基于CDIO理念的“物联网技术及应用”研究生课程教学改革探索

(北京林业大学工学院，北京 100083)

研究生教育承担着“高端人才供给”和“科学技术创新”双重使命，提高研究生教育教学质量是增强研究生创新能力的关键，也是我国高等教育发展的核心任务[1]。课程教学是研究生教育的重要环节，是培养研究生“掌握坚实的基础理论和系统的专门知识”的重要途径，也是培养研究生“具有从事科学研究工作能力或独立担负专门技术工作能力”的根本保证[2]。伴随着互联网技术的发展，“互联网+”对教育行业产生了深远影响，催生了慕课、微课、翻转课堂等一系列新的教学模式[3-4]。这不仅有利于更好地实现多样化的教学目标，而且为新兴的现代教育理念的落实提供了便利。

CDIO(conceive-design-implement-operate)理念作为高等工程教育领域新兴的、先进的教育理念，提出以完整的工程项目研发为载体，以项目的构思、设计、实施和运作作为人才培养的周期，使学生以主动的、实践的、课程之间有机联系的方式在工程项目研发过程中学习工程基础知识以及培养个人专业能力、团队合作能力和工程系统能力[5-6]。这不仅突破了原有的工程教育培养模式，而且有利于激发学生学习的主动性，促进教学质量的进一步提高。CDIO教育理念代表了当代高等工程教育的发展趋势。因此，笔者认为，应将当前“互联网+”时代背景下兴起的新型教学模式与CDIO工程教育理念相结合，对高等工程教育领域的研究生课程教学进行深化改革，从而为我国高等院校教育教学的发展和进步提供可行性方案。

一、“物联网技术及应用”研究生课程教学面临的问题

伴随着全球物联网技术发展的热潮，物联网技术人才紧缺问题在我国日益突出。为了使所培养的林业电气化与自动化高层次复合型人才能够掌握物联网信息技术，北京林业大学林业电气化与自动化学科面向研究生开设了32学时的“物联网技术及应用”专业学位课程。但是，物联网技术作为新一代信息技术的重要组成部分以及信息化时代的重要发展阶段，近年来发展更新的速度极快，这就要求“物联网技术及应用”课程的教学内容体系不断进行更新完善。同时，该类课程在一些高等学校主要面向本科专业开设，面向研究生开设的较少，所以对“物联网技术及应用”专业学位课程而言，如何使课程教学内容更符合研究生层次人才培养的要求也是面临的一大挑战。由于缺乏相对成熟、完善的同类相关课程的教学经验可以借鉴，北京林业大学开设的“物联网技术及应用”研究生课程的教学效果不尽理想，在教学过程中面临着教学内容更新不及时、课堂教学方式单一、缺乏具有行业特色的教学案例、实践教学环节薄弱、课程考核不尽合理等有待解决的问题。

(一)教学内容更新不及时

“物联网技术及应用”课程作为一门应用型专业学位课，不同于基础课程，其教学内容必须紧跟物联网技术的发展而随时更新，并及时反映学科前沿，从而保证课程教学的先进性和时代感。这势必对任课教师提出较高的要求。然而现实是任课教师由于缺乏针对研究生开展“物联网技术及应用”课程教学的经验，所以设计的课程教学内容往往仅覆盖物联网的基本概念、体系结构、关键技术等一些基础知识，而较少涉及物联网技术的前沿问题，从而导致学生难以全面把握物联网技术和理论。

(二)课堂教学方式单一

目前，“物联网技术及应用”研究生课程教学仍以讲授式为主，课堂教学方式不仅单一，而且过于突出教师在教学过程中的主导作用，而忽视了学生的主体地位。这不仅导致学生长期处于被动接收信息的状态，课堂参与度较低；而且导致课堂教学气氛沉闷，教学效果不理想；特别是难以兼顾学生的差异性，不利于调动学生学习的积极性。

