無線傳感器網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)方法探索

摘要：針對學(xué)生在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)過程中存在的困難，探索一種易于學(xué)生接受并能快速指導(dǎo)實踐的教學(xué)方法。文章采用將小型開發(fā)板帶入課堂，理論和實踐無時間差結(jié)合的項目式教學(xué)法，讓學(xué)生在實踐-理論-再實踐的過程中逐步掌握艱深的理論知識。同時，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)仿真平臺及云平臺，模擬數(shù)據(jù)采集及上傳并下發(fā)控制指令的物聯(lián)網(wǎng)工作過程，讓學(xué)生對整個物聯(lián)網(wǎng)體系有較為清晰的認(rèn)知，并明確該課程在整個物聯(lián)網(wǎng)體系中的重要作用。另外，采用分組式教學(xué)，學(xué)生的綜合成績是根據(jù)小組共同得分及個人表現(xiàn)得分加權(quán)計算獲得，該方式可以調(diào)動同學(xué)之間互幫互助、共同監(jiān)督、共同促進(jìn)的良好學(xué)習(xí)風(fēng)氣，并且小組討論、相互教并快速實踐的學(xué)習(xí)方式有助于學(xué)習(xí)內(nèi)容的及時內(nèi)化吸收和記憶。

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；項目式教學(xué)；TBL教學(xué)模式;分組教學(xué)；物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）27-0171-03

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是信息技術(shù)的第三次技術(shù)革命，它是鏈接信息世界與現(xiàn)實世界的關(guān)鍵橋梁，其應(yīng)用越來越廣泛。為適應(yīng)時代發(fā)展和國家需求，許多高校都開設(shè)了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相關(guān)課程。其中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是重要的先導(dǎo)課程，該課程涉及通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、RFID 技術(shù)、傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)等多項綜合信息技術(shù)。該課程是以培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)、對物物互聯(lián)技術(shù)具有運用理論知識解決應(yīng)用系統(tǒng)構(gòu)建能力為目標(biāo)、培養(yǎng)應(yīng)用型人才的重要課程[1-3]。

對于本校測控專業(yè)學(xué)生，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)課程的教學(xué)實施過程中，主要存在以下一些問題：1） 該課程的內(nèi)容屬于多學(xué)科交叉的應(yīng)用學(xué)科，目前其良好的教學(xué)方式仍處于摸索實踐階段，缺少可以借鑒的成熟體系和成功經(jīng)驗。2） 課程內(nèi)容涉及的知識點多且復(fù)雜，導(dǎo)致學(xué)生抓不住重點，缺乏學(xué)習(xí)興趣。目前，不斷涌現(xiàn)出的無線通信方式種類繁多，有短距離、中距離、中長距離以及低功耗廣域等方式，面對復(fù)雜的通信協(xié)議，對于缺乏扎實的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及通信基本理論知識的測控專業(yè)同學(xué)而言，如果僅僅是理論知識的灌輸結(jié)合幾次演示性實驗教學(xué)的話，將很難提起學(xué)習(xí)興趣，導(dǎo)致厭倦情緒。3） 沒有系統(tǒng)全面的教材，而且各個教材內(nèi)容與科研、生產(chǎn)等實踐環(huán)節(jié)脫節(jié)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)不僅僅是通信的方式，還是要服務(wù)于物聯(lián)網(wǎng)整個大的系統(tǒng)體系，而目前的“無線傳感器網(wǎng)絡(luò)”教材大多只是講授各種無線通信原理、協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)、時鐘同步技術(shù)、定位技術(shù)等，并沒有結(jié)合實際的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用例子或?qū)嶋H項目來編排，使學(xué)生不知道如何學(xué)以致用[4-5]。4） 理論教學(xué)課時少，學(xué)生實踐能力弱，導(dǎo)致課程教學(xué)效果差。目前的教學(xué)課時安排大都是理論課時32學(xué)時，實驗學(xué)時8學(xué)時，主要是理論講授加實驗演示的方式，即以教師講授演示為主，學(xué)生跟著操作，實際動手開發(fā)的機(jī)會較少，影響學(xué)習(xí)的積極性，無法培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。

