构建基于CDIO模式的物联网工程专业实践教学体系

周 强

构建基于CDIO模式的物联网工程专业实践教学体系

周 强

分析了物联网工程专业实践教学存在的问题，阐述了CDIO工程教育理念，提出了基于CDIO模式的物联网工程专业实践教学体系，并对构成该体系的实践教学构思、教学设计、教学实施和运行等核心内容进行了详细论述，以期为物联网工程专业实践教学提供参考。

CDIO；物联网工程专业；实践教学体系

1 物联网工程专业实践教学存在的问题

物联网工程专业的“两新一同”属性决定了该专业在实践教学中还存在如下诸多问题：一是缺乏成熟的实践教学体系。物联网工程专业的人才培养方案在各高校的标准不统一，知识体系和工程实践等方面还未形成成熟的体系[1]。二是缺乏应用实践能力培养。传统的课程考核方法是考试，这会使学生的注意力仅局限在理论知识和考试技巧上，使得学生缺少对所学知识点完整的认识，也难以将这些知识灵活应用于实际问题中。三是缺少实战技能训练。由于学生缺少项目和团队实际锻炼的机会，当遇到系统型复杂项目时，很难快速高效地对所开发的项目进行整体构思、设计、实施和运行。四是实践教学目标不清晰，缺少目标完成衡量标准。实践教学的最终目标是提高实践能力，如果没有具体的衡量标准，就无法准确量化实践教学目标的完成情况。五是缺乏专业的物联网实践教学平台。目前的实践平台主要是在原有计算机专业相关的实践平台上进行扩展，市场上成熟的物联网工程专业实践平台还较少，不利于实践教学的开展。六是传统的实验教学不适应物联网工程专业实践教学内容特点。物联网专业的实验课程知识涵盖面较广，需要对计算机、通信等多个专业领域的技术进行综合应用，实验项目也很难在2个课时内完成，给实验教学增加了难度。鉴于传统的“以学科知识为中心”的实践教学体系在培养学生的实践能力、创新能力、团队协作能力等方面均存在不足，已无法满足物联网产业发展对人才的需求，因此亟需进行物联网工程实践教学改革。

物联网工程专业实践教学面临的挑战不仅仅是简单的统一标准、拓展口径、明确目标和增强实践能力的问题，主要问题的根源在于工程教育中长期存在二元分裂：即理论与实践、知识与能力及“硬”素质与“软”素质的分裂。实践表明，基于离散课程实践环节的物联网工程教育内容难以完整地包含工程人才所需的知识、能力和素质，因此难以培养学生的工程意识、工程素质和工程实践能力。

2 CDIO教学模式

上世纪70年代以来，国外高等工程教育领域发展的一个趋势是从自上而下的精英主导的“理论导向”型向自下而上的大众主导的“实践导向”型转变[2]，而CDIO(Conceive 构思，Design 设计，Implement 实施，Operate 运行)就是这场转变中一个重要的教育模式改进计划。CDIO是由美国麻省理工学院、瑞典皇家工学院等四所著名大学历时四年的研究和探索，通过教学实践建立起的一种先进的工程教育教学模式，该模式的生命周期贯彻了产品研发到产品运行整个过程，让学生以主动的、实践的、课程之间有机联系的方式进行学习[3]。CDIO的基本理念是在实际工程项目中进行全过程学习，倡导“做中学”的模式，因此是对以课堂讲授为主的传统教学模式的颠覆。CDIO计划提出了包括培养计划、教学方法、学习环境、学生考核、实施过程、教师师资和结果检验等12条标准，操作性较强，目前已有几十所世界顶尖大学加入了CDIO国际组织，这些学校的部分专业已经全面采用了基于CDIO的工程教育理念和教学大纲，均取得了良好效果[4,5]。基于CDIO的工程教育紧密围绕“培养什么人”和“如何培养人”两个基本问题，以真实的项目(产品)研发全过程为载体，为学生提供包括“构思—设计—实施—运行”全过程的教育，目标是使学生能够掌握深厚的技术基础知识；具有领导新产品和新系统的开发和运行的能力；可以理解技术的研究与发展对社会的重要性和战略影响[4]。经过二十多年的研究，CDIO得到了国际教育界的广泛认可，其主要特点是：强调以工程项目为载体进行实践教学，充分体现了工程观理念；注重培养学生对实际项目进行构思、设计、实施和运行所需的专业知识、团队协作能力、工程实践能力、工程管理能力及批判思维能力等，实现了全方位培养工程素质的目标；将所学理论知识与真实的产品研发过程相结合，通过产、学、研相结合和“做中学”的方式，让学生充分理解和消化课堂上传授的理论知识，强化了实践能力[6]。综上所述，CDIO工程教育改革融通了教育理论和工程实践[7]，集成了培养内容、课程体系、教学方法和评估改进等方面，给我们提供了一体化的解决方案。

