翻轉(zhuǎn)課堂下傳感網(wǎng)實驗課程教學探究
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摘要：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實驗是物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)核心實驗課程之一，教學效果與學生專業(yè)能力密切相關(guān)。針對傳感器網(wǎng)絡(luò)實驗的特點和教學現(xiàn)狀，提出將翻轉(zhuǎn)課堂模式應(yīng)用于傳感網(wǎng)的實驗教學中。以實驗項目“串行通信接口發(fā)送與接收”為例，闡述了教學的設(shè)計和實施的過程。翻轉(zhuǎn)課堂實踐改革有效地激發(fā)了學生學習的積極性和對課堂教學的參與程度，學生對教學內(nèi)容的掌握程度和動手能力得到較大提升。
關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；實驗教學；翻轉(zhuǎn)課堂；教學改革；串行通信接口
0引言
2017年以來，我國高教掀起了一場新工科建設(shè)的熱潮。新工科建設(shè)強調(diào)課堂互動，改革教學方式，落實以學生為中心的教學理念[1-2]。翻轉(zhuǎn)課堂是一種對傳統(tǒng)的課堂教學結(jié)構(gòu)進行翻轉(zhuǎn)，將以教師為中心的課堂轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫W生為中心的課堂，也是讓學生在課前完成知識學習，在課堂上完成知識的吸收與掌握的一種新型教學模式[3]。國內(nèi)的學者和教育實踐者們已將翻轉(zhuǎn)課堂教學模式應(yīng)用于多門課程的教學中，主要目的是通過翻轉(zhuǎn)課堂改進傳統(tǒng)教學模式中存在的弊端[3-6]。物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)是新工科的典型專業(yè)[7]，傳感器網(wǎng)絡(luò)實驗課程是物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的主干實驗課程，其教學內(nèi)容多，學時有限，教學效果與學生的專業(yè)核心素養(yǎng)緊密相關(guān)[8-10]。筆者在對翻轉(zhuǎn)課堂的教學模式進行深入研究的基礎(chǔ)上，為了提高學生的主動學習積極性，強化學生對實踐內(nèi)容的掌握，提升教學效果，嘗試在傳感器網(wǎng)絡(luò)實驗教學中引入了翻轉(zhuǎn)課堂的教學方式。將傳統(tǒng)模式下在課中進行的知識傳授轉(zhuǎn)移到課下進行，而將原本在課下進行的知識內(nèi)化轉(zhuǎn)移到課中進行。在實驗課前，學生以導學問題為指引利用教學視頻、課件、參考書等教學資源，自學教學內(nèi)容[4]。在實驗課中，師生之間、學生之間針對教學內(nèi)容展開答疑和討論，實現(xiàn)對知識和實踐環(huán)節(jié)的理解和吸收。實踐效果表明，對于實踐性的課程，翻轉(zhuǎn)課堂教學模式能取得良好的教學效果。
1傳感器網(wǎng)絡(luò)實驗的特點和存在的問題
傳感器網(wǎng)絡(luò)實驗課程的主要教學內(nèi)容一般應(yīng)包括四部分：基礎(chǔ)實驗、ZigBee組網(wǎng)實驗、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實驗、研創(chuàng)型實驗。基礎(chǔ)實驗包括CC2530片上系統(tǒng)的實驗和Z-stack協(xié)議棧實驗兩部分。CC2530片上系統(tǒng)實驗是讓學生掌握CC2530片上系統(tǒng)各部件的使用，包括CC2530中的通用I/O口、定時器、外部中斷、串口通信、A/D轉(zhuǎn)換等，進一步為后續(xù)實驗打下堅實的基礎(chǔ)；Z-stack協(xié)議棧實驗的設(shè)置主要是為了讓學生熟悉協(xié)議棧中常用的API函數(shù)的使用。ZigBee組網(wǎng)實驗包括基于ZigBee的星形、樹形和Mesh無線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合實驗。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實驗是對先前的基礎(chǔ)部分實驗、先修課程“傳感器原理與應(yīng)用”中傳感器實驗和無線傳感器組網(wǎng)實驗的融合和提升，包括分布式溫濕度采集器、分布式防盜監(jiān)測器兩個實驗。