項目流程輔助的物聯網課程教學改革實踐與探討

［摘 要］ 新工科建設背景下，物聯網課程教學對工程創新設計提出了新要求，更加注重學科實用性與融合應用。傳統教學模式只關注學生對單個知識點的理解，按既定的教學大綱對每個知識點進行“灌輸式”教學，作業也僅針對孤立的知識點進行強化訓練，對物聯網專業的強應用性關注不足，未能按照新工科專業的需要從系統層面培養學生的工程實踐能力。提出基于工程項目流程的教學改革方法，參照先進工程項目流程，提煉流程中促進創新的方法，設計對應的教學模式，讓學生在學習過程中培養概念思維，啟發和激勵其創新創造能力，通過嘗試該模式，教學滿意度得到提升。

［關鍵詞］ 教學改革；物聯網課程；項目流程輔助

［作者簡介］ 周發升（1974—），男，海南三亞人，博士，廣州大學電子與通信工程學院副教授，主要從事物聯網技術研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2025）07-0073-04 ［收稿日期］ 2024-01-10

一、物聯網課程基本情況

物聯網工程專業屬于新型信息技術專業，許多核心課程如“信號與系統”等都具有強應用性，這些課程體系內容與實際產品研發具有強相關性，覆蓋了從概念到系統、從系統到構件、從構件到接口、從接口到協議，以及從協議到互聯等產品研發流程各個環節領域的知識內容。課程體系內容與工程領域創新培育強相關，教學目的往往要考慮對整體知識的融合施教，通過整合工程應用與知識關聯性和系統思維的學習方法來提高學生的創新創造能力。新型信息技術工程領域的創新往往要求對系統架構和接口有深入理解，對成本和需求進行有效剖析，總體來說，目前教學方法缺乏這方面的培育，導致學生創新能力不足。這種負面影響筆者在以往教學過程中已有深刻感觸，比如在“信號與系統”課程教學中，在學習和解決簡單應用問題時，學生往往表現出更高的積極性，解答較好，而在面對綜合題目時卻無從下手，大多不愿意討論綜合問題。在實踐課程的教學過程中也觀察到類似現象。同樣以“信號與系統”課程為例，在綜合型設計實驗中，學生更愿意挑選功能單一的設計任務，并且大多不愿意思考新方法，熱衷于照搬已有方法；不關注需求、成本與設計的綜合權衡，只單一地關注局部問題，亦不關注系統與接口的關系，這種學習思維習慣可能會導致墨守成規、缺乏創新，不利于學生未來職業生涯的成長。

國內外高校物聯網專業的課堂教學也有提出結合實踐學習的改革方法，但主要圍繞實踐教學主題。比如，已有教學研究提出通過組合模塊實驗的方法來激發學生對嵌入式系統開發的興趣，以加深對物聯網專業知識的理解，提高實踐與系統設計能力［1］。通過軟件無線電設備搭建物聯網實驗平臺，包含實踐項目和創新項目兩部分，基于實驗平臺對物聯網技術實驗課程進行教學，有效激發學生參加學科競賽的興趣［2］。已有研究考慮情景化與個性化教學，提出基于元宇宙賦能的教學設想，并通過搭建游戲化的教學平臺來實施該設想，實施效果說明該方法可以有效提升實驗任務的完成效率，對教學質量也有顯著促進作用［3］。除此之外，根據不同生源的特點，構建基于工程思維的培養模式，實現多樣化教學評價的物聯網課程教學方法，也曾在職業院校教學中有過實踐，該方法更注重學徒式的教學模式［4］。已有教學改革實例針對傳統教學方法多元化實踐教學問題，以“物聯網工程規劃與設計”課程為例，對基于CDIO工程教育理念的實驗教學改革進行實踐［5］。同樣地，基于CDIO理念，已有教學研究針對物聯網通信技術課程，提出結合應用來整合教學內容，以實例及實驗為教學載體，在教學過程四個階段“構思、設計、實施、運行”提高學生參與積極性［6］。

國外也有高校嘗試通過教學改革方法來提升學生的創新能力，比如文獻［7］早前總結回顧了國際上在工科教學方面提升創新能力的系列教改方法，這些方法實際上是基于信息通信技術的教學應用。W. Sutopo［8］列舉了高校在提升工科教育創新方面所扮演的角色，提出創新培育的課程設計可與工業標準和商業標準結合起來，側重討論由商業需求所引導的創新能力培養。Minocha等［9］通過組織不同國籍學生參加學術實踐活動來提升創造能力，這種模式較適用于研究生階段的能力建設。

綜上所述，現階段物聯網專業基于項目實踐的主流教學改革方法，主要針對高職院校或應用型本科專業的學生，所提出的方法僅關注學生在單項技能或從操作維護層面考慮的工程能力培養，不符合綜合型大學物聯網工程專業的培養規格。

