项目流程辅助的物联网课程教学改革实践与探讨

［摘 要］ 新工科建设背景下，物联网课程教学对工程创新设计提出了新要求，更加注重学科实用性与融合应用。传统教学模式只关注学生对单个知识点的理解，按既定的教学大纲对每个知识点进行“灌输式”教学，作业也仅针对孤立的知识点进行强化训练，对物联网专业的强应用性关注不足，未能按照新工科专业的需要从系统层面培养学生的工程实践能力。提出基于工程项目流程的教学改革方法，参照先进工程项目流程，提炼流程中促进创新的方法，设计对应的教学模式，让学生在学习过程中培养概念思维，启发和激励其创新创造能力，通过尝试该模式，教学满意度得到提升。

［关键词］ 教学改革；物联网课程；项目流程辅助

［作者简介］ 周发升（1974—），男，海南三亚人，博士，广州大学电子与通信工程学院副教授，主要从事物联网技术研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2025）07-0073-04 ［收稿日期］ 2024-01-10

一、物联网课程基本情况

物联网工程专业属于新型信息技术专业，许多核心课程如“信号与系统”等都具有强应用性，这些课程体系内容与实际产品研发具有强相关性，覆盖了从概念到系统、从系统到构件、从构件到接口、从接口到协议，以及从协议到互联等产品研发流程各个环节领域的知识内容。课程体系内容与工程领域创新培育强相关，教学目的往往要考虑对整体知识的融合施教，通过整合工程应用与知识关联性和系统思维的学习方法来提高学生的创新创造能力。新型信息技术工程领域的创新往往要求对系统架构和接口有深入理解，对成本和需求进行有效剖析，总体来说，目前教学方法缺乏这方面的培育，导致学生创新能力不足。这种负面影响笔者在以往教学过程中已有深刻感触，比如在“信号与系统”课程教学中，在学习和解决简单应用问题时，学生往往表现出更高的积极性，解答较好，而在面对综合题目时却无从下手，大多不愿意讨论综合问题。在实践课程的教学过程中也观察到类似现象。同样以“信号与系统”课程为例，在综合型设计实验中，学生更愿意挑选功能单一的设计任务，并且大多不愿意思考新方法，热衷于照搬已有方法；不关注需求、成本与设计的综合权衡，只单一地关注局部问题，亦不关注系统与接口的关系，这种学习思维习惯可能会导致墨守成规、缺乏创新，不利于学生未来职业生涯的成长。

国内外高校物联网专业的课堂教学也有提出结合实践学习的改革方法，但主要围绕实践教学主题。比如，已有教学研究提出通过组合模块实验的方法来激发学生对嵌入式系统开发的兴趣，以加深对物联网专业知识的理解，提高实践与系统设计能力［1］。通过软件无线电设备搭建物联网实验平台，包含实践项目和创新项目两部分，基于实验平台对物联网技术实验课程进行教学，有效激发学生参加学科竞赛的兴趣［2］。已有研究考虑情景化与个性化教学，提出基于元宇宙赋能的教学设想，并通过搭建游戏化的教学平台来实施该设想，实施效果说明该方法可以有效提升实验任务的完成效率，对教学质量也有显著促进作用［3］。除此之外，根据不同生源的特点，构建基于工程思维的培养模式，实现多样化教学评价的物联网课程教学方法，也曾在职业院校教学中有过实践，该方法更注重学徒式的教学模式［4］。已有教学改革实例针对传统教学方法多元化实践教学问题，以“物联网工程规划与设计”课程为例，对基于CDIO工程教育理念的实验教学改革进行实践［5］。同样地，基于CDIO理念，已有教学研究针对物联网通信技术课程，提出结合应用来整合教学内容，以实例及实验为教学载体，在教学过程四个阶段“构思、设计、实施、运行”提高学生参与积极性［6］。

国外也有高校尝试通过教学改革方法来提升学生的创新能力，比如文献［7］早前总结回顾了国际上在工科教学方面提升创新能力的系列教改方法，这些方法实际上是基于信息通信技术的教学应用。W. Sutopo［8］列举了高校在提升工科教育创新方面所扮演的角色，提出创新培育的课程设计可与工业标准和商业标准结合起来，侧重讨论由商业需求所引导的创新能力培养。Minocha等［9］通过组织不同国籍学生参加学术实践活动来提升创造能力，这种模式较适用于研究生阶段的能力建设。

