無線傳感網(wǎng)絡(luò)課程混合式教學模式探索與實踐

陳曉芳，李麗芬

（燕京理工學院 信息科學與技術(shù)學院，河北 廊坊 065201）

0 引 言

無線傳感網(wǎng)絡(luò)是面向物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)大三學生的專業(yè)核心課，具有一定的綜合性和實踐性。無論是課程中的理論教學、實踐教學內(nèi)容，還是課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計內(nèi)容，都在大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽以及物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)相關(guān)的競賽中得到廣泛應(yīng)用。該課程在整個課程體系中起到了承上啟下的作用，但教學中仍存在一些問題，而采用混合式教學模式可以使問題得到很好的解決?；旌鲜浇虒W是一種基于信息技術(shù)及現(xiàn)代教育技術(shù)，將線上網(wǎng)絡(luò)教學與線下課堂教學有機融合，從而實現(xiàn)最佳教學效果的教學模式[1]。

1 研究現(xiàn)狀和存在的問題

針對新工科建設(shè)的目標和對物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)人才的新需求[2]，從實際教學效果和反饋來看，無線傳感網(wǎng)絡(luò)課程存在以下四大痛點問題：

（1）難教：課程內(nèi)容范圍大，理論學時少，學生參與度和積極性不高；教學方式單一，有限的課堂時間內(nèi)開展多種活動，拓展知識難。

（2）難學：教學方法老舊，教學過程中以教師為中心，缺乏與學生的交流、討論。學生的理論素養(yǎng)和解決實際工程問題的能力沒有太多提高。

（3）難用：教師工程經(jīng)驗不夠，填鴨式的理論知識灌輸無法調(diào)動學生的學習興趣，缺乏項目開發(fā)能力培養(yǎng)和團隊協(xié)作意識培養(yǎng)。

（4）難統(tǒng)計：傳統(tǒng)教學模式對于課堂表現(xiàn)積極的同學只能用紙質(zhì)文件標注，效率低下；對學生的作業(yè)的收集和統(tǒng)計耗時耗力，對部分較差學生不能及時給予警告；對學生缺乏過程考核監(jiān)督。

2 混合式教學模式

混合式教學模式更新了傳統(tǒng)教學理念，以學生發(fā)展為中心；面向社會行業(yè)需求，重構(gòu)教學內(nèi)容，凸顯理論知識、創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)；變革教學方法，搭建智慧教學平臺實現(xiàn)教學過程全記錄，并以此激發(fā)學生的學習興趣[3]。

2.1 明確課程教學目標

以O(shè)BE教學理念為指導(dǎo)，根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)人才需求，圍繞學校應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標，明確課程目標，凸顯課程理論基礎(chǔ)知識、實踐能力和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力培養(yǎng)[4-5]。該課程教學目標如圖1所示。

圖1 課程教學目標

2.2 重塑教學內(nèi)容

課程采用企業(yè)工程案例和教師科研項目嵌入課堂[4-9]，對當前ZigBee技術(shù)的最新應(yīng)用和發(fā)展現(xiàn)狀進行探討，引入智能家居等典型案例，進一步擴大知識的深度和廣度。結(jié)合項目案例對知識點進行階段性講解，將原來的以知識為主線轉(zhuǎn)變?yōu)橐皂椖繛橹骶€，使課程內(nèi)容由易入難，逐層深入。課程內(nèi)容劃分四大階段：系統(tǒng)整體構(gòu)架→節(jié)點模塊化設(shè)計與開發(fā)→網(wǎng)關(guān)通信技術(shù)→系統(tǒng)應(yīng)用與實現(xiàn)，通過理實結(jié)合+思維拓展的方式，加深學生對知識的理解與轉(zhuǎn)化。

搭建系統(tǒng)整體構(gòu)架的前提是在全面了解無線傳感網(wǎng)的基本概念、特點和系統(tǒng)的關(guān)鍵性能指標的基礎(chǔ)上進行分析，在家庭外部通過互聯(lián)網(wǎng)將每家每戶的智能網(wǎng)關(guān)連接到同一個服務(wù)器，計算機或手持移動設(shè)備通過互聯(lián)網(wǎng)與智能家居服務(wù)器相連，進而可以獲得用戶所需的信息或者對智能家居設(shè)備實施控制。整個智能家居系統(tǒng)構(gòu)架如圖2所示，以智能家居為主線助力學生了解無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及其應(yīng)用領(lǐng)域。

