构建贯穿始终的物联网工程项目案例库的探讨与实践

陈艳平 李正茂 郭昌建

摘要：该文在分析案例教学在物联网工程专业人才培养领域现状的基础上，结合模块化教学的新思想，探究构建贯穿始终的物联网工程项目案例库的目标，方法，步骤，并将应用于合肥学院物联网工程专业教学中。实践表明，从大一开始不断强化同学们对专业领域的了解，增强学生的专业认知度和认同感，能够高效的培养学生分析和解决物联网专业领域问题的能力和物联网工程开发创新能力。

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）17-0197-02

1 案例教學法的特点与存在的问题

案例教学法是基于建构主义理论的一种教与学的模式，是一种综合性的教学方法[1-2]。在课堂教学中，通常先引入案例，提出问题，激发学习兴趣，明确学习目标。然后逐步引导，分析案例，提出解决办法，切入知识点。最后再次回归到案例，进行总结提炼。案例教学在学生能力培养方面的诸多优点，使得其广泛应用于各个学科的教学实践中。

然而，案例教学在实际应用中也存在一些问题。以课程为单元构建而成的人才培养方案中，课程之间的独立性强，耦合性差，各个课程往往引入的是不相干的案例，一方面增加了学生需要不断了解新案例背景与需求的负担，另一方面也不利于后续综合课程中，对学生综合能力的培养。

鉴于此，构建贯穿始终的教学案例库能够很好的解决课程各自为政，耦合性差的问题。这些事先设计好的案例就像一条条纽带，将各个模块联系在一起，通过构建一定数量的时效性强的真实案例库，培养学生具有解决物联网工程领域里的复杂和不可预测的问题的高级技能。

2 合肥学院物联网工程方向模块化教学现状

在合肥学院物联网方向模块化教学改革理念的指导下，根据社会和产业的发展对物联网工程类人才能力素质的要求，构建了物联网工程模块化人才培养方案的模块图[3-4]。为了突出物联网工程方向，如图1所示，程序设计模块与电路与电子技术模块为基础模块，为IT行业大类基础。数据库技术，数据结构与算法，计算机网基础，单片机技术及应用为专业基础课，为后续的Web应用系统开发，网络协议编程，无线网络技术提供理论及技能的支撑。物联网综合实训，毕业设计，第二课堂则为高级模块，旨在将理论、技能、分析问题能力等多方面的综合起来，解决行业内的实际问题。模块层层递进，环环相扣。

3 贯穿人才培养方案始终的项目案例库的设计思路

如何利用有限的教学实践和资源高效率的实现这一目标的问题被自然而然的提出，例如，物联网工程专业的培养目标是物联网工程师，而物联网就是典型的源于应用需求的多学科综合领域，包含传感层，网络通信层，应用层。其中传感层涉及传感器技术，单片机技术，嵌入式技术；网络通信层涉及串口通信，Zigbee通信，WIFI通信，Socket编程；应用层涉及Web应用系统开发，HTTP协议编程，嵌入式开发，数据库技术等；此时，基于项目或者问题求解的学习和工作就将不同学科关联起来。利用以项目驱动为导向，通过分解项目，提炼任务，精心设计教学案例，把理论知识运用于工程实践。在掌握该领域的高级知识的基础上，整合小案例，综合小任务，最终通过团队协作完成专业化领域里的复杂项目的求解。从而达到事半功倍的效果。

贯穿人才培养方案的项目案例库的总体思路为以项目驱动为抓手，培养学生专业复合能力，以案例教学为基础，培养学生的基本技能。图1展示了贯穿人才培养方案的项目案例库的设计思路与流程。

具体方法是首先获取来自企业实际的真实项目，这些项目需要具有时效性，代表性，综合性三大特点。时效性指的是项目要新，在IT领域日新月异的当今，所选项目一定要紧跟时代发展的潮流。代表性指的是项目要典型，能代表物联网工程领域的普遍需求，综合性指的是项目需求涉及的面要广，能基本覆盖物联网功能的能力要素。往往实际项目的应用场景千差万别，为了能让实际项目更加适合专业化教学，需要简化并提取项目中的普适性问题，将其按照软件工程模块设计思想——单个模块独立性强，耦合度低，可重用——做任务分解，分解为一个个小任务。这些任务再通过重构，形成一个个案例，服务于不同模块教学目标的达成。

从整个教学环节来看，项目案例作用可以通过图3在三个方面得到体现。

（1）项目案例首先通过简化，重构的方式，运用于模块教学中，服务于培养学生具有某一工作或学习领域的高级知识，包括能深度知晓有关理论和原理的能力，打好基础。

（2）项目案例直接应用于集中实训、企业实训环节，学生以项目组形式组队，设置项目经理，项目监理，技术总监等角色，完成整个项目案例，包括从需求分析、可行性分析、系统设计到系统实现，测试，交付等环节，服务于培养学生具有解决在某工作或学习专业化领域里的复杂和不可预测的问题的高级技能，以及团对沟通协作能力。

