基于OBE理念的物聯網工程專業實踐教學體系建設研究

摘要：本文結合物聯網工程專業建設實踐，提出基于OBE理念的實踐教學質量保障體系，從解決復雜工程問題、物聯網應用系統分析設計能力培養出發，設計了實踐教學環節持續改進的具體方法，包括創新型實踐教學平臺建設、產教融合的綜合實訓、創新創業實踐等，并展示綜合實踐類課程的達成評價分析。

關鍵詞：OBE理念；物聯網工程專業；實踐教學體系

中圖分類號：G420 文獻標識碼：A 論文編號：1674-2117（2024）19-0109-04

引言

工程教育專業認證以“學生為中心”“成果導向”和“持續改進”為核心理念，其目的在于建立起高校工程教育的質量保障體系，培養與用人單位和行業發展緊密契合的具有國際競爭能力的高校畢業生。[1]近年來，物聯網行業相關產業發展勢頭迅猛。對于應用型本科高校來說，物聯網工程專業的培養目標是培養工程實踐能力強，掌握物聯網應用系統的分析、設計、實施等能力，具有創新能力，適應技術進步和社會需求變化的高素質應用型工程技術人才。但專業建設中面臨的最主要問題是如何結合物聯網相關產業行業的發展，從培養目標、實踐教學體系構建、教學組織方式、教學質量評價和持續改進機制等方面著手，建立基于產教深度融合的物聯網工程專業實踐教學模式。

大學生的工程實踐能力培養需要通過多個環節來實現，包括專業核心課程的課內實驗、課程設計、企業項目實訓、創新實踐、畢業設計等。相關文獻[1]通過對物聯網工程專業實踐教學現狀的分析，針對實踐教學環節中存在的共性問題，分別從實踐教學平臺、課程實驗、課程設計、綜合實訓、學科競賽和創新創業等方面提出了針對性的改革措施和方法。文獻[1]提出的基于面向產出理念的智能物聯實訓項目教學內容框架，融合了針對需求工程、架構設計、統一建模、編程開發、網絡規劃等多門類信息學科課程的專業知識訓練。文獻[2]提出BOPPPSI教學模型并運用到實踐教學中，通過完整展示從教學目標設計到達成情況分析的全過程，為相關專業課程的工程教育改革提供參考。

上述文獻從不同角度對計算機類專業在工程教育認證過程中實踐教學模式構建問題進行研究和探討，對于實踐教學質量的持續改進有積極意義，但是對于特定區域和層次的高校，在物聯網工程專業實踐教學體系構建過程中仍存在需要進一步解決的問題。因此，筆者結合所在學院物聯網工程專業的建設實踐，從產教融合、課程設計、企業項目實訓、學科競賽、創新創業項目等方面探討提高物聯網工程專業實踐教學體系構建和教學質量持續改進的有效途徑。

面向工程能力培養的實踐教學體系

筆者所在學院在物聯網工程專業的實踐教學過程中面臨的主要問題包括：①物聯網專業的理論課程體系包含計算機、電子信息、人工智能等多個學科，實踐環節涉及的知識模塊較多，且綜合性強，對任課教師的工程實踐能力和系統分析設計能力有較高要求，而高校教師在能力方面主要進行學術研究，具有較強工程實踐能力的教師相對不足。②從引入企業師資和企業實際項目提升實踐教學環節質量的角度來看，校企合作主體間相對分散，有效的合作機制難以保障。企業指導教師和校內教師的職責劃分不夠清晰，雙方的優質資源難以共享，難以達到產教深度融合；工程實訓類教學與工程實踐聯系不夠緊密，企業參與度不夠深入。③實踐教學環節的形式較為單調，缺乏靈活性和層次性，在對學生多元化、多層次分類培養方面的針對性不足。

針對上述問題，筆者認為，在實踐教學環節首先需要改變教學觀念，轉換教師和學生的角色，讓學生在教師的指導下主動完成相關知識的構建。其次，加強實踐環節訓練，設計綜合性強的應用案例，強調以學生思考、分析、操作為主，通過系統需求分析、系統硬件選型與設計、軟件設計、功能與性能測試等環節，在企業導師和校內導師的指導下完成嵌入式系統的開發設計，提高學生對物聯網應用系統的設計與實踐能力。

筆者所在學院的物聯網工程專業根據學校定位打造了“產教融合”和“創新創業教育”等辦學特色，學生除了在課內學習掌握本專業基礎理論知識外，還可以通過校企聯合培養、參與企業實訓工程項目、參與教師課題、大學生創新創業項目、參與學科競賽等方式深度參與到智能家居、環境監控、智慧養老等物聯網應用系統的架構、設計、開發、實施等環節中，全面培養系統開發設計能力，提升就業與升學競爭力。

此外，圍繞解決物聯網應用系統的開發設計中的復雜工程問題的工程能力培養，本專業基于學生畢業要求，結合企業項目實訓中的“嵌入式系統設計”“移動應用開發方向”等，設計了多個復雜工程問題案例，如：①基于物聯網的智能萌寵盆栽系統。該項目要求設計具有植物生長參數選擇、盆栽環境自動控制、植物生長環境監測和表情互動、APP遠程監測與遠程控制等功能的智能萌寵盆栽系統。以ESP32-S3作為控制器，控制整個盆栽系統的運行。空氣溫濕度傳感器、光照強度傳感器、土壤濕度傳感器、震動傳感器組成傳感器模塊，將收集的環境數據發送至單片機；水泵、加濕器、LED補光燈組成控制設備模塊，顯示屏模塊實現系統控制等功能。ESP32-S3集成的Wi-Fi將接收的傳感器數據上傳至互聯網，同時接收手機APP發送的控制指令。②軌道交通數據可視化平臺。建立一卡通大數據平臺系統，包括底層存儲與計算環境、ETL與數據治理、標簽系統、數據分析與挖掘BI、GIS分析與展現、自定義門戶展示、數據安全監控管理等子系統功能。根據一卡通數據入庫與清洗、統計與分析，及大數據分析后臺的運行結果進行數據可視化呈現，以直接、全面、美觀的效果為數據分析人員提供一站式數據分析解決方案。