综上所述，现阶段物联网专业基于项目实践的主流教学改革方法，主要针对高职院校或应用型本科专业的学生，所提出的方法仅关注学生在单项技能或从操作维护层面考虑的工程能力培养，不符合综合型大学物联网工程专业的培养规格。

本文所介绍的“基于工程项目流程的教学模式”，是指教师将信息工程领域有效的项目流程作为参照标杆，通过提炼流程中的关键方法来促进教学培育的创新，进而设计相应的教学模式与检查节点，在育人模式实施过程中有的放矢地进行教学引导，旨在引导学生挖掘和发现课程的知识内容，并积极理解。与传统的教学模式不同，基于项目流程学习的教育模式可以让学生通过学习具有成功经验的产品研发流程，引导学生更深入地理解和掌控知识、培养概念思维，在此基础上启发和激励其创新创造能力。“基于工程项目流程”教学模式更符合物联网课程的应用特征，符合物联网专业对工程实践能力和创新能力培养的需求，与新工科专业培养思想一致。

二、项目式教育模式的探索与实践

本文首先借鉴信息工程领域知名的产品集成开发（IPD）研发项目流程体系，根据其内在逻辑整合优化传统教学内容，优化教学方法，提高教学的针对性，将所学所用与实际问题相关联，以培养和提高学生的概念思维能力、协同分析能力和创新创造能力。

整合传统教学内容。借鉴IPD五个阶段及各阶段技术评审点对创新的要求，从概念、系统到模块知识的顺序组织教学内容和教学进度。每个阶段明确教学的输入与输出，当前阶段的输出一般为下一阶段的输入，输入以任务书的方式呈现，输出则以知识点自检表的方式来查检。在课件方面，参照教学进度与教学方法的改变进行调整。借鉴IPD，将教学课件的组织按照知识概念、知识系统、知识模块及模块的连接与功能的顺序进行组织。

本教学方法针对所确定的关键概念和主题开发教材与教学模块，学生在所开发的教材和模块上，能通过自主引导和实践开展学习，并构建框架式的知识结构。除此之外，本方法首先确定有效的辅助教学方法，使学生理解教学过程的要求并达成交付。在此基础上，进一步开展问题分析，包括：如何评估学生参加课程所要求的能力基础？教学内容分配所依照的标准是什么？各个教学模块所设立的核心问题及如何引导学生在学习与实践过程中针对这些问题的聚焦？如何确定完成课程学习所需要的检索技能和实践关键技能？在本环节，教学模块的核心问题与新工科专业教学的核心内涵相联系。这些问题具有引导性和激励性，使之具备推动学生反复思考和学习的动力；这些问题还具有可讨论性，使学生充分讨论并通过开展质问和调查，得到问题的深度解答。问题的设置还应围绕课程目标，兼顾不同观点和不同讨论角度。培养学生在思考和分析问题时的总结提炼能力，使其可以在原问题上提出新的问题。因此，本环节将注重针对复合问题构建方法的研究，同时注意问题的设立不偏离教学框架和教材标准。实施方案与实施方法如下。

1.构建与课程教学相关的工程项目训练模块及教案，整合传统教学内容与进度优化，包括：（1）建立课程内容和目标。在理论与实践课程内容设计上，将结合物联网工程专业特点，通过学习需求分解的方法，培育学生对知识点的分析能力，鉴别那些“必须有”“最好有”“可有可无”的需求，培养学生对知识体系的理解能力。（2）课程学习范围及评估方法的规划。本环节将分析研究如何参照IPD将知识模块按教学阶段分解，确定不同项目阶段的输入输出标准。针对每个阶段所对应的学习目标和知识点，确定不同阶段的教学实践安排，有的放矢地提高学生对不同知识点的贯通和应用能力。课程设计测试维度和标准，都在此进行细化。（3）试验教学的格式化与标准化。基于项目流程学习的教育模式与传统教学不同，其试验和实践手段并不是一成不变的，而是针对不同的学生背景、需求和兴趣所设立。因此，本环节进行了学生能力特点和准备度的测评，并根据测评结果进行学习分组。