本文所介紹的“基于工程項目流程的教學模式”，是指教師將信息工程領域有效的項目流程作為參照標桿，通過提煉流程中的關鍵方法來促進教學培育的創新，進而設計相應的教學模式與檢查節點，在育人模式實施過程中有的放矢地進行教學引導，旨在引導學生挖掘和發現課程的知識內容，并積極理解。與傳統的教學模式不同，基于項目流程學習的教育模式可以讓學生通過學習具有成功經驗的產品研發流程，引導學生更深入地理解和掌控知識、培養概念思維，在此基礎上啟發和激勵其創新創造能力。“基于工程項目流程”教學模式更符合物聯網課程的應用特征，符合物聯網專業對工程實踐能力和創新能力培養的需求，與新工科專業培養思想一致。

二、項目式教育模式的探索與實踐

本文首先借鑒信息工程領域知名的產品集成開發（IPD）研發項目流程體系，根據其內在邏輯整合優化傳統教學內容，優化教學方法，提高教學的針對性，將所學所用與實際問題相關聯，以培養和提高學生的概念思維能力、協同分析能力和創新創造能力。

整合傳統教學內容。借鑒IPD五個階段及各階段技術評審點對創新的要求，從概念、系統到模塊知識的順序組織教學內容和教學進度。每個階段明確教學的輸入與輸出，當前階段的輸出一般為下一階段的輸入，輸入以任務書的方式呈現，輸出則以知識點自檢表的方式來查檢。在課件方面，參照教學進度與教學方法的改變進行調整。借鑒IPD，將教學課件的組織按照知識概念、知識系統、知識模塊及模塊的連接與功能的順序進行組織。

本教學方法針對所確定的關鍵概念和主題開發教材與教學模塊，學生在所開發的教材和模塊上，能通過自主引導和實踐開展學習，并構建框架式的知識結構。除此之外，本方法首先確定有效的輔助教學方法，使學生理解教學過程的要求并達成交付。在此基礎上，進一步開展問題分析，包括：如何評估學生參加課程所要求的能力基礎？教學內容分配所依照的標準是什么？各個教學模塊所設立的核心問題及如何引導學生在學習與實踐過程中針對這些問題的聚焦？如何確定完成課程學習所需要的檢索技能和實踐關鍵技能？在本環節，教學模塊的核心問題與新工科專業教學的核心內涵相聯系。這些問題具有引導性和激勵性，使之具備推動學生反復思考和學習的動力；這些問題還具有可討論性，使學生充分討論并通過開展質問和調查，得到問題的深度解答。問題的設置還應圍繞課程目標，兼顧不同觀點和不同討論角度。培養學生在思考和分析問題時的總結提煉能力，使其可以在原問題上提出新的問題。因此，本環節將注重針對復合問題構建方法的研究，同時注意問題的設立不偏離教學框架和教材標準。實施方案與實施方法如下。

1.構建與課程教學相關的工程項目訓練模塊及教案，整合傳統教學內容與進度優化，包括：（1）建立課程內容和目標。在理論與實踐課程內容設計上，將結合物聯網工程專業特點，通過學習需求分解的方法，培育學生對知識點的分析能力，鑒別那些“必須有”“最好有”“可有可無”的需求，培養學生對知識體系的理解能力。（2）課程學習范圍及評估方法的規劃。本環節將分析研究如何參照IPD將知識模塊按教學階段分解，確定不同項目階段的輸入輸出標準。針對每個階段所對應的學習目標和知識點，確定不同階段的教學實踐安排，有的放矢地提高學生對不同知識點的貫通和應用能力。課程設計測試維度和標準，都在此進行細化。（3）試驗教學的格式化與標準化。基于項目流程學習的教育模式與傳統教學不同，其試驗和實踐手段并不是一成不變的，而是針對不同的學生背景、需求和興趣所設立。因此，本環節進行了學生能力特點和準備度的測評，并根據測評結果進行學習分組。

教學內容的整合參考IPD項目流程開展，過程管理也借鑒IPD。IPD項目流程包含需求分析、產品設計、產品研發、產品中試、產品生產、小規模應用、大規模應用、品類管理周期等關鍵階段。針對創新創造能力的教學，筆者主要關注需求分析、產品研發、產品中試這幾個環節，并結合這些環節的功能進行課程的教學內容整合與教學進度優化。綜合考慮物聯網技術課程的教學特點，本教學方法參照IPD流程的需求分析、系統設計、組件聯調與中試、問題反饋與關閉等流程環節的要求開展教學內容整合與改革實踐。從系統層面融合IPD流程各環節的功能，進行教學系統層面設計，然后將教學目標分解，構建與課程相對應的教案和訓練模塊。

