基于OBE理念的物联网工程设计与实施课程建设研究

刘保罗，聂雅琳，李 晨

（洛阳理工学院，河南 洛阳 471000）

0 引 言

随着2018年9月教育大会的召开，高校本科教育得到了前所未有的重视，对《工程教育认证标准》进行修订，明确提出培养具有创新创业意识、数字化思维和跨界整合能力的“新工科”人才。在“新工科”背景下，提出基于OBE（Outcome-Based Education, OBE）理念，建设以学生为主体的课程体系，引领应用型人才的培养方向，推动教育教学进一步改革，最终实现培养高质量人才的目标[1]。为了建设物联网工程设计与实施应用型课程，按照专业工程认证要求，针对现有教学所存在的问题，基于OBE理念，对课程的教学模式、评价体系进行探索和研究。

1 OBE的概念及课程建设目标

成果导向教育（OBE）教学理念兴起于20世纪八九十年代的美国，其核心是以培养学生的能力为目标导向进行各项教学活动，也称为成果导向教育或目标导向教育[1]。在OBE理念中，教学设计和实施的目标是学生最终取得的学习成果（Learning Outcome）。从教学培养目标出发，设计、实施和评价教学活动，同时以学生最终达到的学习成果来反馈并改进教学设计与教学实施[1-4]。根据《工程教育认证标准》要求以及OBE理念下的课程建设目标，关注目标、需求、过程、评价和改进5个关键因素，明确课程在知识、能力和素质三方面的培养目标与需求，以培养目标设计教学过程、评价和改进，使学生达到既定的技能水平[1-4]。

2 现有教学模式存在的问题

物联网工程设计与实施是物联网工程的核心专业课，是按照工程实施方法论讲述物联网工程设计与实施的主要问题，使学生了解和掌握物联网工程的设计要求、设计方法、工程实施过程及要求。从教学内容上看，课程涉及通信技术、单片机技术、嵌入式技术、传感器技术等，知识面较广，是物联网工程专业的综合课程。面向物联网工程的设计、开发与实施，其实践性强、综合性强，要求学生具备系统分析、开发能力和物联网工程项目的管理、实施能力[5]。

目前，我院物联网工程设计与实施课程设置为理论教学+实验（64学时）和课程设计（2周）实训环节。这种教学模式存在以下问题：

（1）重视理论知识的讲授，与本课程的能力培养要求存在差距。现有教学模式重视课堂理论教学，其以教师“教”为主，强调教授内容和教授方法；学生学习过程是上课听讲，课后完成作业，最终达到考试要求。这种接受性思维学习难以培养学生自主学习能力。课堂信息输入量有限，作业及考试注重考察知识细节，缺乏知识的应用能力培养与考核。实验和课程设计作为课程的实践环节，其题目根据教学内容来设计，教学内容受限于课堂讲授。因此，实验多以验证性问题为主，课程设计所涉及的难度和广度与实际工程课题有差距，对学生创新能力、解决问题的能力达不到应有的培养要求。

（2）教学考核与评价单一，缺乏形成性评价。现有教学成绩评定包括平时成绩、考试成绩和实验成绩，评定公式为：最终成绩＝平时成绩×20%+实验成绩×20%+考试成绩×60%。式中给出的各项比重为通用关系，考试成绩为期末试卷成绩。这种方式虽然在考核时考虑了平时成绩和实验成绩，但以考试成绩考核为主。考试为统一命题试卷，每个学生考核标准统一，为所有学生预设一般性的学习标准，注重横向比较。因此，统一标准的考核难以针对每个学生给出形成性评价。

（3）课程的教学内容和培养目标与经济社会发展需求存在一定的脱节。由于物联网应用技术是一个新兴专业，科技发展迅速，课堂中所使用的案例多来自课本，缺乏真实场景、行业项目与工程案例，课堂的教学与社会需求存在一定差距。

3 基于OBE理念的课程改革

3.1 依照工程教育专业认证标准修订课程教学大纲，明确课程培养目标

依据OBE理念，笔者根据工程认证版的培养方案及毕业要求，重新制定教学大纲，明确课程教学目标应支撑的毕业要求，提出以培养学生能力为导向，针对现有课程教学存在的问题，转变教学理念，改变教学模式。

根据物联网工程专业的培养目标和毕业要求，确定课程在专业培养的支撑点，明确本课程的教学目标是：

（1）熟悉物联网工程系统设计的相关知识、实施以及管理的基本流程和方法，掌握物联网工程设计方法、实施和管理流程。

（2）能够综合运用所学软硬件知识进行物联网工程系统的分析、设计、开发和实施。

（3）培养学生分析问题能力、实践创新能力，使学生具有工程意识、团队协作意识、质量意识和市场经济意识。

3.2 以培养学生能力为导向，转变教学理念，改变教学模式

针对现有的以“教”为中心教学模式存在的问题，结合本课程培养要求，转变教学理念，改变教学模式，具体采用以下改进措施：

（1）采用翻转课堂教学模式，学生通过课程教学视频、课件、作业主动完成学习。翻转课堂以学生“学”为中心，改变传统课堂的以教师“教授”为主的方式，强调学生学习的自主性[6-8]。翻转课堂设计为课下和课堂两部分。使用“学习通”信息化教学平台，给学生提供丰富的教学视频、课件、数据手册等教学资源，课前学生在线自主完成学习。课堂的教学任务是组织小组讨论、互助答疑及教师答疑等环节来解决学生在学习过程中遇到的问题。课堂答疑设置为两部分，一部分是理论知识的答疑，以提问的形式检查学生理论知识是否掌握和理解；另一部分是理论提升答疑，从小节到各章节，以及与其他学科的角度，设置一些综合性问题，启发学生思维，引导学生深入学习。使用小组讨论的方式可以根据问题开展头脑风暴活动，启发学生的发散思维，以及思考问题的多种解决方式。

