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《物联网技术与应用》在物流工程专业课程体系的教学改革和实践研究

范文

张俊

摘? 要：随着网络和信息技术的发展，物流系统也逐渐趋向于网络化、智能化和信息化。结合物流系统的特点，针对物流工程专业的学生，本着“必需，够用”原则，基于CDIO模式，有的放矢对物联网技术与应用的课程教学内容、教学方法以及课程考核评估进行分析研究，目的在于提高学生的工程技术能力，加深对物流工程專业的了解，进而培养学生的系统分析和实践能力，区别于其他专业的物联网课程，能够更好符合物流工程专业人才培养方案的目标，适应现代物流的发展趋势和人才需求。通过实践证明，采用CDIO教学模式的物联网课程在物流工程专业课程教学取得的效果较好，学生的专业知识和综合素质得到提高。

关键词：物流系统;物流工程;CDIO模式;物联网

中图分类号：G642? ? ? ? ?文献标志码：A? ? ? ? ?文章编号：2096-000X（2020）02-0001-05

Abstracts： With the development of network and information technology， logistics systems are also gradually becoming networked， intelligent and informational. Combining the characteristics of the logistics system， for the students of logistics engineering majors， based on the "necessary， sufficient" principle， based on the CDIO model， targeted analysis and research of the teaching content， teaching methods， and course assessment of the Internet of Things technology and application， It is purpose to improve students' engineering and technical capabilities， deepen their understanding of logistics engineering， and then cultivate students' system analysis and practical ability. It is different from other professional IoT courses， which can better meet the goals of logistics engineering professionals training programs and adapt to modern times. The development trend and talent demand of logistics. It has been proved through practice that the Internet of Things course using the CDIO teaching model has achieved better results in the teaching of logistics engineering courses， and the professional knowledge and comprehensive quality of students have been improved.

Keywords： logistics system; logistics engineering; CDIO model; IoT

一、背景

在国家提出的“一带一路”的倡议下，物流行业作为新兴行业得到迅速发展。作为国内高校也先后开办物流工程专业，专业培养物流行业的人才。CDIO工程教育模式是近年来国际工程教育改革的最新成果，提供系统化的教学指标和培养体系，注重专业知识与实践能力之间的关系。从目前世界工程教育的发展和趋势来看，日益复杂的工程实景将更加紧密地结合到工程教育过程[1-3]。我国的工程教育面临改革或转型，新工科相关工作呈现出从理念到行动的转变。同时，伴随信息技术和网络技术的快速发展，物流行业的现代化、智能化发展趋势日益明显。物联网技术势必会推动物流行业的快速发展。与此同时，物联网课程乃至物联网工程专业均先后在各个高校相关的专业开设[4-5]。以中南林业科技大学物流工程专业为例，该专业也进行课程调整，增加了《物联网技术与应用》等工程技术类课程。物联网的出现将网络技术、信息技术和人工智能等与物流各环节相结合，既要求熟悉物流的管理和规划的理论知识，又要掌握物联网技术的原理和应用，具备物联网技术与物流系统的分析、设计、实现，促进智能物流的发展[6]。这与物联网工程专业的课程内容以及其他信息类专业开设的物联网课程有区别。

基于此种考虑，物流专业人才的要求越来越高。仅仅局限于原有规划和管理方面技能的掌握，不能满足高科技人才的复合型人才的需求。国内各高校陆续开设物流工程相关专业。其中，中南林业科技大学开设物流工程专业13余年，经过多年发展形成“工管结合，以工为主”的专业特色。物流工程专业是一门多门学科交叉，综合型和应用型都很强的专业，对学生综合实践能力有较高的能力。在对物流工程专业课程体系的探讨中发现，很多高校都主要将物流工程的课程划分为两大类，一类是物流规划类，另一类是物流信息类。物流规划类课程设置经常存在课程重复性高的特点，物流信息类课程相对逻辑性要求高，而这两类课程在课程体系中经常相对独立，交叉融合程度不高，在一定程度上容易出现物流“软硬脱节”的情况[7]。而且，很多高校的物流工程专业同质化现象明显，缺乏特色。针对“新工科”的培养背景下，物流工程专业除了注重培养学生的管理科学应用能力，更加要加强对学生的工

程技术能力的培养和综合应用能力的提升。从另一个角度来讲，很多高校都将物流工程专业的设置归类或倾向于管理学院，在一定程度上也限制了其在工程技术类课程的设置和巩固，造成本专业学生在信息类、工程类基础知识薄弱，对该方面的实操能力不够。这也正是当下物流工程专业如何有效结合管理规划和工程技术实现转型升级的一个重要症结所在[8-9]。

