CDIO-OBE融合視閾下物聯網工程教學改革探索

摘 要：CDIO與OBE教育模式均以學生為中心，強調能力培養。文中將二者結合，引入“物聯網工程設計與實施”這門課程的教學中。從理論教學、實踐教學、考核評價、思政教育四個方面分析了當前教學的困境，提出了基于CDIO和OBE理念夯實系統、工程思維和綜合能力及激發創新能力的教學改革框架，并從課程標準、課程群教學、學生主體、思政與專業自然融合、教學評價五個維度探討了CDIO、OBE融合視閾下教學改革的實施策略，為一流物聯網工程專業和工程認證背景下的課程建設以及“新工科”應用型人才培養的專業課程教學改革提供參考。

關鍵詞：物聯網工程；CDIO；OBE；學生中心；工程認證；“新工科”；教學改革

中圖分類號：TP39 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）05-0-04

0 引 言

《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》中多次提到對物聯網及其相關產業的發展要求和重點。近年來，隨著“新基建”的提出和落地，物聯網工程項目的建設如火如荼，《物聯網新型基礎設施建設三年行動計劃（2021—2023年）》[1]再次明確了物聯網的“新基建”屬性。物聯網工程專業涉及計算機科學與技術、電子科學與技術、通信工程、智能科學與技術、網絡空間安全等專業基礎知識，是適應新一輪科技革命與產業變革的新工科典型代表，是技術融合與未來發展的急需專業；同時，物聯網工程項目建設是當下“四新經濟”（新技術、新產業、新業態、新模式）的一種重要形式，對專業人才素質要求極高，培養適合產業發展需要的物聯網工程專業人才面臨嚴峻挑戰。其中，“物聯網工程設計與實施”作為核心專業課[2]，是一門綜合性和應用性極強的課程，占有基礎性地位，對學生應用知識向專業技能、職業能力的轉化及其系統思維、工程思維的培養具有重要作用。正是因為它的重要性，有關這門課程教學的研究方興未艾，基于問題的教學法（PBL）[3]、基于成果導向理念（OBE）[4]、基于持續改進理念（CQI）[5]、基于CDIO理念[6]等的教學改革是大勢所趨。這些教學改革在相應的細分領域取得了豐碩成果，但很少有研究從分析“物聯網工程設計與實施”課程的特點出發，剖析“物聯網工程設計與實施”當前教學的困境，對學生應用知識向專業技能、職業能力的轉化和設計遵循標準、系統思維、工程思維的培養，提出系統的改革對策。

1 課程特點

“物聯網工程設計與實施”中的“物聯網工程”是研究物聯網系統的規劃、設計、實施、管理與維護的工程科學，要求物聯網工程技術人員根據既定的目標，依照國家、行業或企業規范，制定物聯網建設的方案，協助工程招投標，開展設計、實施、管理與維護等工程活動[7]。這門課程涵蓋了物聯網感知層、網絡層、平臺層（處理層）、應用層關鍵技術，包括了需求分析與可行性研究、網絡設計、軟件設計、安全設計、數據中心設計、產品選型，還包括了工程實施、項目管理、物聯網運行與維護等知識，甚至行業發展的新技術、新工藝、新方法等，既是一門方法論的課程，又是一門面向應用技術的理論課程，也是一門面向應用技術的實踐課程，是重要的專業核心課程。

2 教學困境

2.1 以“教”為主的授課方式，無法匹配崗位需求

本門課程通常選用規劃教材，且授課方式多以知識講授為主，主要圍繞之前各學期的幾門專業課程來組織講授內容。然而，它未能將職業能力、實際工作任務有效地融入課程的教學內容和教學資源中。學生的學習過程主要局限于上課聽講、課后完成作業[3]以及期末參加考試，缺乏足夠的動手實踐和思維鍛煉機會。因此，學生在知識系統化、工程思維培養以及應用創新能力方面存在不足，且這些方面在課程中缺乏相應的培養與考核機制。

