无线传感网络课程混合式教学模式探索与实践

陈晓芳，李丽芬

（燕京理工学院 信息科学与技术学院，河北 廊坊 065201）

0 引 言

无线传感网络是面向物联网工程专业大三学生的专业核心课，具有一定的综合性和实践性。无论是课程中的理论教学、实践教学内容，还是课程设计、毕业设计内容，都在大学生创新创业大赛以及物联网专业相关的竞赛中得到广泛应用。该课程在整个课程体系中起到了承上启下的作用，但教学中仍存在一些问题，而采用混合式教学模式可以使问题得到很好的解决。混合式教学是一种基于信息技术及现代教育技术，将线上网络教学与线下课堂教学有机融合，从而实现最佳教学效果的教学模式[1]。

1 研究现状和存在的问题

针对新工科建设的目标和对物联网专业人才的新需求[2]，从实际教学效果和反馈来看，无线传感网络课程存在以下四大痛点问题：

（1）难教：课程内容范围大，理论学时少，学生参与度和积极性不高；教学方式单一，有限的课堂时间内开展多种活动，拓展知识难。

（2）难学：教学方法老旧，教学过程中以教师为中心，缺乏与学生的交流、讨论。学生的理论素养和解决实际工程问题的能力没有太多提高。

（3）难用：教师工程经验不够，填鸭式的理论知识灌输无法调动学生的学习兴趣，缺乏项目开发能力培养和团队协作意识培养。

（4）难统计：传统教学模式对于课堂表现积极的同学只能用纸质文件标注，效率低下；对学生的作业的收集和统计耗时耗力，对部分较差学生不能及时给予警告；对学生缺乏过程考核监督。

2 混合式教学模式

混合式教学模式更新了传统教学理念，以学生发展为中心；面向社会行业需求，重构教学内容，凸显理论知识、创新实践能力培养；变革教学方法，搭建智慧教学平台实现教学过程全记录，并以此激发学生的学习兴趣[3]。

2.1 明确课程教学目标

以OBE教学理念为指导，根据物联网行业人才需求，围绕学校应用型人才培养目标，明确课程目标，凸显课程理论基础知识、实践能力和创新创业能力培养[4-5]。该课程教学目标如图1所示。

图1 课程教学目标

2.2 重塑教学内容

课程采用企业工程案例和教师科研项目嵌入课堂[4-9]，对当前ZigBee技术的最新应用和发展现状进行探讨，引入智能家居等典型案例，进一步扩大知识的深度和广度。结合项目案例对知识点进行阶段性讲解，将原来的以知识为主线转变为以项目为主线，使课程内容由易入难，逐层深入。课程内容划分四大阶段：系统整体构架→节点模块化设计与开发→网关通信技术→系统应用与实现，通过理实结合+思维拓展的方式，加深学生对知识的理解与转化。

搭建系统整体构架的前提是在全面了解无线传感网的基本概念、特点和系统的关键性能指标的基础上进行分析，在家庭外部通过互联网将每家每户的智能网关连接到同一个服务器，计算机或手持移动设备通过互联网与智能家居服务器相连，进而可以获得用户所需的信息或者对智能家居设备实施控制。整个智能家居系统构架如图2所示，以智能家居为主线助力学生了解无线传感网络技术及其应用领域。

图2 智能家居系统构架

节点模块化设计与开发实质是围绕ZigBee的核心芯片设计，设计中选用TI公司的ZigBee芯片CC2530F256，结合IAR嵌入式开发平台，设计相关硬件电路和模块程序。其中，硬件设计包括ZigBee控制节点核心电路设计、节点天线设计、终端节点硬件设计等；软件设计包括协调器节点程序设计、终端节点程序设计等。智能家居ZigBee协调器的工作流程如图3所示。该阶段主要让学生掌握运用IAR开发环境实现对CC2530芯片的基础开发，理解Zstack协议栈的运行机制，具备基于Zstack协议栈的项目开发能力。

图3 ZigBee协调器的工作流程

网关通信技术的作用在于在智能家居内部网络与外部Internet之间建立通信桥梁，完成不同网络的数据跨异构网络的传输。该阶段主要让学生对比典型的无线通信技术的关键性能指标。以ZigBee技术作为智能家居内部网络通信方式，熟悉感知层的数据采集、网络建立、数据收发、串口通信以及设备控制等；在嵌入式系统中选择以太网作为外部网络通信方式，以局域网组网方式分析通信中的帧格式、帧结构、网络协议及其工作方式，局域网组网通信部分数据如图4所示。让学生掌握Zstack协议栈的工作机制和应用开发，培养学生具备常用传感器选型和基于ZigBee技术的小型系统开发能力。

