賀道德++江濤

摘要：“無線傳感網(wǎng)”是物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課，因其課程內(nèi)容涉及“計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)”、“無線傳感器”等相關(guān)前沿軟硬件技術(shù)而使得其教學(xué)難度大。該文針對(duì)此課程的上述特點(diǎn)，采用翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)方案，以“分層路由協(xié)議”為例來介紹如何設(shè)計(jì)“無線傳感網(wǎng)”的教學(xué)；從而為物聯(lián)網(wǎng)這個(gè)新興專業(yè)的教學(xué)提供一個(gè)新的教學(xué)思路與方案。

關(guān)鍵詞：翻轉(zhuǎn)課堂；無線傳感網(wǎng)；分層路由協(xié)議；教學(xué)方案

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2017）04-0098-02

Research on Teaching Design of Wireless Sensor Networks based on Flipped Classroom

HE Dao-de， JIANG Tao

（School of Information Engineering， Guizhou University of Engineering Science， Bijie 551700， China）

Abstract： Wireless sensor network is an important basic course for the specialty of IoT. Because of its curriculum content computer network， wireless sensor and other related software and hardware technology， this makes it difficult to teach. Aimed at the above characteristics of this course， the flipped classroom model is used to design teaching programs in this paper. And we introduce how to design the wireless sensor network based on the hierarchical routing protocol， so as to provide a new teaching ideas and solutions for the Internet of things.

Key words： flipped classroom； wireless sensor networks； hierarchical routing protocol； teaching program

無線傳感網(wǎng)是采用無線傳感器為基本單元組成的一種新興網(wǎng)絡(luò)，它作為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的底層網(wǎng)絡(luò)而得到高度重視[1-3]。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，首先需要不同類型的無線傳感器在網(wǎng)絡(luò)的底端獲得數(shù)據(jù)或執(zhí)行指令，然后由傳感器將數(shù)據(jù)傳遞給匯聚節(jié)點(diǎn)（Sink），再由Sink將數(shù)據(jù)傳入互聯(lián)網(wǎng)等其他網(wǎng)絡(luò)從而實(shí)現(xiàn)物物互聯(lián)。因此，學(xué)生如若掌握該門技術(shù)，需得從硬件上掌握不同種類型的無線傳感器的物理特性；還得掌握無線網(wǎng)絡(luò)的各項(xiàng)協(xié)議；更有，需熟練掌握在網(wǎng)絡(luò)終端下對(duì)各種應(yīng)用軟件進(jìn)行處理的技術(shù)等等?；谏鲜鲈颍盁o線傳感網(wǎng)”這門課程的教學(xué)理論性強(qiáng)，覆蓋知識(shí)面廣，應(yīng)用性特征明顯；從而使得教師開展教學(xué)的難度大而不適于采用常規(guī)教學(xué)方案開展教學(xué)工作。

為了更好地對(duì)“無線傳感網(wǎng)”開展教學(xué)工作，本文作者采用目前流行的“翻轉(zhuǎn)課堂”（Flipped Classroom）教學(xué)模式來完成教學(xué)工作。在傳統(tǒng)的教學(xué)中，以課堂教學(xué)為中心，在授課過程中，以教師為中心，從而使得學(xué)生的學(xué)是被動(dòng)式學(xué)習(xí)；而在翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式中，將重新分配教學(xué)時(shí)間，將教學(xué)的中心由課堂改為課外，而學(xué)習(xí)的主角也由教師變?yōu)閷W(xué)生[4，5]。在翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)模式下，學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性將會(huì)得到充分的發(fā)揮；學(xué)生可在課堂學(xué)習(xí)之外使用各種學(xué)習(xí)手段來創(chuàng)造性完成學(xué)習(xí)任務(wù)，例如，學(xué)生可以使用教師提前錄制好的視頻或播客，還可借助互聯(lián)網(wǎng)等先進(jìn)的信息化設(shè)備完成與教師、同學(xué)的遠(yuǎn)程互助學(xué)習(xí)等；而在課堂教學(xué)時(shí)，教師不以講授知識(shí)為目的，而是以集中解決學(xué)生在自主學(xué)習(xí)過程中所遇到的難題為目的而展開教學(xué)。

將翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)模式應(yīng)用于“無線傳感網(wǎng)”的課程教學(xué)，有利于培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，另外，它也是符合對(duì)應(yīng)用性人才培養(yǎng)的教學(xué)方案；本文以本課程的知識(shí)點(diǎn)“分層路由協(xié)議”為基礎(chǔ)，介紹了基于翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)過程與思路，這對(duì)將翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式推廣至應(yīng)用性本科教學(xué)具有一定的實(shí)踐價(jià)值。

1 教學(xué)知識(shí)點(diǎn)

