基于翻轉(zhuǎn)課堂理念的實(shí)驗(yàn)教學(xué)微課設(shè)計(jì)開發(fā)及應(yīng)用

張鳳英 李為民 厚琳

摘 要 ZigBee協(xié)議與應(yīng)用課程是物聯(lián)網(wǎng)工程的專業(yè)課程，注重理論與實(shí)踐的結(jié)合。由于大綱課時(shí)及實(shí)驗(yàn)室設(shè)備數(shù)量所限，學(xué)生實(shí)踐不足。由此，基于翻轉(zhuǎn)課堂理論，設(shè)計(jì)開發(fā)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信實(shí)驗(yàn)微課，采用翻轉(zhuǎn)課堂模式應(yīng)用于教學(xué)中，大大提高實(shí)驗(yàn)效率，豐富學(xué)生學(xué)習(xí)成果，并為高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了新的思路與參考。

關(guān)鍵詞 翻轉(zhuǎn)課堂；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；微課；ZigBee協(xié)議與應(yīng)用

中圖分類號(hào)：G642.423 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2018）08-0047-03

Application and Development of Experiment Teaching Micro-lesson based on Flipped Classroom Teaching Philosophy： Take ZigBee Protocol and Application Point to Point Communication as an Example//ZHANG Fengying， LI Weimin， HOU Lin

Abstract The ZigBee Protocol and Application Course is a specia-lized course in the Internet of things program， which focuses on the combination of theory and Practice. Due to the limited number of syllabus hours and laboratory equipment， students lack adequate practice. Therefore， we designed and implemented the micro-lesson

of point to point communication experiment based on the theory of flipped classroom， and applied it in the actual teaching process， greatly improved the efficiency of the experiment and students lear-

ning effect. And it provides new ideas and reference for experimen-tal teaching in colleges and universities.

Key words flipped classroom； experiment teaching； micro-lesson； ZigBee protocol and application

1 翻轉(zhuǎn)課堂

近年來(lái)，美國(guó)興起的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式提供了一種顛覆性的教學(xué)思路，徹底顛覆了基于印刷術(shù)的傳統(tǒng)課堂教學(xué)結(jié)構(gòu)與教學(xué)流程，并引發(fā)教師角色、課程模式、管理模式等一系列變革。翻轉(zhuǎn)課堂在中國(guó)這個(gè)人口大國(guó)掀起新的教育變革浪潮。較之于傳統(tǒng)的教學(xué)模式，重新調(diào)整課堂內(nèi)外的時(shí)間，將學(xué)習(xí)的主動(dòng)權(quán)從教師轉(zhuǎn)移到學(xué)生，教師不再占用寶貴的課堂時(shí)間講授信息，這些信息需要學(xué)生在課前通過看視頻、聽講座或閱讀電子課件并輔以在線討論以及在線查閱資料自主完成。在此基礎(chǔ)上，學(xué)生帶著成果與問題返回課堂，完成基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)，從而對(duì)知識(shí)獲得更深層次的理解。

2 微課

在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展下，學(xué)習(xí)呈現(xiàn)出自主化、碎片化的特征。微課，指運(yùn)用信息技術(shù)，按照認(rèn)知規(guī)律，呈現(xiàn)碎片化學(xué)習(xí)內(nèi)容、過程及擴(kuò)展素材的結(jié)構(gòu)化數(shù)字資源，往往是針對(duì)一個(gè)教學(xué)難點(diǎn)、重點(diǎn)進(jìn)行精心教學(xué)設(shè)計(jì)，并以多種工具開發(fā)制作的微視頻。微課為翻轉(zhuǎn)課堂的實(shí)施，提供針對(duì)性的課前預(yù)習(xí)資源。線上資源，尤其是生動(dòng)的微教學(xué)視頻，是進(jìn)行翻轉(zhuǎn)教學(xué)改革不可或缺的組成部分。

微課的設(shè)計(jì)開發(fā)包括選題、教學(xué)設(shè)計(jì)、視頻制作三個(gè)核心環(huán)節(jié)。筆者認(rèn)為選題和教學(xué)設(shè)計(jì)尤為重要，選擇難易程度適合且能與實(shí)際生活關(guān)聯(lián)的課題，更能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。而好的教學(xué)設(shè)計(jì)能夠讓知識(shí)的呈現(xiàn)抽絲剝繭，逐步引導(dǎo)學(xué)生自覺主動(dòng)進(jìn)入學(xué)習(xí)狀態(tài)，增強(qiáng)學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。

