無線傳感器網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)改革探索

摘要：以培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力為目標(biāo)，對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行教學(xué)改革探索。課堂教學(xué)通過內(nèi)容重組、分類檢測等方法培養(yǎng)學(xué)生利用計算思維解決工程問題的能力，采用過程性評價調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，有效提高了課堂教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；計算思維；教學(xué)改革

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)課程以計算機網(wǎng)絡(luò)、傳感器原理和嵌入式系統(tǒng)等先修課程為基礎(chǔ)，主要介紹無線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層協(xié)議、介質(zhì)訪問控制、網(wǎng)絡(luò)層路由協(xié)議、傳輸層協(xié)議和應(yīng)用層中時間同步、定位、拓?fù)涔芾淼戎R，旨在使學(xué)生掌握物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)重要組成部分的基礎(chǔ)知識[1]。隨著工程教育認(rèn)證工作的推進(jìn)，面向培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力的教學(xué)改革逐步在各高校開展[2-3]。為此，對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)課程在傳統(tǒng)課堂教學(xué)的基礎(chǔ)上進(jìn)行線上線下混合式教學(xué)改革探索。

一、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳統(tǒng)教學(xué)中存在的問題

（一）教學(xué)內(nèi)容難以重復(fù)

傳統(tǒng)授課過程中教師往往先通過PPT展示講解課程知識，并以在黑板上進(jìn)行板書分解分析作為輔助。由于黑板上可書寫空間有限，在下一個知識點講解時需要擦除板書。由于學(xué)生的理解能力存在差異，部分學(xué)生可能在教師進(jìn)行板書擦除時仍然沒有完全領(lǐng)悟或者仍存有困惑，但因為受教學(xué)計劃和課程進(jìn)度的限制，教師往往不會在同一課堂過多重復(fù)講解同一知識點。這就導(dǎo)致部分學(xué)生只能對分析的結(jié)果進(jìn)行復(fù)現(xiàn)，難以重復(fù)分析過程，即，只知道問題的分析結(jié)果，并不明白如何進(jìn)行分析。例如，在傳輸層可靠傳輸基本機制的丟包恢復(fù)中“隱式ACK”這一知識點，有的學(xué)生課后能記住這一手段只能在節(jié)點的單跳范圍內(nèi)使用，但無法回答“為什么”。

（二）學(xué)生利用已學(xué)知識分析問題的能力不足

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)課程主要介紹無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本概念、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)開發(fā)環(huán)境、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂婆c覆蓋技術(shù)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信與組網(wǎng)技術(shù)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)支撐技術(shù)。每一知識模塊下又包括基本概念、協(xié)議和主要算法。這些知識與學(xué)生在前序課程中學(xué)習(xí)到的知識相關(guān)，但又因無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點特性而具有獨立特點。很多學(xué)生會在學(xué)習(xí)到相關(guān)知識點時感覺似曾相識，產(chǎn)生了負(fù)遷移現(xiàn)象。例如，在網(wǎng)絡(luò)層路由協(xié)議部分，很多學(xué)生會以計算機網(wǎng)絡(luò)中單個節(jié)點具有唯一地址標(biāo)識的印象去思考問題。在學(xué)習(xí)傳輸層擁塞控制協(xié)議時也往往以傳輸控制協(xié)議TCP的解決方法為出發(fā)點進(jìn)行問題分析，新舊知識相互混淆而互相干擾。

（三）課后作業(yè)同質(zhì)化現(xiàn)象嚴(yán)重

課后作業(yè)一般在課堂教學(xué)之后發(fā)布，由學(xué)生利用課下時間在復(fù)習(xí)課堂知識點的基礎(chǔ)上完成。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)課程需要記憶和利用公式進(jìn)行計算的知識點較少，協(xié)議分析的內(nèi)容較多，很多學(xué)生在課下作業(yè)時往往機械性摘抄教科書上段落或使用網(wǎng)上搜索到的相關(guān)內(nèi)容做解答。只有少部分學(xué)生能進(jìn)行自主分析，做出獨立闡述，用自己的語言組織和描述問題關(guān)鍵點及解決思路。

