CDIO理念支持的初中物聯(lián)網(wǎng)工程教育實(shí)踐與探索
——以“心率監(jiān)測(cè)、科學(xué)助跑”為例

祁小明 江蘇省江陰市教師發(fā)展中心

陸燕芳 江蘇省江陰市禮延實(shí)驗(yàn)學(xué)校

●CDIO工程教育理念與物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)的關(guān)聯(lián)

CDIO工程教育是由麻省理工學(xué)院聯(lián)合多所大學(xué)合作而建立的高校工程人才培養(yǎng)模式。CDIO是構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計(jì)（Design）、實(shí)現(xiàn)（Implement）和運(yùn)作（Operate）的簡(jiǎn)寫，代表了工程教育的四個(gè)環(huán)節(jié)。

《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》對(duì)“物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐和探索”模塊的學(xué)業(yè)要求是理解萬物互聯(lián)，設(shè)計(jì)并搭建簡(jiǎn)易物聯(lián)系統(tǒng)，讀取并處理物聯(lián)網(wǎng)功能設(shè)備中的數(shù)據(jù)，適當(dāng)反饋或控制，從而認(rèn)識(shí)物聯(lián)網(wǎng)自主可控技術(shù)的重要作用。在國(guó)內(nèi)，由于工程教育起步較晚，中小學(xué)基礎(chǔ)教育階段多以應(yīng)試教育、會(huì)考方向?yàn)橹鳎こ探逃幕笔В瑢?dǎo)致普通高中學(xué)生實(shí)踐操作和創(chuàng)新能力普遍偏低，學(xué)生對(duì)工程教育缺少正確的認(rèn)知，因此，在物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)中引入工程教育理念具有重要的意義。

首先，幫助學(xué)生理解并探索真實(shí)的生活世界。在物聯(lián)網(wǎng)探索活動(dòng)中引入工程教育理念能夠有效提高學(xué)生的創(chuàng)新能力，并引導(dǎo)他們?cè)趯?shí)踐中不斷豐富自己的知識(shí)；能夠讓學(xué)生意識(shí)到自己也可以設(shè)計(jì)并改造周圍的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，進(jìn)而培養(yǎng)他們的工程意識(shí)。

其次，培養(yǎng)學(xué)生利用工程思維解決問題的能力。物聯(lián)網(wǎng)工程教育可以改變學(xué)生對(duì)真實(shí)生活世界的理解，改變他們對(duì)數(shù)字化生活知識(shí)結(jié)構(gòu)的認(rèn)知，并提高應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來解決問題的實(shí)踐能力。

最后，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性和責(zé)任感。物聯(lián)網(wǎng)工程教育使學(xué)生承擔(dān)更多的責(zé)任，他們能看到工作的潛在作用，意識(shí)到未來的可能性，改變他們對(duì)未來數(shù)字化時(shí)代可能的職業(yè)選擇。

●物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目“心率監(jiān)測(cè)、科學(xué)助跑”設(shè)計(jì)思路

在教學(xué)中，筆者嘗試將CDIO工程教育理念引入初中信息科技，并以“心率監(jiān)測(cè)、科學(xué)助跑”作為研究項(xiàng)目，按照CDIO模式開展項(xiàng)目設(shè)計(jì)與實(shí)踐活動(dòng)。

1.整合資源，確定主題

在展開物聯(lián)網(wǎng)工程教育的過程中，教師首先要結(jié)合學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，有針對(duì)性地選擇與其生活相關(guān)的活動(dòng)，激發(fā)學(xué)生的求知欲，從而促進(jìn)他們對(duì)物聯(lián)網(wǎng)知識(shí)的掌握。結(jié)合全國(guó)每年出現(xiàn)的學(xué)生運(yùn)動(dòng)意外事故，筆者確定了“心率監(jiān)測(cè)、科學(xué)助跑”工程教育主題。這是一個(gè)科學(xué)跑步的工程設(shè)計(jì)問題，能激發(fā)學(xué)生對(duì)心率數(shù)據(jù)深層次探究的動(dòng)力。

例如，心率傳感器采用光電容積脈搏波描記法（Photo Plethysmo Graphy，PPG），通過測(cè)量血液中血紅蛋白隨心臟跳動(dòng)而對(duì)氧氣吸收的變化量來測(cè)量人體心率參數(shù)。在項(xiàng)目前期，教師先引導(dǎo)學(xué)生討論心率傳感器，探討幫助人們解決生活問題的應(yīng)用，接著拋出問題“心率傳感器可以獲取心率數(shù)據(jù)，我們能否嘗試應(yīng)用在跑步中呢”，引出本次工程項(xiàng)目主題“心率監(jiān)測(cè)、科學(xué)助跑”，從而引導(dǎo)學(xué)生從心率數(shù)據(jù)的感知、心率數(shù)據(jù)的獲取上分析，幫助學(xué)生理解物聯(lián)網(wǎng)三層邏輯結(jié)構(gòu)—感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。

