基于翻轉課堂思想的《RFID原理及應用》課程改革與實踐

梁慶中+曾德澤+童恒建+姚宏

摘 要：《RFID原理及應用》課程是物聯網專業（方向）的重要課程之一，然而在教學過程中也面臨著學時緊、實驗條件有限，理論學習與實踐難以平衡等問題。本文在《RFID原理及應用》課程改革中引入了“翻轉課堂”的思想，采用以項目為驅動，逐層推進的學習方式，通過項目驅動、學習引導及過程控制，對課程教學過程及內容重新做了規劃。實踐證明，基于“翻轉課堂”思想的《RFID原理及應用》課程改革在提升學習興趣，培養實踐能力等方面都取得了良好的教學效果。

關鍵詞：翻轉課堂；射頻識別；課程改革

中圖分類號：TP320 文獻標識碼：A

Abstract：The course of RFID principle and application is one of the important courses in the major of Internet of Things.However，in the teaching process，the course is also faced with the difficulties of tight learning and limited experimental conditions.At the same time，it is also difficult to achieve a balance between theoretical learning and practice.In this paper，the idea of flipped classroom is introduced to reform the course of RFID principle and application.With the project-driven and step-by-step method，the course content and teaching process are rearranged through project driven，learning guidance and process control.The teaching practice results prove that the reform of RFID principle and application based on Flipped classroom has brought good teaching effects in enhancing learning interest and cultivating practical ability.

Keywords：flipped classroom；Radio Frequency Identification （RFID）；course reform

1 引言（Introduction）

射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）通過無線射頻方式獲取物體的相關數據，并對物體加以識別，是一種非接觸式的自動識別技術[1]。它通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數據，識別工作無須人工干預，并可以工作于各種惡劣環境，快速、實時、準確地處理信息，是實現物聯網的關鍵技術[2，3]。《RFID原理及應用》作為物聯網工程專業的核心課程之一，在人才培養的過程中有著重要的作用[4]。然而，不同專業背景的學生在學習該課程時，面臨著不同的問題。本文從中國地質大學（武漢）網絡工程專業（物聯網方向）人才培養角度出發，結合專業背景及特點，引入“翻轉課堂”的思想，就如何建設RFID課程進行探索。

2 開設課程專業背景及特點（Background and

characteristics of the major）

中國地質大學（武漢）計算機學院網絡工程專業以培養具有良好綜合素質和開拓創新能力、在計算機技術和網絡通信領域獲得工程師基本訓練和具有綜合知識的高級工程技術人才為目標；堅持“一個基礎，一個背景、一個特色”的教學定位，以計算機科學為基礎，以“資源環境”應用為背景，突出中國地質大學網絡工程專業（物聯網方向）的專業特色；以夯實計算機科學與技術為基礎，以網絡技術、網絡管理、網絡信息安全的理論和實踐為核心，突出大地學背景下的物聯網方向專業特色。2010年，計算機學院整合了相關優勢學科科研與教學團隊（涵蓋了傳感器數據采集與應用、網絡傳輸與安全、大規模數據處理與云計算、地學信息工程），將“下一代網絡”物聯網工程作為一個重要的培養方向，培養具備“大地學背景”的物聯網工程人才；隨后的2011年，網絡工程專業（物聯網方向）獲得了“湖北省戰略性新興支柱產業計劃”的資助；2012年獲得湖北省首批本科專業綜合改革試點項目，培養資源環境領域的物聯網特色人才。物聯網技術屬于多學科交叉、融合的技術，物聯網專業所培養的人才，從類別上屬于“工程應用型”人才。目前本專業已經完成了從網絡工程專業到物聯網方向的專業教學及實驗教學內容的整合[5]。學生主要學習計算機科學、通信科學、資源與環境科學的基本理論和基本方法，包括資源環境物聯網相關基礎理論、工程規劃、設計、實施、安全管理，以及智能終端設計、應用開發等一系列圍繞資源環境物聯網的新知識、新技術和新應用的課程。