教学内容的整合参考IPD项目流程开展，过程管理也借鉴IPD。IPD项目流程包含需求分析、产品设计、产品研发、产品中试、产品生产、小规模应用、大规模应用、品类管理周期等关键阶段。针对创新创造能力的教学，笔者主要关注需求分析、产品研发、产品中试这几个环节，并结合这些环节的功能进行课程的教学内容整合与教学进度优化。综合考虑物联网技术课程的教学特点，本教学方法参照IPD流程的需求分析、系统设计、组件联调与中试、问题反馈与关闭等流程环节的要求开展教学内容整合与改革实践。从系统层面融合IPD流程各环节的功能，进行教学系统层面设计，然后将教学目标分解，构建与课程相对应的教案和训练模块。

2.设计闭环的教学过程。根据学生准备度进行分组，以适应项目教学模式的要求。分组将按学生准备度进行，准备度从1到4级，级别越高说明该学生能力越强。准备度级别从知识储备和学习意愿两个维度来测评，具体定义见表1。

学生的分组将随机包含能力等级从1至4的学生，一般可选择准备度为3或4的学生担任学习组长，负责该组学习任务的总体引导，每个组中包含准备度不同梯队的成员，赋予不同角色（对应IPD流程中系统工程师、工程师、质量专员等），学生根据不同角色对教学内容进行学习讨论和互助。教学设计还围绕“质问—思考”的循环周期进行。

在传统教学内容和进度整合后，最小课程模块的分解实际上是课程内容展开的主线，对于教学方法优化来说，教学班级在问题构造、问题分析、问题反馈、问题共享中所产生的学习动作，可对应IPD研发过程中的创新活动和行为查检，因此要培养学生的自主学习能力，激发其学习兴趣，每个问题思考要求相关的学习动作加以辅助完成。在教改实践中，通过课前安排学生以小组的形式讨论以上问题，以及实施相应的学习动作，课堂则结合教材与课件进行剖析讨论，让学生清楚知识的来龙去脉，不仅培养学生解决综合问题的能力，还使其厘清为什么要这么解决、怎么解决最优等。以这种方式进行教学模式改革，学生不仅可以学深学透，还可培养创新创造能力。在系统设计训练环节，各组学生针对学习目标进行系统设计和组件分解，此时根据需求分解将包含多个知识组件，每个组件对应一个虚拟开发项目或一个知识点，实现从设计到开发的转换。准确规划教学方案，使学生深刻理解产品研发中的研（研究）发（开发）两个工作理念的区别，对应专业课程知识系统的组成结构。

3.课堂练习与课后作业内容改革。根据系统架构对应的教学模块布置课堂练习和课后作业，培养学生从学习需求分解到学习实现的系统设计思维能力。通过借鉴IPD，概念阶段产生的任务书是经过学习需求分析的任务集。计划阶段实现系统设计和分解，根据所设计系统和构件对学生学习模式进行改革：分解学习内容、制订学习周期计划。这一阶段须针对概念阶段所产生的任务书进行功能包分解，然后按功能包进行构件拓扑和接口设计，使之成为一个系统。这部分要求有系统思维，一般挑选能力较强（准备度3～4级）的学生组成系统组来承担。系统设计要求学生基础好、理解掌握受训知识、具有一定的创新能力。创新能力不同的学生，针对概念阶段输入的任务书将有不同的系统设计结果。未经训练的学生设计往往不能实现任务，或者复杂度较高，经过创新培育的学生则有可能通过简单的连接完成复杂任务。同理，后面每个阶段和评测点都蕴含对学生创新能力的引导和培养。

结语

物联网专业与课程特点要求对整体知识的融合施教，本文提出一种教学内容项目化的教学方法，旨在通过教学过程理论与实践一体化、任务化，解决理论与实践分离、工程能力培养不足的教学问题。通过借鉴有效的产品项目研发流程，对物联网专业课程进行了教学改革尝试。针对物联网专业的强应用性，将流程各阶段点的创新要求映射到教学模块，优化教学内容的组织和教学主线，并在主线上对应流程不同阶段的学习目标、知识点要求，明确不同教学需求和输入输出，设立过程评测点，建立学生能力矩阵，在系统层面贯通学生对不同知识点的理解，从而提高学生的工程实践能力。笔者采用该方法在多个教学班进行了尝试，教学满意度均获得提升。