CDIO理念下的物联网课程实践教学改革探究

2015-09-10陈昌兴冯小燕

中国教育信息化·基础教育 2015年11期

陈昌兴　冯小燕

摘要：按照物联网工程专业教学的要求，该专业学生既要精通理论又要具有工程实践能力。作者引入CDIO工程教育理念，重点在物联网课程实践教学改革及其相应的实践教育思路等方面进行了深入探讨，对提高高校物联网工程专业教学水平，提升学生综合素质和工程能力，具有一定的实际指导意义。

关键词：CDIO；物联网；教学改革；实践

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1673-8454（2015）22-0065-03

一、引言

随着电子信息技术的进步和全球工业化的迅猛发展，物联网等信息技术的第三次革命将给人们的生活带来重大的改变。而物联网工程技术人才匮乏的现象日益突出，业内急需物联网技术专业人才。

如何结合高校学生学习实际情况和认知规律，培养适应市场的物联网技术人才，成为物联网专业教育改革发展的当务之急。

本文借鉴发达国家高校工程人才培养模式的成功经验，参照《高等学校计算机科学与技术专业人才专业能力构成与培养》[1]的相关理念与指标，提出了在工程教育能力结构上，高校的物联网人才培养模式应注重理论与实践的紧密结合，以生产第一线的实际需要为目标，注重面向实践科研，增强学生的综合素质，突出“产学研”互相结合，使学生循环渐进地掌握物联网技术和解决实际问题的方法。

二、CDIO理念的引入

高校开展的物联网课程是为计算机、电子信息类本科学生开设的专业课程，课程的目的是使学生掌握物联网技术的基本理论，培养学生运用物联网技术分析问题和解决实际问题的能力，能够对整合网络内的人机交互设施进行实时管理和控制，具备解决实际问题的工程素质和创新能力，达到物联网工程技术对人才的要求。

CDIO 培养体系是21世纪提出的先进教育理念，其体系和评价标准面向产业对工程人才的需求，把构思—设计—实现—运行（CDIO）作为工程教育的环境背景，由此获得一系列详细而合理的教学目标。[2]

CDIO教学计划的制订是以技术应用能力和工程素质培养为主线，其核心定位在于掌握基础理论知识的基础上，着力培养学生从事专业实际工作并能直接参与到应用系统开发过程中的实际能力。强调实践能力与工程素质，这是物联网课程引入CDIO实践教学计划相结合的关键点。CDIO教学计划强化了学生的理论基础，并能进行技术创新，体现了物联网专业学生实践能力的核心素质培养。

三、物联网课程CDIO实践教学改革的要求

物联网CDIO教学实践要求学生既要精通物联网理论，又强调工程实践，更加强调注重创新精神和工程实施。因此根据物联网课程设置和课时安排，要求学生掌握开发环境的建立、程序的开发、软件的调试、通信接入与处理原理等基础理论。在初步具备基础知识后，通过项目的开发掌握应用于实践工程的综合能力。教学与实践有机结合，实现从事物联网工程及应用技术研究的应用型高级专门人才的教学要求。

物联网课程CDIO实践教学具体教学基本要求如下：

1.物联网概论的了解

物联网产业链广，因此需要掌握物联网的发展趋势，对物联网体系架构要全面了解，并熟悉物联网的应用层、网络层及感知层的功能、关键技术及技术分析，在教学过程中加强学生对物联网领域的思维和更多的感性认识。

2.熟悉物联网开发环境的构建

物联网学习者需要熟悉掌握IAR Embedded Workbench集成环境，使用该IT开发工具可以有效提高联网工程项目开发效率，如功能强大的编辑器、便捷的中断处理和模拟等，符合不同层次用户的开发需求。

学生能应用相关原理和技能通过物联网教学实验平台系统的Linux开发环境进行实验模拟和仿真，根据应用项目的需要进行硬件和软件的配置，这是物联网CDIO实践教学中必不可少的一项内容。

3.对传感器的分类、组成的掌握

传感器是物联网工程信息采集的基础，种类繁多，因此只需要掌握典型的传感器的系统构成，包括作用、原理图及电路图，在此基础上能学会根据传感器原理特征和目标程序的诊断，排除故障和满足项目的信息传输处理要求。

4.掌握物联网关键技术

掌握射频识别技术、物联网通信技术与无线传感器网络技术以及RFID关键技术的基本原理及其应用，此外要求掌握ZigBee网络原理及其应用方法，能通过RFID技术、ZigBee网络技术及无线传感器组建物联网，熟悉人机交互、物机交互原理。

5.物联网系统设计方法的掌握

了解人工智能的算法、智能系统的设计方法，并掌握物联网开发环境下的编程与硬件调试知识，特别是传感器信息采集所涉及的接口设计和编程设计，掌握运用ZigBee无线组网和无线安全设计技术进行创新性的系统开发应用。

四、开展CDIO物联网实践教学改革的尝试

1.构建科学的CDIO物联网课程体系

根据物联网专业学科的特点，结合学校实际情况，在构建CDIO物联网实践体系时，将实践教学融入理论教学过程中，各个教学环节强调教学内容与实践教学互相渗透，并按照能力为本位，侧重物联网技术的整体训练。

课程的安排以项目开发及应用为主要实训、实习内容，通过校内实训和企业实习方式进行。以物联网技术实验室和CDIO科技创新实验室为依托，只有构建适合物联网发展的实验教学体系，才能真正达到强化学生实践能力的效果。