2.設計閉環的教學過程。根據學生準備度進行分組，以適應項目教學模式的要求。分組將按學生準備度進行，準備度從1到4級，級別越高說明該學生能力越強。準備度級別從知識儲備和學習意愿兩個維度來測評，具體定義見表1。

學生的分組將隨機包含能力等級從1至4的學生，一般可選擇準備度為3或4的學生擔任學習組長，負責該組學習任務的總體引導，每個組中包含準備度不同梯隊的成員，賦予不同角色（對應IPD流程中系統工程師、工程師、質量專員等），學生根據不同角色對教學內容進行學習討論和互助。教學設計還圍繞“質問—思考”的循環周期進行。

在傳統教學內容和進度整合后，最小課程模塊的分解實際上是課程內容展開的主線，對于教學方法優化來說，教學班級在問題構造、問題分析、問題反饋、問題共享中所產生的學習動作，可對應IPD研發過程中的創新活動和行為查檢，因此要培養學生的自主學習能力，激發其學習興趣，每個問題思考要求相關的學習動作加以輔助完成。在教改實踐中，通過課前安排學生以小組的形式討論以上問題，以及實施相應的學習動作，課堂則結合教材與課件進行剖析討論，讓學生清楚知識的來龍去脈，不僅培養學生解決綜合問題的能力，還使其厘清為什么要這么解決、怎么解決最優等。以這種方式進行教學模式改革，學生不僅可以學深學透，還可培養創新創造能力。在系統設計訓練環節，各組學生針對學習目標進行系統設計和組件分解，此時根據需求分解將包含多個知識組件，每個組件對應一個虛擬開發項目或一個知識點，實現從設計到開發的轉換。準確規劃教學方案，使學生深刻理解產品研發中的研（研究）發（開發）兩個工作理念的區別，對應專業課程知識系統的組成結構。

3.課堂練習與課后作業內容改革。根據系統架構對應的教學模塊布置課堂練習和課后作業，培養學生從學習需求分解到學習實現的系統設計思維能力。通過借鑒IPD，概念階段產生的任務書是經過學習需求分析的任務集。計劃階段實現系統設計和分解，根據所設計系統和構件對學生學習模式進行改革：分解學習內容、制訂學習周期計劃。這一階段須針對概念階段所產生的任務書進行功能包分解，然后按功能包進行構件拓撲和接口設計，使之成為一個系統。這部分要求有系統思維，一般挑選能力較強（準備度3～4級）的學生組成系統組來承擔。系統設計要求學生基礎好、理解掌握受訓知識、具有一定的創新能力。創新能力不同的學生，針對概念階段輸入的任務書將有不同的系統設計結果。未經訓練的學生設計往往不能實現任務，或者復雜度較高，經過創新培育的學生則有可能通過簡單的連接完成復雜任務。同理，后面每個階段和評測點都蘊含對學生創新能力的引導和培養。

結語

物聯網專業與課程特點要求對整體知識的融合施教，本文提出一種教學內容項目化的教學方法，旨在通過教學過程理論與實踐一體化、任務化，解決理論與實踐分離、工程能力培養不足的教學問題。通過借鑒有效的產品項目研發流程，對物聯網專業課程進行了教學改革嘗試。針對物聯網專業的強應用性，將流程各階段點的創新要求映射到教學模塊，優化教學內容的組織和教學主線，并在主線上對應流程不同階段的學習目標、知識點要求，明確不同教學需求和輸入輸出，設立過程評測點，建立學生能力矩陣，在系統層面貫通學生對不同知識點的理解，從而提高學生的工程實踐能力。筆者采用該方法在多個教學班進行了嘗試，教學滿意度均獲得提升。

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Practice and Discussion on Teaching Reform of Internet of Things Assisted by Project Process

ZHOU Fa-sheng

（School of Electronics and Communication Engineering， Guangzhou University， Guangzhou， Guangdong 510006， China）

Abstract： In the context of emerging engineering education， the teaching of Internet of Things is having new demands on engineering innovation design， which emphasizes more on the practice and application. The traditional teaching model only focuses on students’ understanding of a single knowledge point. Moreover， the homework arranged to students only provides intensive training for isolated knowledge points. Less attention is paid to the particular attribution of the strong application of the Internet of Things. This in turn fails to cultivate the capabilities of engineering practice from the system level according to the needs of emerging engineering education. This article proposes a teaching reform based on the process of successful engineering project， referring to the efficient engineering projects， refining teaching approaches of promoting innovation from the process， and designing corresponding teaching models to allow students to establish conceptual thinking and inspire their creative abilities. The teaching attempts have achieved apparent results， and the teaching satisfaction has been improved.

Key words： teaching reform; Internet of Things; project process assistance