(三)缺乏具有行业特色的教学案例

案例教学因其独特的互动性和多元性等特征，正逐步广泛应用于大学的课堂教学。实践证明，案例教学是培养创新型人才的有效手段。因此，在“物联网技术及应用”研究生课程教学过程中，任课教师也曾尝试采用案例教学方式。但是，由于任课教师多为年轻教师，对林业行业领域的物联网技术及应用缺乏深入了解和研究，所以设计的教学案例多属于常规项目，如智慧交通、智能家居等，而不能与林业行业背景有效地结合。这导致学生对物联网技术在林业行业领域的实际应用难以形成直观的认识，从而不利于学以致用。

(四)实践教学环节薄弱

“物联网技术及应用”是一门实践性很强的课程，可是传统的课程教学过程对学生动手实践能力的培养重视不够，虽然也有课程实验和企业实习等实践教学环节，但是实验项目主要以验证性实验为主，缺少具有设计性和研究性的实验；而学生到企业实习也主要是以参观式实习为主，很少真正与企业的实际生产项目有机结合。这都导致学生的动手实践能力难以得到有效的锻炼。

(五)课程考核不尽合理

目前，“物联网技术及应用”研究生课程仍采用传统的课程考核方式，即以期末考试为主、平时考勤为辅，考核方式较为单一；同时考核内容仅局限于教师课上讲授的书本知识，缺乏对学生综合掌握知识和运用知识等能力的考核。课程考核不合理容易导致学生在学习过程中只注重理论知识的学习而忽视创新能力、动手能力和团队意识等综合素质的培养，从而不利于学生的全面发展；同时，课程考核方式的单一和考核内容的局限性使任课教师很难根据课程考核结果全面、客观、公正地评价学生的学习效果，从而不利于课程教学的反思和改进。

二、“物联网技术及应用”研究生课程教学改革的方案

为了适应时代发展的要求，北京林业大学林业电气化与自动化学科针对“物联网技术及应用”研究生课程教学面临的问题，以课程教学团队建设和课程教学改革为着眼点，制定了课程教学改革的方案。在组建由2名科研经验丰富的教授牵头的课程教学团队的基础上，以CDIO工程教育理念为指导，结合“互联网+”时代背景，从教学内容、教学方式、实践教学和课程考核4个方面进行了改革探索。在课程教学内容的设计方面，以物联网的基本体系结构为基础，系统地构建课程知识体系；同时，组织力量开发了物联网技术与林业行业应用有机结合的教学案例，以加深学生对物联网技术在林业领域实际应用的认知和理解。在教学方式的改革方面，除了优化传统的教学方式之外，还跟随物联网技术的发展趋势开设了前沿知识讲座，不断创新教学方式；同时，通过引入项目驱动式教学以及开展案例教学的探索等，丰富课程教学方法。此外，还通过强化实践教学、实施多元化课程考核等，提高学生课堂教学的参与度，激发学生学习的兴趣和热情，促进学生综合能力的培养，提升课程教学的效果。

(一)教学内容的设计

1.课程知识体系的构建

采用基于知识点构建课程知识体系的方法，按照物联网的三层技术体系结构，对“物联网技术及应用”研究生课程的知识点进行梳理，搭建了多层次的课程知识体系架构，如图1所示。其中，感知层主要覆盖数据采集和传感网络两大知识点，网络层主要覆盖物联网的网络基础及其相关的通信技术等内容，应用层主要包括计算平台和实际应用两大部分。“物联网技术及应用”课程知识体系各层的知识点层次分明、关联紧密，共同组成了物联网的技术架构，为学生全面、准确、深入理解课程教学内容提供了便利。

2.课程教学内容的安排

图1 “物联网技术及应用”研究生课程知识体系的架构

根据“物联网技术及应用”课程的三层知识体系架构，在安排课程教学内容时，在原有的物联网概述、物联网关键技术和物联网典型应用等基本内容的基础上，特别增加了前沿知识部分。课程教学内容的组织安排如图2所示，主要包括两大模块。其中，基本内容模块覆盖了物联网的基本概念、体系结构、关键技术等基础知识；前沿知识讲座模块主要涉及有关“互联网+林业”的实际案例和物联网技术发展前沿的内容，采取邀请校内外相关领域专家为学生做学术专题报告的形式组织教学，如组织了人工智能在生态信息监测中的应用、基于“互联网+”的林业大数据应用、野生动物智能监测等应用领域和前沿领域的学术专题报告。