2.2 實踐教學無法滿足培養目標的要求

現有的實踐教學主要采用學生個體和小組分工的方式組織，教師根據教學內容，設計不同的實驗項目，教師在任務分解、技術問題解決等方面進行指導[6]，最后對成果進行驗收，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規劃和設計流程，另一方面很難對接行業發展的新知識、新技術、新工藝、新方法。

2.3 缺乏系統的評價體系與方案

現有的教學成績評定體系主要包括平時成績和考試成績兩部分。平時成績主要通過考勤記錄、作業完成情況以及平時測驗來體現；而考試成績則基于統一命題的試卷，這種方式側重于橫向比較，但由于采用統一標準考核，難以針對每個學生的具體情況給出形成性評價[3]。至于實踐成績的評定[4]，大多依賴于學生提交的實驗成果，并結合其平時考勤和表現來綜合確定成績等級。然而，在個人實驗項目中，由于采用統一的題目，學生的實驗成果往往較為雷同；而在小組實驗中，大部分工作往往由個人能力較強的學生承擔，導致難以對每位學生給出恰當的評價和個性化的指導。此外，當前的評定體系還缺乏對學生在工作中發現問題、自主學習、與人合作以及解決問題等職業核心能力的有效培養與評價。

2.4 思政教育自然滲透、融入專業課程的程度不夠

當前，眾多高校在專業課教學中正積極融合思政元素。例如，文獻[7]構建了一個四級協同育人機制，深度融合課程思政，并采納OBE（Outcome-Based Education）理念革新教學模式，全方位滲透思政元素；文獻[8]則基于OBE和新工科理念，將課程思政融入其中，探索出“一軸四化七軌”模式，實施“三全育人”策略，構建了物聯網工程專業應用型人才培養體系；文獻[9]提出融合雙創教育與思政元素，以“產教融合”為核心，融合創新創業政策認知、專業崗位技術應用及思政文化認知等元素，形成了物聯網工程專業認知實習的實踐教學新模式。然而，在專業課具體教學實踐中，仍存在一些問題[10]，主要體現為：思政教育結合現實生活的針對性不足，缺乏生動性，且對行業應用、新工科相關的國情社情了解不夠深入，導致思政教育的感染力和影響力有待提升。

3 課程教學改革基本框架

《高等學校物聯網工程專業規范（2020版）》[2]（簡稱《專業規范》）中明確了“物聯網工程設計與實施”的先修課程是全部專業核心課程，課程目標是讓學生掌握物聯網工程設計與實施的方法，能夠綜合應用物聯網標識與感知、通信與定位、計算與平臺、智能與控制、安全與隱私等知識領域的原理與技術，遵循工程規范，設計一個完整的物聯網應用系統并付諸工程應用。按照CDIO與OBE教育模式以學生為中心、強調能力培養的理念，課程組不斷研討總結，從課程教學內容、教學方法、評價反饋等多個方面對“物聯網工程設計與實施”課程進行了全方位的教學改革探索，其整體規劃設計如圖1所示。

一是通過實地調研、企業調查及文獻分析等方式，將行業對物聯網工程設計與實施能力的要求轉化為人才培養目標與畢業要求，在人才培養方案中明確設立“解決物聯網復雜工程問題的設計/開發方案”指標點。

二是通過行業對物聯網人才的知識、能力、素質要求的分析，歸納出典型工作崗位群的典型工作任務，再分析、論證、歸納出崗位群的職業能力，設計課程群以及支撐畢業要求的指標點。

三是應用OBE逆向教學設計理念設計課程教學體系，明確各教學模塊單元對應的學生學習預期成果、擬采用的教學方式；同時，融入課程思政元素與創新創業要素，培養學生的良好素養。

四是課程實踐環節積極推進CDIO項目式教學方式，采用任務驅動、自主學習、小規模學習、團隊合作、點評討論等形式以充分培養學生利用理論知識夯實系統、工程思維和工程實踐應用的綜合能力；同時，利用實驗室、工作室、學科競賽、科研項目等激發創新能力。

4 課程教學改革的實施策略

課程教學改革實施策略以構建的“知識樹—實驗實訓—項目課題—學科競賽—思政”理實思政一體化課程體系為基礎，通過課前、課中、課后教學組織及對多種教學方法和教學手段的融合，構筑立體化的教學體系，以培養學生解決復雜工程問題的能力，如圖2所示。

