CDIO理念支持的初中物聯網工程教育實踐與探索
——以“心率監測、科學助跑”為例

祁小明 江蘇省江陰市教師發展中心

陸燕芳 江蘇省江陰市禮延實驗學校

●CDIO工程教育理念與物聯網教學的關聯

CDIO工程教育是由麻省理工學院聯合多所大學合作而建立的高校工程人才培養模式。CDIO是構思（Conceive）、設計（Design）、實現（Implement）和運作（Operate）的簡寫，代表了工程教育的四個環節。

《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》對“物聯網實踐和探索”模塊的學業要求是理解萬物互聯，設計并搭建簡易物聯系統，讀取并處理物聯網功能設備中的數據，適當反饋或控制，從而認識物聯網自主可控技術的重要作用。在國內，由于工程教育起步較晚，中小學基礎教育階段多以應試教育、會考方向為主，工程教育文化缺失，導致普通高中學生實踐操作和創新能力普遍偏低，學生對工程教育缺少正確的認知，因此，在物聯網教學中引入工程教育理念具有重要的意義。

首先，幫助學生理解并探索真實的生活世界。在物聯網探索活動中引入工程教育理念能夠有效提高學生的創新能力，并引導他們在實踐中不斷豐富自己的知識；能夠讓學生意識到自己也可以設計并改造周圍的物聯網應用，進而培養他們的工程意識。

其次，培養學生利用工程思維解決問題的能力。物聯網工程教育可以改變學生對真實生活世界的理解，改變他們對數字化生活知識結構的認知，并提高應用物聯網技術來解決問題的實踐能力。

最后，提高學生學習的自主性和責任感。物聯網工程教育使學生承擔更多的責任，他們能看到工作的潛在作用，意識到未來的可能性，改變他們對未來數字化時代可能的職業選擇。

●物聯網項目“心率監測、科學助跑”設計思路

在教學中，筆者嘗試將CDIO工程教育理念引入初中信息科技，并以“心率監測、科學助跑”作為研究項目，按照CDIO模式開展項目設計與實踐活動。

1.整合資源，確定主題

在展開物聯網工程教育的過程中，教師首先要結合學生的學習情況，有針對性地選擇與其生活相關的活動，激發學生的求知欲，從而促進他們對物聯網知識的掌握。結合全國每年出現的學生運動意外事故，筆者確定了“心率監測、科學助跑”工程教育主題。這是一個科學跑步的工程設計問題，能激發學生對心率數據深層次探究的動力。

例如，心率傳感器采用光電容積脈搏波描記法（Photo Plethysmo Graphy，PPG），通過測量血液中血紅蛋白隨心臟跳動而對氧氣吸收的變化量來測量人體心率參數。在項目前期，教師先引導學生討論心率傳感器，探討幫助人們解決生活問題的應用，接著拋出問題“心率傳感器可以獲取心率數據，我們能否嘗試應用在跑步中呢”，引出本次工程項目主題“心率監測、科學助跑”，從而引導學生從心率數據的感知、心率數據的獲取上分析，幫助學生理解物聯網三層邏輯結構—感知層、網絡層和應用層。

2.注重引導，有效構思

物聯網技術本身就具有很強的趣味性，但在開展物聯網工程教育過程中，應注重引導。教師可以按照優勢互補原則對學生進行分組，每組4人，合作探索。可穿戴心率監測器的構思、設計、制作、測試、應用過程涉及藝術、科學、數學、工程、體育等方面的知識，學生需要學習獲得相關學科知識和方法進行整體構思。而且，可穿戴心率監測器的設計，不僅需要考慮使用場景，還需要考慮成本、設備的舒適度、可佩戴性、防水性，甚至不同的人群對顏色外形等喜好差異等因素，因而對該項目的綜合實踐探究，有助于學生進行系統的思考、創造、合作與交流等。

例如，學生體驗教師制作的簡易心率監測器，觀察心率實時數據，并以小組為單位分析設備的運行流程，把項目進行分解。通過小組研究分析項目，確定需要實現的功能與需要的硬件設備，并在創趣物聯平臺對設備進行自主探究，了解模塊的設計原理和使用方法。

3.迭代設計，優化方案

迭代設計可以幫助學生了解設計過程的可變性，有助于學生理解在實際應用中設計過程的復雜性。學生通過不斷測試和優化，不斷更新設計，尋找更有效的方法來解決問題，最終獲得更好的結果。