（四）實驗內(nèi)容繁雜，部分學(xué)生動手能力較弱、主動性較差

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)課程包含24學(xué)時的實驗，主要分為CC2530單片機相關(guān)實驗和基于Zigbee的網(wǎng)絡(luò)相關(guān)實驗。其中，前一部分實驗需要學(xué)生在運用相關(guān)的前序課程如嵌入式系統(tǒng)的知識基礎(chǔ)上了解和掌握傳感器的數(shù)據(jù)采集、定時操作、數(shù)模轉(zhuǎn)換和經(jīng)串口收發(fā)數(shù)據(jù)等功能原理。后一部分需要學(xué)生學(xué)習(xí)Z-Stack相關(guān)知識進(jìn)行組網(wǎng)、節(jié)點加入和通過傳感器采集數(shù)據(jù)和傳輸數(shù)據(jù)并顯示、實施綜合實驗。兩部分實驗均分組進(jìn)行，每組有2～3名學(xué)生共同進(jìn)行代碼分析、編寫和實驗操作。由于實驗需要運用的知識多、內(nèi)容廣，實驗操作容易出現(xiàn)的問題多，實際分組實驗過程中有部分學(xué)生對實驗缺乏參與的積極性。

（五）評價方式單一，難以反映學(xué)生平時學(xué)習(xí)效果

在教學(xué)改革前，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)課程的期末總評由課后作業(yè)成績、實驗成績和期末考試成績構(gòu)成。由于期末考試成績的占比較高，學(xué)生往往在平時學(xué)習(xí)時重視程度不高，等到考前才突擊復(fù)習(xí)。由于作業(yè)回答存在同質(zhì)化現(xiàn)象，實驗成績按照分組評判致使每組成員的實驗得分相同，不少學(xué)生的平時成績相差不多。這種評價方式難以反映學(xué)生的實際學(xué)習(xí)情況，也難以對學(xué)生的學(xué)習(xí)能力進(jìn)行客觀評價。

二、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)教學(xué)改革探索

依據(jù)使用計算思維將復(fù)雜工程問題抽象、分解和組合的原理，按照無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧分層逐層講解的方式，在介紹基礎(chǔ)原理之后，引導(dǎo)學(xué)生對問題進(jìn)行關(guān)鍵部分抽取、解決小問題、再重整的方式對新知識點中的問題進(jìn)行解決，訓(xùn)練學(xué)生的計算思維[4]。

（一）訓(xùn)練學(xué)生利用計算思維解決工程問題的方法

1.重新組織授課內(nèi)容。課堂上不再按照教材的知識點編排順序進(jìn)行教學(xué)，而是在介紹無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定義、組成和特征之后按照無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要協(xié)議棧的分層順序進(jìn)行講授。課程概述部分讓學(xué)生了解本課程在整個課程體系中的位置和作用，隨后給出參考教材。接著，通過邀請學(xué)生進(jìn)行消息傳遞的游戲，啟發(fā)學(xué)生思考在消息傳遞的過程中游戲做了什么限制，學(xué)生在消息傳遞過程中對消息進(jìn)行了什么樣的處理，以及消息的最后傳輸結(jié)果如何，由此引出無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定義。在由PPT給出無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定義之后，教師結(jié)合之前的游戲?qū)o線傳感器網(wǎng)絡(luò)定義中的關(guān)鍵詞“大量”“微小”“面向任務(wù)”“自組織”“多跳”等進(jìn)行解釋。在網(wǎng)絡(luò)分類等概念性基礎(chǔ)知識講解完成后，教師按照物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層的分層結(jié)構(gòu)，自下而上對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)議和應(yīng)用進(jìn)行講解。這樣，學(xué)生能夠更清晰地了解各知識點的位置和作用。