4.1 理實思政一體化課程內容體系和教學組織模式的構建

“物聯網工程設計與實施”課程目標很難在有限的一門課程和有限的學時中實現，因此，設計“一體兩翼五融合”集中一學期的課程群教學內容，從教學內容上打破傳統的學科體系結構，進行知識的融合，構建以“物聯網工程設計與實施”“文獻檢索及科技寫作”課程為一體，以“物聯網智能終端設計與實現”“物聯網應用系統開發和集成”課程為兩翼的課程群，在“物聯網工程設計與實施”課程中完成物聯網工程“規劃、設計、實施、管理與維護”五融合，包括物聯網工程設計與實施的方法學和物聯網標識與感知、通信與定位、計算與平臺、智能與控制、安全與隱私等知識領域的原理與技術。

在實踐方面，以物聯網工程生命周期全過程為主線切入，以成果產出為導向，以工作室、工作坊為載體，具體任務為驅動，重點培養學生工程設計、實施與管理方面的知識、技能與素養。一方面，在開展實驗項目的同時增加小組實踐任務；另一方面，將科研項目、企業項目、學科競賽等納入實踐教學體系。學生通過實踐，使系統思維、工程實踐能力、創新思維能力得到進一步鍛煉和提升。

將思政教育融入到理論教學和實踐教學中，培養學生以知識服務社會、維護公共利益的服務意識和守法、愛崗敬業的品德，培養學生科學嚴謹、勇于創新的精神，培養學生在團隊中團結合作、誠實守信的品質等。如將國際領先的信息技術（5G技術）、工程領域的貪腐案例、行業科技攻關事跡等融入日常教學。同時，學生通過參與項目、工作室活動、工作坊實踐、學科競賽等形式，親身體驗團隊合作的重要性、科學研究的嚴謹性以及勇于創新的精神。在此基礎上，構建出“知識樹—實驗實訓—項目課題—學科競賽—思政”理實思政一體化課程體系，并配套實施了涵蓋課前、課中、課后全過程的教學組織模式。

4.2 采用多元化教學方法與手段

在理論講授階段，針對概念、定義等基礎知識，綜合運用講評、提問、解釋、討論、分析及啟發等多種教學方法；而對于方法論部分，則采取原理與技術闡述結合示例演示與案例討論分析的模式。此階段，強化教師的引導作用，同時確保學生的主體地位，促使學生從被動接受知識轉變為主動積極思考。課前，通過任務驅動、開放式自主學習及小規模限制性學習等方式，引導學生完成指定知識點的學習。在課堂上，教師將學生分組，每組代表進行知識點分享，隨后教師梳理、點評，并組織問題討論與探究，實施教師指導下的翻轉課堂模式，促進知識的內化。

實踐教學環節，將理論與實踐、思想政治教育深度融合，依托學校建成的專業實驗室、湖南省數字農業重點實驗室及已簽訂產教合作協議的企業等平臺，以小團隊協作方式解決問題，培養學生的系統思維、工程思維及實踐能力。通過多位專業領域教師參與的課程群教學，鼓勵學生課后走進不同工作室、科研平臺及參與學科競賽，激發他們的創新思維與創新能力。課內實驗環節，推行“做中學”模式，加深對知識的理解與掌握。課后，引入科研項目、橫向項目及學科競賽等，實施以“構思—設計—實施—運作”（CDIO）為主線的工程教育模式。在構思階段，教師提出問題，引導學生小組分析需求及涉及的主要技術、資源等；設計階段，教師精講項目原理，學生通過文獻研究、實驗設計等參與方案設計；實施階段，分解任務活動，結合理論與實踐，通過子任務完成項目實施；運作階段，學習如何與市場對接，進行產品改進優化，師生共同點評討論，并通過對項目的檢驗分析、評價反饋完成運作，形成“CDIO-OBE”（成果導向教育）教學模式的閉環。學生通過課后實踐，經分析總結后參與學科競賽、發表學術論文、申報項目、申請專利及完成畢業設計等。同時，教師提煉部分知識點融入課堂教學，形成良性循環，提升課程教學質量。通過畢業設計進行檢驗，并將反饋結果應用于培養目標、培養方案、課程大綱、教學過程及實習實訓過程的持續改進中。