圖2 智能家居系統(tǒng)構(gòu)架

節(jié)點模塊化設(shè)計與開發(fā)實質(zhì)是圍繞ZigBee的核心芯片設(shè)計，設(shè)計中選用TI公司的ZigBee芯片CC2530F256，結(jié)合IAR嵌入式開發(fā)平臺，設(shè)計相關(guān)硬件電路和模塊程序。其中，硬件設(shè)計包括ZigBee控制節(jié)點核心電路設(shè)計、節(jié)點天線設(shè)計、終端節(jié)點硬件設(shè)計等；軟件設(shè)計包括協(xié)調(diào)器節(jié)點程序設(shè)計、終端節(jié)點程序設(shè)計等。智能家居ZigBee協(xié)調(diào)器的工作流程如圖3所示。該階段主要讓學生掌握運用IAR開發(fā)環(huán)境實現(xiàn)對CC2530芯片的基礎(chǔ)開發(fā)，理解Zstack協(xié)議棧的運行機制，具備基于Zstack協(xié)議棧的項目開發(fā)能力。

圖3 ZigBee協(xié)調(diào)器的工作流程

網(wǎng)關(guān)通信技術(shù)的作用在于在智能家居內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)與外部Internet之間建立通信橋梁，完成不同網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)跨異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的傳輸。該階段主要讓學生對比典型的無線通信技術(shù)的關(guān)鍵性能指標。以ZigBee技術(shù)作為智能家居內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)通信方式，熟悉感知層的數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡(luò)建立、數(shù)據(jù)收發(fā)、串口通信以及設(shè)備控制等；在嵌入式系統(tǒng)中選擇以太網(wǎng)作為外部網(wǎng)絡(luò)通信方式，以局域網(wǎng)組網(wǎng)方式分析通信中的幀格式、幀結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議及其工作方式，局域網(wǎng)組網(wǎng)通信部分數(shù)據(jù)如圖4所示。讓學生掌握Zstack協(xié)議棧的工作機制和應(yīng)用開發(fā)，培養(yǎng)學生具備常用傳感器選型和基于ZigBee技術(shù)的小型系統(tǒng)開發(fā)能力。

圖4 局域網(wǎng)組網(wǎng)通信

在系統(tǒng)應(yīng)用與實現(xiàn)方面，根據(jù)配置的傳感器和功能需求，主要將界面分為三部分：環(huán)境檢測、家居控制、聯(lián)動控制，如圖5所示。環(huán)境檢測界面主要通過采集檢測類傳感器的數(shù)據(jù)，實時監(jiān)測家居的環(huán)境；家居控制界面主要采集控制類的一些傳感器數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對家居設(shè)備的實時監(jiān)控；聯(lián)動控制界面為用戶提供自定義聯(lián)動控制的功能，以實現(xiàn)家居的自動化控制。借助Android開發(fā)環(huán)境，通過Socket與服務(wù)端建立連接，在智能家居網(wǎng)關(guān)選擇數(shù)據(jù)庫保存設(shè)備信息。培養(yǎng)學生具備需求分析和項目方案撰寫與設(shè)計的能力。

圖5 智能家居界面

2.3 選定智慧平臺

構(gòu)建線上線下混合式智慧教學平臺，以超星“學習通”為線上教學平臺，通過網(wǎng)絡(luò)教學資源的搭建，將課前、課中、課后三個環(huán)節(jié)有機銜接起來[10]。

課前：為學生提供課程學習資料PPT、IAR軟件安裝包、安裝向?qū)б曨l及注意事項、CC2530硬件接線原理圖、CC2530用戶向?qū)зY料和相關(guān)寄存器的接口說明等。

