新工科背景下基于翻轉課堂的傳感網實驗課程教學改革

胡必玲，鐘 錦，潘潔珠

（合肥師范學院 計算機學院，安徽 合肥 236032）

0 引 言

2017年以來，我國高教掀起了一場新工科建設的熱潮。新工科建設強調課堂互動，改革教學方式，落實以學生為中心的教學理念[1-2]。翻轉課堂是一種對傳統的課堂教學結構進行翻轉，將以教師為中心的課堂轉變為以學生為中心的課堂，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]。國內的學者和教育實踐者們已將翻轉課堂教學模式應用于多門課程的教學中，主要目的是通過翻轉課堂改進傳統教學模式中存在的弊端[3-6]。

物聯網工程專業是新工科的典型專業[7]，傳感器網絡實驗課程是物聯網工程專業的主干實驗課程，其教學內容多，學時有限，教學效果與學生的專業核心素養緊密相關[8-10]。筆者在對翻轉課堂的教學模式進行深入研究的基礎上，為了提高學生的主動學習積極性，強化學生對實踐內容的掌握，提升教學效果，嘗試在傳感器網絡實驗教學中引入了翻轉課堂的教學方式。將傳統模式下在課中進行的知識傳授轉移到課下進行，而將原本在課下進行的知識內化轉移到課中進行。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，自學教學內容[4]。在實驗課中，師生之間、學生之間針對教學內容展開答疑和討論，實現對知識和實踐環節的理解和吸收。實踐效果表明，對于實踐性的課程，翻轉課堂教學模式能取得良好的教學效果。

1 傳感器網絡實驗的特點和存在的問題

傳感器網絡實驗課程的主要教學內容一般應包括四部分：基礎實驗、ZigBee組網實驗、無線傳感器網絡實驗、研創型實驗。

基礎實驗包括CC2530片上系統的實驗和Z-stack協議棧實驗兩部分。CC2530片上系統實驗是讓學生掌握CC2530片上系統各部件的使用，包括CC2530中的通用I/O口、定時器、外部中斷、串口通信、A/D 轉換等，進一步為后續實驗打下堅實的基礎；Z-stack協議棧實驗的設置主要是為了讓學生熟悉協議棧中常用的API函數的使用。

ZigBee組網實驗包括基于ZigBee 的星形、樹形和Mesh無線傳感器網絡綜合實驗。

無線傳感器網絡實驗是對先前的基礎部分實驗、先修課程“傳感器原理與應用”中傳感器實驗和無線傳感器組網實驗的融合和提升，包括分布式溫濕度采集器、分布式防盜監測器兩個實驗。

研創型實驗是傳感器網絡實驗課程的拓展部分，供學有余力和對傳感網感興趣的學生學習，主要就無線傳感器網絡在工程實施中遇到的一些共性問題對學生進行指導，一般包括傳感網覆蓋、路由協議、節能和安全技術的實驗。

從以上分析可見，傳感器網絡實驗課程教學內容多、課程容量大、跨度大。另外，傳感器網絡實驗課時相對教學內容來說很有限。

目前，本課程多以傳統模式進行教學，在實驗課前，學生預習實驗指導書中相關內容；在實驗課中，教師向學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容；課下，學生撰寫實驗報告，實現對所學實驗原理和操作技能的內化。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。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，由于課堂教學內容多、課程容量大，學生基礎不一樣，要在課堂內完成所有的教學內容時間緊張，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，筆者嘗試將翻轉課堂應用于傳感器網絡實驗課程的教學，以期提升實驗教學效果和參考。以下以串行通信接口的發送與接收為例，闡述教學過程。

2 實驗教學設計

以串行通信接口的發送和接收實驗為例，首先設計主要知識和技能表，具體內容見表1所列。根據往年教學經驗，知識點1比較簡單直觀，知識點2～6，多數學生通過閱讀實驗指導書和CC2530數據手冊就可以很好地掌握。而技能點7，8相對有點難度，多數學生僅通過自學難以熟練掌握。為此結合翻轉課堂的教學模式，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容和實驗示例的講解錄制成教學視頻上傳到網絡平臺，并加載到對應實驗項目的目錄下。同時上傳每次實驗的內容和要求，并根據實驗的相關知識點和每次實驗的具體內容發布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、實驗具體內容的PDF文檔、導學問題均被設置成任務點。學生應在課下自學階段很好地掌握表1中1～6的內容，對于7，8，做到簡單了解相關背景知識，為下一階段的課中內化和動手實驗打下基礎。

