新工科背景下基于翻轉(zhuǎn)課堂的傳感網(wǎng)實驗課程教學(xué)改革

胡必玲，鐘 錦，潘潔珠

（合肥師范學(xué)院 計算機學(xué)院，安徽 合肥 236032）

0 引 言

2017年以來，我國高教掀起了一場新工科建設(shè)的熱潮。新工科建設(shè)強調(diào)課堂互動，改革教學(xué)方式，落實以學(xué)生為中心的教學(xué)理念[1-2]。翻轉(zhuǎn)課堂是一種對傳統(tǒng)的課堂教學(xué)結(jié)構(gòu)進行翻轉(zhuǎn)，將以教師為中心的課堂轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫W(xué)生為中心的課堂，也是讓學(xué)生在課前完成知識學(xué)習(xí)，在課堂上完成知識的吸收與掌握的一種新型教學(xué)模式[3]。國內(nèi)的學(xué)者和教育實踐者們已將翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式應(yīng)用于多門課程的教學(xué)中，主要目的是通過翻轉(zhuǎn)課堂改進傳統(tǒng)教學(xué)模式中存在的弊端[3-6]。

物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)是新工科的典型專業(yè)[7]，傳感器網(wǎng)絡(luò)實驗課程是物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的主干實驗課程，其教學(xué)內(nèi)容多，學(xué)時有限，教學(xué)效果與學(xué)生的專業(yè)核心素養(yǎng)緊密相關(guān)[8-10]。筆者在對翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)模式進行深入研究的基礎(chǔ)上，為了提高學(xué)生的主動學(xué)習(xí)積極性，強化學(xué)生對實踐內(nèi)容的掌握，提升教學(xué)效果，嘗試在傳感器網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)中引入了翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)方式。將傳統(tǒng)模式下在課中進行的知識傳授轉(zhuǎn)移到課下進行，而將原本在課下進行的知識內(nèi)化轉(zhuǎn)移到課中進行。在實驗課前，學(xué)生以導(dǎo)學(xué)問題為指引利用教學(xué)視頻、課件、參考書等教學(xué)資源，自學(xué)教學(xué)內(nèi)容[4]。在實驗課中，師生之間、學(xué)生之間針對教學(xué)內(nèi)容展開答疑和討論，實現(xiàn)對知識和實踐環(huán)節(jié)的理解和吸收。實踐效果表明，對于實踐性的課程，翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式能取得良好的教學(xué)效果。

1 傳感器網(wǎng)絡(luò)實驗的特點和存在的問題

傳感器網(wǎng)絡(luò)實驗課程的主要教學(xué)內(nèi)容一般應(yīng)包括四部分：基礎(chǔ)實驗、ZigBee組網(wǎng)實驗、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實驗、研創(chuàng)型實驗。

基礎(chǔ)實驗包括CC2530片上系統(tǒng)的實驗和Z-stack協(xié)議棧實驗兩部分。CC2530片上系統(tǒng)實驗是讓學(xué)生掌握CC2530片上系統(tǒng)各部件的使用，包括CC2530中的通用I/O口、定時器、外部中斷、串口通信、A/D 轉(zhuǎn)換等，進一步為后續(xù)實驗打下堅實的基礎(chǔ)；Z-stack協(xié)議棧實驗的設(shè)置主要是為了讓學(xué)生熟悉協(xié)議棧中常用的API函數(shù)的使用。

ZigBee組網(wǎng)實驗包括基于ZigBee 的星形、樹形和Mesh無線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合實驗。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實驗是對先前的基礎(chǔ)部分實驗、先修課程“傳感器原理與應(yīng)用”中傳感器實驗和無線傳感器組網(wǎng)實驗的融合和提升，包括分布式溫濕度采集器、分布式防盜監(jiān)測器兩個實驗。

研創(chuàng)型實驗是傳感器網(wǎng)絡(luò)實驗課程的拓展部分，供學(xué)有余力和對傳感網(wǎng)感興趣的學(xué)生學(xué)習(xí)，主要就無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在工程實施中遇到的一些共性問題對學(xué)生進行指導(dǎo)，一般包括傳感網(wǎng)覆蓋、路由協(xié)議、節(jié)能和安全技術(shù)的實驗。

從以上分析可見，傳感器網(wǎng)絡(luò)實驗課程教學(xué)內(nèi)容多、課程容量大、跨度大。另外，傳感器網(wǎng)絡(luò)實驗課時相對教學(xué)內(nèi)容來說很有限。