3 RFID課程現狀分析（Status analysis of RFID

principle and application）

《RFID原理及應用》課程是中國地質大學（武漢）計算機學院網絡工程專業（物聯網方向）的專業方向課程[6]，開課時間為大三上學期。課程內容側重于理論與技術在工程中的應用，使學生能夠把理論與實際結合起來。本課程的任務在于：使學生對物聯網與射頻識別（RFID）技術建立起完整的概念；其次，通過對RFID技術基本原理及關鍵技術的學習，進一步提高學生的RFID技術的應用能力和使用技巧；第三，通過RFID應用實例設計及實現方法的訓練，激發學生對RFID應用技術的興趣，培養學生的動手能力，理解RFID技術在物聯網中的地位和作用。講授的主要內容包括：物聯網的基本概念和典型架構，射頻識別技術的工作原理，無線射頻識別的頻率標準與技術規范，讀寫器和電子標簽的結構，射頻識別應用系統，以及RFID在通信應用中的相關算法等內容。從2012年開設此課程至今，經過4年的教學積累，《RFID原理及應用》課程的教學表現出一系列的特點。endprint

（1）課時短，知識點難以深入。《RFID原理及應用》課程總共40個課時，其中課堂教學32課時，實驗8課時。而《RFID原理及應用》課程涉及了電子設備技術與芯片設計技術、計算機網絡和通訊、系統集成與應用等多個方面，是一門跨學科、綜合性很強的課程。由于要在有限的時間內，要涵蓋RFID系統的工作原理、讀寫器與電子標簽技術特點及應用、RFID系統中的數據表示及處理、RFID系統的中間件原理及設計，以及RFID應用系統的實施過程等知識點，因此分配給每個知識點的課時并不多。想要在有限的課時內把所有知識點講透徹講全面，難度非常大。

（2）專業背景限制了課程學習效果。《RFID原理及應用》課程授課對象為計算機學院網絡工程專業（物聯網方向）的大三學生。其前導課程主要以計算機類的程序設計、計算機系統及組成原理、數據結構與算法等課程，以及網絡通信類的網絡體系及管理、通信原理及接入技術等課程為主。與其他高校依托于計算機學院的物聯網專業面臨的情況類似[4，7]，由于沒有電類知識基礎，也缺乏對電磁波理論知識的儲備，因此本專業學生對于課程中的讀卡器及標簽電路原理缺乏學習興趣，對于射頻通信原理的理解與學習難度大。從多年的教學效果來看，相對于其他知識點來說，在這幾個知識的教學課堂效果是最差的。

（3）實驗條件有限，實踐能力培養受制約。《RFID原理及應用》課程總體課時短，因此分配給實驗課的時間更少，8課時的實驗課安排，僅能夠保證RFID應用開發環境配置使用和簡單系統的體驗式操作。另外，目前市場上所能采購到的RFID實驗設備所針開設的實驗課程，重點放在對于各頻段RFID模塊的管理、控制以及上位機程序的應用開發上，學生們可以利用開放的通訊協議，編寫上位機應用程序與RFID模塊進行數據的采集交互。這類實驗設備能夠讓學生通過親自操作來體驗RFID系統的工作原理，但其實現的過程相對比較簡單，大多僅能完成驗證性實驗，而對于RFID應用系統的設備部署、網絡配置及應用系統展示等關鍵技術環節的實驗支持力度較小。

綜上所述，針對以上問題，網絡工程專業（物聯網方向）的《RFID原理及應用》的課程建設，重點在于解決理論學習與實踐能力培養的均衡問題。在積極調動學生自主學習積極性的前提下，通過課程學習與實踐，不僅能掌握RFID技術的原理和應用方法，更能融會貫通之前所學的數據庫、嵌入式系統及網絡規劃與管理等專業課程知識，真正做到學以致用。

4 基于“翻轉課堂”的課程改革思路（The course

reform thoughts based on Flipped classroom）

近年來 “翻轉課堂”作為一種新的教學模式，突破了傳統課堂教學的時空限制，能夠提高學生學習興趣、增強師生互動交流、活躍課堂氣氛、釋放出了課堂時間來深入了解知識在實際生活中的具體應用，同時讓教師更了解學生、實現學生個性化學習、開拓學生思維，有利于培養學生的學習能力、表達能力與創新能力[8]。翻轉課堂教學模式將教學中心從以“教師為中心”的傳授方式轉移為以“學生為中心”的自主學習方式，強調課堂外學習，它在軟件類課程教學中已得到了較好的應用[9]，這也為解決《RFID原理及應用》教學過程中出現的學時緊、實驗條件有限等問題，提供了新的思路。