研創(chuàng)型實驗是傳感器網(wǎng)絡(luò)實驗課程的拓展部分，供學有余力和對傳感網(wǎng)感興趣的學生學習，主要就無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在工程實施中遇到的一些共性問題對學生進行指導，一般包括傳感網(wǎng)覆蓋、路由協(xié)議、節(jié)能和安全技術(shù)的實驗。從以上分析可見，傳感器網(wǎng)絡(luò)實驗課程教學內(nèi)容多、課程容量大、跨度大。另外，傳感器網(wǎng)絡(luò)實驗課時相對教學內(nèi)容來說很有限。目前，本課程多以傳統(tǒng)模式進行教學，在實驗課前，學生預習實驗指導書中相關(guān)內(nèi)容；在實驗課中，教師向?qū)W生講授本次實驗的基本原理，并通過樣例演示操作步驟，隨后學生基于實驗指導書，按照實驗要求完成指定實驗內(nèi)容；課下，學生撰寫實驗報告，實現(xiàn)對所學實驗原理和操作技能的內(nèi)化。此種教學模式突出了教師在教學活動中的主導地位，但忽視了學生在學習過程中的主體地位和對學生學習興趣的激發(fā)。相當部分學生消極思考操作步驟背后的原理和意義，機械地根據(jù)實驗指導書操作，不利于提高教學效果和提升學生的動手能力[5]；另外，由于課堂教學內(nèi)容多、課程容量大，學生基礎(chǔ)不一樣，要在課堂內(nèi)完成所有的教學內(nèi)容時間緊張，常常不能在課堂上完成實驗評價；第三，學生之間、師生之間缺乏交流。有限的課堂時間除去教師講授實驗原理和學生動手實驗操作時間外，導致教師與學生之間、學生與學生之間沒有太多時間進行交流討論互動，教師也無法兼顧不同層次的學生。因此，筆者嘗試將翻轉(zhuǎn)課堂應(yīng)用于傳感器網(wǎng)絡(luò)實驗課程的教學，以期提升實驗教學效果和參考。以下以串行通信接口的發(fā)送與接收為例，闡述教學過程。
2實驗教學設(shè)計
以串行通信接口的發(fā)送和接收實驗為例，首先設(shè)計主要知識和技能表，具體內(nèi)容見表1所列。根據(jù)往年教學經(jīng)驗，知識點1比較簡單直觀，知識點2～6，多數(shù)學生通過閱讀實驗指導書和CC2530數(shù)據(jù)手冊就可以很好地掌握。而技能點7，8相對有點難度，多數(shù)學生僅通過自學難以熟練掌握。為此結(jié)合翻轉(zhuǎn)課堂的教學模式，將整個教學過程分為兩個階段，第一階段為課下自學，第二階段為課中內(nèi)化和實驗。課下自學階段，教師在每次實驗課前將對本次實驗核心內(nèi)容和實驗示例的講解錄制成教學視頻上傳到網(wǎng)絡(luò)平臺，并加載到對應(yīng)實驗項目的目錄下。同時上傳每次實驗的內(nèi)容和要求，并根據(jù)實驗的相關(guān)知識點和每次實驗的具體內(nèi)容若干有針對性的導學問題，要求學生開展課下自學。上傳的講解視頻、實驗具體內(nèi)容的PDF文檔、導學問題均被設(shè)置成任務(wù)點。學生應(yīng)在課下自學階段很好地掌握表1中1～6的內(nèi)容，對于7，8，做到簡單了解相關(guān)背景知識，為下一階段的課中內(nèi)化和動手實驗打下基礎(chǔ)。課中內(nèi)化和實驗階段可分為五個環(huán)節(jié)（一次實驗時長90min）：第一個環(huán)節(jié)為15min，本環(huán)節(jié)就串行通信接口的背景知識、模式設(shè)置、波特率設(shè)置、數(shù)據(jù)讀入寫出、使能串口發(fā)送和接收中斷問題進行交流答疑；第二個環(huán)節(jié)為10min，本環(huán)節(jié)就課下自學階段的示例進行要點回顧，并根據(jù)此示例演示實驗具體流程，說明注意事項；第三個環(huán)節(jié)為學生實驗操作階段，設(shè)定時長為40min，本環(huán)節(jié)引導學生完成實驗具體內(nèi)容7和8；第四個環(huán)節(jié)為15min，針對學生實驗階段教師巡視過程中發(fā)現(xiàn)的問題進行指導解決；第五個階段為實驗總結(jié)階段，設(shè)定時長為10min，本環(huán)節(jié)對學生實驗完成情況進行統(tǒng)計，并總結(jié)本次實驗。
3實驗教學實施
3.1學生分組與課下自學