目前，很多高校都對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)課程的教學(xué)進(jìn)行了改革和探索，取得了一定的成績。河海大學(xué)的吳迪[6]等人提出了一種“無線傳感網(wǎng)絡(luò)”四階教學(xué)法，該方法可有效提升教學(xué)質(zhì)量、加強(qiáng)學(xué)生實踐創(chuàng)新應(yīng)用能力。張愛清[7]等人針對“無線傳感器網(wǎng)絡(luò)”課程內(nèi)容多、理論枯燥、難度大的特點，提出了比較法和演示法的教學(xué)方法改革，并探討了多元化課程考核方案。楊建強(qiáng)[8]等人針對應(yīng)用型高校對學(xué)生應(yīng)用能力培養(yǎng)的要求，提出一種以ZigBee技術(shù)為基礎(chǔ)的講、演、練教學(xué)設(shè)計方法。以上各種針對“無線傳感器網(wǎng)絡(luò)”課程提出的教學(xué)改革方法都在本校學(xué)生中取得了有效的教學(xué)成果。

鑒于以上問題及研究現(xiàn)狀分析，本文結(jié)合本校本專業(yè)學(xué)生的學(xué)情和培養(yǎng)目標(biāo)，提出將小型開發(fā)板引入課堂的項目式分組教學(xué)法，在實踐-理論-再實踐的過程中提高學(xué)習(xí)效率及學(xué)生的創(chuàng)新實踐能力。同時，進(jìn)行每3～4個學(xué)生為一組的分組性教學(xué)，旨在提高學(xué)生的團(tuán)隊協(xié)作精神和加強(qiáng)對團(tuán)隊利益負(fù)責(zé)的責(zé)任心。

1 分組項目式教學(xué)的優(yōu)勢

學(xué)習(xí)金字塔理論是由美國著名學(xué)習(xí)專家愛德加·戴爾提出，如圖1所示，它用數(shù)字形式形象地展示了采用不同的學(xué)習(xí)方式，學(xué)習(xí)者在兩周后還能記住學(xué)過內(nèi)容的平均學(xué)習(xí)保持率。從該圖中可以看出，采用傳統(tǒng)的教師講授、學(xué)生聽的教學(xué)模式是一種被動學(xué)習(xí)方式，并沒有調(diào)動學(xué)生的主動學(xué)習(xí)積極性，是效率最低的學(xué)習(xí)模式，兩周后僅能記住學(xué)習(xí)內(nèi)容的5%。這也就是為什么老師感覺上課的時候?qū)W生反應(yīng)還都不錯，貌似都聽懂了，考試的時候成績卻很差的原因。從圖中還可以看出，分組討論、實踐練習(xí)以及相互教并快速使用的學(xué)習(xí)方法有助于學(xué)生加深對知識的理解和記憶。因此，在教學(xué)設(shè)計過程中，可根據(jù)學(xué)習(xí)金字塔理論中不同學(xué)習(xí)方式所產(chǎn)生的效果進(jìn)行設(shè)計。課前，可布置預(yù)習(xí)任務(wù)，讓學(xué)生通過視聽結(jié)合的方式或示范演示的學(xué)習(xí)資源進(jìn)行課前自主學(xué)習(xí)。在課堂，創(chuàng)設(shè)團(tuán)隊學(xué)習(xí)的情景，讓學(xué)習(xí)者在交流合作、實踐操作中進(jìn)行學(xué)習(xí)，沒學(xué)懂的同學(xué)可積極向同組同學(xué)請教，學(xué)有余力的同學(xué)，應(yīng)積極幫助同組其他同學(xué)，在教別人的過程中，進(jìn)一步鞏固加深記憶。同時，項目式教學(xué)是注重以項目為載體的主動性教學(xué)方法，重視工程文化教育，能極大提高學(xué)生的創(chuàng)新意識和工程應(yīng)用能力。

本課程的教學(xué)改革也就是基于以上的學(xué)習(xí)金字塔理論進(jìn)行了分組項目式教學(xué)，將同學(xué)們依據(jù)對知識掌握的不同層次搭配，按3人一組分成了若干組。依據(jù)教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)計劃，將理論知識對應(yīng)到不同的項目中，在上課過程中，同學(xué)們可利用小型開發(fā)板實踐不同的項目，發(fā)現(xiàn)問題后再進(jìn)行理論知識的學(xué)習(xí)，然后對項目進(jìn)行難度和理論升級，進(jìn)一步掌握理論知識并逐步具備知識遷移和創(chuàng)新的能力。

