基于CDIO理念的物联网工程专业实践教学活动研究

罗海驰 张正道 田 玉

(江南大学 a.物联网工程学院; b.教育信息化研究中心，江苏 无锡 214122)

物联网工程专业是在计算机科学与技术、信息与通信工程、控制科学与工程、电子科学与技术等多学科交叉的基础上，面向国家战略性新兴产业发展需求而建立的综合性专业。物联网工程专业的人才培养目标要求学生既能够从技术角度看产品，具备运用专业理论知识分析设计物联网系统的能力，也要会从政治、社会、法律、环境等其他角度看产品，具备从不同非技术角度分析、设计和评价物联网系统的能力，从而为今后在物联网工程领域从事软硬件产品设计、开发、运维及科学研究等工作打下良好的基础。物联网工程专业自带综合属性，其综合实践教学环节是实现物联网工程专业培养目标的重要途径。综合实践教学不仅能打破学科内多课程间的壁垒，而且更关注跨学科的衔接与融合，引导学生将各学科基础理论知识与设计开发技术融会贯通，培养学生的工程实践能力与创新能力。因此，如何设计并有效实施综合实践教学活动，全面激发学生的创新思维和创造能力，合理评价学生在实践中的表现并给予反馈，成为物联网工程教学研究的热点问题之一。

CDIO是近年来广受关注的工程教育模式，主张以产业需求为导向，将构思 ( Conceive)、设计 (Design)、实施 ( Implement)、运行( Operate)融入教学实践，以启发和引导学生从理论知识体系、实践能力体系以及人际交往技能体系出发，主动建构起自己的综合工程实践能力体系[1]。本研究以物联网工程专业综合实践课程为依托，探索基于CDIO理念的物联网工程专业实践教学模式的设计与评价，旨在更好地发挥学生的主体作用，激发学生的实践潜能和创新能力，提升综合实践类课程的教学质量，为后续的工程专业课程教学提供相应指导和借鉴。

1 物联网工程专业综合实践教学活动过程中存在的问题

现有物联网工程专业的综合实践教学研究主要聚焦于综合实践平台研发[2-3]、综合实践教学体系构建[4]以及综合实践项目评价研究[5]，在实践教学过程组织方法和评价标准等方面的研究较少。物联网工程专业综合实践教学活动过程中的问题主要体现在以下两个方面。

1.1 实践教学活动缺乏完整的模式设计

现有实验教学主要采用小组分工的方式组织教学活动。教师在课题目标设立、组内任务分解、项目进度控制、技术难点实现等方面进行相应指导，最后对小组成果进行答辩验收。这种常规的实验教学活动组织方式一方面不利于引导学生体验工程项目的整体设计和开发流程，另一方面由于缺乏对学生阶段性工作的指导和反馈，也不利于教师了解学生的实际情况，发现教学中存在的问题。

“实验教学重在过程。”[6-8]精心设计的实验教学过程是达成实验教学目标，获得良好实验教学效果的重要保障。物联网工程专业综合实践教学活动的核心目标是使学生在实践中加深对理论知识的理解，锻炼学生的工程能力，培养学生的工程师素养，因此，应围绕这一目标进行实验教学课程设计。

1.2 实践教学活动缺乏系统的评价体系与方案

学生实践课程的成绩是检验老师在综合实践教学活动中是否达成教学目标的依据，也是对学生在这一过程中表现出的学习能力的评价。通过考查课题成果，可以对学生的理论知识掌握情况、系统的设计开发能力、创新意识和创新能力等方面进行评价，也可以让学生进一步了解自身的优势和不足，从而引导和促进学生的成长和发展。

目前，物联网工程专业综合实践课程成绩的评定大多以学生小组提交的课题成果为主要评价依据，再结合学生的平时考勤及学生间的互评情况，给出学生的个人课程成绩，而对学生在实践教学活动中的过程性和表现性评价则相对较少。在实践课程活动中，小组课题成果往往是由个人能力较强的学生独立完成的，而学生互评也存在评价标准和尺度不统一的问题，难以借此针对每位学生给出适当的评价及个性化的引导。

2 基于CDIO的综合实践教学活动设计

物联网工程专业综合实践教学活动设计应充分体现学生的CDIO技能，各个环节的设计应以能反映学生的构思、设计、实施和运作技能为原则。下文是对基于CDIO的综合实践教学活动各个环节的设计进行的详细介绍。

