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，還是課程設計、畢業(yè)設計內(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OBE教學理念為指導，根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)人才需求，圍繞學校應用型人才培養(yǎng)目標，明確課程目標，凸顯課程理論基礎知識、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)點模塊化設計與開發(fā)→網(wǎng)關(guān)通信技術(shù)→系統(tǒng)應用與實現(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)連接到同一個服務器，計算機或手持移動設備通過互聯(lián)網(wǎng)與智能家居服務器相連，進而可以獲得用戶所需的信息或者對智能家居設備實施控制。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)絡技術(shù)及其應用領(lǐng)域。

圖2 智能家居系統(tǒng)構(gòu)架

節(jié)點模塊化設計與開發(fā)實質(zhì)是圍繞ZigBee的核心芯片設計，設計中選用TI公司的ZigBee芯片CC2530F256，結(jié)合IAR嵌入式開發(fā)平臺，設計相關(guān)硬件電路和模塊程序。其中，硬件設計包括ZigBee控制節(jié)點核心電路設計、節(jié)點天線設計、終端節(jié)點硬件設計等；軟件設計包括協(xié)調(diào)器節(jié)點程序設計、終端節(jié)點程序設計等。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)絡與外部Internet之間建立通信橋梁，完成不同網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)跨異構(gòu)網(wǎng)絡的傳輸。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)絡通信方式，熟悉感知層的數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡建立、數(shù)據(jù)收發(fā)、串口通信以及設備控制等；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與服務端建立連接，在智能家居網(wǎng)關(guān)選擇數(shù)據(jù)庫保存設備信息。培養(yǎng)學生具備需求分析和項目方案撰寫與設計的能力。

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用和系統(tǒng)設計能力。

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，尤其對課程應用以及今后的課程設計、畢業(yè)設計都有所幫助。

4 結(jié) 語

以OBE教學理念為指導，對無線傳感網(wǎng)絡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，應用多元考核方式激發(fā)學生主觀能動性，取得了預期的教學效果。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)應用型人才培養(yǎng)目標。