面向OBE 的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例庫建設(shè)研究

殷 俊，施衛(wèi)娟，胡夏蕓，李 鑫，仇晨曄，胡 楓

（1.南京郵電大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)學(xué)院，江蘇 南京 210003；2.金陵科技學(xué)院 軟件工程學(xué)院 江蘇 南京 211169）

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)工程是一門實(shí)踐性極強(qiáng)的計(jì)算機(jī)工程類學(xué)科，因此如何在教學(xué)設(shè)計(jì)中增強(qiáng)學(xué)生的動手實(shí)踐能力是新工科背景下人才培養(yǎng)的關(guān)鍵。案例教學(xué)法通過引入生產(chǎn)實(shí)踐的具體案例，啟發(fā)引導(dǎo)學(xué)生參與實(shí)際工程問題的思考分析實(shí)踐，是一種激發(fā)學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)學(xué)生綜合實(shí)踐能力的高效教學(xué)方法[1]。目前，案例教學(xué)法及其依托的案例庫建設(shè)已作為一個核心內(nèi)容納入許多國外高校的專業(yè)課程建設(shè)。例如作為高等教育的先行者，哈佛大學(xué)商學(xué)院最早于1921 年就成立了案例開發(fā)中心，從最初的案例甄選，到案例鏈的形成，再到案例群族的管理，最后才形成了舉世聞名的哈佛案例庫[2]。落腳到物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)，目前國內(nèi)高校在部分課程教學(xué)上采用案例教學(xué)法，例如武漢大學(xué)在課程建設(shè)過程中，結(jié)合教學(xué)過程和物聯(lián)網(wǎng)課程群特點(diǎn)設(shè)計(jì)了一系列案例構(gòu)建與實(shí)施措施[3]，著力提高學(xué)生的實(shí)踐能力，但這些碎片化的案例尚未形成整體，待建立一套完整而規(guī)范的課程教學(xué)案例庫。從整體來看，囿于專業(yè)較新、經(jīng)驗(yàn)積累、資金和人員等多方面因素，物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的案例庫建設(shè)和教學(xué)還處于起步的階段。

與此同時，考慮到物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)是高素質(zhì)工程技術(shù)人才，其培養(yǎng)體系理應(yīng)符合工程教育專業(yè)認(rèn)證的成果導(dǎo)向教育（OBE）理念要求。OBE 要求學(xué)生實(shí)踐過程中能夠充分發(fā)揮其主觀能動性，強(qiáng)調(diào)學(xué)生的綜合能力培養(yǎng)目標(biāo)達(dá)成度，并能夠持續(xù)迭代改進(jìn)實(shí)踐教學(xué)效果，達(dá)到技能與知識、方法與過程的統(tǒng)一。盡管當(dāng)前已有部分高校開展了OBE 教學(xué)模式下的單科課程或課程群的教學(xué)改革研究與實(shí)踐[4-5]，但對OBE 模式下實(shí)踐課程案例庫建設(shè)的研究較少。為了滿足新工科背景下工程人才實(shí)踐教學(xué)需要，迫切需要研究一套案例庫建設(shè)方法。

1 存在的共性問題

1）案例碎片化，課程間缺乏聯(lián)動。

由于各校的物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)均在2010 年教育部下達(dá)申報(bào)通知后陸續(xù)開設(shè)，專業(yè)較新、可借鑒經(jīng)驗(yàn)匱乏，初期建設(shè)實(shí)驗(yàn)案例內(nèi)容時，只能按照具體課程的需要獨(dú)立設(shè)計(jì)，未能兼顧課程群內(nèi)的知識關(guān)聯(lián)性，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)案例資源的碎片化明顯。例如，我校開展的RFID 原理與應(yīng)用的課內(nèi)實(shí)驗(yàn)相關(guān)案例資源均建立在PC 端VS2010 開發(fā)環(huán)境上，由于硬件接口及軟件API緣故無法直接應(yīng)用到物聯(lián)網(wǎng)嵌入式系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)課程。

2）物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)更新迅速，實(shí)驗(yàn)案例缺乏適應(yīng)性。