表1 串行通信接口發送與接收實驗的主要教學目標

課中內化和實驗階段可分為五個環節（一次實驗時長90 min）：第一個環節為15 min，本環節就串行通信接口的背景知識、模式設置、波特率設置、數據讀入寫出、使能串口發送和接收中斷問題進行交流答疑；第二個環節為10 min，本環節就課下自學階段的示例進行要點回顧，并根據此示例演示實驗具體流程，說明注意事項；第三個環節為學生實驗操作階段，設定時長為40 min，本環節引導學生完成實驗具體內容7和8；第四個環節為15 min，針對學生實驗階段教師巡視過程中發現的問題進行指導解決；第五個階段為實驗總結階段，設定時長為10 min，本環節對學生實驗完成情況進行統計，并總結本次實驗。

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節。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絡平臺。教學視頻主要向學生講解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、數據的發送和接收相關的寄存器的配置，以及與串行通信接口的發送中斷和接收中斷相關的寄存器的配置，并通過示例闡述上述知識點。導學問題見表2所列。

表2 課下自學環節的導學問題

3.2 課中內化

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據發送與接收相關的知識。學生在課堂時間內與其他學生或教師就課前自學的內容進行討論，可以加深他們對所學知識的認識。在討論結束之后，對于有疑慮的地方，教師統一進行闡述。由于本實驗涉及到串口調試助手的使用和設置以及仿真器的使用，在開展課堂討論和答疑之后，教師必須結合在網絡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，主要包括編程實現串行通信接口進行數據發送和接收兩個部分。這兩部分實驗由學生在教師引導下完成。教師啟發學生認識到利用串行通信接口實現數據的發送和接收之前必須對其進行配置，即為初始化，包括設置工作模式、波特率、連接位置，又由于數據的發送和接收是在系統時鐘控制下進行，還需要設置系統時鐘源并等待其穩定。如果利用中斷方式實現數據的發送和接收，還需要使能串口的發送中斷和接收中斷，并編寫中斷處理函數。此外，數據發送需要實現數據發送函數，數據接收需要實現接收功能。教師要求學生按照實驗指導書要求完成實驗內容，并注意代碼編寫風格，強調功能的獨立性。

由于課前的視頻講解和課堂上的小組討論和答疑，多數學生能夠在教師引導下順利完成實驗內容，并且對串口的使用得到很好的掌握。

4 教學效果與體會

本次課堂翻轉的實踐取得了較好的教學效果。一是有效激發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。在傳統的教學模式下，學生往往不進行課前預習，課堂講解時也經常出現瞌睡、玩手機、聊天的現象；應用翻轉課堂之后，由于將課程內容講解的視頻、預習作業等設置成任務點，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。翻轉課堂的優勢是將學生被動的接收改為主動的學，在學習過程中，為了完成作業及課堂討論，學生改變了過去消極怠學的狀態，會主動去吸收、去理解、去分析問題。三是學生對教學內容的掌握程度得到提升，在課程期末考核中，不會動手操作、操作結果不正確、無法完成代碼編寫的學生人數較沒有實行翻轉課堂階段大幅度下降。

對于本次實踐教學改革，筆者認為翻轉課堂教學模式的成功不是在于簡單地將線下內容搬到線上，將課堂講解內容搬到課下，而在于在翻轉課堂教學模式下教師根據教學的具體內容，布置合適的自學內容，設計合適的導學問題，根據教學內容的重難點在實驗課堂上設計合適的學習環節。

5 結 語

翻轉課堂已作為大多數高校教師增強師生互動、激發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據的發送和接收為例，將翻轉課堂模式應用于無線傳感器網絡實驗課程的教學中，取得了良好的教學效果。后續將深入研究翻轉課堂的教學模式，對現階段實踐工作進行完善。