基于翻转课堂的《传感网原理及应用》教学改革研究

王萍 张振亚 王菲露 陈万里 张红艳

摘要：针对《传感网原理及应用》教学存在的学生积极性不高、创新性严重缺乏以及综合应用能力弱等不足，本文面向物联网专业，基于翻转课堂思想，从教学方式、作业设计以及实验课程等三方面对该门课程开展教学改革，充分激发学生学习的积极性和创新性，为培养具有创新意识和实践能力的应用型物联网专业人才提供参考。

关键词：物联网工程;传感网原理及应用;翻转课堂;创新性

中图分类号：G642

文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）36-0157-02

1概述

物联网工程专业集计算机、控制、电子、通信等学科为一体，是一个宽口径信息类专业，不仅理论知识覆盖面广，而且与工程实际密切相关。该专业培养的学生，既要理论功底扎实，又要有较强的工程实践与创新能力。但通过对毕业学生就业状况调研反馈分析，笔者发现现阶段培养的物联网工程专业毕业生还无法满足物联网产业的发展需求，很多毕业生只能支持产业外围的初级工作，能够胜任物联网规划设计、开发和管理等方面的创新型工程应用人才十分紧缺。究其原因主要在于物联网专业相关技术与应用发展迅速，变化日新月异，而很多高校仍然处在物联网教育的初级阶段，对其学科培养的规律性把握还不够准确，教学内容难以跟上专业的发展速度，人才培养体系不够完善，特别是实践教学环节比较薄弱。目前物聯网工程专业本科教学主要存在以下问题：l）没有形成系统化的课程设置体系，课程多而不精，教学内容不能紧跟行业发展需求，教学方法单一。2）各实践课程停留在单门课程的验证性实验上，学生主观能动性不强，参与度不够，动手能力不强，综合知识运用能力差。3）缺乏有实际开发经验的专任教师。

特别地，“传感网原理及应用”作为物联网专业一门非常重要的专业基础课，与其他专业基础课程不同，该课程涉及的很多知识点尚无绝对的对与错，很多关键技术依然是当前业界的研究热点，隶属开放问题。这就使得该门课程的教学应有所不同，需要重视启发学生的思维，让学生积极参加讨论。因此，文章提出基于翻转课堂的思想，对物联网工程专业的“传感网原理及应用”课程进行教学改革。

2现有课程教学现状及不足

“传感网原理及应用”课程是安徽建筑大学（以下简称“我校”）物联网工程专业一门重要的专业必修课，具有知识点多、应用广泛以及实践性强等特点[1][2]。该门课程的开设，其目标是使本科生了解传感网络的技术前沿状况、掌握无线传感器网络的主要协议算法思想、理解无线传感网关键科学问题的基本研究方法;同时为未来计划进一步进入无线网络研究的学生提供选题指导。

通过多年教学实践和调查发现，学生对该门课程的学习尚未达到预期的教学效果，还不能用所学的知识独立解决实际问题，对开放的传感网关键技术还不具备相应的研究能力，仅仅停留对死记硬背基本概念。教学过程中，教师讲太多，学生思考太少;作业形式单一，学生缺乏创新;实验内容大多为演示验证类，学生主观能动性较差[3]-[5]。这些不足严重影响了该课程的教学效果，达不到应用型人才的培养需求。

3教学改革内容与实施方案

3.1全面优化理论课程教学方式

引入翻转课堂的理念，以任务为驱动，以问题为核心，引入先学后教的模式，主要包括课前预习、课堂学习和课后复习三部分内容。

教师提前发布教学资源，引导学生在课前白学并完成相应的学习任务，带着问题和学习成果参与到课堂教学中。笔者所在高校“传感网原理及应用”专业课开展于大三下学期，教学对象已具备相应的专业基础知识和一定的学习能力。针对课程内容涉及面广，学生不够重视的现状，教师在课前对不同的知识点进行整合和细化，涉及其他学科的内容将布置相应的文献查阅任务，提供部分针对性强的文献资料供学生白学，并布置相应的学习效果验证任务。

教师也同样保持终身学习状态，积极跟踪技术和产业发展前沿，根据行业需求及时更新教学内容和教学要求，基于学生课前学习效果，课中进行启发式教学，没置主题研讨会，师生共同探讨，调动学生学习的主动性、积极性与创新性，提升教学效果。

课后，教师根据学生课前预习、课堂学习的内容和效果，布置学生完成学习内容的复习和总结作业。同时，教师基于学生的学习效果，重新迭代优化下堂课的课前学习内容。

3.2重塑课程作业

针对目前课程作业过于简单，学生日常投入精力与热情不足，缺乏学习成就感的现状，同时考虑到学生具备了相应的专业基础，在“传感网原理及应用”这门课程中重新设计2-3次具有一定难度的综合性作业或前沿技术深度调研作业，以形成课程小论文或者课堂汇报PPT作为考核手段。要求学习使用较多的课外时间深度探索、广度搜索课程相关内容，以增负为手段，达到提升教学效果的目的。