2 項目式教學(xué)在“無線傳感器網(wǎng)絡(luò)”課程中的實施

2.1 項目準(zhǔn)備

項目的準(zhǔn)備環(huán)節(jié)就是幫助不同學(xué)習(xí)程度的同學(xué)確立學(xué)習(xí)目標(biāo)、根據(jù)設(shè)計要求確定實施方案的過程。在這個過程中針對不同層次的學(xué)生設(shè)計難度適當(dāng)超出學(xué)生認(rèn)知能力的題目，給學(xué)生以探索和思考的空間，在解決困難問題的過程中感受學(xué)習(xí)的樂趣。首先，要明確該項目要實現(xiàn)的目標(biāo)，也即被測量是什么，需要多少個終端節(jié)點，節(jié)點和網(wǎng)關(guān)之間采用什么樣的無線傳輸方式，網(wǎng)關(guān)采用什么樣的傳輸方式將數(shù)據(jù)上傳到云平臺，如何對數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化應(yīng)用設(shè)計，應(yīng)用端如何與云平臺的數(shù)據(jù)進(jìn)行交互等問題。其次，需明確相關(guān)聯(lián)的理論知識及教學(xué)方式的確定。

2.2 項目實施

項目的實施依據(jù)教學(xué)進(jìn)度分為難度逐級遞增的四部分，首先是從I/O口的配置和使用、采用中斷方式控制外部設(shè)備、利用串口與上位機(jī)實現(xiàn)通信、如何驅(qū)動TFT顯示器輸出顯示所需的內(nèi)容、如何采集溫濕度傳感器DHT11的數(shù)據(jù)等5個項目中逐步熟悉CC2530 單片機(jī)的資源及開發(fā)方式；其次，針對ZigBee無線通信，從開發(fā)環(huán)境配置、單播通信、組播通信和廣播通信等幾個方面熟悉ZigBee協(xié)議棧Zstack及ZigBee通信方式；然后從節(jié)點采集溫濕度傳感器DHT11的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器、用電腦串口發(fā)送AT指令控制Wi-Fi模塊、用CC2530的串口AT指令控制Wi-Fi模塊、網(wǎng)關(guān)采用Wi-Fi 無線通信將數(shù)據(jù)傳輸給手機(jī)、協(xié)調(diào)器采用Wi-Fi無線通信將數(shù)據(jù)傳輸給云平臺、在云平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化等逐次遞進(jìn)的項目中實現(xiàn)一個完整的物聯(lián)網(wǎng)工作過程；最后，設(shè)定一定難度的綜合項目，讓學(xué)生一步步加深學(xué)生內(nèi)容，不至于因為內(nèi)容太難，一開始就產(chǎn)生畏難情緒而放棄。如表1所示為教學(xué)過程中逐級需要實現(xiàn)的各級各類項目。

在項目的實施過程中，根據(jù)每組以及每個同學(xué)掌握的情況，可以適當(dāng)增加或減小難度，讓基礎(chǔ)稍弱的同學(xué)也能有興趣參與學(xué)習(xí)中而不是因為畏難情緒就索性放棄，也要讓基礎(chǔ)較好的同學(xué)去嘗試探索更深的知識，體驗攻克困難取得進(jìn)步的成就感和價值感。如圖2所示為課堂中部分同學(xué)完成的部分項目示意圖。ZigBee 終端實時采集溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)，傳輸給ZigBee協(xié)調(diào)器，并同時在終端和協(xié)調(diào)器上顯示。協(xié)調(diào)器通過Wi-Fi無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳到云平臺，從云平臺界面可以看到數(shù)據(jù)的變化趨勢。為了對數(shù)據(jù)顯示進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計了數(shù)據(jù)的可視化Web界面，可通過儀表盤和折線圖直觀地觀測到數(shù)據(jù)的實時變化和歷史數(shù)據(jù)。

2.3 項目總結(jié)

項目總結(jié)包括成果展示和報告的撰寫。在整個項目執(zhí)行環(huán)節(jié)，報告的撰寫占有很重要的地位，寫報告的過程可以幫助學(xué)生梳理思路，是一個建立知識鏈接的過程，是將所學(xué)知識由實踐上升到理論的過程。因此，要對報告進(jìn)行嚴(yán)格把關(guān)，規(guī)范格式和內(nèi)容。

3 TBL 教學(xué)及成績評定

TBL模式是以團(tuán)隊合作為基礎(chǔ)進(jìn)行學(xué)習(xí)活動的過程，其組成元素是分組、學(xué)生課前自學(xué)、個人測驗、小組測驗、應(yīng)用性練習(xí)以及評價等。結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)課程的理論知識特點和擬采取的小型開發(fā)板項目式教學(xué)方法，將TBL教學(xué)活動分為課前和課堂兩個活動過程，知識儲備、知識考核、知識應(yīng)用3個階段7 個步驟，具體教學(xué)設(shè)計如圖3所示：