在無線傳感網(wǎng)的分層路由協(xié)議中，將網(wǎng)絡(luò)分為若干個(gè)簇[6]，每個(gè)簇有一個(gè)簇首，各無線傳感器節(jié)點(diǎn)通過簇首傳遞數(shù)據(jù)至Sink，最終由Sink將數(shù)據(jù)傳至其他網(wǎng)絡(luò)或處理終端進(jìn)行處理而完成網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。基于上述知識(shí)點(diǎn)，學(xué)生應(yīng)掌握分層路由協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)，然后還需分析網(wǎng)絡(luò)的性能，再通過大量測(cè)試數(shù)據(jù)得到一個(gè)最佳網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)，從而將其應(yīng)用于實(shí)際網(wǎng)絡(luò)環(huán)境；而對(duì)于網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)，主要是考慮簇首的選舉方案、簇首的輪換機(jī)制、簇大小、網(wǎng)絡(luò)能耗等等。

基于上述教學(xué)知識(shí)點(diǎn)，學(xué)生需先學(xué)習(xí)如何構(gòu)造分層路由協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?；設(shè)計(jì)簇首選舉及輪換的方案，然后使用編程技術(shù)來實(shí)現(xiàn)這些方案，完成組網(wǎng)的設(shè)計(jì)與現(xiàn)；并測(cè)試相關(guān)網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)，以使得網(wǎng)絡(luò)的各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到最佳。

2 教學(xué)內(nèi)容的組織與實(shí)施

基于翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)模式的重點(diǎn)在于通過學(xué)生的自主學(xué)習(xí)以及教師的輔助從而達(dá)到掌握知識(shí)的目的；因此，基于第1小節(jié)對(duì)知識(shí)點(diǎn)的要求，本文從理論學(xué)習(xí)、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞脑O(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議編程、網(wǎng)絡(luò)仿真實(shí)驗(yàn)等四個(gè)方面來完成教學(xué)內(nèi)容的組織與實(shí)施。

2.1 分層路由協(xié)議理論學(xué)習(xí)

分層路由協(xié)議的理論學(xué)習(xí)為該課程設(shè)計(jì)的首要階段，也是非常關(guān)鍵和重要的階段；這是因?yàn)橹挥袌?jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，才能支撐最終的應(yīng)用與實(shí)踐。為完成此階段的學(xué)習(xí)任務(wù)，教師安排任務(wù)如下：

1）針對(duì)無線傳感網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的背景進(jìn)行學(xué)習(xí)；對(duì)前階段的平面路由協(xié)議進(jìn)行總結(jié)，得出因平面路由協(xié)議帶來不足的原因而引入分層路由協(xié)議的思想。（為完成此任務(wù)，學(xué)生可以參看教師在線視頻，并寫出自己的總結(jié)提交給教師，獲得學(xué)習(xí)分?jǐn)?shù)為0至10分）

2）分層路由協(xié)議的基本思想的學(xué)習(xí)；學(xué)習(xí)完成后，總結(jié)出分層路由協(xié)議的優(yōu)缺點(diǎn)，并分析其總體的性能指標(biāo)。（可通過在線視頻與師生遠(yuǎn)程互助等方案來完成此任務(wù)，最終成果形式為學(xué)習(xí)總結(jié)，獲得學(xué)習(xí)分?jǐn)?shù)為0至10分）

3）流行分層路由協(xié)議的學(xué)習(xí)；針對(duì)目前流行分層路由協(xié)議的學(xué)習(xí)，分析出不同種協(xié)議的優(yōu)缺點(diǎn)并形成總結(jié)提交給教師（獲得學(xué)習(xí)分?jǐn)?shù)為0至10分）

2.2 設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)是無線傳感網(wǎng)組網(wǎng)的一個(gè)核心關(guān)鍵點(diǎn)，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的好壞直接關(guān)系到網(wǎng)絡(luò)核心性能指標(biāo)的高低；因此，在本學(xué)習(xí)階段，學(xué)生應(yīng)在分層路由協(xié)議的理論學(xué)習(xí)基礎(chǔ)上拿出最佳的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D。為完成此目標(biāo)，學(xué)生需將自己對(duì)網(wǎng)絡(luò)分析得到結(jié)果以圖的形式展現(xiàn)出來；因此，學(xué)生除前期做好相關(guān)分析外，還需熟練掌握一種匯制網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D的繪圖工具。

在此階段的最后，學(xué)生應(yīng)給教師提交的成果為：

1）分層路由協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D一份；在圖中必須明確標(biāo)明網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)的各項(xiàng)指標(biāo)（例如：節(jié)點(diǎn)的作用域、節(jié)點(diǎn)的能量值、節(jié)點(diǎn)是否為簇首等）

2）分層路由協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D的說明書；該說明書以文字的形式描述網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D的構(gòu)成，并詳細(xì)描述網(wǎng)絡(luò)的各項(xiàng)性能指標(biāo)等。