图4 局域网组网通信

在系统应用与实现方面，根据配置的传感器和功能需求，主要将界面分为三部分：环境检测、家居控制、联动控制，如图5所示。环境检测界面主要通过采集检测类传感器的数据，实时监测家居的环境；家居控制界面主要采集控制类的一些传感器数据，实现对家居设备的实时监控；联动控制界面为用户提供自定义联动控制的功能，以实现家居的自动化控制。借助Android开发环境，通过Socket与服务端建立连接，在智能家居网关选择数据库保存设备信息。培养学生具备需求分析和项目方案撰写与设计的能力。

图5 智能家居界面

2.3 选定智慧平台

构建线上线下混合式智慧教学平台，以超星“学习通”为线上教学平台，通过网络教学资源的搭建，将课前、课中、课后三个环节有机衔接起来[10]。

课前：为学生提供课程学习资料PPT、IAR软件安装包、安装向导视频及注意事项、CC2530硬件接线原理图、CC2530用户向导资料和相关寄存器的接口说明等。

课中：依托超星“一屏三端”模式，采用线上线下混合的方式进行理论教学。以智能家居等典型案例为主线，在课程初期阶段，通过主题讨论形式对学生的笔记热词进行共享，发现学生对问题的不同理解和关注度高的核心问题，通过交流沟通让学生对课程框架有基本的了解。课程中期阶段，通过抢答、选人、投票等环节活跃课程氛围，注重学生参与度和创新思维的培养；创建题库，方便课中随堂练习，及时检测学生基础知识掌握情况和拓展新知识。课程后期阶段，在智慧教室采用主题讨论和任务分组的方式强化学生主动学习的意识，让学生完成知识的内化和吸收，进一步培养学生的团队协作能力。以公布排行榜、展示优秀作业和指出常见误区等方式反馈学生前期的学习效果。实验教学主要采用直播+线下同步进行的教学模式，通过个人综合实验，检验学生链接知识能力和动手实践能力。小组综合项目在课程尾期进行，通过项目设计、分析、演说与汇报、报告等环节综合考察学生探索学习能力和团队协作能力。

课后：安排讨论环节和课后作业，对知识点进行拓展练习，对优秀的作业进行点赞，对不能参与课程学习的学生进行教学预警，保障教学活动公平有序进行。

2.4 提供科研平台

学院目前已经建设有校企合作机构—达内教育与华为仁通科技创新基地，提供物联网专业学生科研课题平台；新增窄带物联网专业实验室，为无线传感网络课程提供了有力保障。开放大学生创新创业实践中心，鼓励并支持学生积极参与全国大学生电子设计大赛、“互联网+”大赛、蓝桥杯、挑战杯等，通过省赛、国赛锻炼学生多学科交叉融合的应用和系统设计能力。

2.5 确立考核方式

匹配课程教学目标的多元考核方式及其评价指标，注重提高学生学习过程的有效参与度，侧重对学生能力的考核。

课程总成绩包括过程性考核（占40%）和期末成绩（占60%）。过程性考核（占40%）包括课堂互动（占5%）、实验闯关与作业（占5%）、个人综合实验（占5%）、期中考试（占10%）、小组综合项目（占15%）。通过多元考核方式，调动学生学习积极性，让学生有课程挑战意识，发挥学生的主观能动性。

3 教学改革效果

对本校2019级物联网工程专业课程进行教学改革，通过本轮混合式教学模式的实施，有效解决了四大痛点问题。

通过学习通大数据教学平台统计课程实施数据：课堂活动31个，发布讨论区话题8个，回复话题253人次。从这些记录数据可以看出，学生参与课程学习的积极性较高，改革后大大调动了学生学习兴趣，形成了有效的交流与讨论。课后公布课堂表现TOP10，既保障教学评价透明度，又形成了学习竞争意识。

2019级物联网专业参加比赛的项目由改革前的两项增加到改革后的五项，参与人次从改革前的3人次增加到改革后的11人次。在课程期中检查调研中，学生代表对无线传感网络课程的改革效果表示肯定，项目教学法提高了学生项目开发能力和团队协作意识。大多数同学在学习该课程时感到收获颇多，尤其对课程应用以及今后的课程设计、毕业设计都有所帮助。

4 结 语

以OBE教学理念为指导，对无线传感网络课程采用线上线下混合式教学模式，以学生为中心，采用项目教学方法，重塑教学内容，以智慧教学平台为依托，应用多元考核方式激发学生主观能动性，取得了预期的教学效果。下一轮教学继续坚持混合式教学模式，对教学环节持续改进并完善，相信会达到物联网工程专业应用型人才培养目标。