基于OBE理念的物联网工程专业实践教学体系建设研究

摘要：本文结合物联网工程专业建设实践，提出基于OBE理念的实践教学质量保障体系，从解决复杂工程问题、物联网应用系统分析设计能力培养出发，设计了实践教学环节持续改进的具体方法，包括创新型实践教学平台建设、产教融合的综合实训、创新创业实践等，并展示综合实践类课程的达成评价分析。

关键词：OBE理念；物联网工程专业；实践教学体系

中图分类号：G420 文献标识码：A 论文编号：1674-2117（2024）19-0109-04

引言

工程教育专业认证以“学生为中心”“成果导向”和“持续改进”为核心理念，其目的在于建立起高校工程教育的质量保障体系，培养与用人单位和行业发展紧密契合的具有国际竞争能力的高校毕业生。[1]近年来，物联网行业相关产业发展势头迅猛。对于应用型本科高校来说，物联网工程专业的培养目标是培养工程实践能力强，掌握物联网应用系统的分析、设计、实施等能力，具有创新能力，适应技术进步和社会需求变化的高素质应用型工程技术人才。但专业建设中面临的最主要问题是如何结合物联网相关产业行业的发展，从培养目标、实践教学体系构建、教学组织方式、教学质量评价和持续改进机制等方面着手，建立基于产教深度融合的物联网工程专业实践教学模式。

大学生的工程实践能力培养需要通过多个环节来实现，包括专业核心课程的课内实验、课程设计、企业项目实训、创新实践、毕业设计等。相关文献[1]通过对物联网工程专业实践教学现状的分析，针对实践教学环节中存在的共性问题，分别从实践教学平台、课程实验、课程设计、综合实训、学科竞赛和创新创业等方面提出了针对性的改革措施和方法。文献[1]提出的基于面向产出理念的智能物联实训项目教学内容框架，融合了针对需求工程、架构设计、统一建模、编程开发、网络规划等多门类信息学科课程的专业知识训练。文献[2]提出BOPPPSI教学模型并运用到实践教学中，通过完整展示从教学目标设计到达成情况分析的全过程，为相关专业课程的工程教育改革提供参考。

上述文献从不同角度对计算机类专业在工程教育认证过程中实践教学模式构建问题进行研究和探讨，对于实践教学质量的持续改进有积极意义，但是对于特定区域和层次的高校，在物联网工程专业实践教学体系构建过程中仍存在需要进一步解决的问题。因此，笔者结合所在学院物联网工程专业的建设实践，从产教融合、课程设计、企业项目实训、学科竞赛、创新创业项目等方面探讨提高物联网工程专业实践教学体系构建和教学质量持续改进的有效途径。

面向工程能力培养的实践教学体系

笔者所在学院在物联网工程专业的实践教学过程中面临的主要问题包括：①物联网专业的理论课程体系包含计算机、电子信息、人工智能等多个学科，实践环节涉及的知识模块较多，且综合性强，对任课教师的工程实践能力和系统分析设计能力有较高要求，而高校教师在能力方面主要进行学术研究，具有较强工程实践能力的教师相对不足。②从引入企业师资和企业实际项目提升实践教学环节质量的角度来看，校企合作主体间相对分散，有效的合作机制难以保障。企业指导教师和校内教师的职责划分不够清晰，双方的优质资源难以共享，难以达到产教深度融合；工程实训类教学与工程实践联系不够紧密，企业参与度不够深入。③实践教学环节的形式较为单调，缺乏灵活性和层次性，在对学生多元化、多层次分类培养方面的针对性不足。

针对上述问题，笔者认为，在实践教学环节首先需要改变教学观念，转换教师和学生的角色，让学生在教师的指导下主动完成相关知识的构建。其次，加强实践环节训练，设计综合性强的应用案例，强调以学生思考、分析、操作为主，通过系统需求分析、系统硬件选型与设计、软件设计、功能与性能测试等环节，在企业导师和校内导师的指导下完成嵌入式系统的开发设计，提高学生对物联网应用系统的设计与实践能力。

笔者所在学院的物联网工程专业根据学校定位打造了“产教融合”和“创新创业教育”等办学特色，学生除了在课内学习掌握本专业基础理论知识外，还可以通过校企联合培养、参与企业实训工程项目、参与教师课题、大学生创新创业项目、参与学科竞赛等方式深度参与到智能家居、环境监控、智慧养老等物联网应用系统的架构、设计、开发、实施等环节中，全面培养系统开发设计能力，提升就业与升学竞争力。

此外，围绕解决物联网应用系统的开发设计中的复杂工程问题的工程能力培养，本专业基于学生毕业要求，结合企业项目实训中的“嵌入式系统设计”“移动应用开发方向”等，设计了多个复杂工程问题案例，如：①基于物联网的智能萌宠盆栽系统。该项目要求设计具有植物生长参数选择、盆栽环境自动控制、植物生长环境监测和表情互动、APP远程监测与远程控制等功能的智能萌宠盆栽系统。以ESP32-S3作为控制器，控制整个盆栽系统的运行。空气温湿度传感器、光照强度传感器、土壤湿度传感器、震动传感器组成传感器模块，将收集的环境数据发送至单片机；水泵、加湿器、LED补光灯组成控制设备模块，显示屏模块实现系统控制等功能。ESP32-S3集成的Wi-Fi将接收的传感器数据上传至互联网，同时接收手机APP发送的控制指令。②轨道交通数据可视化平台。建立一卡通大数据平台系统，包括底层存储与计算环境、ETL与数据治理、标签系统、数据分析与挖掘BI、GIS分析与展现、自定义门户展示、数据安全监控管理等子系统功能。根据一卡通数据入库与清洗、统计与分析，及大数据分析后台的运行结果进行数据可视化呈现，以直接、全面、美观的效果为数据分析人员提供一站式数据分析解决方案。