此階段學(xué)生得分：學(xué)生提交相關(guān)成果后，可獲得學(xué)習(xí)分?jǐn)?shù)為0至20分。

2.3 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議編程

網(wǎng)絡(luò)協(xié)議編程是網(wǎng)絡(luò)算法設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，在此環(huán)節(jié)中，學(xué)生應(yīng)設(shè)計(jì)出優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)自組織程序，以及簇首的選舉與輪換算法等。為完成這個(gè)學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)，學(xué)生必須具有較強(qiáng)的算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)能力，且必須較好的完成前兩個(gè)階段的學(xué)習(xí)任務(wù)。

在此階段結(jié)束之后，學(xué)生提交的成果為：

1）設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)自組織算法及簇首選舉算法并形成相關(guān)文檔；提交成果后，可獲得學(xué)習(xí)分?jǐn)?shù)0至10分。

2）設(shè)計(jì)簇首輪換算法并形成相關(guān)文檔；提交成果后，可獲得學(xué)習(xí)分?jǐn)?shù)0至10分。

2.4 網(wǎng)絡(luò)仿真實(shí)驗(yàn)

網(wǎng)絡(luò)仿真實(shí)驗(yàn)階段是對(duì)前期所學(xué)內(nèi)容進(jìn)行相關(guān)驗(yàn)證，是學(xué)生自主學(xué)習(xí)的最后環(huán)節(jié)，也是最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)；因?yàn)榍捌诘脑O(shè)計(jì)是否能夠付諸實(shí)施及產(chǎn)生最佳效果，將在此階段得以認(rèn)證。在該階段學(xué)生需完成的任務(wù)如下所示：

1）仿真平臺(tái)的選取與搭建；選擇一個(gè)優(yōu)秀的仿真平臺(tái)環(huán)境會(huì)使你的工作事半功倍，因此，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前需根據(jù)自身的實(shí)際情況選擇好相關(guān)平臺(tái)并搭建好相關(guān)環(huán)境。

2）在仿真環(huán)境中完成好網(wǎng)絡(luò)的組織，其中包括簇首選舉及簇輪換算法的實(shí)現(xiàn)等相關(guān)內(nèi)容。

3）測(cè)試在不同參數(shù)下的網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)，以尋求一個(gè)最佳的網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)。

此階段學(xué)生得分：學(xué)生提交相關(guān)成果后所得學(xué)分為0至30分。

3 課堂講授與答疑

在學(xué)生完成自主學(xué)習(xí)內(nèi)容后，進(jìn)入課堂講授與答疑環(huán)節(jié)；在這個(gè)環(huán)節(jié)中，教師不再以傳統(tǒng)的教學(xué)方式講授相關(guān)知識(shí)，而是對(duì)學(xué)生自主學(xué)習(xí)階段的成果進(jìn)行評(píng)價(jià)與答疑。針對(duì)“分層路由協(xié)議”這個(gè)知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)，教師應(yīng)按如下方案來組織課堂講授與答疑：

1）在課堂講授前，教師對(duì)學(xué)生提交的成果進(jìn)行詳細(xì)評(píng)閱并給出最終自主學(xué)習(xí)分?jǐn)?shù)。

2）在課堂講授中，教師針對(duì)學(xué)生自主學(xué)習(xí)中存在的問題進(jìn)行統(tǒng)一講解。

3）在課堂講授中，教師與學(xué)生采用互助討論的方式完成課堂答疑。

4）最后，由教師及學(xué)生代表對(duì)此次課堂學(xué)習(xí)進(jìn)行總結(jié)并快速評(píng)價(jià)出所有學(xué)生課堂教學(xué)分?jǐn)?shù)，并按自主學(xué)習(xí)分?jǐn)?shù)與課堂教學(xué)分?jǐn)?shù)的平均值計(jì)算出本次課的最終分?jǐn)?shù)并存檔以備進(jìn)行期末評(píng)價(jià)。

5）布置下次課的教學(xué)任務(wù)，以工作過程系統(tǒng)化的方式滾動(dòng)式進(jìn)入下一個(gè)知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)。

4 總結(jié)

基于翻轉(zhuǎn)課堂的無線傳感網(wǎng)教學(xué)設(shè)計(jì)方案克服了傳統(tǒng)教學(xué)方式以教師為中心教學(xué)而使學(xué)生的學(xué)習(xí)能力得不到很好提高的缺陷；并且，該方案從知識(shí)點(diǎn)的準(zhǔn)備到技術(shù)的實(shí)踐完全由學(xué)生自主完成，這符合應(yīng)用性人才培養(yǎng)的要求?；谏鲜鎏攸c(diǎn)，本方案是將先進(jìn)的教學(xué)模式應(yīng)用于復(fù)雜邊緣性學(xué)科的一次很好的嘗試；對(duì)應(yīng)用性本科院校開展物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的教學(xué)具有較好的參考價(jià)值。

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