（3）项目案例通过深化，扩展，引出新的问题或者添加新的功能，可以参加第二课堂学科竞赛，也可以作为学生毕业设计的研究课题，更甚者可以作为教师的科研产学研课题加以研究，研究结果进一步回馈行业。

4 构建实践

4.1 项目筛选

项目案例全部来自于生产一线，主要有两个途径，一方面来自于合作企业的实际项目，另一方面来自于参与教学的教师的产学研项目。根据项目案例应该具备时效性，代表性，综合性的筛选原则，我们从大量的案例库中筛选出物联网应用领域广泛的农业物联网，智能交通物联网，智能家居物联网三大应用领域。

4.2 项目简化

作为真实的企业案例，考虑预算、技术可行性、人员、应用场景等多方面的因素，设计出的方案一定是个性化的。而作为教学案例，需要将其需求进行整合，去繁存简，保证项目案例既要面面俱到，又不能吹毛求疵。以农业物联网为例，典型的应用是传感层采集环境数据，网络层传输环境数据，应用层在云端存储，查看，分析数据，通过手动或者自动的方式反向控制终端设备，以及过程中的排错与安全等问题。然而场景不同，传感层采集的参数就不同，而农业物联网是传感器应用类型最多的领域，显然我们将实际项目案例照搬过来就不合适，因此会选取常规的环境数据，如空气温度湿度，选取常用的网络传输方式，如Zigbee，4G，Internet（有线或无线）作为教学案例来用。

4.3 项目任务分解

项目任务分解按照软件工程模块设计原则，即单个模块独立性强，耦合度低，可重用的原则，做任务分解，分解为一个个小任务。同样以农业物联网为例，目标要求构建智能阳台种植系统。可以将案例分解为三个层面的多个小任务。如传感层需要完成环境参数的采集与传输，设备的反向实时控制，单片机应用最为核心。在网络层，根据技术方案的不同，可采用Socket通信，MQTT，HTTP等协议进行数据的传输交换。在应用层，主要关注人机交互界面的开发，业务流程的处理等，可采用手机端（Andriod开发，IOS开发），PC端（Web开发），微信端。由此，将任务分解为三个层面上的三个任务：（1）传感层上基于单片机应用的数据采集与反向控制；（2）网络层上的数据交换技术的应用——网络协议编程；（3）应用层上的应用开发（Andriod开发，Web应用系统开发）。这三个任务所涉及到的内容则基本覆盖了物联网专业人才培养的大部分模块。接下来的将这些小任务目标进一步明确细化，就可以用于基础模块中，作为案例进行教学训练。

4.4 为模块定制案例

为人才培养方案中涉及到的核心模块定制案例时，遵循从简单到综合的原则。首先为基础课和专业基础课定制案例。例如，程序设计模块为基础模块，根据程序设计模块的能力要求，结合物联网的采集控制的逻辑特点，定制了智能阳台控制案例，用以培养学生利用分支结构解决实际问题的能力。智能阳台控制案例的任务描述为：为智能阳台系统编写一个应用场景，当湿度<40%，温度<30时，打开水阀。也可在此基础上，设置更为复杂的switch结构。在网络协议编程专业模块，接着为为智能阳台系统编写通信协议，采用UDP连接，实现上位机数据采集程序。采用TCP连接，实现上位机控制程序。

通过以上方法，精心设计模块教学案例，力求通过各个模块案例的训练，一方面达到本模块的培养目标，另一方面为后续的实训模块，第二课堂，毕业设计环节提供技术储备。理想情况是，学生在实训模块中，完成任务就像搭积木一样轻松，而积木则来源于各个模块的积累。

5 总结

在合肥学院模块化教学改革的引领下，在本系网络工程专业开展了构建贯穿始终的物联网工程项目案例库的实践。它既汲取了案例教学发的优势，又弥补了模块间关联度不够，案例引入与专业领域知识不相关的问题，一定程度上可以增强学生的学习兴趣，并从大一开始不断强化同学们对专业领域的理解，增强学生的专业认知度和认同感，最终变被动学习为主动学习，同时也能够高效的培养学生分析和解决物联网专业领域问题的能力和物联网工程开发创新能力。下一步，还需要进一步进入企业的经典案例，在任务分解和案例设计上，还需要不断的打磨，以适应新工科建设目标。

参考文献：

[1] 张波， 雷东升. 模块化案例教学在“C语言程序设计”课程中的应用[J]. 计算机教育， 2009（21）：62-65.

[2] 关婷婷. 案例教学法在计算机网络教学中的应用[J]. 计算机光盘软件与应用， 2014（4）：226-226.

[3] 邵一江， 刘红. 基于能力导向的模块化教学体系构建——合肥学院模块化教学改革的理論与实践[J]. 合肥学院学报（自科版）， 2013， 23（4）：58-63.

[4] 蔡敬民. 基于能力导向的模块化教学体系构建：以合肥学院为例[M]. 中国科学技术大学出版社， 2012.