4.3 采用過程與成果相結合的評價考核方式

基于CDIO與OBE融合理念，重構了課程考核評價方式，采用了一種結合學習過程與產出成果的考核評價機制。過程性評價主要包括：考勤、表現、作業、實驗，占課程總成績的40%；結果性評價包括：項目能力、期末考試試卷成績，占課程總成績的60%，具體見表1。

5 教學效果

在物聯網工程專業2019級遴選了物聯19101班、19102班，在2020級遴選了物聯20101班、20102班、20103班、20104班、20105班進行教學實踐。經對比發現，采用本文教學模式的物聯19101班、20101班、20103班、20104班、20105班教學效果更佳，具體表現如下：

（1）學生對知識的理解和掌握更深刻，物聯19101班的期末考試卷面成績平均分比19102班高2分，物聯20101班、20103班、20104班、20105班比20102班分別高6分、5分、3分、4分。

（2）帶動學生參加雙創、項目課題，學生參加省級及以上學科競賽人數明顯增加，且物聯19101班學生組隊并帶領低年級學生獲得了第十屆數字作品大賽國賽二等獎。

（3）" 在筆者指導的2019級與2020級學生的畢業設計中，相較于物聯19102班和物聯20102班的學生，他們在系統設計實現能力和論文撰寫方面展現出了更明顯的優勢。

6 結 語

針對“物聯網工程設計與實施”課程教學過程中存在的問題，融合了CDIO（構思—設計—實施—運作）理念、OBE（成果導向教育）理念、科技研發創新、教育教學以及實踐實訓，提出了一種基于“構想—設計—實施—運作”模式的成果導向教育方案。該方案通過多維度的教學方法和多元化的反饋評價機制，將原本分散的知識點和能力點串聯起來，凸顯了學生的中心主體地位。這一改革不僅提升了學生的動手能力和德育素養，還促進了教師授課水平和執教能力的提升。本文所探索的教學改革是將科學思維、工程實踐與創新能力培養緊密結合的一種形式，旨在增強學生的系統思維、工程思維、創新思維以及工程實踐能力、社會認知能力和德育情感。這一探索為新工科人才培養教學模式改革提供了有益的參考。

參考文獻

[1] 教育部高等學校計算機類專業教學指導委員會，物聯網工程專業教學研究專家組.高等學校物聯網工程專業規范（2020版）[M].北京：機械工業出版社，2020.

[2] 李傳文，張偉，陳進. PBL在物聯網工程專業建設中的應用探索[J].高教學刊，2021，7（24）：82-85.

[3] 劉保羅，聶雅琳，李晨.基于OBE理念的物聯網工程設計與實施課程建設研究[J].物聯網技術，2021，11（6）：117-119.

[4] 廖琳.基于OBE-CDIO模式的物聯網導論課程教學改革與實踐[J].高教學刊，2022，8（18）：150-153.

[5] 黃傳河，涂航，伍春香，等. 物聯網工程設計與實施[M].北京：機械工業出版社，2023.

[6] 羅海馳，張正道，田玉.基于CDIO理念的物聯網工程專業實踐教學活動研究[J].無錫職業技術學院學報，2022，21（3）：31-36.

[7] 吳亮，劉國英.高校軟件類課程思政教學改革路徑[J].教育理論與實踐，2023，43（30）：38-42.

[8] 徐楠，周端，楊方宜，等.應用型本科物聯網工程專業課程思政實踐探索[J].物聯網技術，2022，12（9）：141-143.

[9] 黃麗霞.“雙創+思政”視角下的物聯網工程專業認知實踐教學模式思考[J].大學，2020（15）：1-2.

[10] 何高明，汪梅.物聯網工程專業課程思政建設的探索與實踐——以梧州學院為例[J].梧州學院學報，2022，32（4）：90-95.