基于CDIO理念的物联网技术研究生课程教学实践

陶丹 高睿鹏 陈紫微

[摘 要] 为提高物联网技术研究生课程的教学效果，更好地培养研究生的创新实践能力，以CDIO工程教育理念为指导，从教学内容、教学方式、实践教学和课堂考核四个方面进行了教学改革实践。实践证明，教学改革对提高学生的学习主动性和提升课堂教学质量具有较好效果。

[关键词] CDIO;物联网;研究生课程

[基金项目] 电工电子基础课程国家级教学团队建设项目（244033529）;电工电子国家级实验教学示范中心建设项目（351003535）

[作者简介] 陶 丹（1978—），女，山东平度人，工学博士，北京交通大学国家电工电子教学基地副主任，教授，博士生导师，主要从事物联网与智能信息处理研究;高睿鹏（1988—），男，内蒙古呼和浩特人，工学博士，北京交通大学软件学院副教授，硕士生导师，主要从事物联网与智慧交通研究;陈紫微（1988—），女，吉林长春人，工学博士，北京交通大学电子信息工程学院副教授，硕士生导师，主要从事基于深度学习的图像处理及信号处理研究。

[中图分类号] G642.0    [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2020）36-0224-02    [收稿日期] 2019-12-20

一、引言

作为国家新兴战略产业信息产业发展的核心领域，物联网上升为国家战略。新技术的发展需要大批专业技术人才，为满足行业对物联网技术人才的需求，众多高等院校开设了物联网专业及相关课程。课堂教学作为研究生培养的重要环节之一，是培养研究生掌握基础理论和专业知识的途径，也是培養研究生具有从事科研工作能力和担负专门技术工作能力的保证。然而，我国工科教育实践中仍存在一些问题，迫切需要引入新型的教育教学理念。CDIO作为一种新型工程教育理念，目前已广泛应用于全球高校的工程教育领域。CDIO代表构思（Conceive）、设计（Design）、实施（Implement）、运行（Operate），它是“做中学”和“基于项目教育和学习”的集中概括[1，2]。

北京交通大学较早面向研究生开设了物联网技术课程。笔者基于CDIO教学理念，对物联网技术课程进行了相关教学改革实践，取得了相应的教学效果。

二、教学面临问题

（一）教学内容更新不及时

由于知识点多而课时有限，教学内容通常是物联网的概念、原理和方法等基础知识，导致教学内容缺乏层次性，且与本科生授课区分度不明显。

（二）教学方式单一

目前，物联网技术研究生课程教学仍以课堂教授为主，学生长期处于被动接收信息的状态，课堂参与度较低，导致课堂教学效果不理想。

（三）实践教学环节薄弱

本课程实践性要求高，传统的课堂教学以理论教学为主，实践教学为辅，实践课时非常有限，无法满足课程内容的实践需求。

（四）课堂考核方法不合理

考核内容侧重于课堂教授的书本知识，缺乏对学生综合掌握和运用知识等能力的考核。考核方式以考试为主，容易导致学生只注重理论而轻视实践。

三、基于CDIO理念的教学实践

（一）教学内容优化

借鉴物联网国家级规划教材[3]，搭建起层次化的课程知识体系。根据信息生成、传输、处理和应用原则，将物联网分为感知识别层、网络构建层、管理服务层和综合应用层。课程知识体系各层的知识点分明、关联紧密，共同组成了物联网的技术架构，为学生全面、深入理解课程教学内容提供了便利。

物联网技术是一门技术和内容更新都很快的学科，这就要求教学过程中要适时更新能反映最新科技和理论发展动态的教学内容。课程教学内容陆续补充了蓝牙5.0、NB-IoT、可见光定位、无线感知等前沿技术。构思了符合工程实施的实践教学计划，将RFID系统、无线传感网系统、智能家居系统等与实际应用密切相关的项目作为CDIO的教学项目载体。