2.課堂檢測分類施策。在課堂上完成對學(xué)生課程知識復(fù)習(xí)和運用的考核。在以往教學(xué)中，教師在課堂講授完計劃知識點后布置課后習(xí)題，學(xué)生課下完成習(xí)題，再由教師收取、批改。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)課程講授的技術(shù)仍在快速發(fā)展前進(jìn)中，課程更著重于訓(xùn)練學(xué)生的思維能力。因此，本課程并不著重于對學(xué)生進(jìn)行重復(fù)性訓(xùn)練，而是要訓(xùn)練學(xué)生靈活運用已學(xué)知識發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題。針對這一目標(biāo)，教師在課堂講授過程中不定期發(fā)布課堂作業(yè)，要求學(xué)生當(dāng)堂完成并上交。課堂作業(yè)分為三類：基礎(chǔ)知識判斷、提前解決和知識點檢測。

“基礎(chǔ)知識判斷”作業(yè)一般在教師引出待解決問題后提出，由學(xué)生利用課程前期的知識進(jìn)行解答。該作業(yè)要求學(xué)生判斷待解問題應(yīng)使用何種基礎(chǔ)知識，一方面對學(xué)生的課下復(fù)習(xí)情況進(jìn)行檢查，另一方面要求學(xué)生課堂上積極主動思考，而不是被動接受。

“提前解決”作業(yè)一般出現(xiàn)在較復(fù)雜問題提出之后、解決方案講解之前。教師在提出問題并引導(dǎo)學(xué)生回顧需要使用的知識點后，要求學(xué)生根據(jù)提示進(jìn)行問題解答。

“知識點檢測”作業(yè)一般在教師對知識點進(jìn)行講解之后檢測學(xué)生當(dāng)堂吸收能力時使用。在一個較為重要的知識點講解之后，教師立即發(fā)布當(dāng)堂作業(yè)，關(guān)閉或調(diào)整PPT顯示頁面，要求學(xué)生用自己的語言重述當(dāng)堂所學(xué)內(nèi)容。這項作業(yè)不要求學(xué)生對知識點進(jìn)行完全一樣的復(fù)述，而是要求學(xué)生組織自己的語言對知識點進(jìn)行書面“講解”。

這三項作業(yè)中的前兩項由教師當(dāng)堂收取并根據(jù)學(xué)生回答情況進(jìn)行授課內(nèi)容微調(diào)。如果學(xué)生對前期知識點掌握不足、復(fù)習(xí)情況較差，則對相應(yīng)知識點進(jìn)行重復(fù)講解?？紤]到學(xué)生對知識點的即時理解和掌握能力有區(qū)分，“知識點檢測”作業(yè)一般當(dāng)堂收取之后由教師課下檢查，并在發(fā)現(xiàn)學(xué)生不足后通過網(wǎng)絡(luò)交流工具督促學(xué)生課下復(fù)習(xí)。

3.布置文獻(xiàn)閱讀報告作為學(xué)期課下大作業(yè)。由于教學(xué)進(jìn)度和課時限制，課堂作業(yè)一般以小問題和重點知識為主，難以考查較為復(fù)雜的問題。結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)仍在發(fā)展的特點，教師要求學(xué)生以所學(xué)知識為基礎(chǔ)，自主查找最新文獻(xiàn)并撰寫閱讀報告。教師演示獲取數(shù)字資源的方法，并以課程學(xué)習(xí)中經(jīng)典協(xié)議的對應(yīng)文獻(xiàn)講解為例，教導(dǎo)學(xué)生如何閱讀文獻(xiàn)并抽取關(guān)鍵信息。學(xué)生的課下大作業(yè)需首先對文獻(xiàn)內(nèi)容進(jìn)行總體描述，而后分項總結(jié)文獻(xiàn)研究問題的提出基礎(chǔ)、給出的解決方法、與以往方法的比較，最后嘗試發(fā)現(xiàn)文獻(xiàn)中解決問題的方法并給出自己的改進(jìn)方法。作為一項開放性作業(yè)，文獻(xiàn)閱讀報告允許學(xué)生依據(jù)自己的能力選取相應(yīng)文獻(xiàn)進(jìn)行新技術(shù)學(xué)習(xí)。同時，通過文獻(xiàn)閱讀報告的撰寫鍛煉了學(xué)生學(xué)習(xí)新知識、分析比較、歸納總結(jié)、運用舊知識和展示學(xué)習(xí)結(jié)果的綜合能力。

