基于 OBE 理念的物联网综合实验课程设计

物联网专业是紧随国家发展和建设需求设立的，面向经济社会发展对工程科技人才的新需求，着力培养学生的工程设计能力和工程创新意识，毕业生应系统掌握物联网相关基础理论、专业知识和基本技能，富有国际视野和社会责任感，以满足我国经济结构战略性调整的要求和物联网产业对高层次人才的迫切需求。

物联网工程专业综合实验课程教学的核心目标是能够围绕“感、联、智、控”多个维度开展系统分析、设计和验证^[1]。新工科建设要求创新工程教育方式与手段，改革教学方法和考评方式，形成以学生为中心、以产出为导向、以持续改进为驱动力的OBE（Outcome based education）教育理念。国内众多高校依据新工科建设理念进行了课程体系改革、实验内容创新、实验环境建设等方面的尝试，取得了一定的进展，但仍面临不少问题^[2-4]。

1.1 理论知识点多、面广，实验设备繁杂

物联网专业涉及计算机、通信、自动化等多个学科的交叉融合，学生需具备信息感知、网络通信、数据管理、智能分析和综合应用等理论知识和实践技能，不同知识点使用的实验设备各不相同，学生在实验前要消耗大量时间和精力来熟悉准备不同实验环境。

1.2 实验内容零散孤立，缺乏实用创新

物联网专业涉及内容较多，在实验内容设计时，往往以零散知识点的验证为主，综合应用较少。实验内容偏重教学验证，缺乏实际应用和创新。

1.3 考评方式单一，教学效果反馈不足

传统的考评方式以实验报告为主，过程考核关注不足，无法充分反映学生参与实验的情况。实验报告成绩不能反映课程内容设计是否合理、教学过程是否有效等，无法为课程改进提供参考。

1.4 课程思政缺失，立德树人成效不明显

课程注重专业知识和能力的培养，较少引入思政内容，没有做到《高等学校课程思政建设指导纲要》要求的“课程门门有思政，教师人人讲育人”，未将“知识传授与价值引领相结合”的目标贯穿于教学全过程^[5]。

2.1 以OBE理念为指引

在OBE教育理念中，学生是否具备预期的毕业能力要求至关重要，课程内容和教学过程如果无法为其做出贡献就需要重构改进，学生能力产出驱动教学运行。OBE理念要求学生在实验过程中充分发挥主观能动性，注重综合能力的培养，达到知行合一，并能够根据达成效果持续对教学进行改进^[6-7]。

2.2 企校协作、产教互促

高校偏重于教学，因此实验内容、设备、过程与考核更注重学生对基础知识的验证和掌握，与企业实际应用有一定差异。依托教育部产学合作协同育人项目，与相关企业共同建设面向新工科创新实践的开放实验室，引入企业最新设备和优秀员工进行新知识、新技术的介绍和实践，与时俱进，扩展学生的视野。

2.3 软硬结合、虚实相融

针对物联网工程人才培养需求建立了物理信息传感与采集监控、无线传感接入与分布式自组织网络、物联网数据处理与云计算平台、物联网综合应用等专业实验室，开发物联网虚拟仿真实训平台，自制便携式实验开发板，采用软硬结合、虚实相融的方式，使学生能够更直观、便捷地开展实验，提升实践能力。

2.4 以赛促学、学用相长

鼓励和指导学生参加物联网相关竞赛，结合物联网相关企业的技术/设备和竞赛命题进行物联网综合设计与实现，学以致用，扩展学生的视野，提高实践能力。

2.5 思政引领、立德树人

《高等学校课程思政建设指导纲要》指出，“对于实践类课程，要注重学思结合、知行统一，增强学生勇于探索的创新精神、善于解决问题的实践能力”^[2]。在教学中，可以从物联网发展史、社会主义核心价值观、法律法规、职业素养、中华优秀传统文化等方面深入挖掘与专业知识相关的思政素材，有机融入实验内容、实验报告和实验过程等方面，培养学生学思结合、协作互助、精益求精的科学精神，以及职业道德、文学素养和遵纪守法意识等。

基于OBE理念的物联网综合实验课程实施过程如图1所示。

3.1 课程目标分解

在OBE教育理念中，需求决定了培养目标，因此以需求设计毕业要求与课程体系，形成专业培养方案。物联网专业毕业需求从工程知识、问题分析、设计/开发解决方案、研究、使用现代工具、工程与社会、环境和可持续发展、职业规范、个人与团队、沟通、项目管理、终身学习12个方面进行了设计。

