人經驗的分享，引導學生進一步開拓思路、加深理解。

3 物聯網工程專業綜合實踐教學活動評價

完善的課程考核和評價標準，既是對學生學習成果的綜合考量，也是開展后續教學實踐的重要參考。CDIO模式為教學過程實施和檢驗提供了重要標準，這些標準使得基于CDIO教學實踐的評價有了更具體、可操作的指標[10]。在物聯網工程專業實踐教學的考核和評價環節，學生成績由其所在小組的課題成果評價結果及學生個人的合作問題解決能力評價結果兩個部分組成，兩部分成績各占總成績的50%。其中，課題成果評價由項目方案設計評價和項目實施評價兩個部分組成，合作問題解決能力評價則既包括對學生在課程結束時達到的能力水平的評價，也包括對學生通過該課程獲得的能力成長的評價。

根據課程培養目標及各培養目標所支撐的學生畢業要求指標點，制定項目方案設計評價標準(見表1)。在方案設計階段的項目方案的答辯環節，教師團隊依據項目方案設計評價標準對各小組進行現場打分，以各位教師給出成績的平均值作為小組的項目方案得分。項目實施評價標準見表2。在項目實施階段的項目演示環節，教師團隊依據項目實施評價標準對各小組進行現場打分，以各位教師給出成績的平均值作為小組的項目實現得分。

個人合作問題解決能力是基于 ATC21S 測評框架進行評價的，該框架來源于思科、英特爾、微軟等公司資助的“21世紀能力教學與評價項目”，主要考查學生的合作問題解決能力，包括社會技能發展水平(對參與者的管理)和認知能力發展水平(對任務的管理)，利用ATC21S測評框架，可以對學生的高階思維進行評價，了解學生在小組專業實踐課程中的問題解決能力，評價標準見表3[11-12]。

表1 項目方案設計評價標準

續表1

表2 項目實施評價標準

此外，本研究針對教師和學生分別設計了訪談表，要求教師和學生在每次組會結束后提交，以幫助學生回顧實踐過程，審視自身在小組學習和實踐課程中的表現，且便于教師進行教學反思，不斷調整并優化教學方案。在方案設計階段和項目實施階段結束時，分別綜合學生本人、小組其他成員和教師三方的記錄，對學生的合作問題解決能力發展水平進行評價，對比兩次評價結果，生成對學生在綜合實踐教學活動中的整體評價。

4 結語

綜合實踐教學活動是物聯網專業重要的實踐性教學環節，在選擇課題和實驗設備、設計教學過程、確立評價方法時，應緊緊圍繞培養目標，結合工程實際，充分調動學生的積極性和主動性，以科學的評價標準、評價方式促進學生綜合能力的發展。本研究依托CDIO工程教育模式，設計了包含構思、設計、實施、運行四個環節的綜合實踐教學活動模式，并結合物聯網工程專業特色，構建了綜合實踐教學活動的評價指標體系。實驗結果表明，基于CDIO理念的物聯網工程專業實踐教學活動，可以調動學生的學習積極性，引導學生將各學科基礎理論知識和設計開發技術融會貫通，增強學生的工程實踐能力與創新能力。在課題設置環節，本研究引入了實景沙盤作為主要教學場景，與綜合實驗箱、綜合實驗臺相比，雖然實景沙盤可以提供更直觀的場景體驗，各種組件的選擇也更自由，但仍存在整體場景固定、缺乏復雜的問題條件變化、需要分時使用等問題。未來綜合實踐活動的研究應著力于為學生提供更真實、更具操作性的教學課題和工具，結合實際的物聯網應用背景建立虛實結合的仿真實驗平臺，并在模擬的團隊協作式產品設計開發流程中加入對參與者合作問題解決能力的自動評價，這會更有利于綜合實驗教學活動的開展。此外，由于物聯網應用涉及的技術線較長，且跨多個學科，在未來的綜合實踐教學活動中，應進一步體現物聯網工程專業的跨學科特點，選取具有綜合屬性的研究課題，同時擴充實踐指導教師隊伍，引入具有不同學科背景和工程經驗的教師，以便更好地對學生實驗產品設計開發的整個流程進行指導。

表3 ATC21S合作問題解決能力評價標準