例如，在“传感网原理及应用”这门课程中，MAC协议和路由算法是一项难点、也是重点内容。由于传感网都是应用驱动，不同的应用对协议和算法设计的需求不尽相同，难以把千篇一律的内容复制到不同的应用场景。在后续该门课程的教授过程中，将先通过课前预习和课堂学习使学生掌握相关协议和算法的基本原理和设计步骤，然后开展以新兴的传感网应用为主题的课堂讨论会，让学生挑选感兴趣的应用场景，完成面向应用的MAC协议和路由算法课程设计作业。为完成该课程作业，学生需要在课后积极调研、查阅文献，明确应用需求，根据应用设计相关协议，并通过计算机仿真和中智讯ZXBee系列开放实验平台对所设计内容进行验证，最后撰写作业论文。同时，教师要做及时跟进、认真指导并对最终结果进行考核。

基于翻转课堂的教学过程和作业设计，可以大大推动学生积极利用课外时间进行深入的课程内容学习，提升其解决实际问题的综合能力;同时，在一定程度上也可以打通学校课堂所学与未来职业所用之间的关联通道，推动产教融合的职业教育模式发展。

3.3打造层次化实验实践课程体系

实验实践设计是本课程改革的一个重要内容。考虑到行业对物联网工程专业人才培养的实际需求，笔者所在课题组与中智讯（武汉）科技有限公司建立紧密合作，基于该公司开发的ZXBee系列实驗平台，构建面向物联网工程专业的“传感网原理及应用”层次化实验实践教学模式，将传感网专业知识体系按照点、线和面分别设计节点级、链路级和网络级实验。节点级实践实验主要指传感器实验，侧重于让学生学习常见的传感器及其关键特性、接口实验，使得学生能够使用多种传感器进行电路连接和数据采集。链路级实验包括点到点的数据传输、无线信道的广播实验、信道信号接收信号强度采集，使得学生理解传感网物理层的数据传输协议。网络层实验包括组网、多点通信、数据采集等，让学生在实践中理解协议的工作原理，并会分析不同协议的性能。根据精心设计的课程作业，依托中智讯开发的ZXBee系列实验平台，充分发挥其开源特点，搭建符合需求的传感网，从根本上锻炼了学生解决问题的综合能力，提高了工程实践水平。

通过“层次化开放性实验教学模式的探索与实践”，改变传统的实验教学模式，实验课程由传统的集中式手把手教学模式发展到开放设计型的教学模式，使学生的学习过程由被动型转变为自主型，思维训练由封闭式转变为开放式，实践动手能力得以提高。在具体实施时，开放安徽建筑大学物联网综合实验室，学生自主安排实验时间完成基础实践实验，综合实验实践部分由教师指导，集中讨论，提出解决方案。中智讯相关研发人员定期对项目组成员进行设备使用培训，共同打造持续健康的人才生态系统，构建素质、能力、知识、创新相互协调的人才培养体系。

4结论

随着物联网行业的迅猛发展，尤其在新工科背景下，要求高校培养具有创新性和主观能动性的应用型人才。基于翻转课堂的《传感网原理及应用》教学改革的实施，可以提高学生学习的主动性和创造性，有利于实现教育终极的目标，有利于学生更好地学习专业课程、理论联系实践，提升学生的实际应用能力和就业竞争力。同时，通过对课程教学改革的认真探索和实践，也有利于提高物联网专业教师的课堂教学水平和实验教学研究水平。

参考文献：

[1]谢光前，李晓芳，李春光，等.新工科背景下“无线传感网原理与应用”[J].电脑知识与技术，2019，15（6）： 97-99.

[2]纪辛然.应用型本科转型背景下无线传感网教学改革[J].科研教育，2018（386）：60-62.

[3]潘勇，熊江，高子林.物联网工程“无线传感网络”课程教学改革与实践[J].中国电力教育，2014（14）：184-185.

[4]郑海峰，王新兵，冯心欣，等.面向物联网的“无线传感网”课程的教学改革[J].电气电子教学学报.2015，37（1）：21-23.

[5]李磊，殷小虹.分析基于岗位需求的“无线传感网技术”教学改革[J].2017（20）：174-175.

【通联编辑：王力】

收稿日期：2019-08-06

基金项目：本文得到教育部“新工科”研究与实践项目“地方建筑类高校卓越人才协同育人模式改革与实践”、教育部2018年第二批产学合作协同育人项目（编号201802368008）“面向新工科建设的《传感网原理及应用》课程教学改革研究”以及楼宇控制与节能优化国家级实验教学示范中心资助

作者简介：王萍（1984-），女，陕西周至人，高级工程师，博士，主要研究方向为传感网、智能建筑。