目前，本課程多以傳統(tǒng)模式進行教學(xué)，在實驗課前，學(xué)生預(yù)習(xí)實驗指導(dǎo)書中相關(guān)內(nèi)容；在實驗課中，教師向?qū)W生講授本次實驗的基本原理，并通過樣例演示操作步驟，隨后學(xué)生基于實驗指導(dǎo)書，按照實驗要求完成指定實驗內(nèi)容；課下，學(xué)生撰寫實驗報告，實現(xiàn)對所學(xué)實驗原理和操作技能的內(nèi)化。此種教學(xué)模式突出了教師在教學(xué)活動中的主導(dǎo)地位，但忽視了學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的主體地位和對學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的激發(fā)。相當(dāng)部分學(xué)生消極思考操作步驟背后的原理和意義，機械地根據(jù)實驗指導(dǎo)書操作，不利于提高教學(xué)效果和提升學(xué)生的動手能力[5]；另外，由于課堂教學(xué)內(nèi)容多、課程容量大，學(xué)生基礎(chǔ)不一樣，要在課堂內(nèi)完成所有的教學(xué)內(nèi)容時間緊張，常常不能在課堂上完成實驗評價；第三，學(xué)生之間、師生之間缺乏交流。有限的課堂時間除去教師講授實驗原理和學(xué)生動手實驗操作時間外，導(dǎo)致教師與學(xué)生之間、學(xué)生與學(xué)生之間沒有太多時間進行交流討論互動，教師也無法兼顧不同層次的學(xué)生。因此，筆者嘗試將翻轉(zhuǎn)課堂應(yīng)用于傳感器網(wǎng)絡(luò)實驗課程的教學(xué)，以期提升實驗教學(xué)效果和參考。以下以串行通信接口的發(fā)送與接收為例，闡述教學(xué)過程。

2 實驗教學(xué)設(shè)計

以串行通信接口的發(fā)送和接收實驗為例，首先設(shè)計主要知識和技能表，具體內(nèi)容見表1所列。根據(jù)往年教學(xué)經(jīng)驗，知識點1比較簡單直觀，知識點2～6，多數(shù)學(xué)生通過閱讀實驗指導(dǎo)書和CC2530數(shù)據(jù)手冊就可以很好地掌握。而技能點7，8相對有點難度，多數(shù)學(xué)生僅通過自學(xué)難以熟練掌握。為此結(jié)合翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)模式，將整個教學(xué)過程分為兩個階段，第一階段為課下自學(xué)，第二階段為課中內(nèi)化和實驗。

課下自學(xué)階段，教師在每次實驗課前將對本次實驗核心內(nèi)容和實驗示例的講解錄制成教學(xué)視頻上傳到網(wǎng)絡(luò)平臺，并加載到對應(yīng)實驗項目的目錄下。同時上傳每次實驗的內(nèi)容和要求，并根據(jù)實驗的相關(guān)知識點和每次實驗的具體內(nèi)容發(fā)布若干有針對性的導(dǎo)學(xué)問題，要求學(xué)生開展課下自學(xué)。上傳的講解視頻、實驗具體內(nèi)容的PDF文檔、導(dǎo)學(xué)問題均被設(shè)置成任務(wù)點。學(xué)生應(yīng)在課下自學(xué)階段很好地掌握表1中1～6的內(nèi)容，對于7，8，做到簡單了解相關(guān)背景知識，為下一階段的課中內(nèi)化和動手實驗打下基礎(chǔ)。

表1 串行通信接口發(fā)送與接收實驗的主要教學(xué)目標(biāo)

課中內(nèi)化和實驗階段可分為五個環(huán)節(jié)（一次實驗時長90 min）：第一個環(huán)節(jié)為15 min，本環(huán)節(jié)就串行通信接口的背景知識、模式設(shè)置、波特率設(shè)置、數(shù)據(jù)讀入寫出、使能串口發(fā)送和接收中斷問題進行交流答疑；第二個環(huán)節(jié)為10 min，本環(huán)節(jié)就課下自學(xué)階段的示例進行要點回顧，并根據(jù)此示例演示實驗具體流程，說明注意事項；第三個環(huán)節(jié)為學(xué)生實驗操作階段，設(shè)定時長為40 min，本環(huán)節(jié)引導(dǎo)學(xué)生完成實驗具體內(nèi)容7和8；第四個環(huán)節(jié)為15 min，針對學(xué)生實驗階段教師巡視過程中發(fā)現(xiàn)的問題進行指導(dǎo)解決；第五個階段為實驗總結(jié)階段，設(shè)定時長為10 min，本環(huán)節(jié)對學(xué)生實驗完成情況進行統(tǒng)計，并總結(jié)本次實驗。

3 實驗教學(xué)實施

3.1 學(xué)生分組與課下自學(xué)