對于網絡工程專業（物聯網方向）而言，基于美國心理學家布魯姆提出的掌握學習理論思想[10]，《RFID原理及應用》的課程建設，將學習內容劃分為若干個小目標，逐一引導學生完成，從易到難，以循序漸進的方式讓學生在相對輕松的氛圍里學習知識并掌握知識[11]。其核心主要體現在項目驅動、學習引導及過程控制三個部分。

（1）基于RFID項目實施過程來串聯《RFID原理及應用》課程的主要知識點，將整門課程的學習任務分解為RFID應用系統需求分析及概要設計、系統設備部署及詳細設計，以及設備調試及系統實現三個階段。每個階段覆蓋不同的知識點，通過向各階段里程碑推進的過程，來推動及檢驗學生對知識點的學習。

（2）翻轉學習過程中堅持以學生為中心，引導學生開拓思路，從興趣出發，在身邊找RFID應用，在課堂外利用網絡社區、數字資源及開源工具等去分析問題，尋求解決問題的方法，進而達到在完成階段任務的同時掌握RFID技術原理及應用知識的目的。

（3）“翻轉課堂”的教學組織關鍵還是在于過程控制。與傳統教學“講與聽”方式不一樣，翻轉課堂強調“學與問”[8]。學生在課堂外通過協作學習，要完成RFID相關理論知識的學習，向項目各里程碑節點推進；在課堂內要完成成果交流與匯報及難重點知識的積累[12]。為了能夠保證理論學習與項目實施的進度，教師課外學習與課堂教學中就要起到非常重要的過程控制作用，既要完成授業解惑的工作，又要扮演好項目經理的角色。

5 改革后的RFID課程的教學內容安排（Reformed

teaching content arrangement）

《RFID原理及應用》課程的教學，以項目驅動的方式進行。在教學班中，每三人一組（每組不超過三個人），每組從RFID的應用領域中選一應用場景設計方案并加以實現，方案選題不許重復。學生圍繞著如何設計實施一個典型RFID應用進行學習，整個課程分為三個階段進行：

（1）方案選型。在應用領域中選擇一個RFID的應用設計解決方案，完成系統需求分析及概要設計。在開課第三周（完成每周4課時，共8課時理論學習后），由各小組匯報解決方案的應用場景、技術優勢等，并接受提問。

（2）方案設計。根據所選擇的方案，完成系統設備部署設計并對RFID應用系統進行詳細設計；對展示的原型系統功能進行設計。在開課第五周，各小組匯報設計方案，并接受提問。

（3）方案實現。完成設備調試及系統實現，在開課第八周各小組匯報方案的實現過程，展示原型系統并接受提問。endprint

在此過程中，教師在翻轉課堂教學交互過程中起著關鍵作用，主要工作包括幾方面：

（1）重點、難點知識點講解。RFID技術屬于跨學科性很強的技術，因此對于以計算機及網絡工程為背景的網絡工程（物聯網方向）專業學生來說，電磁學理論、射頻通信原理等都是難以理解的知識。因此，即使網絡上有大量的文字及視頻資料，這些原理性的知識點的自學效果依然很差，因此必須要由教師完成課堂講授。采用這樣一種“原理老師講，用法自己學”的思路，既避免了學生在枯燥而又事倍功半的理論知識搜索中失去學習興趣，又能夠使其很快將理論知識與實踐相結合，有效提高各知識點的學習效率。

（2）問題分析與評價。學生在自主學習知識的應用及項目實施過程中，必然會出現知識點理解不完整，考慮不周全的問題，如設備部署的規范性、RFID應用場景的局限性以及上層系統的有效性等。而由于采用的是遞進式的項目推進學習方式，這些知識的掌握和應用情況，直接關系到后繼工作能否展開，最終的項目能否得到正確實施。因此，教師在教學過程中，需要通過課外交流、課堂提問等方式，及時發現學生在自學過程中的問題并加以解疑，如此才能保證學生對知識點的掌握準確有效。