（二）充分調(diào)動學(xué)生參加實驗的積極性

教師在課堂授課結(jié)束之后留出三周左右時間供學(xué)生預(yù)習(xí)基于Zigbee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實驗，并提供預(yù)習(xí)資料。預(yù)習(xí)資料包括實驗指導(dǎo)手冊、基于Zigbee的實驗參考書電子版鏈接、基于Zigbee的實驗視頻講解網(wǎng)址鏈接。由于線上平臺的實驗并不能很好地反映實際硬件實驗，有一些在線下實驗中由于操作失誤或者無線信號干擾造成的實驗現(xiàn)象并不會出現(xiàn)。因此，線上實驗并不能替代線下實驗。但線上實驗教學(xué)內(nèi)容是線下實驗很好的補充資源。所以，本課程使用線上資源作為學(xué)生準(zhǔn)備線下硬件實驗的預(yù)習(xí)材料。線下實驗依然由學(xué)生分組進(jìn)行，但每組中的學(xué)生區(qū)分貢獻(xiàn)度并在實驗報告中標(biāo)注。由此，實驗評分在小組評分基礎(chǔ)上根據(jù)各成員的貢獻(xiàn)有所區(qū)別。線下實驗過程中，教師鼓勵學(xué)生積極參與小組討論、測試實驗現(xiàn)象、探討實驗失敗原因，并在巡視過程中予以交流輔導(dǎo)，學(xué)生也可在課下通過網(wǎng)絡(luò)通訊工具與教師探討實驗現(xiàn)象。

（三）實施過程性評價

采用過程性評價對學(xué)生的課程學(xué)習(xí)進(jìn)行考核。課程過程性評價中，學(xué)生的期末考試成績占比降低至50%，另50%為平時成績。平時成績包含課堂作業(yè)、文獻(xiàn)閱讀報告和課程實驗。平時成績中的課堂作業(yè)是學(xué)生在課堂上完成的，是學(xué)生對課堂知識學(xué)習(xí)掌握程度和運用能力的體現(xiàn)，也對完成情況較差的學(xué)生起到督促作用。文獻(xiàn)閱讀報告在課堂教學(xué)結(jié)束后進(jìn)行，檢測學(xué)生自學(xué)能力和課程知識綜合運用能力。課程實驗開始前和課堂教學(xué)結(jié)束之間的間隔時間，由學(xué)生自行規(guī)劃、掌握，用于學(xué)習(xí)線上資料，完成硬件實驗的理論知識預(yù)習(xí)，為硬件實驗打下基礎(chǔ)。課程實驗中，學(xué)生需要實際運用前期知識進(jìn)行綜合操作。此外，學(xué)生還需要組織分組、分配和協(xié)調(diào)小組成員任務(wù)、嘗試解決新的實驗問題、在組間進(jìn)行相互學(xué)習(xí)等。因此，平時成績這三大塊內(nèi)容能夠更好地反映學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，對學(xué)生的課程學(xué)習(xí)做出更為客觀的評價。

三、結(jié)語

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)課程以培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力為培養(yǎng)目標(biāo)，在傳統(tǒng)課堂教學(xué)基礎(chǔ)上，通過拆分課程知識點并組合運用，培養(yǎng)學(xué)生的計算思維。教學(xué)過程中教師作為引路人和提示者，逐步訓(xùn)練學(xué)生自主發(fā)現(xiàn)問題、分解問題、組合問題、解決問題的能力。通過過程性評價中的反饋和學(xué)生進(jìn)行互動，逐步培養(yǎng)學(xué)生解決問題的信心和能力。

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