2.注重引導(dǎo)，有效構(gòu)思

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)本身就具有很強(qiáng)的趣味性，但在開展物聯(lián)網(wǎng)工程教育過程中，應(yīng)注重引導(dǎo)。教師可以按照優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)原則對(duì)學(xué)生進(jìn)行分組，每組4人，合作探索。可穿戴心率監(jiān)測(cè)器的構(gòu)思、設(shè)計(jì)、制作、測(cè)試、應(yīng)用過程涉及藝術(shù)、科學(xué)、數(shù)學(xué)、工程、體育等方面的知識(shí)，學(xué)生需要學(xué)習(xí)獲得相關(guān)學(xué)科知識(shí)和方法進(jìn)行整體構(gòu)思。而且，可穿戴心率監(jiān)測(cè)器的設(shè)計(jì)，不僅需要考慮使用場(chǎng)景，還需要考慮成本、設(shè)備的舒適度、可佩戴性、防水性，甚至不同的人群對(duì)顏色外形等喜好差異等因素，因而對(duì)該項(xiàng)目的綜合實(shí)踐探究，有助于學(xué)生進(jìn)行系統(tǒng)的思考、創(chuàng)造、合作與交流等。

例如，學(xué)生體驗(yàn)教師制作的簡(jiǎn)易心率監(jiān)測(cè)器，觀察心率實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并以小組為單位分析設(shè)備的運(yùn)行流程，把項(xiàng)目進(jìn)行分解。通過小組研究分析項(xiàng)目，確定需要實(shí)現(xiàn)的功能與需要的硬件設(shè)備，并在創(chuàng)趣物聯(lián)平臺(tái)對(duì)設(shè)備進(jìn)行自主探究，了解模塊的設(shè)計(jì)原理和使用方法。

3.迭代設(shè)計(jì)，優(yōu)化方案

迭代設(shè)計(jì)可以幫助學(xué)生了解設(shè)計(jì)過程的可變性，有助于學(xué)生理解在實(shí)際應(yīng)用中設(shè)計(jì)過程的復(fù)雜性。學(xué)生通過不斷測(cè)試和優(yōu)化，不斷更新設(shè)計(jì)，尋找更有效的方法來解決問題，最終獲得更好的結(jié)果。

例如，在心率數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)過程中，學(xué)生首先會(huì)認(rèn)識(shí)物聯(lián)網(wǎng)模塊的功能，把心率檢測(cè)模塊、顯示屏模塊與主控進(jìn)行連接，給物聯(lián)網(wǎng)主控寫入代碼，然后完成簡(jiǎn)易的心率檢測(cè)器。但學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)，這樣設(shè)計(jì)只有佩戴者能查看數(shù)據(jù)，如果長(zhǎng)跑時(shí)發(fā)生意外，心率數(shù)據(jù)卻不能實(shí)時(shí)在平臺(tái)呈現(xiàn)并發(fā)揮作用。由此，教師可以引出將應(yīng)用層連接到物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的迭代設(shè)計(jì)，并引出具體的步驟：連接Wi-Fi連接物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)（MQTT協(xié)議）實(shí)現(xiàn)心率數(shù)據(jù)上傳與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。接著，學(xué)生設(shè)計(jì)方案采集心率數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)，再一次升級(jí)項(xiàng)目。迭代設(shè)計(jì)是工程教育中不可或缺的一部分，它可以幫助學(xué)生獲得更好的設(shè)計(jì)結(jié)果。

4.項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)，注重實(shí)踐

初中階段是培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力的重要階段，教師要有意識(shí)地將理論知識(shí)與實(shí)際操作結(jié)合起來，提高學(xué)生的動(dòng)手能力。CDIO工程教育是實(shí)踐性很強(qiáng)的人才培養(yǎng)模式，通過創(chuàng)設(shè)真實(shí)的工程環(huán)境，讓學(xué)生在解決實(shí)際問題的過程中培養(yǎng)工程師技能。