物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)發(fā)展日新月異，相關(guān)技術(shù)類課程內(nèi)容更新、升級頻繁，而部分已開設(shè)的實(shí)驗(yàn)案例內(nèi)容因?yàn)檐浻布崆芭渲玫纫蛩兀瑹o法及時升級改造，造成教學(xué)與實(shí)踐的脫節(jié)。例如，一些高校開設(shè)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)采用的依然是工作在TinyOS 系統(tǒng)上的Zigbee 開發(fā)板[3]，原因可能是建立實(shí)驗(yàn)室時z-stack 協(xié)議棧剛剛興起，國內(nèi)的教學(xué)器材供應(yīng)商還不能提供基于該協(xié)議的設(shè)備，非標(biāo)定制研發(fā)又無足夠的人力、財(cái)力資源，最終只能招標(biāo)選用基于Tiny OS 系統(tǒng)的開發(fā)板。實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，盡管Tiny OS 系統(tǒng)已經(jīng)被淘汰，但是學(xué)生為了上手實(shí)驗(yàn)還是需要花費(fèi)大量時間提前學(xué)習(xí)該系統(tǒng)復(fù)雜的源碼，時間成本過高，也掣肘了該實(shí)驗(yàn)資源向外專業(yè)學(xué)生開放。

3）優(yōu)質(zhì)案例資源供應(yīng)不足，未實(shí)現(xiàn)案例持續(xù)改進(jìn)。

物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實(shí)驗(yàn)隸屬嵌入式應(yīng)用范疇，實(shí)驗(yàn)牽涉的軟硬件龐雜，大多數(shù)案例是課程建立時一次性確立，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)教學(xué)中優(yōu)質(zhì)的、實(shí)時性高的資源不足，未能持續(xù)迭代更新。

此外，案例庫建設(shè)還存在以計(jì)劃內(nèi)實(shí)驗(yàn)為主，計(jì)劃外開放資源不足，不利于設(shè)備使用績效提升等情況。盡管建立一套完整而規(guī)范的物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實(shí)踐課程教學(xué)案例庫面臨以上諸多問題，但從培養(yǎng)高質(zhì)量的物聯(lián)網(wǎng)工程應(yīng)用人才角度出發(fā)，迫切需要研究如何建設(shè)一套完整的、綜合的案例庫，以推進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)工程的課程理論與實(shí)際相結(jié)合，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量。

2 案例庫建設(shè)整體思路

為了構(gòu)建基于OBE 理念的物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)課程案例庫，實(shí)現(xiàn)專業(yè)課程系列案例的價(jià)值“最大化”，首先需要建立滿足創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力培養(yǎng)需求的新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，不能簡單地做加減法，例如增加一些創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育課程、實(shí)踐育人環(huán)節(jié)和創(chuàng)業(yè)平臺，或減少一些課程、教學(xué)環(huán)節(jié)，甚至盲目鼓勵學(xué)生脫離專業(yè)學(xué)習(xí)，過早介入創(chuàng)業(yè)實(shí)踐等。其次，應(yīng)該根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)人才培養(yǎng)規(guī)律，以課群為核心，將OBE 等新型教學(xué)理念與傳統(tǒng)的教學(xué)流程相融合，建立完整覆蓋物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的各種實(shí)驗(yàn)類型與教學(xué)環(huán)節(jié)。還需要在此基礎(chǔ)上，研究建立案例教學(xué)過程質(zhì)量監(jiān)控機(jī)制，維護(hù)好案例庫，實(shí)現(xiàn)OBE 良性迭代促進(jìn)閉環(huán)，整體思路及三者的關(guān)聯(lián)見圖1。

