基于“CDIO-BOPPPS”的智慧课堂教学设计

姜 雪，王华彬，周开胜

(1.蚌埠学院 计算机工程学院，安徽 蚌埠 233030；2.安徽大学 计算机科学与技术学院，安徽 合肥 230601；3.蚌埠学院 土木与水利水电工程学院，安徽 蚌埠 233030)

增强学生的就业创业能力，服务地方经济和社会发展，推动国家经济发展，已经成为应用型高校本科院校专业建设与人才培养模式改革的重要主题。因此，该类院校应该抓住本校建设的特点，制定明确的教学目标，在此基础上完善课程资源建设，同时积极推进教学改革创新。《国家教育事业发展“十三五”规划》强调大力推进教育信息化，推动“互联网+教育”新业态发展。在信息技术在教育领域普及的今天，如何利用互联网教育平台辅助教学，同时结合先进的教学理念和教学模型深化工程教育改革，多方位多角度调动学生的学习积极性，是值得探索和研究的问题[1]。

CDIO[2]是近年来国际工程教育改革的最新成果，代表Conceive(构思)、Design(设计)、Implement(实现)、Operate(运作)，该理念注重培养学生的工程系统实践能力、工程基础知识，个人创新能力以及团队协作能力，强调项目引领工程实践，推动了新工科背景下创新教育的发展，受到众多高等院校新工科专业的关注。其最终愿景是培养出满足现代产业发展所需的具有系统CDIO过程教育背景的工程型人才[3]。

BOPPPS[4]就是一种以学生为中心的先进教学模式，该模型以目标达成为核心，通过有针对性的教学设计和形式多样的教学活动实现师生有效互动。BOPPPS教学模型包括六个模块：导入(Bridgein，B)、教学目标(Objective，O)、前测(Pretest，P)、参与式学习(Participatory Learning，P)、后测(Post-assessment，P)和总结(Summary，S)。这六个模块构建了连贯、有效、完整的教学过程。

本文通过对物联网工程主干课程《物联网通信技术》教学现状进行分析,融合“CDIO”和“BOPPPS”的先进理念和模式，探索了物联网工程专业教育新路径。

1 《物联网通信技术》课程教学现状

物联网已成为当前世界新一轮经济和科技发展的战略制高点之一，发展物联网对于促进经济发展和社会进步具有现实意义，而探索应用型物联网人才培养模式更是当务之急。为使学生系统掌握物联网工程专业的基础知识，具备运用先进的工程化理念、技术、工具从事物联网专业技术工作的综合素质，蚌埠学院面向物联网专业本科生开设了48学时的专业必修课程《物联网通信技术》。然而，近几年来技术更新的速度较快，这一新兴专业的教学内容体系理应随之更新。同时，如何让课程内容体系更加满足应用型本科人才培养的要求也是其面临的挑战之一。2015年开设课程至今，课堂教学效果一直不理想，具体有如下问题亟待解决。

1.1 教学内容体系过于陈旧

由于专业开设时间较短，缺乏成熟的模式可以借鉴，所以该门课程的教学内容更偏向于物联网的基础概念、网络协议、关键技术等一些基础知识，无法反映学科前沿和时代感[5]。

1.2 理论性较强，理论难以结合实践

该门课程注重无线传感器网络的基础理论研究，因受到学时限制，很多内容仅能点到为止，学生被动接受知识点，较难理解和把握重点。且受学时限制，实验课程均是按照实验指导书进行的验证性的实验，无法与理论课程全面结合，难以激发学生的兴趣，无法为进一步的应用开发打下坚实的基础。

1.3 教学方式跟不上学生发展的需求

“互联网+”教育背景下，“PPT+板书”的传统教学方式已经跟不上学生发展的步伐，虽然互联网科技与教育领域相结合的许多新兴的教育模式应运而生，例如微课、慕课、智慧树、学堂在线等[6]，但仍存在一些弊端，如：线上测试题相对简单，学生的个性化需求被忽视，对自制力较差的学生来说无法保证有效学习，以致出现了“无声课堂、看视频课堂、重复课堂”。