3 ZigBee協(xié)議與應(yīng)用實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)及開發(fā)

“ZigBee協(xié)議與應(yīng)用”主要講授ZigBee協(xié)議的原理、ZSTACK協(xié)議棧、基于ZigBee的芯片CC2530。該課程以實(shí)踐為先導(dǎo)，注重理論知識(shí)在實(shí)踐中的應(yīng)用，實(shí)驗(yàn)教學(xué)頗為重要。實(shí)驗(yàn)設(shè)備數(shù)量有限，需要學(xué)生分組進(jìn)行教學(xué)，且該課程對(duì)學(xué)生在編程以及硬件兩方面的要求都較高。在課時(shí)有限且設(shè)備有限的基礎(chǔ)上，為了讓學(xué)生更好地掌握Z(yǔ)igBee協(xié)議的應(yīng)用，設(shè)計(jì)開發(fā)實(shí)驗(yàn)相關(guān)的微課。

選題 ZigBee的實(shí)驗(yàn)教學(xué)分為兩大類——CC2530基礎(chǔ)開發(fā)和通信類實(shí)驗(yàn)。其中通信類實(shí)驗(yàn)無(wú)論代碼還是硬件調(diào)試，涉及內(nèi)容均較多，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信作為第一個(gè)需要協(xié)議棧支持的通信實(shí)驗(yàn)，較之于之前的基礎(chǔ)開發(fā)難度加大，所有涉及內(nèi)容當(dāng)堂講解演示，耗時(shí)較多，導(dǎo)致后續(xù)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐時(shí)長(zhǎng)減少。并且對(duì)此實(shí)驗(yàn)的掌握直接影響學(xué)生對(duì)后續(xù)通信實(shí)驗(yàn)的理解掌握。所以擇其為微課設(shè)計(jì)開發(fā)的題目。

需求分析 該實(shí)驗(yàn)分組進(jìn)行，對(duì)同樣的知識(shí)及操作演示需要重復(fù)進(jìn)行多次。該視頻的制作不僅有助于學(xué)生的實(shí)驗(yàn)課前準(zhǔn)備，并且減輕教師的重復(fù)工作量，以進(jìn)行更有價(jià)值的教學(xué)設(shè)計(jì)。

1）學(xué)生現(xiàn)狀分析：學(xué)生前期進(jìn)行過多次CC2530芯片基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，對(duì)CC2530有了較為基本且全面的了解，但是通信功能首次接觸；在理論課上對(duì)協(xié)議棧的層次模型有了初步了解，但從未接觸過代碼形式的協(xié)議棧；對(duì)實(shí)驗(yàn)所需操作系統(tǒng)相關(guān)知識(shí)的了解不夠，并且這些知識(shí)點(diǎn)聽一次較難理解掌握。

2）學(xué)習(xí)目標(biāo)分析：該實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生在IAR集成環(huán)境下編程調(diào)試，在給定教學(xué)套件上進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，重點(diǎn)是學(xué)習(xí)如何基于ZigBee協(xié)議棧Zstack進(jìn)行通信開發(fā)，理解任務(wù)管理機(jī)制以及操作系統(tǒng)調(diào)用。

3）學(xué)習(xí)內(nèi)容分析：點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信，內(nèi)容可拆解為協(xié)議棧Zstack協(xié)議框架、層次功能、應(yīng)用層調(diào)用、main函數(shù)的實(shí)現(xiàn)、程序下載調(diào)試的方法及步驟，理解任務(wù)的創(chuàng)建與管理、操作系統(tǒng)的調(diào)用。

教學(xué)設(shè)計(jì) 基于大學(xué)三年級(jí)學(xué)生的理解力、自我約束能力，微課的設(shè)計(jì)應(yīng)突出主題、重點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)的微課設(shè)計(jì)分為兩大部分：1）協(xié)議棧內(nèi)容、任務(wù)管理、操作系統(tǒng)調(diào)用、代碼講解；2）實(shí)驗(yàn)操作演示，在多個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行下載調(diào)試通信的操作。

教學(xué)流程與幻燈片教本設(shè)計(jì)如下。

1）課程導(dǎo)入，提出問題：如何用我們多次使用過的CC2530進(jìn)行通信？

2）通信原理：基于理論課講授過的ZigBee協(xié)議棧Stack來(lái)進(jìn)行通信。

3）Zstack協(xié)議棧：協(xié)議棧構(gòu)架、層次、安裝，協(xié)議棧目錄的講解，API如何調(diào)用。

4）主函數(shù)：給定工程中如何找到Main（ ），Main函數(shù)中語(yǔ)句解讀。

5）任務(wù)管理機(jī)制：任務(wù)的建立、調(diào)用、管理。

6）操作系統(tǒng)調(diào)用：如何把自己建立的任務(wù)交給操作系統(tǒng)管理，如何啟動(dòng)操作系統(tǒng)。

7）實(shí)驗(yàn)操作流程：準(zhǔn)備好實(shí)驗(yàn)需要用的2～3個(gè)節(jié)點(diǎn)，以及仿真器、連接線、USB轉(zhuǎn)串口驅(qū)動(dòng)程序；打開IAR集成開發(fā)環(huán)境，打開給定例程中的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信工程，進(jìn)行編譯鏈接；通過仿真器進(jìn)行下載，較之于之前的單個(gè)節(jié)點(diǎn)的操

