無線傳感器網絡課程教學方法探索

摘要：針對學生在無線傳感器網絡學習過程中存在的困難，探索一種易于學生接受并能快速指導實踐的教學方法。文章采用將小型開發板帶入課堂，理論和實踐無時間差結合的項目式教學法，讓學生在實踐-理論-再實踐的過程中逐步掌握艱深的理論知識。同時，結合物聯網仿真平臺及云平臺，模擬數據采集及上傳并下發控制指令的物聯網工作過程，讓學生對整個物聯網體系有較為清晰的認知，并明確該課程在整個物聯網體系中的重要作用。另外，采用分組式教學，學生的綜合成績是根據小組共同得分及個人表現得分加權計算獲得，該方式可以調動同學之間互幫互助、共同監督、共同促進的良好學習風氣，并且小組討論、相互教并快速實踐的學習方式有助于學習內容的及時內化吸收和記憶。

關鍵詞：無線傳感器網絡；項目式教學；TBL教學模式;分組教學；物聯網技術

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）27-0171-03

0 引言

物聯網技術是信息技術的第三次技術革命，它是鏈接信息世界與現實世界的關鍵橋梁，其應用越來越廣泛。為適應時代發展和國家需求，許多高校都開設了物聯網技術相關課程。其中無線傳感器網絡是重要的先導課程，該課程涉及通信技術、網絡技術、RFID 技術、傳感器技術、嵌入式技術等多項綜合信息技術。該課程是以培養學生的專業素養、對物物互聯技術具有運用理論知識解決應用系統構建能力為目標、培養應用型人才的重要課程[1-3]。

對于本校測控專業學生，在無線傳感器網絡課程的教學實施過程中，主要存在以下一些問題：1） 該課程的內容屬于多學科交叉的應用學科，目前其良好的教學方式仍處于摸索實踐階段，缺少可以借鑒的成熟體系和成功經驗。2） 課程內容涉及的知識點多且復雜，導致學生抓不住重點，缺乏學習興趣。目前，不斷涌現出的無線通信方式種類繁多，有短距離、中距離、中長距離以及低功耗廣域等方式，面對復雜的通信協議，對于缺乏扎實的計算機網絡及通信基本理論知識的測控專業同學而言，如果僅僅是理論知識的灌輸結合幾次演示性實驗教學的話，將很難提起學習興趣，導致厭倦情緒。3） 沒有系統全面的教材，而且各個教材內容與科研、生產等實踐環節脫節。無線傳感器網絡不僅僅是通信的方式，還是要服務于物聯網整個大的系統體系，而目前的“無線傳感器網絡”教材大多只是講授各種無線通信原理、協議標準、無線傳感器網絡安全技術、時鐘同步技術、定位技術等，并沒有結合實際的物聯網應用例子或實際項目來編排，使學生不知道如何學以致用[4-5]。4） 理論教學課時少，學生實踐能力弱，導致課程教學效果差。目前的教學課時安排大都是理論課時32學時，實驗學時8學時，主要是理論講授加實驗演示的方式，即以教師講授演示為主，學生跟著操作，實際動手開發的機會較少，影響學習的積極性，無法培養學生的自主學習能力。

目前，很多高校都對無線傳感器網絡課程的教學進行了改革和探索，取得了一定的成績。河海大學的吳迪[6]等人提出了一種“無線傳感網絡”四階教學法，該方法可有效提升教學質量、加強學生實踐創新應用能力。張愛清[7]等人針對“無線傳感器網絡”課程內容多、理論枯燥、難度大的特點，提出了比較法和演示法的教學方法改革，并探討了多元化課程考核方案。楊建強[8]等人針對應用型高校對學生應用能力培養的要求，提出一種以ZigBee技術為基礎的講、演、練教學設計方法。以上各種針對“無線傳感器網絡”課程提出的教學改革方法都在本校學生中取得了有效的教學成果。

鑒于以上問題及研究現狀分析，本文結合本校本專業學生的學情和培養目標，提出將小型開發板引入課堂的項目式分組教學法，在實踐-理論-再實踐的過程中提高學習效率及學生的創新實踐能力。同時，進行每3～4個學生為一組的分組性教學，旨在提高學生的團隊協作精神和加強對團隊利益負責的責任心。

