無線傳感網(wǎng)絡(luò)課程混合式教學(xué)模式探索與實(shí)踐

陳曉芳，李麗芬

（燕京理工學(xué)院 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，河北 廊坊 065201）

0 引 言

無線傳感網(wǎng)絡(luò)是面向物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)大三學(xué)生的專業(yè)核心課，具有一定的綜合性和實(shí)踐性。無論是課程中的理論教學(xué)、實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，還是課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)內(nèi)容，都在大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽以及物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)相關(guān)的競賽中得到廣泛應(yīng)用。該課程在整個(gè)課程體系中起到了承上啟下的作用，但教學(xué)中仍存在一些問題，而采用混合式教學(xué)模式可以使問題得到很好的解決?；旌鲜浇虒W(xué)是一種基于信息技術(shù)及現(xiàn)代教育技術(shù)，將線上網(wǎng)絡(luò)教學(xué)與線下課堂教學(xué)有機(jī)融合，從而實(shí)現(xiàn)最佳教學(xué)效果的教學(xué)模式[1]。

1 研究現(xiàn)狀和存在的問題

針對新工科建設(shè)的目標(biāo)和對物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)人才的新需求[2]，從實(shí)際教學(xué)效果和反饋來看，無線傳感網(wǎng)絡(luò)課程存在以下四大痛點(diǎn)問題：

（1）難教：課程內(nèi)容范圍大，理論學(xué)時(shí)少，學(xué)生參與度和積極性不高；教學(xué)方式單一，有限的課堂時(shí)間內(nèi)開展多種活動，拓展知識難。

（2）難學(xué)：教學(xué)方法老舊，教學(xué)過程中以教師為中心，缺乏與學(xué)生的交流、討論。學(xué)生的理論素養(yǎng)和解決實(shí)際工程問題的能力沒有太多提高。

（3）難用：教師工程經(jīng)驗(yàn)不夠，填鴨式的理論知識灌輸無法調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，缺乏項(xiàng)目開發(fā)能力培養(yǎng)和團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識培養(yǎng)。

（4）難統(tǒng)計(jì)：傳統(tǒng)教學(xué)模式對于課堂表現(xiàn)積極的同學(xué)只能用紙質(zhì)文件標(biāo)注，效率低下；對學(xué)生的作業(yè)的收集和統(tǒng)計(jì)耗時(shí)耗力，對部分較差學(xué)生不能及時(shí)給予警告；對學(xué)生缺乏過程考核監(jiān)督。

2 混合式教學(xué)模式

混合式教學(xué)模式更新了傳統(tǒng)教學(xué)理念，以學(xué)生發(fā)展為中心；面向社會行業(yè)需求，重構(gòu)教學(xué)內(nèi)容，凸顯理論知識、創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)；變革教學(xué)方法，搭建智慧教學(xué)平臺實(shí)現(xiàn)教學(xué)過程全記錄，并以此激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣[3]。

2.1 明確課程教學(xué)目標(biāo)

以O(shè)BE教學(xué)理念為指導(dǎo)，根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)人才需求，圍繞學(xué)校應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)，明確課程目標(biāo)，凸顯課程理論基礎(chǔ)知識、實(shí)踐能力和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力培養(yǎng)[4-5]。該課程教學(xué)目標(biāo)如圖1所示。

圖1 課程教學(xué)目標(biāo)

2.2 重塑教學(xué)內(nèi)容

課程采用企業(yè)工程案例和教師科研項(xiàng)目嵌入課堂[4-9]，對當(dāng)前ZigBee技術(shù)的最新應(yīng)用和發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行探討，引入智能家居等典型案例，進(jìn)一步擴(kuò)大知識的深度和廣度。結(jié)合項(xiàng)目案例對知識點(diǎn)進(jìn)行階段性講解，將原來的以知識為主線轉(zhuǎn)變?yōu)橐皂?xiàng)目為主線，使課程內(nèi)容由易入難，逐層深入。課程內(nèi)容劃分四大階段：系統(tǒng)整體構(gòu)架→節(jié)點(diǎn)模塊化設(shè)計(jì)與開發(fā)→網(wǎng)關(guān)通信技術(shù)→系統(tǒng)應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)，通過理實(shí)結(jié)合+思維拓展的方式，加深學(xué)生對知識的理解與轉(zhuǎn)化。

搭建系統(tǒng)整體構(gòu)架的前提是在全面了解無線傳感網(wǎng)的基本概念、特點(diǎn)和系統(tǒng)的關(guān)鍵性能指標(biāo)的基礎(chǔ)上進(jìn)行分析，在家庭外部通過互聯(lián)網(wǎng)將每家每戶的智能網(wǎng)關(guān)連接到同一個(gè)服務(wù)器，計(jì)算機(jī)或手持移動設(shè)備通過互聯(lián)網(wǎng)與智能家居服務(wù)器相連，進(jìn)而可以獲得用戶所需的信息或者對智能家居設(shè)備實(shí)施控制。整個(gè)智能家居系統(tǒng)構(gòu)架如圖2所示，以智能家居為主線助力學(xué)生了解無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及其應(yīng)用領(lǐng)域。