3 构建基于CDIO模式的物联网工程专业实践教学体系

本文结合了滁州学院计算机与信息工程学院物联网工程专业的办学实践，借鉴了CDIO教学理念，强调了相互关联、嵌套和支撑的“一体化”设计思想，构建了集构思、设计、实施和运行四位一体的物联网工程专业实践教学体系，如图1所示。

3.1 构思为先导，明确培养目标

广义而言，物联网工程专业不但需要培养从事物联网领域的系统规划、分析、设计、开发和实施等工作所需要的专业基本能力，而且应该按照“工程师”要求，培养学生的工程意识能力、工程素质能力和工程实践能力等综合能力。具体而言，物联网工程专业是依托“计算机科学与技术学科”建设的，因此培养的人才应具备计算机专业人才的专业基本能力，包括计算思维能力、程序设计能力、算法设计与分析能力和系统集成能力等。另外，根据工程教育目标，物联网工程专业人才还应具备交流能力、团队协作能力、工程设计能力、工程实现能力以及工程创新能力等一些基本能力。

实现培养目标的关键在于课程，因此我们需要根据上述的专业基本能力合理组织课程体系和课程内容，将专业能力的培养目标落实到每门课程中，再通过分层分类的实践教学环节培养学生的工程意识、工程素质和工程实践能力。为此，我们遵循“由浅入深、循序渐进”的认识规律，设计了“巩固基础”、“强化专业”和“多样发展”三个阶段的课程群。“巩固基础”阶段主要设置计算机专业所必需的软、硬件设计基础方面的课程，如程序设计基础、数据结构和计算机组成原理等；“强化专业”阶段主要设置物联网专业所必需的数据感知、传输、存储、分析和管理等方面的课程，如RFID与识别技术、无线传感器网络、计算机网络、数据库原理与应用和海量数据处理等；“多样发展”阶段的课程旨在培养学生的创新创业能力，使学生具有一定的对新兴物联网原理、方法和技术的探索能力，并能从中发现机遇，实现个人未来职业发展，该阶段的课程应与物联网产业相结合，通过实际项目设计教学内容，形成具有特色的课程体系，例如智慧家居、健康照护、农业物联网与应用等。

3.2 设计为核心，项目驱动教学。

3.2.1 设计分层分类的实践课程体系

在实施实践教学过程中，必须紧密联系物联网企业，以现实问题为背景，以实际项目为驱动，设计基于CDIO理念的项目驱动式分层次分类别的实践课程体系，如图2所示，具体包括通识实践、专业实践和双创实践三个层次，以及课程实践、实践课程、课外实践和综合实践四个类别。除了传统的课程实验外，将课程群中核心课程设置为独立的实验课程，并提高实验课程中设计型和综合型实验项目所占的比例，旨在提高学生的应用开发和实际动手能力。在课外实践类中，增加了暑期小学期实践教学，目的是解决传统“二学期制”难以实现优质教育资源共享和综合实践不足的问题。小学期实践教学内容主要以学科竞赛培训、专业实习实训和产学研合作等为主要内容，以适应社会对高水平应用型人才的需求。综合实践类课程旨在培养学生的综合工程系统能力、创新创业能力和综合素质。