圖1 面向OBE 的物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)案例庫建設(shè)整體思路

1）基于OBE 優(yōu)化物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)體系。

案例庫中的課程體系應(yīng)當(dāng)以學(xué)生為中心、以能力培養(yǎng)為基礎(chǔ)開展實(shí)踐課程內(nèi)容，綜合總結(jié)實(shí)踐教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，對市場做出充分調(diào)研，避免出現(xiàn)理論依據(jù)匱乏，課程案例之間無關(guān)聯(lián)性，防止課程知識體系對應(yīng)培養(yǎng)目標(biāo)的模糊化，與學(xué)生能力培養(yǎng)脫節(jié)的情況。與此同時，應(yīng)該將OBE 理念融入實(shí)踐課程體系構(gòu)建，在已有實(shí)踐課程群基礎(chǔ)上，通過培養(yǎng)目標(biāo)能力逆向設(shè)計(jì)各實(shí)踐課程，形成課程知識——課程目標(biāo)的對應(yīng)體系，探索構(gòu)建符合新工程人才培養(yǎng)要求，具有一定培養(yǎng)特色的物聯(lián)網(wǎng)工程實(shí)踐課程知識體系。

2）建設(shè)模塊化、多樣化和規(guī)范化的實(shí)踐教學(xué)案例庫資源。

物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實(shí)踐課程門數(shù)多，實(shí)踐性和工程性很強(qiáng)，案例教學(xué)必不可少。實(shí)踐中，大部分高校對于實(shí)踐教學(xué)中案例資源的應(yīng)用沒有按照系列課程統(tǒng)一規(guī)劃，案例庫分散建設(shè)、各自為政，導(dǎo)致案例碎片化嚴(yán)重，案例庫資源缺乏統(tǒng)一格式和管理規(guī)范，不利于學(xué)生學(xué)習(xí)，也不利于案例庫管理。解決途徑是，應(yīng)該將各課程能力目標(biāo)培養(yǎng)融入案例庫資源建設(shè)，整合課程體系案例資源結(jié)構(gòu)，這樣既可以體現(xiàn)實(shí)踐課程案例庫資源的多樣性、整體性和關(guān)聯(lián)性，又可以根據(jù)實(shí)踐教學(xué)的預(yù)期成果進(jìn)行案例構(gòu)建，保證實(shí)踐教學(xué)能力目標(biāo)的達(dá)成。

3）采用科學(xué)、合理的案例庫實(shí)施效果評價(jià)與持續(xù)改進(jìn)方法。

實(shí)踐教學(xué)案例庫的建設(shè)目前還處于探索階段，應(yīng)用實(shí)施效果需要驗(yàn)證，但目前大多實(shí)踐教學(xué)案例庫在構(gòu)建初期并未考慮怎樣評估教學(xué)效果，無法確定其可行性與有效性。采用OBE教學(xué)理念后，不是從教師“教得怎么樣”出發(fā)，而是通過學(xué)生“學(xué)得怎么樣”來評價(jià)，根據(jù)課程目標(biāo)分解出的學(xué)生預(yù)期學(xué)習(xí)成果，將案例考核、教師評價(jià)、學(xué)生互評相結(jié)合，構(gòu)建有效考核機(jī)制，從而提升實(shí)踐教學(xué)案例庫應(yīng)用的建設(shè)效果。

3 具體實(shí)施方案

1）構(gòu)建科學(xué)的實(shí)踐教學(xué)案例庫課程知識體系。

構(gòu)建實(shí)踐教學(xué)案例庫體系的首要目標(biāo)是明確案例庫的課程內(nèi)容，這就需要根據(jù)專業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃細(xì)化實(shí)踐教學(xué)的具體目標(biāo)；然后，根據(jù)目標(biāo)要求的能力逆向回溯設(shè)計(jì)各門實(shí)踐課程；最后，根據(jù)OBE 的要求，確立各課程對能力值的貢獻(xiàn)度，并形成可評價(jià)的能力指標(biāo)點(diǎn)。最終將學(xué)生的能力培養(yǎng)量化，形成各課程目標(biāo)與人才能力培養(yǎng)的對應(yīng)矩陣。圍繞優(yōu)化后的實(shí)踐教學(xué)案例庫系列課程，還可以同理依據(jù)課程具體能力要求指標(biāo)點(diǎn)逆向設(shè)計(jì)教學(xué)案例與知識點(diǎn)內(nèi)容，為案例庫的案例資源提供依據(jù)。