(二)教学方式的改革

1.基于“互联网+”优化教学模式

图2 “物联网技术及应用”研究生课程教学内容的安排

“互联网+教育”背景下，互联网技术与传统教育有机结合，在充分发挥现代信息化技术手段优势的基础上，衍生出慕课、微课、翻转课堂等一系列新的教学模式，从而对教育行业产生了深远的影响。为了调动学生学习的积极性，使学生在课上课下都能融入课程教学，“物联网技术及应用”研究生课程的教学引入了“翻转课堂”教学模式。

首先，任课教师引导选课学生分成每组由3～4名学生自愿结合的若干个学习小组，并提供与物联网典型应用相关的题目供学生选择，也允许学生根据自己擅长或者感兴趣的方向自定题目。

其次，各学生学习小组在课下根据选定的题目通过查找资料开展自主学习，并制作PPT课件以便在课堂上以文字、图片、视频等多种形式进行展示汇报。学生在课下自主学习期间，任课教师要对各学习小组学生的学习活动进行辅导，并对各组学生制作的PPT课件进行把关，以保证学生在课下的学习效果，以及最大程度地保证学生课堂展示汇报的效果。

最后，各学生学习小组在课堂上进行展示汇报，其他学习小组的学生可以提出问题，与进行PPT展示的学生开展互动交流；然后在每组展示结束后，由其他组学生和任课教师给予点评，在肯定优点的同时指出可以改进和完善的地方。

“翻转课堂”教学模式不仅有利于调动学生学习的积极性和主动性，有效地活跃课堂教学气氛，而且能够有效地锻炼学生的自主学习能力、文献检索能力、逻辑思维能力和语言表达能力以及团队合作意识。

此外，为了充分利用互联网工具并使之更好地服务于课程教学，“物联网技术及应用”研究生课程的任课教师还组织选课学生建立了QQ群和微信群。这样，学生之间、师生之间可以借助互联网平台随时随地对课程教学过程中的一些重点、难点问题进行讨论，也可彼此分享相关的学习资料，从而建立起良好的交互式学习模式。

2.以CDIO理念为指导实施项目驱动式教学

项目驱动式教学是一种建立在构建主义理论基础上的新型教学方法，是通过实施一个完整的工程项目而进行的教学活动，是学生在教师的指导下采取小组讨论、协作学习等多种方式通过共同完成项目任务进行学习的过程。为了提高学生解决实际问题的能力，“物联网技术及应用”研究生课程的教学以CDIO工程教育理念为指导，对项目驱动式教学方法进行了实践探索。

首先，任课教师结合林业行业背景，在课堂上给学生布置不同的项目任务，如林业病虫害监测、植被恢复、野生动物监测等林业行业的实际科研项目。

其次，要求选课学生选择自己感兴趣的方向，自行组队参与具体的项目实践。期间，任课教师会指导和帮助学生在实际项目的构思、设计、实施和运作的全过程中积极主动地学习“物联网技术及应用”的相关知识，并运用所学的课程知识解决项目实践过程中遇到的实际困难。

最后，要求学生在完成实际项目后在课堂上进行展示。项目驱动式教学将实际的项目实施与课程理论教学有机地结合在一起，不仅使教学任务得以顺利完成，而且可以最大限度地发掘学生的创新潜能和团队合作潜力，从而使学生的理论素养和运用理论知识解决实际问题的能力得到有效的提高。