本課程的課堂規(guī)模為60人左右，學(xué)生自由組合形成小組，每組2人，以小組為單位完成全部教學(xué)環(huán)節(jié)。在課下階段，教師在實驗開課之前將教學(xué)視頻和導(dǎo)學(xué)問題上傳到指定網(wǎng)絡(luò)平臺。教學(xué)視頻主要向?qū)W生講解CC2530中的串行通信接口的功能和特點，以及與串行通信接口的工作模式、波特率、連接位置、數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收相關(guān)的寄存器的配置，以及與串行通信接口的發(fā)送中斷和接收中斷相關(guān)的寄存器的配置，并通過示例闡述上述知識點。導(dǎo)學(xué)問題見表2所列。

表2 課下自學(xué)環(huán)節(jié)的導(dǎo)學(xué)問題

3.2 課中內(nèi)化

本階段教師首先引導(dǎo)學(xué)生開展課堂討論，復(fù)習(xí)鞏固串行通信接口數(shù)據(jù)發(fā)送與接收相關(guān)的知識。學(xué)生在課堂時間內(nèi)與其他學(xué)生或教師就課前自學(xué)的內(nèi)容進行討論，可以加深他們對所學(xué)知識的認(rèn)識。在討論結(jié)束之后，對于有疑慮的地方，教師統(tǒng)一進行闡述。由于本實驗涉及到串口調(diào)試助手的使用和設(shè)置以及仿真器的使用，在開展課堂討論和答疑之后，教師必須結(jié)合在網(wǎng)絡(luò)平臺上提供的示例演示實驗的操作流程。第三階段，是課堂上的小組實驗階段，主要包括編程實現(xiàn)串行通信接口進行數(shù)據(jù)發(fā)送和接收兩個部分。這兩部分實驗由學(xué)生在教師引導(dǎo)下完成。教師啟發(fā)學(xué)生認(rèn)識到利用串行通信接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收之前必須對其進行配置，即為初始化，包括設(shè)置工作模式、波特率、連接位置，又由于數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收是在系統(tǒng)時鐘控制下進行，還需要設(shè)置系統(tǒng)時鐘源并等待其穩(wěn)定。如果利用中斷方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，還需要使能串口的發(fā)送中斷和接收中斷，并編寫中斷處理函數(shù)。此外，數(shù)據(jù)發(fā)送需要實現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)，數(shù)據(jù)接收需要實現(xiàn)接收功能。教師要求學(xué)生按照實驗指導(dǎo)書要求完成實驗內(nèi)容，并注意代碼編寫風(fēng)格，強調(diào)功能的獨立性。

由于課前的視頻講解和課堂上的小組討論和答疑，多數(shù)學(xué)生能夠在教師引導(dǎo)下順利完成實驗內(nèi)容，并且對串口的使用得到很好的掌握。

4 教學(xué)效果與體會

本次課堂翻轉(zhuǎn)的實踐取得了較好的教學(xué)效果。一是有效激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，學(xué)生對課堂教學(xué)的參與程度明顯提高。在傳統(tǒng)的教學(xué)模式下，學(xué)生往往不進行課前預(yù)習(xí)，課堂講解時也經(jīng)常出現(xiàn)瞌睡、玩手機、聊天的現(xiàn)象；應(yīng)用翻轉(zhuǎn)課堂之后，由于將課程內(nèi)容講解的視頻、預(yù)習(xí)作業(yè)等設(shè)置成任務(wù)點，并會在課堂中進行小組討論，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性得到了提升，參與度得到了提高。二是通過課下自學(xué)，學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力得到提升，分析問題解決問題的能力得到提升。翻轉(zhuǎn)課堂的優(yōu)勢是將學(xué)生被動的接收改為主動的學(xué)，在學(xué)習(xí)過程中，為了完成作業(yè)及課堂討論，學(xué)生改變了過去消極怠學(xué)的狀態(tài)，會主動去吸收、去理解、去分析問題。三是學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容的掌握程度得到提升，在課程期末考核中，不會動手操作、操作結(jié)果不正確、無法完成代碼編寫的學(xué)生人數(shù)較沒有實行翻轉(zhuǎn)課堂階段大幅度下降。

對于本次實踐教學(xué)改革，筆者認(rèn)為翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式的成功不是在于簡單地將線下內(nèi)容搬到線上，將課堂講解內(nèi)容搬到課下，而在于在翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式下教師根據(jù)教學(xué)的具體內(nèi)容，布置合適的自學(xué)內(nèi)容，設(shè)計合適的導(dǎo)學(xué)問題，根據(jù)教學(xué)內(nèi)容的重難點在實驗課堂上設(shè)計合適的學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)。

5 結(jié) 語

翻轉(zhuǎn)課堂已作為大多數(shù)高校教師增強師生互動、激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性所采用的新的教學(xué)模式。本文以串行通信接口數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收為例，將翻轉(zhuǎn)課堂模式應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實驗課程的教學(xué)中，取得了良好的教學(xué)效果。后續(xù)將深入研究翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)模式，對現(xiàn)階段實踐工作進行完善。