针对物流工程专业的现状以及时代发展的需要，运用合适的教学模式提高学生的动手实践和专业拓展能力非常重要。结合目前时下兴起的物联网信息技术，本文从新工科的理念出发，运用“工程问题解决范式”，依据先进的CDID（构思-设计-实现-运行）模式[10]，针对物流工程专业课程体系，将《物联网技术与应用》引入物流工程专业培养体系中，进一步提升物流的智能化和工程实践特性，满足多样化物流人才的需求。

二、基于CDIO模式的课程建设思路

《物联网技术与应用》属于信息类课程，本身内容涉及多个学科专业，具有非常典型的工程技术的特点，应用领域非常广泛。在很多高校的相关专业中都开设该课程的学习和拓展。同理，《物联网技术与应用》课程也在物流工程专业课程体系中开设，是该专业课程的一个重要组成部分。对比于现在很多的高校已经开设物流自动化技术、物流信息技术等课程来说。物联网技术课程是后续才纳入物流工程专业的课程体系，在此基础上完成物流信息化与智能化、模块化以及集成化，也是培养学生实践和创新能力的一个重要途径。基于CDIO模式的《物联网技术与应用》课程结构体系，开设在物流工程专业中，就必须融合现代物流发展的“互联网+”以及“智慧物流”，增加物流领域的实际应用，对该课程的知识体系进行进一步完善，着眼于知识和能力的一体化培养。这也符合CDIO教学模式的重要标准。相比于以往的课程都是根据学科内容独立开设，缺乏课程之间的关联性，学生不能融合贯通知识点并进行实践活动。《物联网技术与应用》课程内容更有必要贴近物流工程专业的知识体系，本课程的知识结构如图1所示。

（一）课程构建“C”阶段——整合教学内容，內容决定形式

在CDIO教育模式下，C阶段即构思。这就要求在企业竞争和物流行业发展环境下，分析物流各环节的目标与需求，定义其功能和结构特点，融入不同模式的信息技术和工程技术进行合理的物流项目开发和管理等。因此，针对物流工程专业开设的《物联网技术与应用》，其课程内容主要包含物流基本环节的功能和结构，物联网技术的基本概念、发展和理论体系等，其目标在于目前物流系统各环节的基本原理和结构，根据各环节的功能要求和目标需求，融入不同类型的物联网技术，设计开发合理的物流项目，满足物流作业的流程且体现其更信息化更智能化的一面，重点培养学生对物流系统功能需求分析和物联网体系中各种信息技术的理解能力[11-12]。

物流系统主要涉及了仓储、运输、包装加工等环节，覆盖面广。在每个物流环节都可以视其为一个子系统，可独立运行。针对其不同的结构和功能需求，在“C”阶段主要考虑物流仓储和运输这两大重要环节与信息技术、工程技术的结合，本着“必需，够用”的原则，将物联网为主，贯穿物流主题的思想主线，分为三大块内容。第一部分为物流系统基本环节分析，第二部分为物联网体系基本理论，第三部分为物联网在物流的应用。考虑到理论知识的生动性和易理解性，采用案例教学方法[13-14]，将抽象理论与实际案例相结合，摆脱传统的“填鸭式”理论教学模式。具体内容见表1所示。

表1 《物联网技术与应用》（物流工程）理论教学内容设计

本课程的理论重点部分在物联网体系结构以及网络信息技术的基本理论和功能，采用案例教学法和层次教学法，以冷链物流系统为研究对象，分析其仓储和运输中采用哪些信息网络技术来进行系统设计和构建以及这些物联网技术在相关的物流环节中起到的作用。再进一步，结合冷链物流的实际对象，引入多种生鲜食品，再进一步分析涉及相关物联网技术的性能特点和适用性问题。

（二）课程构建“D”阶段——功能分析，方案构思

CDIO教育模式的“D”阶段即设计实践。通过对物流作业流程的认知，根据物流作业的功能要求融入物联网信息技术。这个过程涵盖了物流系统规划设计过程阶段与方法，在设计中应用工程技术知识、多学科设计等内容，实现“物联网+物流”的实践。《物联网技术与应用》针对物流工程专业的学生实施教学，在该阶段主要以物流流程中仓储和运输这两大环节为主，通过引入RFID，传感器，多种无线网络，信息管理平台等内容，提高物流工程专业学生在实验项目中对物联网技术的应用能力，培养学生对工程技术问题的分析和解决能力。学生通过分工合作，互相交流，在物流工程方面实现物流硬件类知识和物流软件类知识体系的融会贯通，具体内容见表2所示。