1.4 考核方式不合理

传统的考核方式，通常采用一张试卷定“终身”的方式，缺少有效的过程性考核，不容易调动学生的积极性，学生只是为了考试而学习，失去了学校培养应用型人才的初衷。同时，教师也很难根据考核结果科学地评判自己的教学效果，不利于教学反思。

2 “CDIO-BOPPPS”智慧课堂在《物联网通信技术》课程中的应用

为了顺应时代发展的需要，蚌埠学院物联网工程专业针对《物联网通信技术》课程目前面临的教学问题，组织经验丰富的骨干教师团队，致力于课程教学改革，从多方面探索全新的智慧课堂设计方案。主要思路：为确保教学内容体系紧跟时代前沿，教研室组织教研团队与企业合作，把握新经济发展对应用型人才知识、能力、素质的新要求，引入行业企业的新知识、新理念，共同修订人才培养方案、构建课程体系。教学方式上，首先，采用“互联网+”先进的教学手段，借助超星泛雅网络平台开展教学过程，构建智慧课堂。其次，基于“CDIO-BOPPPS”的教学模式，由教师布置一个完整的工程项目，学生在教师的指导下完成“导入-教学目标-前测-参与式学习-后测-总结”六个教学环节，可将工程理念有效植入到理论课程中；同时，采用案例教学法、项目驱动教学法、小组协作、分组讨论等形式多样的教学活动实现师生互动。最后，建立多维度的过程性考核方式，有效调动学生的积极性，同时有利于教师科学评判教学效果，总结教学经验，进一步提升教学效果。

2.1 教学内容体系重构

与企业开展协同育人工作，将产业和技术的最新发展、行业对人才培养的最新要求引入教学过程，共同修订人才培养方案、构建课程体系[7]。原有课程体系中仅包含基础理论和关键技术两大模块，根据“培养具有实践操作和创新能力的应用型人才”的目标，特别引入应用前沿模块，融入理论课程和实践课程中。应用前沿包括：企业项目应用展示、优秀竞赛作品展示、企业实训项目培训，目标是以成果为导向，从建立项目概念-激发学习兴趣-进阶式项目培训角度，培养学生创新思想和自主学习能力。教学内容体系如图1所示。

图1 《物联网通信技术》课程教学内容的安排

2.2 教学方式优化

2.2.1“互联网+”平台搭建智慧课堂

参与式学习要体现出以学生为课堂主体，充分调动学生学习的积极性和主动性。众所周知，现在大学生是互联网时代的原住民，因此他们习惯于用“互联网+”方式来获取知识。因此，如何结合本课程的特点，优化传统的教学手段，并且兼顾学生的学习需求的差异，创造个性化的教学环境，也是高校课堂值得探索的焦点。因此使用超星泛雅网络平台作为辅助教学的手段，搭建高效的智慧课堂。

课前：九层之台，起于垒土。

(1)利用超星教学平台上传课程大纲、教学进度表、PPT、拓展阅读的其他资源。在上传资料后，提前设置好任务点，便于课后收集学生在线任务完成进度、掌握学生学习情况。

(2)课前导学：发布学习目标、自主学习内容，预告集中学习安排，并发放任务。

(3)借助学习通平台分析工具对学生学习情况进行分析，可以观察每一位学生学习情况，以便上课进行针对性互动。

课中：形散而神不散。

(1)根据课前分析的学情，选取相关知识点和重难点结合进行精讲。

(2)为避免出现学生专注力不够的现象，采用碎片化知识点精讲和互动交叉进行的方式。利用超星学习通辅助完成课堂活动。

(3)参与式学习需要加入互动环节。超星学习通提供丰富的课堂活动控件调动学生的积极性和创造性，如：投票、调查问卷、讨论、抢答、选人、直播、学生互评等，不仅有利于教师合理组织教学，而且借助于互联网平台建立起的高效的互动模式，有利于每位学生真正参与到课堂中。