（3）過程評估。為了使學生能夠更深入有效完成知識到實踐的轉化，保證技術線路的可行性，必須要對以各節點課堂匯報為標志的協作學習效果做出及時準確的評估。評估內容包括：

a.學習效果評估。通過對學生對RFID技術的應用情況，評估其是否掌握所需要覆蓋的知識點，是否理解RFID系統的工作原理等。

b.工作質量評估。通過項目實施過程中各小組對于設備部署方式設計、網絡拓撲設計、系統功能及接口設計及數據庫模型設計等的完成質量，評估其綜合的系統分析、設計及完成能力。同時根據小組分工，評估其團隊的協同學習能力及團隊合作能力。

c.項目進程評估。根據學生在各階段學習任務的完成情況，評估其是否達到當前階段所要求的學習目標，下階段的學習任務是否能夠完成等。既要防止出現學生因為追求“大而全”的RFID應用模式，而導致的無法在有限時間、人力約束下完成整個系統的情況；又要避免學生為了減少學習量而只是簡單模仿應用實例的情況。除此之外，還要有效地把控各階段的進展，及時調整各階段的任務要求，以保證項目能夠在不同學生的最大實際能力范圍得到有效實施。

基于“翻轉課堂”思想對《RFID原理及應用》課程在傳統的課堂教學安排上做了“微調整”，各階段覆蓋的知識點及對應的學生能力如表1。

6 教學效果（Achievements）

從教學效果來看，經過幾個階段的課外自學與課堂交互，學生對于相關知識點的掌握及運用，從了解到融會最后到熟練運用，學生最終都能夠很好完成課程的學習，并在綜合應用能力上有所提高。由于充分調動了學習的積極性并給予了選題自由度，每年都有不少有創意有能力的小組取得較好的成果。其中包括基于人員軌跡的行為分析、非規則鋼鐵倉儲管理、多用途NFC支付卡的設計與制作，以及基于RFID的人流量監控等項目等都獲得了校級開放實驗項目或創新創業項目的資助，兩項參加了全國大學生物聯網創新大賽，申請國家發明專利四項，實用新型專利一項，發表EI及SCI檢索論文三篇。

從教學評價來看，四年來，學生對教師的教學質量評分最高分96.56（滿分100分），最低分90.87，平均分為93.7，教學評價良好。其中，在“學生能夠掌握課程的主要內容和中心問題；能提高學生分析、解決問題能力”一項評分中，平均分為92.29（滿分100分）。從中可以看出，對于“翻轉課堂”的教學模式，學生的滿意度高，并確實能夠對其專業能力有所提高與促進。

7 結論（Conclusion）

中國地質大學計算機學院網絡工程專業（物聯網方向）以計算機科學、網絡技術為專業主體，物聯網為方向，地學、環境專業資源為優勢，引導學生進行跨學科、跨專業學習、實踐、應用。本文探討了采用“翻轉課堂”教學模式對作為物聯網方向的專業課程《RFID原理及應用》進行的課程教學方式的改革。通過“項目驅動，逐層遞進”的學習方式，能夠使學生更快更好的掌握主要知識點并將其運用到實踐中，提升了學生分析、解決問題的能力，既拓展了課堂教學內容及方式，又在強調基礎理論學習的同時，增加了課程內容的興趣性與實用性。實踐證明，“翻轉課堂”教學模式在《RFID原理及應用》課程學習中，對提高學習興趣，擴展知識獲取途徑，提升學習效率等方面有著得天獨厚的優勢，應用“翻轉課堂”的思路對《RFID原理及應用》課程改革進行探索，能夠為物聯網專業及其他理工科專業的教學實踐改革提供有益的參考。

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作者簡介：

梁慶中（1979-），男，博士，副教授.研究領域：高性能計算，物聯網應用，智能儀器.

曾德澤（1984-），男，博士，副教授.研究領域：軟件定義網絡，數據中心網絡，傳感器網絡，云計算.

童恒建（1971-），男，博士，教授.研究鄰域：遙感圖象處理與分析，地理信息系統.

姚 宏（1976-），男，博士，副教授.研究領域：無線通信網絡，云計算與霧計算，物聯網應用.endprint