表2 《物联网技术与应用》（物流工程专业）的实验项目设计

针对物流仓储和运输子系统，考虑到物流工程专业的特点，每个实验项目的内容既要满足本专业学生对物流系统的理解，还要灵活运用各种信息技术实现系统的功能，达到不同学科的知识理解和分析。

（三）课程构建“I”阶段——专业交叉融合，理论用于实践

CDIO教学模式中的“I”阶段为实施阶段，主要内容体现在如何实现软硬件集成、测试并在其过程中实现有效管理等内容。此阶段建立在前期“C”阶段的理论学习和“D”阶段的实验项目设计基础上，并根据“D”阶段的设计思路进行实验项目搭建，具体内容见表3所示。

该“I”阶段重点针对指定实验项目对象，进行有效的搭建，解决实际物流作业过程中的工程问题。以物流仓储监管系统为例子，整个物流仓储系统的实验通过不同的信息技术和网络技术实现仓储管理的“入库-盘点-出库”的过程。此处将物流仓储系统结合物联网技术进一步细分，一个实验项目重点在于学习RFID射频识别技术在仓储的应用，如何实现RFID电子标签的读写，对货品实现电子编码，最后通过实际的模块化连接，实现监管系统的软硬件实验。例如，在本次实验中学会条形码技术的编写读取和使用，图2和图3分别示意如何二维码标签如何编码生成，低频单标签的EPC编码如何读取。

图2 二维码标签编码操作

图3 单标签EPC读取操作

另一个实验项目实现则是通过学习ZigBee的技术特点，实现节点自组网功能，完成对仓储环境的监管。该阶段对培养学生的实践应用能力和分析解决问题的能力具有十分重要的促进作用，进一步加深物联网技术在物流实际系统的重要性。同时又锻炼了学生的团队协作能力以及文字撰写能力。

（四）课程构建“O”阶段——知识整合，深化拓展

CDIO教学模式的“O”阶段则关注于实验项目的设计合理性、操作便利性和优化问题。《物联网技术与应用》在内容上主要是各种类型的网络技术、信息技术，通过对物流系统中各种问题的认知和识别，进行良好的表述和分析，设计出满足设计目标。这种方式旨在学生根据所需知识，以小组为单位，合作完成实验设计内容，进行系统评价，完成实验报告，具体内容如表4所示。

通过在“O“阶段，学生能够进一步认识到物联网技术在物流系统中的地位。进而结合物流智能化发展的需求，培养学生的知识整合和系统合成能力。

三、基于CDIO模式的教学方法改革

CDIO模式本来就是面向工程教育而出现的一种教学模式，其主要目标在于促进理论知识与实践能力的进一步融合。基于这种理念，打破传统的教学模式，把学习新知识、新内容，掌握新方法的主动权交给学生，由老师引导，学生主导，完成整个课程的学习，根据课程的进展灵活运用合理适宜的教学方法。

（一）利用线上线下资源，实现反转课堂

在信息化技术的传播和网络教学平台的不断发展下，很多教学内容都放到网络上提供给学生课后学习，形成大量丰富的网络教学资源。《物联网技术与应用》课程在很多高校开设教授，而且校外很多企业也在开发物联网产品，相关网络资源在内容、形式等方面都不断更新。尽可能最大化利用在线资源，积极调动学生对课程的兴趣。知识教学方面，通过将基础知识要点提供给学生课前自主查找资料学习，课题上组织各种相关活动将知识要点进一步升华和内化，成为学生继续学习的源动力。通过课前预习，课堂积极参与讨论，课后复习巩固的方式，将核心的网络资源转变为翻转教学的主要学习资料，学生的知识面和学习能力进一步拓展。传统课堂就逐渐转变为翻转课堂。

（二）PDCA循序渐进，完善课程教学

考虑到翻转教学需要学生自主学习，师生密切配合，课程整个教学过程中采用PDCA环进行管理，完善课程教学。PDCA环即P（Plan）、D（Do）、C（Check）、A（Act）四阶段，是一种实用型的手段，旨在通过不断地改进达到更好的程度。这个理念在课程学习中同样具有重要的指导作用。《物联网技术与应用》课程以物联网的框架体系结构为依据，按照框架形式从下到上进行逐点地知识梳理，达到上下贯通。在学习每个知识点的过程中，皆通过学习内容的选择，学习进度的流程安排，学习工作的开展以及学习效果的反思，甚至根据反馈结果，结合新知识点期待下一个PDCA。流程见图4所示。