其中課前活動包含組建小組和目標(biāo)導(dǎo)學(xué)，合理有效地組建團(tuán)隊是開展TBL教學(xué)模式的前提，每個團(tuán)隊可由3人組成，在組建過程中，對不同學(xué)生的學(xué)習(xí)表現(xiàn)、學(xué)習(xí)能力、性格特點等差異性進(jìn)行考慮分配組建，以保證每個小組之間的綜合水平相當(dāng)。在目標(biāo)導(dǎo)學(xué)階段，由教師根據(jù)教學(xué)內(nèi)容確定教學(xué)目標(biāo)并準(zhǔn)備好相關(guān)的學(xué)習(xí)資料和項目內(nèi)容，并在教學(xué)的前一周發(fā)給學(xué)生，并告知學(xué)生明確的教學(xué)要求和要實現(xiàn)的項目結(jié)果，讓學(xué)生有針對性地查找資料。

課堂活動主要分為知識考核和知識應(yīng)用，知識考核為個人準(zhǔn)備測試、團(tuán)隊準(zhǔn)備測試和知識鞏固內(nèi)化，知識應(yīng)用為團(tuán)隊?wèi)?yīng)用任務(wù)和評價總結(jié)。個人準(zhǔn)備測試的目的在于考查學(xué)生課前預(yù)習(xí)準(zhǔn)備的學(xué)習(xí)效果，學(xué)生在5～8分鐘內(nèi)獨立完成若干單項選擇題，這可以避免有的同學(xué)完全依賴組員的消極學(xué)習(xí)行為。團(tuán)隊準(zhǔn)備測試是在個人準(zhǔn)備測試完成后進(jìn)行，根據(jù)項目內(nèi)容提高項目完成的難度，讓小組成員共同在一定時間內(nèi)討論完成。知識鞏固內(nèi)化是在個人準(zhǔn)備和團(tuán)隊準(zhǔn)備測試后，針對普遍存在的問題，鼓勵學(xué)生進(jìn)行回答，最后由老師進(jìn)行講解，及時發(fā)現(xiàn)解決學(xué)生在項目完成過程中普遍存在的疑惑，讓學(xué)生對此前比較弱的知識進(jìn)行鞏固內(nèi)化，為完成下一環(huán)節(jié)團(tuán)隊?wèi)?yīng)用任務(wù)做準(zhǔn)備。團(tuán)隊?wèi)?yīng)用任務(wù)是針對該課程設(shè)置的實踐項目，利用開發(fā)板和平臺仿真等由小組成員共同協(xié)作完成，并書寫項目報告。最后，評價總結(jié)是對團(tuán)隊任務(wù)的完成情況進(jìn)行評價，有沒有實現(xiàn)預(yù)定的功能，報告書寫是否規(guī)范，針對硬件和軟件程序等，抽不同的組員進(jìn)行回答問題，并對小組的綜合表現(xiàn)進(jìn)行打分評價。如表2所示為學(xué)生的成績評定方式，其中項目執(zhí)行分為課堂項目和最后的創(chuàng)新項目，均是由小組成員共同討論完成，但在成績評定過程中既要避免“搭便車”的現(xiàn)象，也要鼓勵學(xué)有余力的同學(xué)挑戰(zhàn)更難的任務(wù)，因此通過加權(quán)的方式來計算得出最終成績。

4 結(jié)束語

本文針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)課程在授課過程中出現(xiàn)的困難和問題，提出了項目式教學(xué)結(jié)合TBL模式的教學(xué)改革。將小型開發(fā)板引入課堂，讓學(xué)生在實踐過程中遇到問題，然后再有針對性地學(xué)習(xí)理論知識。將課程內(nèi)容按講解順序設(shè)置為不同難度的實踐項目，讓學(xué)生先對學(xué)習(xí)的內(nèi)容通過實踐有個直觀感性的認(rèn)識，然后再回頭學(xué)習(xí)理論，加深對理論的理解。同時，TBL 教學(xué)模式有助于培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)結(jié)互助精神，也在組員互相討論講解的過程中更有助于知識的內(nèi)化吸收和掌握。該方法的實施取得了較好的教學(xué)效果，也提高了學(xué)生的實踐動手能力和學(xué)習(xí)興趣。

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【通聯(lián)編輯：王 力】

基金項目：基于TBL 項目式的“無線傳感器網(wǎng)絡(luò)”教學(xué)模式探索與實踐基金項目名稱（2022JY022）