基于翻轉課堂的《傳感網原理及應用》教學改革研究

王萍 張振亞 王菲露 陳萬里 張紅艷

摘要：針對《傳感網原理及應用》教學存在的學生積極性不高、創新性嚴重缺乏以及綜合應用能力弱等不足，本文面向物聯網專業，基于翻轉課堂思想，從教學方式、作業設計以及實驗課程等三方面對該門課程開展教學改革，充分激發學生學習的積極性和創新性，為培養具有創新意識和實踐能力的應用型物聯網專業人才提供參考。

關鍵詞：物聯網工程;傳感網原理及應用;翻轉課堂;創新性

中圖分類號：G642

文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）36-0157-02

1概述

物聯網工程專業集計算機、控制、電子、通信等學科為一體，是一個寬口徑信息類專業，不僅理論知識覆蓋面廣，而且與工程實際密切相關。該專業培養的學生，既要理論功底扎實，又要有較強的工程實踐與創新能力。但通過對畢業學生就業狀況調研反饋分析，筆者發現現階段培養的物聯網工程專業畢業生還無法滿足物聯網產業的發展需求，很多畢業生只能支持產業外圍的初級工作，能夠勝任物聯網規劃設計、開發和管理等方面的創新型工程應用人才十分緊缺。究其原因主要在于物聯網專業相關技術與應用發展迅速，變化日新月異，而很多高校仍然處在物聯網教育的初級階段，對其學科培養的規律性把握還不夠準確，教學內容難以跟上專業的發展速度，人才培養體系不夠完善，特別是實踐教學環節比較薄弱。目前物聯網工程專業本科教學主要存在以下問題：l）沒有形成系統化的課程設置體系，課程多而不精，教學內容不能緊跟行業發展需求，教學方法單一。2）各實踐課程停留在單門課程的驗證性實驗上，學生主觀能動性不強，參與度不夠，動手能力不強，綜合知識運用能力差。3）缺乏有實際開發經驗的專任教師。

特別地，“傳感網原理及應用”作為物聯網專業一門非常重要的專業基礎課，與其他專業基礎課程不同，該課程涉及的很多知識點尚無絕對的對與錯，很多關鍵技術依然是當前業界的研究熱點，隸屬開放問題。這就使得該門課程的教學應有所不同，需要重視啟發學生的思維，讓學生積極參加討論。因此，文章提出基于翻轉課堂的思想，對物聯網工程專業的“傳感網原理及應用”課程進行教學改革。

2現有課程教學現狀及不足

“傳感網原理及應用”課程是安徽建筑大學（以下簡稱“我校”）物聯網工程專業一門重要的專業必修課，具有知識點多、應用廣泛以及實踐性強等特點[1][2]。該門課程的開設，其目標是使本科生了解傳感網絡的技術前沿狀況、掌握無線傳感器網絡的主要協議算法思想、理解無線傳感網關鍵科學問題的基本研究方法;同時為未來計劃進一步進入無線網絡研究的學生提供選題指導。

通過多年教學實踐和調查發現，學生對該門課程的學習尚未達到預期的教學效果，還不能用所學的知識獨立解決實際問題，對開放的傳感網關鍵技術還不具備相應的研究能力，僅僅停留對死記硬背基本概念。教學過程中，教師講太多，學生思考太少;作業形式單一，學生缺乏創新;實驗內容大多為演示驗證類，學生主觀能動性較差[3]-[5]。這些不足嚴重影響了該課程的教學效果，達不到應用型人才的培養需求。

3教學改革內容與實施方案

3.1全面優化理論課程教學方式

引入翻轉課堂的理念，以任務為驅動，以問題為核心，引入先學后教的模式，主要包括課前預習、課堂學習和課后復習三部分內容。

教師提前發布教學資源，引導學生在課前白學并完成相應的學習任務，帶著問題和學習成果參與到課堂教學中。筆者所在高校“傳感網原理及應用”專業課開展于大三下學期，教學對象已具備相應的專業基礎知識和一定的學習能力。針對課程內容涉及面廣，學生不夠重視的現狀，教師在課前對不同的知識點進行整合和細化，涉及其他學科的內容將布置相應的文獻查閱任務，提供部分針對性強的文獻資料供學生白學，并布置相應的學習效果驗證任務。

教師也同樣保持終身學習狀態，積極跟蹤技術和產業發展前沿，根據行業需求及時更新教學內容和教學要求，基于學生課前學習效果，課中進行啟發式教學，沒置主題研討會，師生共同探討，調動學生學習的主動性、積極性與創新性，提升教學效果。

課后，教師根據學生課前預習、課堂學習的內容和效果，布置學生完成學習內容的復習和總結作業。同時，教師基于學生的學習效果，重新迭代優化下堂課的課前學習內容。

3.2重塑課程作業

針對目前課程作業過于簡單，學生日常投入精力與熱情不足，缺乏學習成就感的現狀，同時考慮到學生具備了相應的專業基礎，在“傳感網原理及應用”這門課程中重新設計2-3次具有一定難度的綜合性作業或前沿技術深度調研作業，以形成課程小論文或者課堂匯報PPT作為考核手段。要求學習使用較多的課外時間深度探索、廣度搜索課程相關內容，以增負為手段，達到提升教學效果的目的。