1 分組項目式教學的優勢

學習金字塔理論是由美國著名學習專家愛德加·戴爾提出，如圖1所示，它用數字形式形象地展示了采用不同的學習方式，學習者在兩周后還能記住學過內容的平均學習保持率。從該圖中可以看出，采用傳統的教師講授、學生聽的教學模式是一種被動學習方式，并沒有調動學生的主動學習積極性，是效率最低的學習模式，兩周后僅能記住學習內容的5%。這也就是為什么老師感覺上課的時候學生反應還都不錯，貌似都聽懂了，考試的時候成績卻很差的原因。從圖中還可以看出，分組討論、實踐練習以及相互教并快速使用的學習方法有助于學生加深對知識的理解和記憶。因此，在教學設計過程中，可根據學習金字塔理論中不同學習方式所產生的效果進行設計。課前，可布置預習任務，讓學生通過視聽結合的方式或示范演示的學習資源進行課前自主學習。在課堂，創設團隊學習的情景，讓學習者在交流合作、實踐操作中進行學習，沒學懂的同學可積極向同組同學請教，學有余力的同學，應積極幫助同組其他同學，在教別人的過程中，進一步鞏固加深記憶。同時，項目式教學是注重以項目為載體的主動性教學方法，重視工程文化教育，能極大提高學生的創新意識和工程應用能力。

本課程的教學改革也就是基于以上的學習金字塔理論進行了分組項目式教學，將同學們依據對知識掌握的不同層次搭配，按3人一組分成了若干組。依據教學目標和教學計劃，將理論知識對應到不同的項目中，在上課過程中，同學們可利用小型開發板實踐不同的項目，發現問題后再進行理論知識的學習，然后對項目進行難度和理論升級，進一步掌握理論知識并逐步具備知識遷移和創新的能力。

2 項目式教學在“無線傳感器網絡”課程中的實施

2.1 項目準備

項目的準備環節就是幫助不同學習程度的同學確立學習目標、根據設計要求確定實施方案的過程。在這個過程中針對不同層次的學生設計難度適當超出學生認知能力的題目，給學生以探索和思考的空間，在解決困難問題的過程中感受學習的樂趣。首先，要明確該項目要實現的目標，也即被測量是什么，需要多少個終端節點，節點和網關之間采用什么樣的無線傳輸方式，網關采用什么樣的傳輸方式將數據上傳到云平臺，如何對數據進行可視化應用設計，應用端如何與云平臺的數據進行交互等問題。其次，需明確相關聯的理論知識及教學方式的確定。

2.2 項目實施

項目的實施依據教學進度分為難度逐級遞增的四部分，首先是從I/O口的配置和使用、采用中斷方式控制外部設備、利用串口與上位機實現通信、如何驅動TFT顯示器輸出顯示所需的內容、如何采集溫濕度傳感器DHT11的數據等5個項目中逐步熟悉CC2530 單片機的資源及開發方式；其次，針對ZigBee無線通信，從開發環境配置、單播通信、組播通信和廣播通信等幾個方面熟悉ZigBee協議棧Zstack及ZigBee通信方式；然后從節點采集溫濕度傳感器DHT11的數據傳輸到協調器、用電腦串口發送AT指令控制Wi-Fi模塊、用CC2530的串口AT指令控制Wi-Fi模塊、網關采用Wi-Fi 無線通信將數據傳輸給手機、協調器采用Wi-Fi無線通信將數據傳輸給云平臺、在云平臺實現數據的可視化等逐次遞進的項目中實現一個完整的物聯網工作過程；最后，設定一定難度的綜合項目，讓學生一步步加深學生內容，不至于因為內容太難，一開始就產生畏難情緒而放棄。如表1所示為教學過程中逐級需要實現的各級各類項目。