图2 物联网工程专业实践课程体系

3.2.3 设计基于项目驱动的实践教学内容

实践课程内容主要源于教师科研课题、大学生创新创业计划项目和产学研课题等，允许学生在老师的指导下根据自己的兴趣和爱好，将上述项目中符合实践教学大纲和要求的内容提炼并转化为实践教学题目，再由企业技术专家进行指导和把关，最后提交学院审核的“三级处理”方式确定实践教学内容。这样的设计优点在于：一是保证了实践教学内容与产业需求紧密结合，与科学发展步伐同步，能充分体现物联网工程专业“两新一同”的属性和要求；二是实践教学内容是学生基于兴趣主动选择和设计的，这种“以学生为中心”的设计理念会增强主人翁意识，会更主动地完成实践内容，实践教学的效果也会得到极大提升。

为了适应物联网技术发展变化快的特点，还需要通过校企合作、产教融合等方式，定期对物联网工程专业实践能力培养模块的内容进行动态调整，开设相应的专业实践类选修课程。

3.2.4 实施为关键，开放教学内容。

(1) 构建“三个课堂一体”的实践育人模式

为了强化物联网专业学生的实践能力，培养高素质应用型人才，我校构建了“三个课堂一体”的实践育人模式，即实施了专业实践教学、专项实践活动和专题社会实践三个课堂。在专业实践教学(第一课堂)方面，重点加强程序设计课程群、感知识别技术课程群及物联网数据处理课程群的建设，主要实施环节不仅包括传统的课程实验，还包括独立开设的实验课程、课程设计、学年设计、实习实训、毕业设计和暑期小学期实践教学等，旨在通过多样化的专业实践环节和协作式的系统设计方法，让学生对所学知识形成完整的认识，提高学生工程意识和团队协作能力。在此基础上，通过大学生创新创业训练计划项目和学科竞赛等专项实践活动(第二课堂)，坚持“做中学”和“赛中学”的教育理念，以大学生创新基地为依托，逐步建立三级(国家级、省级、校级)科研训练体系，引导学生参加各类物联网应用创新大赛，为培养学生的应用和创新创业能力、拓展学生的专业素质搭建平台。在专题社会实践(第三课堂)中，通过社会实践、志愿服务等方式提高学生的综合素质。“三个课堂一体”的实践育人模式将课堂教学和课外活动进行了有效衔接，实现了专业培养和素质教育的相互融合，提高了学生的工程意识、工程素质、工程实践能力以及团队协作等综合能力。

(2) 实施“以学生为本”的开放教学模式

传统实践教学受到时间、场所和指导教师等因素的限制，在这些因素的制约下，学生的思维活动空间受到限制，学生的想象力和创新思维无法得到充分拓展。而物联网专业实践知识本身涵盖面广，并且其实践内容更新迅速，难以在传统的2课时内完成实践项目。物联网工程专业固有的“两新一同”属性要求在设计实践教学活动时，大胆突破传统实践教学中时间、场地和内容的束缚，体现以“以学生为本”的教育理念，顺应教育模式发展规律，实行开放式实践教学。

随着大规模在线开放课程(MOOC)等新兴在线网络教育模式的发展，开放教学模式弥补了传统课堂教学的局限。通过实施省级和校级精品资源共享课、MOOC示范项目等教学质量工程，利用“泛雅”、“毕博”等基于新兴网络技术的在线学习与交流平台，推进网络课程和教学资源的建设，一方面采用“任务驱动”的方式促进学生利用课余时间主动学习、协作学习，另一方面让学生可以在开放平台中自由选择时间、空间和内容进行个性化学习、协作讨论与交流，能充分调动学生参与实践教学的主动性和积极性。目前，我校物联网专业所有课程均建设成为立体化课程，即教材、教学参考书、教案、教学课件、教学网站五位一体。

4 运行为保障，健全评价机制

由于物联网工程专业是新建专业，作为基本的教学运行保障，实践教学支撑体系还需要完善，教学评价机制还需要健全。

4.1 建设校企相互支撑与合作的支撑体系

完善实践教学支撑体系需要做好校内实验教学平台、校企合作实践平台(实习基地)、校内大学生创新实践平台和实践教学师资队伍几个方面的建设。

为了解决缺乏成熟的物联网实践平台的问题，校内实验教学平台建设主要通过购置与自主研发相结合的方式，通过自主研发不但能够制作出满足实际教学需要的实验仪器设备，而且可以籍此提升教师的应用开发能力，有利于创新型实验项目的设计和应用型科研团队的形成。在安徽省首届高等学校自制实验教学仪器设备展示评选活动中，我校报送的“基于物联网技术的智能冰箱”等4件作品全部斩获一等奖，成效显著。