本課程的課堂規(guī)模為60人左右，學生自由組合形成小組，每組2人，以小組為單位完成全部教學環(huán)節(jié)。在課下階段，教師在實驗開課之前將教學視頻和導學問題上傳到指定網(wǎng)絡(luò)平臺。教學視頻主要向?qū)W生講解CC2530中的串行通信接口的功能和特點，以及與串行通信接口的工作模式、波特率、連接位置、數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收相關(guān)的寄存器的配置，以及與串行通信接口的發(fā)送中斷和接收中斷相關(guān)的寄存器的配置，并通過示例闡述上述知識點。導學問題見表2所列。
3.2課中內(nèi)化
本階段教師首先引導學生開展課堂討論，復習鞏固串行通信接口數(shù)據(jù)發(fā)送與接收相關(guān)的知識。學生在課堂時間內(nèi)與其他學生或教師就課前自學的內(nèi)容進行討論，可以加深他們對所學知識的認識。在討論結(jié)束之后，對于有疑慮的地方，教師統(tǒng)一進行闡述。由于本實驗涉及到串口調(diào)試助手的使用和設(shè)置以及仿真器的使用，在開展課堂討論和答疑之后，教師必須結(jié)合在網(wǎng)絡(luò)平臺上提供的示例演示實驗的操作流程。第三階段，是課堂上的小組實驗階段，主要包括編程實現(xiàn)串行通信接口進行數(shù)據(jù)發(fā)送和接收兩個部分。這兩部分實驗由學生在教師引導下完成。教師啟發(fā)學生認識到利用串行通信接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收之前必須對其進行配置，即為初始化，包括設(shè)置工作模式、波特率、連接位置，又由于數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收是在系統(tǒng)時鐘控制下進行，還需要設(shè)置系統(tǒng)時鐘源并等待其穩(wěn)定。如果利用中斷方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，還需要使能串口的發(fā)送中斷和接收中斷，并編寫中斷處理函數(shù)。此外，數(shù)據(jù)發(fā)送需要實現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)，數(shù)據(jù)接收需要實現(xiàn)接收功能。教師要求學生按照實驗指導書要求完成實驗內(nèi)容，并注意代碼編寫風格，強調(diào)功能的獨立性。由于課前的視頻講解和課堂上的小組討論和答疑，多數(shù)學生能夠在教師引導下順利完成實驗內(nèi)容，并且對串口的使用得到很好的掌握。
4教學效果與體會
本次課堂翻轉(zhuǎn)的實踐取得了較好的教學效果。一是有效激發(fā)了學生學習的積極性，學生對課堂教學的參與程度明顯提高。在傳統(tǒng)的教學模式下，學生往往不進行課前預習，課堂講解時也經(jīng)常出現(xiàn)瞌睡、玩手機、聊天的現(xiàn)象；應(yīng)用翻轉(zhuǎn)課堂之后，由于將課程內(nèi)容講解的視頻、預習作業(yè)等設(shè)置成任務(wù)點，并會在課堂中進行小組討論，學生的學習積極性得到了提升，參與度得到了提高。二是通過課下自學，學生自主學習的能力得到提升，分析問題解決問題的能力得到提升。翻轉(zhuǎn)課堂的優(yōu)勢是將學生被動的接收改為主動的學，在學習過程中，為了完成作業(yè)及課堂討論，學生改變了過去消極怠學的狀態(tài)，會主動去吸收、去理解、去分析問題。三是學生對教學內(nèi)容的掌握程度得到提升，在課程期末考核中，不會動手操作、操作結(jié)果不正確、無法完成代碼編寫的學生人數(shù)較沒有實行翻轉(zhuǎn)課堂階段大幅度下降。對于本次實踐教學改革，筆者認為翻轉(zhuǎn)課堂教學模式的成功不是在于簡單地將線下內(nèi)容搬到線上，將課堂講解內(nèi)容搬到課下，而在于在翻轉(zhuǎn)課堂教學模式下教師根據(jù)教學的具體內(nèi)容，布置合適的自學內(nèi)容，設(shè)計合適的導學問題，根據(jù)教學內(nèi)容的重難點在實驗課堂上設(shè)計合適的學習環(huán)節(jié)。
5結(jié)語
翻轉(zhuǎn)課堂已作為大多數(shù)高校教師增強師生互動、激發(fā)學生學習積極性所采用的新的教學模式。本文以串行通信接口數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收為例，將翻轉(zhuǎn)課堂模式應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實驗課程的教學中，取得了良好的教學效果。后續(xù)將深入研究翻轉(zhuǎn)課堂的教學模式，對現(xiàn)階段實踐工作進行完善。
作者:胡必玲 鐘錦 潘潔珠 單位:合肥師范學院計算機學院