例如，在心率數據的實時監測過程中，學生首先會認識物聯網模塊的功能，把心率檢測模塊、顯示屏模塊與主控進行連接，給物聯網主控寫入代碼，然后完成簡易的心率檢測器。但學生會發現，這樣設計只有佩戴者能查看數據，如果長跑時發生意外，心率數據卻不能實時在平臺呈現并發揮作用。由此，教師可以引出將應用層連接到物聯網平臺的迭代設計，并引出具體的步驟：連接Wi-Fi連接物聯網平臺（MQTT協議）實現心率數據上傳與實時監測。接著，學生設計方案采集心率數據，分析數據，再一次升級項目。迭代設計是工程教育中不可或缺的一部分，它可以幫助學生獲得更好的設計結果。

4.項目驅動，注重實踐

初中階段是培養學生動手能力的重要階段，教師要有意識地將理論知識與實際操作結合起來，提高學生的動手能力。CDIO工程教育是實踐性很強的人才培養模式，通過創設真實的工程環境，讓學生在解決實際問題的過程中培養工程師技能。

例如，“心率監測、科學助跑”項目可分為五個子項目展開：物聯網初探、心率數據的實時監測、心率數據的遠程監測、基于運動心率數據的科學決策、心率監測設備優化及個性化設計。在初步掌握物聯網相關知識后，小組完成心率數據的實時監測和作品搭建，學生通過LED屏可以看到心率數值。采用在線表格方式填寫運動前、運動后、運動后3分鐘的心率值。學生使用匯總的心率數值對數據進行分析，得到心率數據背后的信息。采用物聯網Wi-Fi模塊連接IOT平臺。對于物聯網Wi-Fi模塊的配網設置，筆者沒有采用講授法進行知識灌輸，而是引用學生熟悉的手機連接Wi-Fi進行知識遷移，引導學生繪制連接物聯網平臺的流程圖（如下頁圖）。在此基礎上完成物聯網平臺的子程序代碼，完成IOT平臺的連接，登錄物聯平臺完成設備的建立與數據顯示方式的設置。可見，以項目驅動方式開展物聯網工程教育，不僅可以幫助學生應用所學知識解決實際問題，還可以培養學生的工程實踐、團隊合作和問題解決等能力。

5.運行評估，創新評價

CDIO工程教育對學生能力的評價方式與傳統教育不同。課程實施中不僅要評價學生個人的學習經驗和能力，還要通過小組過程性評價促使學生與其他成員密切合作，協調各自的職責和任務，進行充分的溝通和交流，培養學生的團隊意識，增強與他人的互動能力。

例如，在“心率數據的遠程監測”項目實施過程中，學生要完成物聯網設備連接IOT平臺，整個過程包含三個子項目：連接Wi-Fi網絡、物聯網設備與IOT平臺連接、IOT平臺數據監測。操作環環相扣，如果不進行小組過程性評價，不僅無法全面反映學生在整個工程項目中的實際表現，而且也不能及時了解各組學生的完成情況。于是，筆者使用希沃的板中板功能，設計了過程性評價表格。小組成員自由選擇擅長的方向，按照不同職能進行固定分工，如組長、硬件搭建人、編程操作人和文案策劃人等。在組長的協調下，以合作為導向，成員相對獨立地完成方案設計、作品搭建、流程圖的繪制、程序的編寫與調試。第一個完成子項目的小組的組長，就可以拖動“蘋果”圖標到相應的子項目評價單元格，后續完成的小組的組長拖動“五角星”圖標到相應的子項目評價單元格。這樣，小組過程性評價不僅可以讓學生不斷反思、調整和改進解決問題的方式，還能夠幫助教師提供針對性的指導和支持。

●實踐反思

經過一段時間的實踐與探索，筆者發現只有少數學生能夠完成產品的多次迭代設計。因此，在項目探究中，可以把任務進行再次拆解，整體細化，降低難度，安排更多的時間留給學生思考、探究，或者可以根據不同的難度給小組提供不同的分層任務，實行彈性教學，挖掘每個小組的潛力和發展空間。總之，開展物聯網工程教育，要及時對學生的表現進行反饋，鼓勵學生不斷改進和提高，鼓勵學生之間進行互相幫助和協作，加強學生之間的聯系和個人發展。