在校内外实践平台建设方面，需要根据物联网产业的发展和职业岗位的特点，选择两家以上大型企业为依托，集成校外实习基地和校内专业实验室的资源，建设成综合型、开放型和系统性的实践教学基地。同时，基于校内外实践教学基地，通过“传帮带”的方式让高年级学生带领低年级学生进行企业实际项目的研发，高年级学生在校外实习基地完成实习工作，低年级学生在校内创新实践平台完成开发任务，实现了校内外资源的无缝衔接和有效利用，同时培养了学生的责任意识和协作精神。

师资培养方面，可以逐步通过三级(国家级、省级和校级)科技创新团队、高校领军人才引进与培育计划等项目的实施促进高水平教学科研团队的建设与发展。对于中青年教师的培养，可以通过校企合作、产学研合作和青年教师导师制提升其应用开发能力和实践教学能力。

4.2 设计多维度综合性实践教学评价机制

实践教学的改革成果必然要以新的评价机制作为保障，因此需要对实践教学评价标准与方式进行改革。根据物联网工程专业课程的特点，设计相应的学生成绩的评定体系与指标，例如，在评价学生校内实践活动时，将学生实践环节的过程性评价、课外的科研创新成果或参加竞赛的成绩按一定比例计入实践成绩；在评价学生校外实践活动中，建立学校、用人单位和行业部门共同参与的学生考核评价机制；对于取得专业技能证书或在创新创业活动、学科竞赛等方面表现突出，可以凭借证书换取一定学分，免修相应课程。

5 结论

针对物联网工程专业在实践教学中存在的问题，我院物联网工程专业基于CDIO模式进行实践教学改革，坚持“构思为先导、设计为核心、实施为关键、运行为保障”的原则，强调“一体化”设计思想的教学体系建设成效显著。近年来，该专业连续获得省级新专业建设、省级特色专业、地方应用型高水平大学重点建设专业、物联网工程示范实训中心等多项省级项目，以及专业综合改革试点等校级项目的支持。该专业目前拥有一支国际化的、专兼职相结合的高水平师资队伍，与台湾淡江大学、美国Rutgers大学Winlab实验室、日本函馆未来大学、中国家用电器研究院安徽分院等高校和研究机构建立了良好的合作关系。每年组织学生参加皖台物联网暑期学校和小学期实践活动；组织学生申报与物联网相关的国级级、省级和校级大学生创新创业训练计划项目；组织参加全国、安徽省高校物联网应用创新大赛等学科竞赛，并获得了较好的成绩。我院还与淡江大学合作共建了“皖台物联网中心”，并多次举办两岸MOOCs平台及课程共建研讨会，现已连续三年举办了皖台物联网研讨会。随着市场对该专业需求的不断变化，实践教学体系也将不断调整和完善，以实现培养满足战略性新兴产业发展需要的高素质应用型物联网工程技术人才的目标。

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[4] 顾佩华, 包能胜, 康全礼, 等. CDIO在中国(上)[J]. 高等工程教育研究, 2012, (3): 24-40.

[5] 顾佩华, 包能胜, 康全礼, 等. CDIO在中国(下)[J]. 高等工程教育研究, 2012, (5): 34-45.

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[7] 钟寿仙, 张瑛, 郭绍辉. MPC-CDIO教育教学模式的探索与实践[J]. 高等工程教育研究, 2015, (2): 169-175.

责任编辑：刘海涛

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1673-1794(2017)02-0111-04

周强，滁州学院计算机与信息工程学院副教授，博士，研究方向：物联网安全技术，无线传感器网络(安徽 滁州 239000)。

安徽省高等学校省级教学研究项目(2015jyxm363)；滁州学院重点教学研究项目(2015jyz009)；安徽省精品资源共享课程(2016gxk101)；滁州学院课程综合改革项目(2016kcgg011)

2017-01-08