課中：依托超星“一屏三端”模式，采用線上線下混合的方式進行理論教學。以智能家居等典型案例為主線，在課程初期階段，通過主題討論形式對學生的筆記熱詞進行共享，發(fā)現(xiàn)學生對問題的不同理解和關(guān)注度高的核心問題，通過交流溝通讓學生對課程框架有基本的了解。課程中期階段，通過搶答、選人、投票等環(huán)節(jié)活躍課程氛圍，注重學生參與度和創(chuàng)新思維的培養(yǎng)；創(chuàng)建題庫，方便課中隨堂練習，及時檢測學生基礎(chǔ)知識掌握情況和拓展新知識。課程后期階段，在智慧教室采用主題討論和任務(wù)分組的方式強化學生主動學習的意識，讓學生完成知識的內(nèi)化和吸收，進一步培養(yǎng)學生的團隊協(xié)作能力。以公布排行榜、展示優(yōu)秀作業(yè)和指出常見誤區(qū)等方式反饋學生前期的學習效果。實驗教學主要采用直播+線下同步進行的教學模式，通過個人綜合實驗，檢驗學生鏈接知識能力和動手實踐能力。小組綜合項目在課程尾期進行，通過項目設(shè)計、分析、演說與匯報、報告等環(huán)節(jié)綜合考察學生探索學習能力和團隊協(xié)作能力。

課后：安排討論環(huán)節(jié)和課后作業(yè)，對知識點進行拓展練習，對優(yōu)秀的作業(yè)進行點贊，對不能參與課程學習的學生進行教學預(yù)警，保障教學活動公平有序進行。

2.4 提供科研平臺

學院目前已經(jīng)建設(shè)有校企合作機構(gòu)—達內(nèi)教育與華為仁通科技創(chuàng)新基地，提供物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)學生科研課題平臺；新增窄帶物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實驗室，為無線傳感網(wǎng)絡(luò)課程提供了有力保障。開放大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐中心，鼓勵并支持學生積極參與全國大學生電子設(shè)計大賽、“互聯(lián)網(wǎng)+”大賽、藍橋杯、挑戰(zhàn)杯等，通過省賽、國賽鍛煉學生多學科交叉融合的應(yīng)用和系統(tǒng)設(shè)計能力。

2.5 確立考核方式

匹配課程教學目標的多元考核方式及其評價指標，注重提高學生學習過程的有效參與度，側(cè)重對學生能力的考核。

課程總成績包括過程性考核（占40%）和期末成績（占60%）。過程性考核（占40%）包括課堂互動（占5%）、實驗闖關(guān)與作業(yè)（占5%）、個人綜合實驗（占5%）、期中考試（占10%）、小組綜合項目（占15%）。通過多元考核方式，調(diào)動學生學習積極性，讓學生有課程挑戰(zhàn)意識，發(fā)揮學生的主觀能動性。

3 教學改革效果

對本校2019級物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)課程進行教學改革，通過本輪混合式教學模式的實施，有效解決了四大痛點問題。

通過學習通大數(shù)據(jù)教學平臺統(tǒng)計課程實施數(shù)據(jù)：課堂活動31個，發(fā)布討論區(qū)話題8個，回復(fù)話題253人次。從這些記錄數(shù)據(jù)可以看出，學生參與課程學習的積極性較高，改革后大大調(diào)動了學生學習興趣，形成了有效的交流與討論。課后公布課堂表現(xiàn)TOP10，既保障教學評價透明度，又形成了學習競爭意識。

2019級物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)參加比賽的項目由改革前的兩項增加到改革后的五項，參與人次從改革前的3人次增加到改革后的11人次。在課程期中檢查調(diào)研中，學生代表對無線傳感網(wǎng)絡(luò)課程的改革效果表示肯定，項目教學法提高了學生項目開發(fā)能力和團隊協(xié)作意識。大多數(shù)同學在學習該課程時感到收獲頗多，尤其對課程應(yīng)用以及今后的課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計都有所幫助。

4 結(jié) 語

以O(shè)BE教學理念為指導(dǎo)，對無線傳感網(wǎng)絡(luò)課程采用線上線下混合式教學模式，以學生為中心，采用項目教學方法，重塑教學內(nèi)容，以智慧教學平臺為依托，應(yīng)用多元考核方式激發(fā)學生主觀能動性，取得了預(yù)期的教學效果。下一輪教學繼續(xù)堅持混合式教學模式，對教學環(huán)節(jié)持續(xù)改進并完善，相信會達到物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標。