2）建立符合OBE 理念的物聯(lián)網(wǎng)人才培養(yǎng)實(shí)踐教學(xué)案例庫。

這是案例庫建設(shè)的關(guān)鍵內(nèi)容，也是重點(diǎn)難點(diǎn)內(nèi)容，涉及以下方面。

（1）案例的設(shè)計(jì)與選取。案例的設(shè)計(jì)需要面向課程目標(biāo)，既要有覆蓋具體知識點(diǎn)的基礎(chǔ)案例，又要有體現(xiàn)系統(tǒng)工程化要求的綜合型應(yīng)用案例。同時在維度、粒度和內(nèi)容上精心設(shè)計(jì)，相互銜接，體現(xiàn)課程內(nèi)容的關(guān)聯(lián)性，大小適中，適合單個教學(xué)模塊的教學(xué)需求。案例的選取還需要以代表學(xué)生學(xué)習(xí)成果的能力目標(biāo)為導(dǎo)向，來源于實(shí)際工程項(xiàng)目，或?qū)嵺`課程的教學(xué)，或企業(yè)實(shí)訓(xùn)。案例庫的案例內(nèi)容兼顧課程群知識點(diǎn)的共性銜接，以及所處階段、應(yīng)用場景、課程目標(biāo)的不同，要能支撐對應(yīng)畢業(yè)要求能力的達(dá)成。最終選取出一批具有代表性的能突出學(xué)生能力目標(biāo)要求的素材，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行加工提煉和補(bǔ)充開發(fā)，最終構(gòu)建滿足實(shí)踐教學(xué)要求的系列課程案例庫。

（2）案例庫規(guī)范化、模塊化設(shè)計(jì)。物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)多門實(shí)踐課程教學(xué)需要多樣化的案例，適用于不同的場景，映射出體現(xiàn)不同課程目標(biāo)的各種知識點(diǎn)。模塊化的實(shí)驗(yàn)案例單元可以較好地解決不同硬件平臺間因協(xié)議或標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一而產(chǎn)生的通用性問題，由其構(gòu)成的實(shí)驗(yàn)案例資源庫也因此具有較好的通用性。同時，行業(yè)相關(guān)技術(shù)更新迭代后，所對應(yīng)的案例資源也易于根據(jù)技術(shù)更新方向進(jìn)行改造升級。為了規(guī)范這些案例，需提取其公共要素，定義案例庫規(guī)范化設(shè)計(jì)的基本元素，構(gòu)建案例庫基本元素，見圖2。

圖2 案例庫基本元素示例

其中案例庫規(guī)范化設(shè)計(jì)基本元素中的“案例表現(xiàn)形式”可將案例設(shè)置為文檔、代碼框架、原型系統(tǒng)等。如在物聯(lián)網(wǎng)嵌入式軟件設(shè)計(jì)課程中，一個可行的案例是為學(xué)生搭建的一個OpenFrame框架，學(xué)生可從半成品框架中學(xué)習(xí)相應(yīng)開發(fā)技術(shù)，然后融入完善形成自己的解決方案。該案例對應(yīng)的畢業(yè)要求為掌握程序設(shè)計(jì)理論與方法，具備軟件開發(fā)技能；具體的目標(biāo)能力要求為初步具有使用清晰、規(guī)范語言描述軟件系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)過程的能力。

（3）案例教學(xué)設(shè)計(jì)。案例、學(xué)生和教師構(gòu)成了案例教學(xué)系統(tǒng)的三要素，案例始終貫穿其中，學(xué)生是學(xué)習(xí)的主體，教師擔(dān)任設(shè)計(jì)者、組織者、引導(dǎo)員和評論員的角色。案例教學(xué)過程見圖3，首先需要為學(xué)生營造一個自主的學(xué)習(xí)環(huán)境，通過創(chuàng)設(shè)有助于學(xué)生對所學(xué)內(nèi)容進(jìn)行意義建構(gòu)的案例“情境”，由教師輔助和引導(dǎo)，以學(xué)生為主體進(jìn)行資料搜集、分析驗(yàn)證、反饋評價(jià)等教師和學(xué)生、學(xué)生和學(xué)生之間的“協(xié)作”學(xué)習(xí)，通過平等的“交流”和討論，幫助學(xué)生基于原有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)建構(gòu)出有關(guān)知識的意義，實(shí)現(xiàn)知識結(jié)構(gòu)的更新。