例如，在“傳感網原理及應用”這門課程中，MAC協議和路由算法是一項難點、也是重點內容。由于傳感網都是應用驅動，不同的應用對協議和算法設計的需求不盡相同，難以把千篇一律的內容復制到不同的應用場景。在后續該門課程的教授過程中，將先通過課前預習和課堂學習使學生掌握相關協議和算法的基本原理和設計步驟，然后開展以新興的傳感網應用為主題的課堂討論會，讓學生挑選感興趣的應用場景，完成面向應用的MAC協議和路由算法課程設計作業。為完成該課程作業，學生需要在課后積極調研、查閱文獻，明確應用需求，根據應用設計相關協議，并通過計算機仿真和中智訊ZXBee系列開放實驗平臺對所設計內容進行驗證，最后撰寫作業論文。同時，教師要做及時跟進、認真指導并對最終結果進行考核。

基于翻轉課堂的教學過程和作業設計，可以大大推動學生積極利用課外時間進行深入的課程內容學習，提升其解決實際問題的綜合能力;同時，在一定程度上也可以打通學校課堂所學與未來職業所用之間的關聯通道，推動產教融合的職業教育模式發展。

3.3打造層次化實驗實踐課程體系

實驗實踐設計是本課程改革的一個重要內容。考慮到行業對物聯網工程專業人才培養的實際需求，筆者所在課題組與中智訊（武漢）科技有限公司建立緊密合作，基于該公司開發的ZXBee系列實驗平臺，構建面向物聯網工程專業的“傳感網原理及應用”層次化實驗實踐教學模式，將傳感網專業知識體系按照點、線和面分別設計節點級、鏈路級和網絡級實驗。節點級實踐實驗主要指傳感器實驗，側重于讓學生學習常見的傳感器及其關鍵特性、接口實驗，使得學生能夠使用多種傳感器進行電路連接和數據采集。鏈路級實驗包括點到點的數據傳輸、無線信道的廣播實驗、信道信號接收信號強度采集，使得學生理解傳感網物理層的數據傳輸協議。網絡層實驗包括組網、多點通信、數據采集等，讓學生在實踐中理解協議的工作原理，并會分析不同協議的性能。根據精心設計的課程作業，依托中智訊開發的ZXBee系列實驗平臺，充分發揮其開源特點，搭建符合需求的傳感網，從根本上鍛煉了學生解決問題的綜合能力，提高了工程實踐水平。

通過“層次化開放性實驗教學模式的探索與實踐”，改變傳統的實驗教學模式，實驗課程由傳統的集中式手把手教學模式發展到開放設計型的教學模式，使學生的學習過程由被動型轉變為自主型，思維訓練由封閉式轉變為開放式，實踐動手能力得以提高。在具體實施時，開放安徽建筑大學物聯網綜合實驗室，學生自主安排實驗時間完成基礎實踐實驗，綜合實驗實踐部分由教師指導，集中討論，提出解決方案。中智訊相關研發人員定期對項目組成員進行設備使用培訓，共同打造持續健康的人才生態系統，構建素質、能力、知識、創新相互協調的人才培養體系。

4結論

隨著物聯網行業的迅猛發展，尤其在新工科背景下，要求高校培養具有創新性和主觀能動性的應用型人才。基于翻轉課堂的《傳感網原理及應用》教學改革的實施，可以提高學生學習的主動性和創造性，有利于實現教育終極的目標，有利于學生更好地學習專業課程、理論聯系實踐，提升學生的實際應用能力和就業競爭力。同時，通過對課程教學改革的認真探索和實踐，也有利于提高物聯網專業教師的課堂教學水平和實驗教學研究水平。

參考文獻：

[1]謝光前，李曉芳，李春光，等.新工科背景下“無線傳感網原理與應用”[J].電腦知識與技術，2019，15（6）： 97-99.

[2]紀辛然.應用型本科轉型背景下無線傳感網教學改革[J].科研教育，2018（386）：60-62.

[3]潘勇，熊江，高子林.物聯網工程“無線傳感網絡”課程教學改革與實踐[J].中國電力教育，2014（14）：184-185.

[4]鄭海峰，王新兵，馮心欣，等.面向物聯網的“無線傳感網”課程的教學改革[J].電氣電子教學學報.2015，37（1）：21-23.

[5]李磊，殷小虹.分析基于崗位需求的“無線傳感網技術”教學改革[J].2017（20）：174-175.

【通聯編輯：王力】

收稿日期：2019-08-06

基金項目：本文得到教育部“新工科”研究與實踐項目“地方建筑類高校卓越人才協同育人模式改革與實踐”、教育部2018年第二批產學合作協同育人項目（編號201802368008）“面向新工科建設的《傳感網原理及應用》課程教學改革研究”以及樓宇控制與節能優化國家級實驗教學示范中心資助

作者簡介：王萍（1984-），女，陜西周至人，高級工程師，博士，主要研究方向為傳感網、智能建筑。