课后：巩“故”益于知“新”。

(1)作业。以知识和能力目标为导向，精选课程相关的知识点，由教师自行编制作业题库，检验学生的学习效果。并且在下节课前，针对问题比较大的知识点录制讲解视频。

(2)辅导答疑。教学绝不仅限于课内，对于学习进度滞后的学生，通过学习通私信或者QQ单独辅导答疑，做到课内无缝对接。

(3)学习监督。为实时监督学生学习，保证个别学生不掉队。利用学习通平台的预警功能，根据不同的条件对不同的学生适时预警。

(4)学科竞赛辅助教学。结合中国“互联网+”大学生创新创业大赛、挑战杯安徽省大学生创业计划大赛等大赛时机，鼓励部分学生结合物联网通信技术理论知识，设计完整方案解决社会热点问题。将竞赛融入课程学习中，以赛促教。

智慧课堂教学模式如图2所示：

图2 “互联网+”背景下的智慧课堂教学模式

2.2.2“CDIO-BOPPPS”模型升级优化智慧课堂教学模式

首先，把实验和实训课程安排在学院新建的物联网综合实训基地，让学生增加接触物联网设备的机会，实现理论知识从感性认识到理性认知的升华，践行CDIO所倡导的工程理念。其次，该课程旨在培养学生系统掌握物联网感知、识别与控制技术的应用型课程。理论课程内容包括物联网通信技术的原理及实现、物联网数据获取与处理技术的实现等。CDIO强调专业理论知识和项目的一体化，即提供学生获取知识的背景，为此，有针对性地设计了若干典型行业业务场景，如智能环境系统、智能仓储控制系统、智慧农业系统、智慧温室控制系统等项目，可以应用于医疗、安防、生产、农业、社区等领域，并且以工程项目为载体，将实践课程与专业知识有机融合。

以《物联网通信技术》课程中8.2节“基于WSN的智能家居系统设计与实现”为例，展示基于“CDIO-BOPPPS”模式的教学实施过程，全程采用“互联网+”搭建的智慧课堂。各阶段实施过程如图3所示。

图3 基于“CDIO-BOPPPS”的教学模式

(1)B(Bridge-In)——引入。教学方法：是启发式教学和讨论式教学，激发学生的学习兴趣，导入新课。首先以小米新款智能家居演示视频开场，自然引入本次项目情景：“搭建基于物联网的智能家居环境。”此环节旨在激发学生对即将开始的课程产生浓厚的兴趣[8]。接着，为了回顾前期课程，衔接本次课程，提出问题：“基于Zigbee技术的智能家居系统，采用哪种拓扑结构”？引发学生的讨论，为导入新课做准备。

(2)O(Objectives)——目标。教学方法：讲授法为主的互动式教学，明确教的目标和学的任务。

在上一个环节引入问题后，介绍本次课程学习的目标，通过本课程的学习，首先掌握基于物联网的数据采集方法和流程；其次，通过项目，能够搭建基本的智能家居环境；最后，具备能够进一步设计复杂的智能家居环境的能力。

(3)P(Pre-assessment)——前测。教学方法：讨论法和案例教学法，调整教学方法和思路。课程自建网络课程，学生提前自学视频和相关讨论，通过简单试题检测学生的预习效果。多选题检测学生的预习效果，同时为项目的展开构建理论基础。 通过开放式的讨论方式，了解学生对知识的掌握情况，并且有助于教师和学生共同梳理本节课的知识点。

(4)P(Participatory Learning)——参与学习。教学方法：通过综合运用多种教学方法，协助学生理解知识脉络，重点在于“解惑”和“引导”，保证有效完成教学目标。

项目情景是模拟智能家居环境，搭建一个基于物联网的智能家居环境，目的是实现对环境参数的远程监测。此环节的设计依据的是杜威 “做中学”理论：“让孩子做什么比学什么更重要，因为做的时候必然需要思考，于是学习自然发生。”[9]首先采用分组讨论的方式，按照：教师提问题→学生思考→组内讨论→组间交流→班内得出结论→教师小结的顺序。同时，贯穿了项目驱动教学法，通过分组讨论，把实验分解成三个子项目：“环境数据采集、数据处理和显示、远程接入并监测。”把三个子项目作为学生的三个阶段性目标，在过程中让学生自主学习，去发现、思考、讨论问题，同时辅以教师的点拨，旨在培养学生自学能力和创新能力。具体过程如下：