（二）教学方式改革

1.CDIO工程教育理念在教学过程中注重启发式教学，结合日常生活、工程实践生产中的实际案例来启发学生，引导学生积极思考。同时，引入项目导向教学，教学重点由原本的基本概念和原理讲解转向引导学生选择合适的技术方案。

2.将互联网技术与传统教学有机结合，开展了线上线下混合教学模式。将微课视频、课件PPT等上传至我校研究生网络教学平台，引导学生观看微课视频，做好课前预习，课堂上重点回答学生的疑惑，课下布置作业或实验让学生巩固训练。

3.以3～4人小组为单位，老师提供若干物联网技术相关题目或领域顶级会议论文供学生自主选择并开展研讨;各小组在课下自主学习，在课堂上展示PPT汇报;同学可以提问，教师进行点评，既锻炼了学生自主学习、语言表达能力和团队协作意识，又促进了师生交流互动。

4.以论文形式撰写技术综述，培养学生收集、分析、处理信息的能力，让学生会用批判质疑的眼光去看待、分析、解决问题，让学生熟练掌握科技论文的基本写法和写作规范，提升学生的文献检索能力和科学写作能力。

（三）实践教学改进

对课程实验进行了完善，引入了物联网综合实验箱和树莓派开发板。实验内容突出层次化。

1.验证型实验：如基于物联网实验箱的RFID系列实验让学生通过学习API手册，实现对标签的基本操作，锻炼学生手册查阅能力和代码编写能力。WSN系列实验让学生熟悉传感器部分知识，加强对WSN网络和短距离无线通信知识理解。

2.设计型实验：结合家庭安全和智能设备，设计一种基于树莓派的嵌入式家庭机器人系统，以树莓派为嵌入式CPU，设计Android手机终端实时进行视频监控和数据监控。

指导学生结合现有实验条件，根据课上所学理论知识和课下查阅资料，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，真正实现“做中学、学中做”。

（四）课堂考核实施

为实现对学生综合能力的有效评价，对本课程考核进行了改革，通过技术综述、专题研讨、项目实践和随堂测试等方式实施多元化的课程考核。其中，技术综述考查学生对课程理论知识及前沿技术的理解，锻炼文献检索能力和科学写作能力;专题研讨考查学生在课下对物联网技术应用领域的学习情况，锻炼自主学习、语言表达能力和团队协作意识;项目实践考查学生对所学理论知识的应用实践情况，锻炼动手实践和创新能力;随堂测试考查学生综合运用基本概念、原理和分析方法的能力。

多元化课程考核既能较为准确地反映学生实际学习情况，也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。

四、教学实践效果

在基于CDIO工程教育理念的指导下，对物联网技术研究生课程教学进行改革实践。从学生的反馈结果来看，教学效果良好，主要表现在以下四个方面：从教学内容来看，教学素材信息量大，既有微课视频、课件PPT，也提供有相关国内外学习资源库，拓展了学生的知识面，开阔了学术视野;从课堂教学来看，教学方式灵活多样，知识传授采用查阅资料、研讨交流等方式来解决，激发了学生的学习兴趣，提高了学生学习的主动性;从实践教学来看，确保实践教学手段的先进性，在“做中学、学中做”过程中，逐步掌握实践技能，提升学生动手实践能力和创新意识;从课堂考核来看，通过技术综述、专题研讨、项目实践和随堂测试等方式实施多元化的课程考核，实现对学生综合能力的有效评价。

五、结论

本文针对物联网技术研究生课程教学，以CDIO工程教育理念为指导对课程教学进行改革，这些措施是根据笔者在实际教学经验总结而来的，并且已经在物联网技术课程教学实践中实际运用，取得了一定的教学效果。

参考文献

[1]张凤娥，薛健飞，李定龙，董良飞，涂保华，浦玉忠.CDIO工程人才培养模式的研究[J].实验技术与管理，2010，27（12）：8-10.

[2]陆翠娟，罗高涌.基于CDIO工程教育理念的物联网技术课程教学研究与探讨[J].黔南民族师范学院学报，2019，39（4）：92-95.

[3]刘云浩.物联网导论（第3版）[M].北京：科学出版社，2017.