（2）理论教学与工程教学并重。本课程从能力培养出发，强调工程教学，提出理论教学与工程教学并重，理论教学服务于工程应用。工程教学体现在实践、实训之中，以开放性作业和小项目课题形式穿插于整个教学之中，增加课程深度与广度，减少理论性、验证性作业。开放性作业和小项目课题作业没有固定答案，避免学生固定式思维去寻找标准答案，培养学生分析问题与解决问题的能力。从现实工程项目中设计开放性作业和小项目课题，在解决实际问题中促进学生探索理论知识，并直接将理论知识应用于实际问题的解决中，从而训练了学生的自主学习能力、动手能力和工程实践能力，提高学生学习兴趣。

（3）建构阶梯式的教学模式。根据布鲁姆教育理论，知识可分为事实性、概念性、程序性、元认知四个维度，认知过程可分为记忆、理解、应用、分析、评价、创造六个维度[9]。根据由简单到复杂、由浅到深的认知层次，构建金字塔式的课程教学目标，如图1所示。课程教学目标划分为三个递进式目标：初级目标、中级目标和高级目标。结合本课程，初级目标是：理解物联网工程系统设计的相关理论知识，初步掌握工程实施的基本流程与方法；中级目标是：掌握物联网工程设计方法、实施和管理要素及流程，能够进行物联网工程系统的分析、应用、管理和实施；高级目标是：综合运用所学软硬件知识进行物联网工程设计方案的评价、设计、开发和改进。

图1 金字塔式课程教学目标

依照金字塔式的教学目标，课题组完善了信息化课程教学平台，明确了教学各环节、各单元的教学目标及知识、能力培养的层次，并依据三个层次设置阶梯式的模块化教学单元，设计阶梯式的学习任务、学习内容和测试单元，使学生在自主学习时，明确自已在教学目标中处于哪个层次，以及进一步训练的方向，从而实现学生个体化的分层教学。

3.3 设计梯形评价体系，客观评价学生学习成果

构建科学的教学评价体系有助于准确掌握学生的学习状态，OBE的教学评价标准是梯次的、进程式的、高度期许的形成性评价[1]。

基于这一理念，课题组按照金字塔式的教学目标，设计梯形的训练与测试。对每一阶段给予不同的评定等级，并记录每个学生的进程式评价的过程和效果，达成形成性评价。在实施中，针对每一教学单元按照三级教学目标设计作业库、试卷库。结合线上线下混合教学模式，针对初级目标和中级目标评价，设计线上习题库，给学生提供足够的分等级、分章节练习与测试，使学生实现自我考核。针对中级目标和高级目标评价，设计开放课题和项目实践等环节，根据教学能力要求，按照难易程度设计分模块、分等级的训练。这种梯形评价体系实现了学生学习成果及能力的客观评价，客观检测学生三级教学目标的达成度。

在具体实施过程中，辅以讨论课进行答疑、启发和引导，实现以学生“做”为重点，培养学生的动手实践能力、分析设计能力及创新能力。梯形的测评系统能够给出学生的进程式评价，充分调动学生学习知识的自主性。

3.4 开展校企合作创新人才培养模式

基于OBE 理念，校企合作是应用技术型人才培养模式创新的关键环节[10]。物联网工程设计与实施课程具有实践性强、综合性强、工程性强的特点，密切的校企合作可以使师生接触行业中的真实案例，了解行业需求，避免教学培养目标与社会需求脱节。

我院以多种角度开展校企合作。专业教师到企业中参观、培训、挂职锻炼，学习企业的先进技术、管理理念，了解市场需求；密切联系地方企业，与地方企业建立教学合作单位，成立教学实训基地，并开展多项物联网横向项目服务于地方企业。

目前本课题组与武汉中智讯、郑州信盈达等软件公司进行密切合作，与企业一起制定教学计划，并在实施过程中不断完善、调整授课内容，例如：新版授课计划中，在原有的采集层、通信层设计基础上，增加云端APP层设计、人脸识别等AI设计内容，使得教学具有高阶性和创新性，紧随市场行业需求。此外开设校企合作课程，零距离接触企业的实际工程项目。对接企业实际需求，有针对性地培养物联网工程高质量应用人才。

4 结 语

按照成果导向教育（OBE）理念，结合物联网工程设计与实施课程特点以及我院的教学情况，从“依据工程标准，明确课程培养目标”“转变教学理念，改变教学模式”“客观准确评价学生学习成果”“校企合作”四个方面进行了课程教学探索和改进。以成果为导向的教学模式应用，注重学生的工程实践能力的培养，提高了学生学习的主动性、积极性，也提高了教学目标的达成度。