项目一：从物联网架构最底层的内容开始教学，用具体的项目驱动学生解决如何采集数据的问题。以小组为单位进行实验教学。课程开始，首先通过在学习通“分组任务”设置“教师评分”(50%)+“组间互评”(50%)的方式，通过分组任务，鼓励每位成员都参与到教学活动中。项目二、三：本实验涉及两个传感器节点：温湿度节点和光照度节点，且步骤类似。由教师完成温湿度节点烧制后，光照度节点给学生操作。学生的操作采用网络学习平台直播的方式，客服传统教学中以教师为主导地位的课堂讨论存在局限性。本课程中通过网络学习平台开放讨论空间，让学生各抒己见，并通过“词云”投屏到黑板，使讨论的面进一步扩大。

(5)P(Post-assessment)——后测。教学方法：讲授法和讨论法教学，通过测试题等分析学生对教学内容的理解，找出教学中的“盲区”，并检验教学目标达成度。

本节课使用的远程控制终端有两种：青莲云平台、手机APP。因势提出一个与本节课相衔接的讨论题：“如何设计网页终端控制程序”？同时可以作为下节课的引子。

(6)S(Summary)——总结。教学方法：讲授法和互动式教学。师生共同总结本次课程的重难点以及注意事项，学生课后思考拓展问题，作为下节课的内容引入，目标是完成教学反馈。

首先，通过网络交流平台让学生总结本次课的难点，提炼出共性问题；其次，给定15分钟师生自由交流时间，回复学生遇到的个性问题；最后，通过网络平台的评分功能了解学生对本实验项目掌握的难度情况以及开设意见，促使教师对教学实践进行反思，并以此来总结经验教训，进一步提高教育教学水平。

在教学设计的过程中教师形成自己对课程的认识、确定对学生的培养目标、不断改进和更新教学举措，注重分组讨论法、启发式教学、案例分析法、项目驱动式教学法等多种教学方法的运用；在项目的设置上体现阶梯性，难度递增，进阶式培养学生的工程系统能力。

2.2.3智慧课堂定制多维学生考核体系

传统的“一考定终身”的考核方式大大约束了学生综合素质的发展，本课程探索实践的考核评价标准，并且利用智慧课堂工具构造了“过程性考核”的立体考核模式。借助超星网络学习平台的成绩统计功能完成成绩管理，根据课前自学、课前测试，课中参与式学习(包含各类课堂活动，如：主题讨论、小组任务、抢答、调查问卷、投票等)、课后测试、期中期末考试的情况，从以往的签到+期末考试单一的考核指标向注重学习过程的多维度的考核指标转变。另外，各考核要素设置不同的权重，在公平、公正、公开的基础上引导学生的学习导向。

3 学习效果分析

本着以学生为中心的原则，以提高学生满意度、提高教学质量为目标，制作调查问卷收集相关数据，并利用SPSS软件对数据深入分析[10]。

3.1 研究对象

本文采用的抽样方法是随机抽样，以蚌埠学院计算机工程学院物联网工程专业120名学生为研究对象。采用问卷星软件制作调查问卷，并分享二维码至群组。统计显示：发放调查问卷120份，填报回收了113份，其中有效问卷105份。问卷回收率94.17%，问卷有效率87.5%。

3.2 调查问卷设计

调查问卷由三部分组成，如表1所示。

表1 调查问卷题目

第一部分为研究对象个人基本特征，共5题，包括：性别、年级、年龄、专业、是否接受过智慧课堂教学；第二部分为智慧课堂教学方式和智慧课堂教学资源，共6题。第三部分为学生学习满意度，共5题。本文对调查问卷的离散型变量数据采用p检验和t检验的方法进行分析，通过相应方差和均值得到相应结果。