借助PDCA有目的有步骤地展开课堂教学，将课程内容分点地学习，提高学生对该课程的知识结构梳理能力。

（三）层次教学，由浅到深

《物联网技术与应用》课程的理论知识涉及传感器、網络、机电、计算机等方面的内容。与单独的信息类专业开设的课程相比，该课程针对物流工程专业，自然需要结合物流系统的特点，建立自己独特的课程特色。理论方面遵循必要够用的原则，从基础知识到综合知识，从通用内容到专业内容，让学生能够及时消化自己所学，理解物流系统各个环节的功能之间的联系和技术应用，逐渐使得书本上生涩的知识从简单到复杂，从抽象到生动，提高教学效果。课程设置的每个实验项目，其实验内容和过程也慢慢从单点实验铺展，再连接贯通进行模块组合，最后完成整个实验。以实验项目“基于RFID的物流仓储监管系统“为例，涉及RFID电子标签、扫描器、信息管理系统等。整个实验需要先从整体上了解系统的全部流程，围绕知识点精心设计实验环节，以便学生把流程中涉及的关键知识点进行选择适合的实验内容，根据实验点操作，再根据流程逐层实验，再完成整个实验。其中一个知识点就是从RFID标签开始，学习条形码、低频标签、超高频标签的编码，接着学习系统如何扫描RFID标签并识别RFID标签所标识的物品。除此之外，老师需明示实验规则，以规范学生的实验操作。整个实验过程中，老师承担指导的角色，全程监管学生的实验过程，督促学生遵守实验规则，并设置几个小问题引导学生逐步思考和分析：（1）各种条形码技术的使用特点和应用领域有哪些？（2）怎么对RFID标签进行编码以及容量大小等问题。

四、基于CDIO模式的课程考核评估体系

建立科学的课程考核体系是确保课程有效教学有效运行和提高教学质量的重要手段。《物联网技术与应用》针对物流工程专业开设，从施教受教双方以及第三方等多角度来建立课程教学评估体系。

（一）理论知识的考核方法

在CDIO理念下，调整“结果型“的考核模式，形成“过程“与“结果“并重的学生能力考核模式。传统的课堂教学注重于试卷考核，体现学生对课程知识点的基本知识和个人理解能力。通常的理论教学都基于“填鸭式“的老师讲授方式，理论内容涉及面广，易产生疲劳学习。调整此种单向知识传递方式，鼓励学生走上讲台，借助主题讨论、专题演讲等多种形式进行理论知识的深化和拓展。师生交流，生生互动的过程实现教学相长。通过过程考核，不仅仅能体现学生对课程知识点的理解，更在全过程中展示学生的综合素质能力，如团队合作能力、工程技术能力、系统分析能力等。相比于一味以试卷成绩决定课程考核，结合过程考核，更加反映出学生在此课程学习中整体的掌握程度。

（二）实验成绩的考核方法

在CDIO模式下，《物联网技术与应用》根据物流环节设置相关实验项目（见表3）。调整实验教学和实操步骤，不以唯一一套考核项目进行实操。本课程遵循从易到难，先从单元项目到综合项目。老师设定基本目标和拓展目标，根据目标定制不同的任务，让学生根据对任务的理解进行硬件模块的选择、标签的编码、信息管理系统平台的使用，最后展示出不同结构的系统。整个实验过程中，以老师指导为辅，学生自主设计为主，学生从基本原理的学习到应用，完成理论与实操的结合。学生亦可根据自己的掌握能力进行这样的实验环节设计，避免了“简单化”、“无合作”的问题。通过团队合作，帮助学生集团能力得到提高，进一步了解物联网技术和物流系统的实际运作。

（三）教学效果的评价

教学效果如何可以根据短期和长期两个过程来看待。短期效果最直接的就是每个学期学生该课程的最终成绩。这种方法在现阶段来看是最直接的，在一定程度上不能完全反映出学生的综合能力。从长期角度上来看，要考虑课程对学生的引导意义，是否有助于学生的能力拓展以及课程的可持续性发展。课程评价方法主要采用问卷调查、座谈、匿名评分，重点围绕课程内容、课程学习方法和课程学习效果几个方面展开，并相应提出改进建议。同时，结合第三方的評价，通过督导听课评价、用人单位反馈等，帮助进行理论知识和实验项目的完善。

五、结束语

以CDIO理论为指导，针对物流工程专业的学生，将CDIO教学模式引入到《物联网技术与应用》课程中。根据本学院“工管结合，以工为主“的专业发展特色，本课程也逐渐摒弃传统课堂单一教授模式，兼顾课程的基础知识和工程实践能力的培养，同时遵循“必需、够用“的原则，实现物联网系统与物流系统的知识融合，最后设计出与物流工程专业相符合的又适合CDIO教学模式的课程内容和评价方式。通过持续的课程改进，实践证明了学生在独立学习、团队合作、动手实践等方面都得到了锻炼和提高。

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