產教深度融合的實踐教學體系構建

筆者所在學院的物聯網工程專業還充分利用物聯網技術創新實驗室及相關軟硬件資源環境，構建了物聯網工程專業教學體系，該體系分為專業基礎課、專業核心課、企業項目實訓等部分，如上頁圖1所示。

在企業項目實訓環節，針對物聯網的特定應用場景（工業物聯網、智能農業、智能家居、智慧工廠等），企業指導教師會指導學生從需求分析、系統方案設計、軟硬件開發、系統級測試等方面進行完整的物聯網應用系統的開發設計。企業實訓項目一般會安排學生分組完成，在該過程中通過解決復雜問題的實踐，培養學生的分析思考能力和創新能力，使其能夠更加靈活地應對各種挑戰。根據產教融合、校企合作培養工程型人才的理念，部分綜合性實踐類課程（專業認識實踐、單片機技術課程設計等）嵌入式培養模式引進企業的真實工程項目案例（智能家居、智慧工廠等）及其管理方式，由校內教師和企業指導教師共同承擔實訓項目的設計和指導任務，使學生潛移默化地接受企業文化與職業素養，并拓展學生的物聯網應用系統的開發設計能力。同時，在第七、八學期，安排部分學生到企業實訓基地，讓學生按照企業的開發模式進行企業開發實戰實訓、實習、就業，進一步提升職業的綜合素質并完成畢業設計（論文）教學環節。

本專業與多家企業合作建立了物聯網工程創新實驗室，該實驗室引入多個物聯網應用領域的創新實踐項目，包括工業物聯網（智慧工廠）綜合實訓平臺、泛在接入物聯網數據平臺與管控系統、大氣網格化智能監測平臺、智能交通車聯網信息系統、基于ZigBee的煤礦智能安防系統、基于STM32的智能樓宇監控開發系統等。該實驗室采用自頂向下的設計模式，實現了具備以下能力的綜合實驗平臺：底層可接入個性化/自定義設備模塊頂層可實現多樣化數據展示，后臺可對數據進行分析、挖掘、分類、評估及預測，前端可接入各類移動終端以及嵌入式設備，在技術上涵蓋物理層、網絡層、傳輸層以及應用層的全部實驗場景。實驗室架構如圖2所示。

例如，本專業與某公司合作在項目實訓中引入了泛在接入物聯網數據平臺，為學生對物聯網應用系統開發設計提供了完整的實訓方案，并可作為學科技術基石進行創新、擴展與延伸。在技術上，云平臺服務端以Python體系的Django架構實現，使用MySQL作為數據庫，并通過C++/Qt實現中間件接口，在用戶接口方面，平臺使用了前后端分離的設計模式，以B/S架構為主，配合微信小程序實現跨平臺訪問。

教學質量持續改進機制

物聯網工程專業依照OBE理念的核心要素“學生中心、產出導向、持續質量改進”，從培養目標、畢業要求、課程體系和課程質量等方面不斷改進工作，形成校內循環和校外循環，校內循環的實施基于教學過程質量監控機制和畢業要求達成度評價機制，校外循環的實施則基于畢業生跟蹤反饋機制和社會評價機制。校內、校外通過培養目標、畢業要求的評價與改進形成有機的整體，相互支撐，相互促進。本專業的持續改進機制如上頁圖3所示。

同時，為了保證本專業全體學生了解物聯網行業的發展和就業前景，學院開設了專業導學課程與專業認識實踐課程。專業導學課程安排在大一第一學期，任課教師向學生解讀專業培養方案，包括培養目標、畢業要求和課程體系結構，重點闡述物聯網工程專業的課程體系，讓學生明白各課程之間的支撐關系及要重點掌握的核心課程，并對學生的學習規劃及發展方向進行引導和建議。專業認識實踐課程通過結合企業工程案例，使學生接觸社會，考察企業人才結構的現狀和社會對本專業人才的需求情況，認識和了解產品研發過程，了解本專業的形成和發展過程、專業內涵和應用狀況及其發展趨勢。圖4為專業持續改進的信息交流和反饋機制。

實施效果

通過近三年實踐教學改革和實施，筆者所在學院物聯網工程專業學生的工程實踐能力和創新能力明顯提高，尤其在學科競賽獲獎、創新創業項目、升學率、就業率等方面均有較大提高。這說明，基于OBE理念的實踐教學體系建設有利于培養學生扎實的物聯網工程專業基礎理論知識和工程實踐能力，較強的創新創業精神、團隊協作意識和社會責任感。

參考文獻：

[1]朱濤，王群，夏玲玲.基于OBE理念的智能物聯實訓項目教學設計[J].實驗技術與管理，2022，39（10）：168-171+184.

[2]肖堯，王嬌琳，劉勝藍，等.工程認證下計算機類實踐課程的BOPPPSI教學模型設計與實踐[J].計算機教育，2023（08）：166-171.

基金項目：常州工學院教學改革重點項目“基于OBE理念的物聯網工程專業教學體系創新模式研究（jgkt2022-8）”；教育部供需對接就業育人項目“新工科背景下無線傳感網絡課程教學改革研究（20220102602）”。