教学设计以毕业要求为出发点设置课程目标，再依次设计教学内容与教学评价。课程目标决定于专业毕业要求（指标点），必须支撑毕业要求的达成。

依据专业毕业要求对课程目标进行分解，课程目标对应的部分毕业要求见表1。

3.2 教学资源准备

准备教学内容，明确教学要求，设置教学内容对课程目标的支撑关系（见表2）。

在教学资源准备过程中，结合企业提供的新知识、新技术、新设备和新案例对实验内容进行改进，完善实验指导书和授课PPT。实验内容分为基础部分和进阶部分：基础部分为必做，完成后才能取得该实验的分数；进阶部分为选做，难度有所提升，为学有余力想深入研究的学生提供引导。在实验平台方面，利用虚拟仿真实训平台、硬件实验平台和便携式开发板，构建软硬结合、虚实相融的实验环境。

3.3 教学过程实施

以“基于物联网云平台的居家环境检测”实验综合设计为例，教学实施过程如下。

实验题目：基于物联网云平台的家居环境检测。

基础部分：读取居家环境中的温度、光照、火焰、空气质量等传感器数据，通过RS485、CAN、ZigBee、LORA等进行组网汇聚，利用物联网网关或NB-IoT模块将数据上传至物联网云平台，通过云平台查看环境监测实时数据，手动或者通过控制策略下发控制指令（如开/关灯等）对设备进行控制。

进阶部分：利用物联网云平台提供的API接口开发移动端程序，通过移动设备查看实时数据和下发控制指令。

题目为校企共建实验项目，依托企业提供的硬件设备和物联网云平台设置实验内容和步骤。

学生在实验前，可以通过物联网虚拟仿真实训平台进行仿真实验，熟悉相关传感器基础知识和数据读取方法，掌握有线/无线组网原理和操作等。

在实验过程中，教师介绍相关知识、技术和设备，明确实验要求；学生按小组分工协作，利用实验室硬件设备进行系统的设计、搭建和测试，教师随堂进行引导、答疑和验收。

在授课过程中，有机融入企业发展、职业道德规范、相关法律法规介绍等思政内容，培养学生的家国情怀、职业素养和遵纪守法意识。

课后，学生完善和提交实验报告，教师根据随堂互动、验收情况和报告完成情况，评定此次实验成绩，将存在的问题及时反馈给学生。学生也可以利用便携式开发板进行深入学习和探索实践。鼓励学生参加“全国大学生物联网设计竞赛”等专业相关赛事，学以致用的提升实践动手能力。

3.4 考评方法改进

学生总成绩由平时成绩（40%）和实验成绩（60%）构成，平时成绩包括学生的考勤、互动交流、自评互评等，实验成绩包括实验过程成绩和实验报告成绩。通过加强过程考核，降低实验报告成绩占比，综合评价学生的学习过程和学习
效果。

课程达成度评价：分配各考核方式对课程目标达成的权重占比（见表3）。

各考核环节对各课程目标的覆盖率见表4，计算课程目标的达成度，值≥0.60表示目标达成。

课程结束后，通过问卷调查收集学生对课程内容和授课方式的反馈意见，对课程进行持续改进。

近3年课程的目标达成度均在0.8以上，达成了预期目标，各课程目标达成度如图2所示。

2020—2021学年，课程各目标达成度在0.84~0.85；2021—2022学年因为新冠疫情的影响，教学计划进行了调整，学生线下实验学时减少，虚拟仿真实验增加，降低了平时成绩和过程考核占比，各目标达成度较上一年有较大提升；2022—2023学年恢复正常线下教学后，结合前两届学生的反馈意见，对课程进行了优化调整，该学年各课程目标达成度在近3年适中。

2022—2023学年，有2个小组8名学生参加2023年全国大学生物联网设计竞赛，其他学年也有学生参加物联网专业相关竞赛，通过线上/线下比拼角逐，取得了不错的成绩，参赛学生均认为通过竞赛提升了自身综合设计和应用实践能力。在教学过程中有机融入了思政内容，使教书育人和立德树人同向同行。

以OBE理念为指引，提出“校企协作、产教互促”“软硬结合、虚实相融”“以赛促学、学用相长”“思政引领、立德树人”的实验课程设计思路，通过3个学年的教学实践验证和持续改进，得到了学生的高度认可，取得了一定实效，可以为其他高校物联网综合实验教学改革提供有益的参考。

参考文献：

基金项目：2024年度教育部—华为“智能基座”2.0课程建设项目（24ZNJZ014）；2023年度陕西省重点研发一般项目“面向跨界融合的服务信用管理技术研究”（2023-YBGY-403）；西安交通大学基层教学组织改革专项“‘物联网技术与应用’基层教学组织建设”。

作者简介：安健，男，西安交通大学高级工程师，研究方向为物联网实验教学、服务计算与群智计算等，anjian@mail.xjtu.edu.cn；张利平（通信作者），男，西安交通大学工程师，研究方向为计算机网络，zhangliping@xjtu.edu.cn。