圖3 案例教學(xué)設(shè)計(jì)過程

3）形成案例教學(xué)過程質(zhì)量監(jiān)控與反饋調(diào)節(jié)機(jī)制。

案例庫建設(shè)包含的課程多、涉及面廣，案例庫建設(shè)另一難點(diǎn)在于實(shí)踐過程，即如何在現(xiàn)有的課程教學(xué)大綱框架內(nèi)，開展合理的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式和教學(xué)評價(jià)措施。OBE 教學(xué)理念主張“教得怎么樣”要通過“學(xué)得怎么樣”評價(jià)。因此，需要根據(jù)從課程教學(xué)目標(biāo)分解出的學(xué)生預(yù)期學(xué)習(xí)成果，考核評價(jià)課題建設(shè)的案例，考核方式可以包括學(xué)生個人自主學(xué)習(xí)考核、課堂學(xué)習(xí)考核、案例學(xué)習(xí)成果考核以及最終測試考核，實(shí)現(xiàn)個人考核與團(tuán)隊(duì)考核結(jié)合、過程考核與結(jié)果考核并重、知識考核與能力考核同行的立體化考核體系，評價(jià)方案框架見圖4。

圖4 案例教學(xué)考核評價(jià)方式

通過對各課程案例教學(xué)學(xué)習(xí)成果進(jìn)行過程性評價(jià)和總結(jié)性評價(jià)，包括教師評價(jià)、學(xué)生評價(jià)、學(xué)生互評、師生互評等。評價(jià)結(jié)果作為專業(yè)實(shí)踐教學(xué)持續(xù)改進(jìn)的一部分量化證據(jù)，建立案例庫教學(xué)評價(jià)后，關(guān)鍵在于如何實(shí)現(xiàn)反饋調(diào)節(jié)，這也是案例教學(xué)評價(jià)的根本目的，有益于對教學(xué)和案例的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過案例教學(xué)環(huán)節(jié)過程監(jiān)控和質(zhì)量評價(jià)促進(jìn)畢業(yè)要求的達(dá)成，最終實(shí)現(xiàn)以評促建，以評促教，以評促管，通過案例庫建設(shè)、教學(xué)實(shí)施與考評、統(tǒng)計(jì)與分析、反饋與改進(jìn)、完善與優(yōu)化形成了螺旋上升模型，見圖5。當(dāng)然在案例的考核和量化評價(jià)過程還需兼顧學(xué)校已有教學(xué)評價(jià)機(jī)制，在執(zhí)行過程中進(jìn)一步細(xì)化。

圖5 案例庫評價(jià)與反饋

4 結(jié)語

OBE 教育理念的實(shí)施對現(xiàn)有工程專業(yè)教育的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段和教學(xué)評價(jià)體系等提出了更高的要求。以O(shè)BE 導(dǎo)向構(gòu)建的物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)案例庫緊密了課程之間知識聯(lián)系，貫通了能力目標(biāo)的達(dá)成，以過程質(zhì)量監(jiān)控機(jī)制檢驗(yàn)了案例庫建設(shè)及案例教學(xué)的有效性，集中培養(yǎng)了學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，對提高物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量起到促進(jìn)作用；形成的研究成果能夠促進(jìn)實(shí)踐教學(xué)的持續(xù)改進(jìn)，更好地提升學(xué)生工程實(shí)踐能力和協(xié)作創(chuàng)新能力，使學(xué)生能夠獲得更多的就業(yè)機(jī)會。此外，融合OBE 理念制定實(shí)踐教學(xué)案例庫資源、組織案例教學(xué)，對促進(jìn)工程教育專業(yè)認(rèn)證的落地實(shí)施，起到積極的推動作用。