产教深度融合的实践教学体系构建

笔者所在学院的物联网工程专业还充分利用物联网技术创新实验室及相关软硬件资源环境，构建了物联网工程专业教学体系，该体系分为专业基础课、专业核心课、企业项目实训等部分，如上页图1所示。

在企业项目实训环节，针对物联网的特定应用场景（工业物联网、智能农业、智能家居、智慧工厂等），企业指导教师会指导学生从需求分析、系统方案设计、软硬件开发、系统级测试等方面进行完整的物联网应用系统的开发设计。企业实训项目一般会安排学生分组完成，在该过程中通过解决复杂问题的实践，培养学生的分析思考能力和创新能力，使其能够更加灵活地应对各种挑战。根据产教融合、校企合作培养工程型人才的理念，部分综合性实践类课程（专业认识实践、单片机技术课程设计等）嵌入式培养模式引进企业的真实工程项目案例（智能家居、智慧工厂等）及其管理方式，由校内教师和企业指导教师共同承担实训项目的设计和指导任务，使学生潜移默化地接受企业文化与职业素养，并拓展学生的物联网应用系统的开发设计能力。同时，在第七、八学期，安排部分学生到企业实训基地，让学生按照企业的开发模式进行企业开发实战实训、实习、就业，进一步提升职业的综合素质并完成毕业设计（论文）教学环节。

本专业与多家企业合作建立了物联网工程创新实验室，该实验室引入多个物联网应用领域的创新实践项目，包括工业物联网（智慧工厂）综合实训平台、泛在接入物联网数据平台与管控系统、大气网格化智能监测平台、智能交通车联网信息系统、基于ZigBee的煤矿智能安防系统、基于STM32的智能楼宇监控开发系统等。该实验室采用自顶向下的设计模式，实现了具备以下能力的综合实验平台：底层可接入个性化/自定义设备模块顶层可实现多样化数据展示，后台可对数据进行分析、挖掘、分类、评估及预测，前端可接入各类移动终端以及嵌入式设备，在技术上涵盖物理层、网络层、传输层以及应用层的全部实验场景。实验室架构如图2所示。

例如，本专业与某公司合作在项目实训中引入了泛在接入物联网数据平台，为学生对物联网应用系统开发设计提供了完整的实训方案，并可作为学科技术基石进行创新、扩展与延伸。在技术上，云平台服务端以Python体系的Django架构实现，使用MySQL作为数据库，并通过C++/Qt实现中间件接口，在用户接口方面，平台使用了前后端分离的设计模式，以B/S架构为主，配合微信小程序实现跨平台访问。

教学质量持续改进机制

物联网工程专业依照OBE理念的核心要素“学生中心、产出导向、持续质量改进”，从培养目标、毕业要求、课程体系和课程质量等方面不断改进工作，形成校内循环和校外循环，校内循环的实施基于教学过程质量监控机制和毕业要求达成度评价机制，校外循环的实施则基于毕业生跟踪反馈机制和社会评价机制。校内、校外通过培养目标、毕业要求的评价与改进形成有机的整体，相互支撑，相互促进。本专业的持续改进机制如上页图3所示。

同时，为了保证本专业全体学生了解物联网行业的发展和就业前景，学院开设了专业导学课程与专业认识实践课程。专业导学课程安排在大一第一学期，任课教师向学生解读专业培养方案，包括培养目标、毕业要求和课程体系结构，重点阐述物联网工程专业的课程体系，让学生明白各课程之间的支撑关系及要重点掌握的核心课程，并对学生的学习规划及发展方向进行引导和建议。专业认识实践课程通过结合企业工程案例，使学生接触社会，考察企业人才结构的现状和社会对本专业人才的需求情况，认识和了解产品研发过程，了解本专业的形成和发展过程、专业内涵和应用状况及其发展趋势。图4为专业持续改进的信息交流和反馈机制。

实施效果

通过近三年实践教学改革和实施，笔者所在学院物联网工程专业学生的工程实践能力和创新能力明显提高，尤其在学科竞赛获奖、创新创业项目、升学率、就业率等方面均有较大提高。这说明，基于OBE理念的实践教学体系建设有利于培养学生扎实的物联网工程专业基础理论知识和工程实践能力，较强的创新创业精神、团队协作意识和社会责任感。

参考文献：

[1]朱涛，王群，夏玲玲.基于OBE理念的智能物联实训项目教学设计[J].实验技术与管理，2022，39（10）：168-171+184.

[2]肖尧，王娇琳，刘胜蓝，等.工程认证下计算机类实践课程的BOPPPSI教学模型设计与实践[J].计算机教育，2023（08）：166-171.

基金项目：常州工学院教学改革重点项目“基于OBE理念的物联网工程专业教学体系创新模式研究（jgkt2022-8）”；教育部供需对接就业育人项目“新工科背景下无线传感网络课程教学改革研究（20220102602）”。