(三)实践教学的改进

为了提升实践教学效果，“物联网技术及应用”研究生课程的教学以CDIO工程教育理念为指导，对课程实验和校外实习进行了改进和完善。在课程实验方面，提高了设计性、研究性实验所占的比例，指导学生结合现有实验条件，根据课上所学的理论知识和课下查阅的资料，自主完成实验目标的构思、实验方案的设计、实验步骤的实施以及实验结果的运行等一系列过程。在校外实习方面，选拔优秀的研究生到与学校签订长期全面合作协议的企业直接参与实际工程项目的实施，使学生提前熟悉实际工程项目运作的全过程，锻炼学生运用课上所学的理论知识解决实际问题的能力，提高学生的就业竞争力。

(四)多元化课程考核的实施

为了对学生的综合学习能力进行客观评价，“物联网技术及应用”研究生课程对课程考核进行了改革，通过结课论文、课堂展示和项目实践等方式实施多元化的课程考核，对学生在课上、课下的学习情况进行全面和系统的考查，从而实现了对学生综合能力的有效评价。其中，结课论文考核方式主要是考查学生对课程理论知识以及前沿技术的认识和理解，同时也可以锻炼学生的文献检索能力和论文写作能力；课堂展示考核方式主要考查学生在课下对物联网技术应用领域的学习情况，同时也可以锻炼学生的逻辑思维能力、语言表达能力以及团队合作意识；项目实践考核方式主要是考查学生对所学理论知识的应用实践情况，同时也可以锻炼学生的动手实践能力和创新能力。这3种考核方式的成绩分别占总成绩的40%、30%和30%。多元化课程考核不仅能够较为准确地反映学生学习“物联网技术及应用”课程的实际情况，而且为任课教师进行课程教学总结和反思提供了较为准确的依据，有利于促进课程的建设和发展。

三、“物联网技术及应用”研究生课程教学改革的效果

通过一系列的改革，北京林业大学林业电气化与自动化学科“物联网技术及应用”研究生课程的教学内容得到丰富，教学方式得以优化，实践教学得到加强，课程考核体系得以完善。这不仅激发了学生的学习兴趣，提高了学生的课堂参与度，加深了学生对物联网技术在林业领域应用情况的认知和理解，而且有效地锻炼和提高了学生的自主学习能力、文献检索能力、逻辑思维能力、语言表达能力、论文写作能力以及动手实践能力和团队协作能力。“物联网技术及应用”研究生课程教学所取得的效果得到了广大学生的认可和研究生教学督导员的高度评价。近几年来，选课人数逐年增加，学生评价分数逐年提高。鉴于教学改革实践效果良好，“物联网技术及应用”研究生课程还被评为北京林业大学研究生精品课程。

综上所述，“物联网技术及应用”研究生课程具有理论性和实践性强的特点，而且课程涉及的核心技术更新速度极快。为此，北京林业大学顺应“互联网+”时代发展要求，注重将CDIO工程教育理念与林业电气化与自动化学科的行业背景和特色相结合，对“物联网技术及应用”研究生课程的教学进行了有益的改革探索，进一步提高了课程教学质量，并取得了良好的教学效果，从而为培养掌握物联网信息技术的林业电气化与自动化高层次创新型人才积累了经验。

资助项目：北京林业大学优质研究生核心课程建设项目——“物联网技术及应用”课程建设，项目编号3003021。

[1] 王一博.以科研能力为导向：“研究生教育”课程改革的理性选择[J].学位与研究生教育，2012(10)：32-35.

[2] 文永勇.研究生课程教学改革的探索与实践[J].教育教学论坛，2014(33)：180-182.

[3] 周雨青，万书玉.“互联网+”背景下的课堂教学——基于慕课、微课、翻转课堂的分析与思考[J].中国教育信息化，2016(2)：10-12，39.

[4] 宋跃朋，张德强.“互联网+”思维下的研究生课程教学改革探索——以林木遗传育种学科“分子遗传学”课程为例[J].中国林业教育，2016，34(3)：40-43.

[5] 陈昌兴，冯小燕.CDIO理念下的物联网课程实践教学改革探究[J].中国教育信息化，2015(22)：65-67.

[6] 秦磊华，石柯，甘早斌.基于CDIO的物联网工程专业实践教学体系[J].高等工程教育研究，2013(5)：168-172.