3.3 问卷的可信度

根据五个假设变量因子和对智慧课堂教学的满意程度进行整体分析，通过SPSS 26.0软件对调查问卷的结果取证，并采用克朗巴哈Alpha系数(Cronbach’s Alpha)信度系数法对其测试检测，数据如表2所示。

表2 Cronbach’s alpha系数检测

三个结构变量的克朗巴哈Alpha系数值都在0.85以上，并且调查问卷内部一致性检验总结果为0.896>0.8，数据值显示本调查问卷具有很高的真实可信度。

3.4 假设验证

通过查找相关文献发现[11]，大学生的学习满意度可能与大学生的性别、有无接受过智慧课堂教学有关，为了确定这几个因素对学习满意度是否有影响，提出2个假设：H1：男大学生比女大学生的学习满意度高；H2：有接受过智慧课堂教学的大学生比无智慧课堂学习经历的大学生学习满意度高。

表3验证的是性别对满意度的影响。分析结果显示：通过比较均值的大小得出

8.085714286-7.928571429=0.157142857，

0.157142857/10≈1.6%<5%

也就是说，男女生之间均值的差异不大，均值反映平均水平，组间差异较小，通过平均水平的比较得到假设不成立。假设H1不成立，即性别对学习满意度无影响。

表3 男女大学生对智慧课堂教学的满意程度比较(N=105)

表4验证的是有无接受过智慧课堂教学对满意度的影响。分析结果显示：通过比较均值的大小得出，8.305263158-7.753488372=0.551774786，0.151774786/10≈5.5%>5%，即有无智慧课堂学习经历之间均值的差异较大，均值反映平均水平，组间差异较大。因此假设H2成立，即接受过智慧课堂教学对满意度有显著影响。

表4 有无接受过智慧课堂教学大学生的满意程度比较(N=105)

3.5 满意度情况分析

满意度情况如表5所示。

认为智慧课堂教学内容满意度超过一般标准的有101人，占据总人数96.18%；认为智慧课堂平台满意度超过一般标准的有101人，占据总人数96.2%；认为智慧课堂教学参与度超过一般标准的有103人，占据总人数98.1%。由此可知学生对智慧课程的三个特征都较满意。

表5 大学生对智慧课堂教学的满意程度情况

4 结论

本文提出了一种采用“互联网+”教学手段，将CDIO教学理念和BOPPPS教学模型相结合的智慧课堂教学模式。近两年的教学实践表明，这种以学生为主体的模式可以调动学生的学习积极性、提高物联网专业学生工程实践水平，培养了学生的创新精神、团队协作能力，并且为培养应用型本科物联网工程专业人才积累了经验。

学生角度：首先，提高了学习效果。由于个人基础不同，传统线下教学无法保证每位学生的学习效果。改革后，采用了互联网平台辅助线下教学，教师整合优质资源放置于平台上，学生可以根据自己的情况，随时随地线上学习，从而有充足的时间去消化吸收知识。其次，培养了学生的团队合作能力：由于采用了CDIO工程教育理念，在项目实施过程中，学生以组队的方式分工合作，整队以完成项目为共同目标而努力，在项目实施过程中综合运用理论知识，最终达到团队成员能力共同提升的目的。最后，发挥了学生学习的主观能动性：在BOPPPS六个环节中采用了启发式、互动式、讨论式等方法，将以教师为主体的传统课堂转换成以学生为主体的新型课堂。

教师角度：首先，BOPPPS中的前测和后测可以实时反映学生的学习情况，帮助教师及时调整教学内容。其次，多维的考核体系，强调过程性考核的公平性，有助于教师科学判断教学效果，有利于教学反思。最后，整合信息技术与探索式教学模式，在培养工程技术人才的同时，也极大提升了教师自身的教学素养。

通过对调查问卷的数据分析，有智慧课堂学习经历的学生比无智慧课堂学习经历的学生满意度高。且大多数学生认为智慧课堂的教学内容、教学平台、教学参与度能够满足他们的需求。教师应该更加清晰地认识到“以学生为中心、需求为导向”的重要性，紧跟信息技术的步伐，丰富教学内容，搭建实用新型的智慧课堂教学平台，进一步提高学生的学习效率和满意度。