圖2 智能家居系統(tǒng)構(gòu)架

節(jié)點(diǎn)模塊化設(shè)計(jì)與開發(fā)實(shí)質(zhì)是圍繞ZigBee的核心芯片設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)中選用TI公司的ZigBee芯片CC2530F256，結(jié)合IAR嵌入式開發(fā)平臺，設(shè)計(jì)相關(guān)硬件電路和模塊程序。其中，硬件設(shè)計(jì)包括ZigBee控制節(jié)點(diǎn)核心電路設(shè)計(jì)、節(jié)點(diǎn)天線設(shè)計(jì)、終端節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)等；軟件設(shè)計(jì)包括協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)、終端節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)等。智能家居ZigBee協(xié)調(diào)器的工作流程如圖3所示。該階段主要讓學(xué)生掌握運(yùn)用IAR開發(fā)環(huán)境實(shí)現(xiàn)對CC2530芯片的基礎(chǔ)開發(fā)，理解Zstack協(xié)議棧的運(yùn)行機(jī)制，具備基于Zstack協(xié)議棧的項(xiàng)目開發(fā)能力。

圖3 ZigBee協(xié)調(diào)器的工作流程

網(wǎng)關(guān)通信技術(shù)的作用在于在智能家居內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)與外部Internet之間建立通信橋梁，完成不同網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)跨異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的傳輸。該階段主要讓學(xué)生對比典型的無線通信技術(shù)的關(guān)鍵性能指標(biāo)。以ZigBee技術(shù)作為智能家居內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)通信方式，熟悉感知層的數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡(luò)建立、數(shù)據(jù)收發(fā)、串口通信以及設(shè)備控制等；在嵌入式系統(tǒng)中選擇以太網(wǎng)作為外部網(wǎng)絡(luò)通信方式，以局域網(wǎng)組網(wǎng)方式分析通信中的幀格式、幀結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議及其工作方式，局域網(wǎng)組網(wǎng)通信部分?jǐn)?shù)據(jù)如圖4所示。讓學(xué)生掌握Zstack協(xié)議棧的工作機(jī)制和應(yīng)用開發(fā)，培養(yǎng)學(xué)生具備常用傳感器選型和基于ZigBee技術(shù)的小型系統(tǒng)開發(fā)能力。

圖4 局域網(wǎng)組網(wǎng)通信

在系統(tǒng)應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)方面，根據(jù)配置的傳感器和功能需求，主要將界面分為三部分：環(huán)境檢測、家居控制、聯(lián)動控制，如圖5所示。環(huán)境檢測界面主要通過采集檢測類傳感器的數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測家居的環(huán)境；家居控制界面主要采集控制類的一些傳感器數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對家居設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控；聯(lián)動控制界面為用戶提供自定義聯(lián)動控制的功能，以實(shí)現(xiàn)家居的自動化控制。借助Android開發(fā)環(huán)境，通過Socket與服務(wù)端建立連接，在智能家居網(wǎng)關(guān)選擇數(shù)據(jù)庫保存設(shè)備信息。培養(yǎng)學(xué)生具備需求分析和項(xiàng)目方案撰寫與設(shè)計(jì)的能力。

圖5 智能家居界面

2.3 選定智慧平臺

構(gòu)建線上線下混合式智慧教學(xué)平臺，以超星“學(xué)習(xí)通”為線上教學(xué)平臺，通過網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源的搭建，將課前、課中、課后三個(gè)環(huán)節(jié)有機(jī)銜接起來[10]。

課前：為學(xué)生提供課程學(xué)習(xí)資料PPT、IAR軟件安裝包、安裝向?qū)б曨l及注意事項(xiàng)、CC2530硬件接線原理圖、CC2530用戶向?qū)зY料和相關(guān)寄存器的接口說明等。