作，需要進(jìn)行多個(gè)節(jié)點(diǎn)的下載；下載完畢，上電進(jìn)行節(jié)點(diǎn)間的通信，通過LED燈的閃爍觀察通信過程的進(jìn)行。

微課視頻制作 第一部分內(nèi)容，采用為本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)制作的幻燈片為主要線索進(jìn)行講解，使用Camtasia Studio

8.6.0進(jìn)行講解屏幕錄制。第二部分實(shí)際操作部分，邊操作邊講解，將整個(gè)過程用手機(jī)進(jìn)行錄制。較之于攝像頭，手機(jī)的像素與拍攝質(zhì)量更好，而且易于實(shí)現(xiàn)近距離拍攝操作細(xì)節(jié)。

視頻錄制完成后，進(jìn)行相關(guān)后期處理。使用動(dòng)畫制作大師制作片頭，體現(xiàn)微課主題，將前期錄制的視頻、音頻資源進(jìn)行剪輯合成，添加字幕，并使用軟件工具進(jìn)行注意事項(xiàng)標(biāo)注。微課截圖如圖1所示。

教學(xué)實(shí)施 在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信實(shí)驗(yàn)中采用翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)方式過程中，在實(shí)驗(yàn)前將視頻通過QQ或者微信平臺(tái)分享給學(xué)生，讓學(xué)生自行選擇合適的時(shí)間、場(chǎng)所進(jìn)行學(xué)習(xí)，并可以在通信群對(duì)于看不懂、無(wú)法理解的部分和同學(xué)進(jìn)行探討，教師進(jìn)行針對(duì)性解答，以利于學(xué)生更好地理解掌握實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)課開始后，學(xué)生直接開始動(dòng)手進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過程中遇到問題，教師及時(shí)協(xié)助進(jìn)行處理。基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)完成后，根據(jù)教學(xué)設(shè)計(jì)，教師重新給定通信任務(wù)，進(jìn)行代碼修改編譯調(diào)試，以更深入地掌握對(duì)該芯片通信的編程。課程實(shí)施流程框圖如圖2所示。

4 教學(xué)應(yīng)用及體會(huì)

筆者在中北大學(xué)朔州校區(qū)進(jìn)行了兩年的“ZigBee協(xié)議及應(yīng)用”的教學(xué)。2016年，筆者采用傳統(tǒng)教學(xué)方法，每次上課首先進(jìn)行知識(shí)講解，進(jìn)而進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的操作演示，學(xué)生圍觀；完成上述內(nèi)容后，學(xué)生自行進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。由于20多人圍觀，演示效果較差，再加上自己動(dòng)手時(shí)間短，或者出現(xiàn)問題后無(wú)從下手解決，導(dǎo)致整體教學(xué)效果一般，更無(wú)法達(dá)到深層次的練習(xí)。2017年，筆者采用翻轉(zhuǎn)課堂方式，輔以設(shè)計(jì)制作的微課以及課前的相關(guān)討論，實(shí)驗(yàn)課時(shí)更多用于動(dòng)手編程調(diào)試，教學(xué)效果大大改善，學(xué)生整體反應(yīng)積極，評(píng)價(jià)較高。

翻轉(zhuǎn)課堂這種教學(xué)模式，輔以精心設(shè)計(jì)的微視頻學(xué)習(xí)資源，較好地挖掘了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、主動(dòng)性，尤其適合具備自學(xué)能力以及相當(dāng)自控能力的大學(xué)生。翻轉(zhuǎn)課堂以及微課不僅為學(xué)生提供了更為優(yōu)質(zhì)的學(xué)習(xí)體驗(yàn)與學(xué)習(xí)效果，同時(shí)向廣大教師提出新的挑戰(zhàn)，帶來(lái)新的機(jī)遇。

參考文獻(xiàn)

[1]胡永東，高宙宇.基于SPOC的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)實(shí)現(xiàn)[J].中國(guó)教育信息化，2017（2）：28-32.

[2]王平安，王海濤，彭建輝.翻轉(zhuǎn)課堂視角下的微課程設(shè)計(jì)與開發(fā)：以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)訓(xùn)教程課程為例[J].中國(guó)教育技術(shù)裝備，2017（1）：1-3.

[3]李燕君.翻轉(zhuǎn)課堂模式下的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)[J].計(jì)算機(jī)教育，2014（20）：18-22.

[4]吳迪，朱金秀，徐寧，等.借鑒TRIZ理論構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)工程實(shí)踐教學(xué)體系[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2015（6）：195-199.

[5]譚鋒，董燦，傅強(qiáng).物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)課的微課程設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2015（4）：106，108.