例如，“心率監(jiān)測(cè)、科學(xué)助跑”項(xiàng)目可分為五個(gè)子項(xiàng)目展開：物聯(lián)網(wǎng)初探、心率數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、心率數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、基于運(yùn)動(dòng)心率數(shù)據(jù)的科學(xué)決策、心率監(jiān)測(cè)設(shè)備優(yōu)化及個(gè)性化設(shè)計(jì)。在初步掌握物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)知識(shí)后，小組完成心率數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和作品搭建，學(xué)生通過LED屏可以看到心率數(shù)值。采用在線表格方式填寫運(yùn)動(dòng)前、運(yùn)動(dòng)后、運(yùn)動(dòng)后3分鐘的心率值。學(xué)生使用匯總的心率數(shù)值對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到心率數(shù)據(jù)背后的信息。采用物聯(lián)網(wǎng)Wi-Fi模塊連接IOT平臺(tái)。對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)Wi-Fi模塊的配網(wǎng)設(shè)置，筆者沒有采用講授法進(jìn)行知識(shí)灌輸，而是引用學(xué)生熟悉的手機(jī)連接Wi-Fi進(jìn)行知識(shí)遷移，引導(dǎo)學(xué)生繪制連接物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的流程圖（如下頁(yè)圖）。在此基礎(chǔ)上完成物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的子程序代碼，完成IOT平臺(tái)的連接，登錄物聯(lián)平臺(tái)完成設(shè)備的建立與數(shù)據(jù)顯示方式的設(shè)置。可見，以項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)方式開展物聯(lián)網(wǎng)工程教育，不僅可以幫助學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題，還可以培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐、團(tuán)隊(duì)合作和問題解決等能力。

5.運(yùn)行評(píng)估，創(chuàng)新評(píng)價(jià)

CDIO工程教育對(duì)學(xué)生能力的評(píng)價(jià)方式與傳統(tǒng)教育不同。課程實(shí)施中不僅要評(píng)價(jià)學(xué)生個(gè)人的學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)和能力，還要通過小組過程性評(píng)價(jià)促使學(xué)生與其他成員密切合作，協(xié)調(diào)各自的職責(zé)和任務(wù)，進(jìn)行充分的溝通和交流，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)意識(shí)，增強(qiáng)與他人的互動(dòng)能力。

例如，在“心率數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)”項(xiàng)目實(shí)施過程中，學(xué)生要完成物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備連接IOT平臺(tái)，整個(gè)過程包含三個(gè)子項(xiàng)目：連接Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備與IOT平臺(tái)連接、IOT平臺(tái)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。操作環(huán)環(huán)相扣，如果不進(jìn)行小組過程性評(píng)價(jià)，不僅無法全面反映學(xué)生在整個(gè)工程項(xiàng)目中的實(shí)際表現(xiàn)，而且也不能及時(shí)了解各組學(xué)生的完成情況。于是，筆者使用希沃的板中板功能，設(shè)計(jì)了過程性評(píng)價(jià)表格。小組成員自由選擇擅長(zhǎng)的方向，按照不同職能進(jìn)行固定分工，如組長(zhǎng)、硬件搭建人、編程操作人和文案策劃人等。在組長(zhǎng)的協(xié)調(diào)下，以合作為導(dǎo)向，成員相對(duì)獨(dú)立地完成方案設(shè)計(jì)、作品搭建、流程圖的繪制、程序的編寫與調(diào)試。第一個(gè)完成子項(xiàng)目的小組的組長(zhǎng)，就可以拖動(dòng)“蘋果”圖標(biāo)到相應(yīng)的子項(xiàng)目評(píng)價(jià)單元格，后續(xù)完成的小組的組長(zhǎng)拖動(dòng)“五角星”圖標(biāo)到相應(yīng)的子項(xiàng)目評(píng)價(jià)單元格。這樣，小組過程性評(píng)價(jià)不僅可以讓學(xué)生不斷反思、調(diào)整和改進(jìn)解決問題的方式，還能夠幫助教師提供針對(duì)性的指導(dǎo)和支持。

●實(shí)踐反思

經(jīng)過一段時(shí)間的實(shí)踐與探索，筆者發(fā)現(xiàn)只有少數(shù)學(xué)生能夠完成產(chǎn)品的多次迭代設(shè)計(jì)。因此，在項(xiàng)目探究中，可以把任務(wù)進(jìn)行再次拆解，整體細(xì)化，降低難度，安排更多的時(shí)間留給學(xué)生思考、探究，或者可以根據(jù)不同的難度給小組提供不同的分層任務(wù)，實(shí)行彈性教學(xué)，挖掘每個(gè)小組的潛力和發(fā)展空間。總之，開展物聯(lián)網(wǎng)工程教育，要及時(shí)對(duì)學(xué)生的表現(xiàn)進(jìn)行反饋，鼓勵(lì)學(xué)生不斷改進(jìn)和提高，鼓勵(lì)學(xué)生之間進(jìn)行互相幫助和協(xié)作，加強(qiáng)學(xué)生之間的聯(lián)系和個(gè)人發(fā)展。