課中：依托超星“一屏三端”模式，采用線上線下混合的方式進(jìn)行理論教學(xué)。以智能家居等典型案例為主線，在課程初期階段，通過主題討論形式對學(xué)生的筆記熱詞進(jìn)行共享，發(fā)現(xiàn)學(xué)生對問題的不同理解和關(guān)注度高的核心問題，通過交流溝通讓學(xué)生對課程框架有基本的了解。課程中期階段，通過搶答、選人、投票等環(huán)節(jié)活躍課程氛圍，注重學(xué)生參與度和創(chuàng)新思維的培養(yǎng)；創(chuàng)建題庫，方便課中隨堂練習(xí)，及時(shí)檢測學(xué)生基礎(chǔ)知識掌握情況和拓展新知識。課程后期階段，在智慧教室采用主題討論和任務(wù)分組的方式強(qiáng)化學(xué)生主動學(xué)習(xí)的意識，讓學(xué)生完成知識的內(nèi)化和吸收，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。以公布排行榜、展示優(yōu)秀作業(yè)和指出常見誤區(qū)等方式反饋學(xué)生前期的學(xué)習(xí)效果。實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要采用直播+線下同步進(jìn)行的教學(xué)模式，通過個(gè)人綜合實(shí)驗(yàn)，檢驗(yàn)學(xué)生鏈接知識能力和動手實(shí)踐能力。小組綜合項(xiàng)目在課程尾期進(jìn)行，通過項(xiàng)目設(shè)計(jì)、分析、演說與匯報(bào)、報(bào)告等環(huán)節(jié)綜合考察學(xué)生探索學(xué)習(xí)能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

課后：安排討論環(huán)節(jié)和課后作業(yè)，對知識點(diǎn)進(jìn)行拓展練習(xí)，對優(yōu)秀的作業(yè)進(jìn)行點(diǎn)贊，對不能參與課程學(xué)習(xí)的學(xué)生進(jìn)行教學(xué)預(yù)警，保障教學(xué)活動公平有序進(jìn)行。

2.4 提供科研平臺

學(xué)院目前已經(jīng)建設(shè)有校企合作機(jī)構(gòu)—達(dá)內(nèi)教育與華為仁通科技創(chuàng)新基地，提供物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)學(xué)生科研課題平臺；新增窄帶物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實(shí)驗(yàn)室，為無線傳感網(wǎng)絡(luò)課程提供了有力保障。開放大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐中心，鼓勵(lì)并支持學(xué)生積極參與全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽、“互聯(lián)網(wǎng)+”大賽、藍(lán)橋杯、挑戰(zhàn)杯等，通過省賽、國賽鍛煉學(xué)生多學(xué)科交叉融合的應(yīng)用和系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力。

2.5 確立考核方式

匹配課程教學(xué)目標(biāo)的多元考核方式及其評價(jià)指標(biāo)，注重提高學(xué)生學(xué)習(xí)過程的有效參與度，側(cè)重對學(xué)生能力的考核。

課程總成績包括過程性考核（占40%）和期末成績（占60%）。過程性考核（占40%）包括課堂互動（占5%）、實(shí)驗(yàn)闖關(guān)與作業(yè)（占5%）、個(gè)人綜合實(shí)驗(yàn)（占5%）、期中考試（占10%）、小組綜合項(xiàng)目（占15%）。通過多元考核方式，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，讓學(xué)生有課程挑戰(zhàn)意識，發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性。

3 教學(xué)改革效果

對本校2019級物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)課程進(jìn)行教學(xué)改革，通過本輪混合式教學(xué)模式的實(shí)施，有效解決了四大痛點(diǎn)問題。

通過學(xué)習(xí)通大數(shù)據(jù)教學(xué)平臺統(tǒng)計(jì)課程實(shí)施數(shù)據(jù)：課堂活動31個(gè)，發(fā)布討論區(qū)話題8個(gè)，回復(fù)話題253人次。從這些記錄數(shù)據(jù)可以看出，學(xué)生參與課程學(xué)習(xí)的積極性較高，改革后大大調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，形成了有效的交流與討論。課后公布課堂表現(xiàn)TOP10，既保障教學(xué)評價(jià)透明度，又形成了學(xué)習(xí)競爭意識。

2019級物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)參加比賽的項(xiàng)目由改革前的兩項(xiàng)增加到改革后的五項(xiàng)，參與人次從改革前的3人次增加到改革后的11人次。在課程期中檢查調(diào)研中，學(xué)生代表對無線傳感網(wǎng)絡(luò)課程的改革效果表示肯定，項(xiàng)目教學(xué)法提高了學(xué)生項(xiàng)目開發(fā)能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識。大多數(shù)同學(xué)在學(xué)習(xí)該課程時(shí)感到收獲頗多，尤其對課程應(yīng)用以及今后的課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)都有所幫助。

4 結(jié) 語

以O(shè)BE教學(xué)理念為指導(dǎo)，對無線傳感網(wǎng)絡(luò)課程采用線上線下混合式教學(xué)模式，以學(xué)生為中心，采用項(xiàng)目教學(xué)方法，重塑教學(xué)內(nèi)容，以智慧教學(xué)平臺為依托，應(yīng)用多元考核方式激發(fā)學(xué)生主觀能動性，取得了預(yù)期的教學(xué)效果。下一輪教學(xué)繼續(xù)堅(jiān)持混合式教學(xué)模式，對教學(xué)環(huán)節(jié)持續(xù)改進(jìn)并完善，相信會達(dá)到物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)。