2.1 构思——课题设置

CDIO理念强调让学生在真实场景中考虑通过现有的技术支持来进行项目的设计[9]，在这个环节，教师应给学生提供具有情境性和真实性的课题，以丰富学生的沉浸式体验，构思出最合理的设计方案。在物联网工程专业的实践课程设计中，课题目标设置应更具开放性，以发挥学生的创新能力；所用实验设备组件的选型应符合或接近工程实际，且便于扩展和更新；应尽可能在教学环境中还原课题的需求场景，以便引导学生更好地理解课题，启发学生从技术和非技术角度进行综合观察与思考。

图1是用于智能家居课题的实景沙盘。沙盘中预置了小型且可实际使用的电视机、风扇、电动窗帘、电动衣架、门禁、红外对射器、摄像头、智能水表、智能电表、智能气表、温湿度传感器、烟雾传感器、加湿器等组件，并预留了接口，可支持其他设备的接入，网关及通信协议可以由学生自行设计，也可直接使用沙盘提供的配套设备，这样既便于教学，又不脱离实际。结合智能家居实景沙盘，可以将智能家居样板房设计作为开放式课题目标，以学生熟悉的家庭生活为切入点，引导学生挖掘用户需求，并从开发商、住户、物业管理人员等不同视角对解决方案进行思考和讨论。

图1 智能家居实景沙盘

2.2 设计——课题发布

设计环节旨在让学生能够根据自己的构思进行项目设计，从而顺利实施项目。为便于学生进行相应项目设计，课题发布时可以以具体的项目场景为例，让学生能够沉浸在角色中，从角色出发进行设计，例如，综合实践教学可以模拟物联网应用解决方案招投标过程，由教师团队担任项目招标方，由3～5名学生自由组队成立初创公司，作为项目投标方。

在实践活动开始前，由教师团队向全体学生发布实践课题的内容及要求，并给出实践进程的各个时间节点。教师应在发布课题的同时向学生明确各阶段需完成的主要工作以及要提交的阶段性成果的形式和规范，提示学生各阶段应关注哪些主要问题，对各阶段的人力资源配置方案进行引导，推荐相关的参考资料及信息渠道，给出课程评价指标体系及评价方法，同时提供沙盘组件的用户文档及例程，以及实验教学服务器的配置参数和使用手册。

在课题发布后，学生可以自由组队，确定公司名称、成员名单及各成员的角色分工并提交。可设置的角色主要有产品经理、市场调研员、系统架构师、文案编辑等，一名学生可以担任多个角色，但一个角色只能由一名学生担任，并要求角色间分工明确，角色所负责的工作范围符合角色定位。随后各小组需要围绕课题目标，在指定期限内完成需求调研；在课题给出的约束条件下设计解决方案并论证该方案的可行性，完成软硬件的技术选型；制订项目的实施计划，估算项目成本，确定项目报价。

在设计中期，教师团队可以组织一次面向所有小组的公开答疑，主要解答有关课题内容、要求、系统边界等方面的问题。

2.3 实施——过程监控

实施就是项目作品的制作环节，是方案变现的过程。在这个环节，各组均需定期召开组会，在组内交流进展、讨论问题、确定计划和分工。教师参加组会，倾听学生讨论、观察学生的表现、启发学生的思路、引导学生进行思考，但既不提供具体帮助，也不参与决策，只是对学生的实施过程进行监控、把握进度。

学生的项目设计方案完成后即可进入实施阶段。在项目实施阶段，各学生小组按本组制订的项目实施计划完成系统的设计、开发、软硬件集成、测试、部署工作，制作演示文稿和演示视频，以展示系统各功能模块的实现情况及系统各项性能要求的达成情况。

2.4 运作——考核评价

运作即学生把学习成果完整呈现出来，展示项目功能及优势，同时接受教师和同学的考核与评价。在项目实施阶段结束时，各学生小组提交设计说明书、测试文档和用户手册，教师团队组织面向所有小组公开的项目演示和答辩。在答辩结束后，教师团队给出各组的项目实现评价结果。答辩和演示都要面向全体学生公开进行，这样教师团队既能对各组的阶段性成果给出评价，也能促进学生的组间交流，通过表述、提问、回答、辩论等过程，使学生能够更全面、更深入地认识问题。教师在给出评价的同时，还应当给出改进建议，通过个人经验的分享，引导学生进一步开拓思路、加深理解。