2.建立健全开放型物联网工程实验室

由于CDIO物联网实践教学以学生实践为主导，因此，物联网工程实验室建设需把教学和实践相结合，课堂内外实验、技术竞赛、项目实践以及校内与校企实训的教学与实践相融入，创建“产学研”开放型一体化实验室。[3]

这种实验室模式的特点是物联网工程专业学生专用的开放型实验室，教学与实践开发相结合，课程的开展和项目开发指导可以同步进行，有利于师生的学习交流，有利于课程设计改革的具体实施，充分体现了CDIO实践教学的指导思想。

3.选择物联网综合实践教学平台

实践教学平台是培养物联网工程专业技术人才的必备实验设备，用户在学习物联网基础理论知识后，通过实践教学平台进一步理解和掌握物联网软件开发工具与实际硬件环境的调试，提高相关技术的应用能力，在此基础上，用户也容易理解和学习物联网的应用和分析案例。

因此，一个好的物联网实践教学平台可以帮助学生系统地掌握物联网技术与方法，培养学生运用物联网技术分析和开发应用项目的能力。

一般来说，具备最基本的ZigBee无线网络实验实训与RFID技术综合训练的开发环境是物联网CDIO实践教学必不可少的。至于Android开发环境搭建、内核实验及控制扩展模块等其他开发实验平台工具，则可以根据实际的应用软件和开发计划来选用。

在软件方面，选取IAR Embedded workbench集成开发环境，该开发环境的交叉编译器和调试器是比较完整和容易使用的专业嵌入式应用开发工具，具有代码紧凑、硬件资源的节省、支持扩展工具、瓶颈性能分析等特点，[4]可以满足开发用户的不同需求。

4.校企实训、校外实习模式开展产学研合作

CDIO教学模式提倡实践教学与科研课题结合，通过CDIO教学模式强化所学知识点，培养技能，充分提高物联网课程的教学质量。我校计算机学院与软件企业共同合作，探索出了一种“产学研”相结合的软件，运用于开发校企联合培养的应用型实践人才的实训模式。

该模式分为校内实训和校外实习两个阶段：

在校内实训阶段，由企业安排具体物联网项目进行学习，授课地点安排在校内物联网实验室，让学生在真实的开发环境中理解、验证及掌握知识，企业导师通过物联网实验教学平台及实训课题，把课堂上难以理解的学科知识在真实的项目开发过程得到展示，让学生身临其境，最大限度地开发学生的潜能，使学生获得物联网工程师的技能，并在实践中积累相关的实际项目经验，为下一步去企业实习打下扎实的基础。

通过前期校内实训后，学生进入企业实习时，企业为学生提供一个真实的项目课题，学生参与到其项目开发中，一方面学习物联网前沿的实际应用方法与技巧，另一方面培养学生的企业素质、群体协作技巧等综合素质，取得实际项目开发经验，提高其适应社会工作的能力。

实训是课堂学习的补充，校外实习是实训的延伸，二者有机结合，能够有效地提高学生的知识应用能力和实践能力，使学生成为开拓创新的实践应用人才。

5.建立有效的实践教学管理措施

实践教学管理是将实践教学过程的教学计划、教学质量进行规范化、标准化，建立一套完整的实践教学管理措施。能起到对学校的实训实验室与校外实训基地进行有效的配制使用，并对实践教学过程质量进行有效监控的作用。管理措施不仅贯穿于实践教学过程中，同时监测学生在实训实验室及企业实习基地的学习情况，并根据人才培养方案的目标和定位，及时调整监测中发现的问题，不断提高实践教学质量和水平。

五、CDIO教学效果的评价

通过对我校2013届、2014届物联网专业实施CDIO实践教学模式，近两年来，按照CDIO能力大纲[5]进行综合分析，结果表明（见表1）。

这种实践教学模式，学生高度参与，不再被动地接收理论知识，而是主动、灵活地运用各种物联网知识解决实际应用问题。

师生之间互相启发，完整地参与项目的开发过程，这种“做中学、学中做”的实践教学模式，既能促进教学，有利于学生物联网知识的学习，另一方面，物联网应用知识传授得到了深化和升华。

校内实训和企业实习可以帮助学生及早地了解和接触物联网知识的运用方法与技巧，为物联网专业学生创造了接触物联网新观点和实践经验的机会。

对学生来说，参加物联网项目研发，不仅提高了实践能力，而且学生从事物联网科学研究的能力也得到很好的锻炼，更能将所学奉献社会、产生效益，达到了“学以致用”的功效。

近两年来，我院学生在国际竞赛活动中频频获奖，其他省级竞赛也获得不错的成绩。同时学生也积累了一定的项目成果，当展示这些作品给用人单位看时，这些毕业生往往更受用人单位的青睐，从而达成就业协议，无形中提高了我校学生的就业竞争力。

六、结束语

物联网工程专业人才培养质量是一项复杂的系统工程，我校开设物联网工程专业时间比较短，应用CDIO实践教学模式改革的效果也只能从近年专业学生的综合素质上检验。

如何有效地将创新与实践更好地相结合，更好地通过CDIO进行实践教学，需要探索的东西还有很多，现在CDIO实践教学模式的引入只是进一步改革的起点，愿本文能为物联网工程及其他理工科专业提供有益借鉴。

参考文献：

[1]教育部高等学校计算机科学与技术教学指导委员会.高等学校计算机科学与技术专业人才专业能力构成与培养[M].北京：机械工业出版社，2010.