3 物联网工程专业综合实践教学活动评价

完善的课程考核和评价标准，既是对学生学习成果的综合考量，也是开展后续教学实践的重要参考。CDIO模式为教学过程实施和检验提供了重要标准，这些标准使得基于CDIO教学实践的评价有了更具体、可操作的指标[10]。在物联网工程专业实践教学的考核和评价环节，学生成绩由其所在小组的课题成果评价结果及学生个人的合作问题解决能力评价结果两个部分组成，两部分成绩各占总成绩的50%。其中，课题成果评价由项目方案设计评价和项目实施评价两个部分组成，合作问题解决能力评价则既包括对学生在课程结束时达到的能力水平的评价，也包括对学生通过该课程获得的能力成长的评价。

根据课程培养目标及各培养目标所支撑的学生毕业要求指标点，制定项目方案设计评价标准(见表1)。在方案设计阶段的项目方案的答辩环节，教师团队依据项目方案设计评价标准对各小组进行现场打分，以各位教师给出成绩的平均值作为小组的项目方案得分。项目实施评价标准见表2。在项目实施阶段的项目演示环节，教师团队依据项目实施评价标准对各小组进行现场打分，以各位教师给出成绩的平均值作为小组的项目实现得分。

个人合作问题解决能力是基于 ATC21S 测评框架进行评价的，该框架来源于思科、英特尔、微软等公司资助的“21世纪能力教学与评价项目”，主要考查学生的合作问题解决能力，包括社会技能发展水平(对参与者的管理)和认知能力发展水平(对任务的管理)，利用ATC21S测评框架，可以对学生的高阶思维进行评价，了解学生在小组专业实践课程中的问题解决能力，评价标准见表3[11-12]。

表1 项目方案设计评价标准

续表1

表2 项目实施评价标准

此外，本研究针对教师和学生分别设计了访谈表，要求教师和学生在每次组会结束后提交，以帮助学生回顾实践过程，审视自身在小组学习和实践课程中的表现，且便于教师进行教学反思，不断调整并优化教学方案。在方案设计阶段和项目实施阶段结束时，分别综合学生本人、小组其他成员和教师三方的记录，对学生的合作问题解决能力发展水平进行评价，对比两次评价结果，生成对学生在综合实践教学活动中的整体评价。

4 结语

综合实践教学活动是物联网专业重要的实践性教学环节，在选择课题和实验设备、设计教学过程、确立评价方法时，应紧紧围绕培养目标，结合工程实际，充分调动学生的积极性和主动性，以科学的评价标准、评价方式促进学生综合能力的发展。本研究依托CDIO工程教育模式，设计了包含构思、设计、实施、运行四个环节的综合实践教学活动模式，并结合物联网工程专业特色，构建了综合实践教学活动的评价指标体系。实验结果表明，基于CDIO理念的物联网工程专业实践教学活动，可以调动学生的学习积极性，引导学生将各学科基础理论知识和设计开发技术融会贯通，增强学生的工程实践能力与创新能力。在课题设置环节，本研究引入了实景沙盘作为主要教学场景，与综合实验箱、综合实验台相比，虽然实景沙盘可以提供更直观的场景体验，各种组件的选择也更自由，但仍存在整体场景固定、缺乏复杂的问题条件变化、需要分时使用等问题。未来综合实践活动的研究应着力于为学生提供更真实、更具操作性的教学课题和工具，结合实际的物联网应用背景建立虚实结合的仿真实验平台，并在模拟的团队协作式产品设计开发流程中加入对参与者合作问题解决能力的自动评价，这会更有利于综合实验教学活动的开展。此外，由于物联网应用涉及的技术线较长，且跨多个学科，在未来的综合实践教学活动中，应进一步体现物联网工程专业的跨学科特点，选取具有综合属性的研究课题，同时扩充实践指导教师队伍，引入具有不同学科背景和工程经验的教师，以便更好地对学生实验产品设计开发的整个流程进行指导。

表3 ATC21S合作问题解决能力评价标准