在項目的實施過程中，根據每組以及每個同學掌握的情況，可以適當增加或減小難度，讓基礎稍弱的同學也能有興趣參與學習中而不是因為畏難情緒就索性放棄，也要讓基礎較好的同學去嘗試探索更深的知識，體驗攻克困難取得進步的成就感和價值感。如圖2所示為課堂中部分同學完成的部分項目示意圖。ZigBee 終端實時采集溫濕度傳感器的數據，傳輸給ZigBee協調器，并同時在終端和協調器上顯示。協調器通過Wi-Fi無線網絡將數據上傳到云平臺，從云平臺界面可以看到數據的變化趨勢。為了對數據顯示進行優化，設計了數據的可視化Web界面，可通過儀表盤和折線圖直觀地觀測到數據的實時變化和歷史數據。

2.3 項目總結

項目總結包括成果展示和報告的撰寫。在整個項目執行環節，報告的撰寫占有很重要的地位，寫報告的過程可以幫助學生梳理思路，是一個建立知識鏈接的過程，是將所學知識由實踐上升到理論的過程。因此，要對報告進行嚴格把關，規范格式和內容。

3 TBL 教學及成績評定

TBL模式是以團隊合作為基礎進行學習活動的過程，其組成元素是分組、學生課前自學、個人測驗、小組測驗、應用性練習以及評價等。結合無線傳感器網絡課程的理論知識特點和擬采取的小型開發板項目式教學方法，將TBL教學活動分為課前和課堂兩個活動過程，知識儲備、知識考核、知識應用3個階段7 個步驟，具體教學設計如圖3所示：

其中課前活動包含組建小組和目標導學，合理有效地組建團隊是開展TBL教學模式的前提，每個團隊可由3人組成，在組建過程中，對不同學生的學習表現、學習能力、性格特點等差異性進行考慮分配組建，以保證每個小組之間的綜合水平相當。在目標導學階段，由教師根據教學內容確定教學目標并準備好相關的學習資料和項目內容，并在教學的前一周發給學生，并告知學生明確的教學要求和要實現的項目結果，讓學生有針對性地查找資料。

課堂活動主要分為知識考核和知識應用，知識考核為個人準備測試、團隊準備測試和知識鞏固內化，知識應用為團隊應用任務和評價總結。個人準備測試的目的在于考查學生課前預習準備的學習效果，學生在5～8分鐘內獨立完成若干單項選擇題，這可以避免有的同學完全依賴組員的消極學習行為。團隊準備測試是在個人準備測試完成后進行，根據項目內容提高項目完成的難度，讓小組成員共同在一定時間內討論完成。知識鞏固內化是在個人準備和團隊準備測試后，針對普遍存在的問題，鼓勵學生進行回答，最后由老師進行講解，及時發現解決學生在項目完成過程中普遍存在的疑惑，讓學生對此前比較弱的知識進行鞏固內化，為完成下一環節團隊應用任務做準備。團隊應用任務是針對該課程設置的實踐項目，利用開發板和平臺仿真等由小組成員共同協作完成，并書寫項目報告。最后，評價總結是對團隊任務的完成情況進行評價，有沒有實現預定的功能，報告書寫是否規范，針對硬件和軟件程序等，抽不同的組員進行回答問題，并對小組的綜合表現進行打分評價。如表2所示為學生的成績評定方式，其中項目執行分為課堂項目和最后的創新項目，均是由小組成員共同討論完成，但在成績評定過程中既要避免“搭便車”的現象，也要鼓勵學有余力的同學挑戰更難的任務，因此通過加權的方式來計算得出最終成績。

4 結束語

本文針對無線傳感器網絡課程在授課過程中出現的困難和問題，提出了項目式教學結合TBL模式的教學改革。將小型開發板引入課堂，讓學生在實踐過程中遇到問題，然后再有針對性地學習理論知識。將課程內容按講解順序設置為不同難度的實踐項目，讓學生先對學習的內容通過實踐有個直觀感性的認識，然后再回頭學習理論，加深對理論的理解。同時，TBL 教學模式有助于培養學生的團結互助精神，也在組員互相討論講解的過程中更有助于知識的內化吸收和掌握。該方法的實施取得了較好的教學效果，也提高了學生的實踐動手能力和學習興趣。

參考文獻：

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[5] 蔣慶，湯建斌，徐志鵬.工程能力培養導向的多元混合式教學探索：以“無線傳感器網絡” 課程為例[J].教育信息化論壇， 2022（9）：3-5.

[6] 吳迪，朱金秀5.，韓光潔，等."無線傳感器網絡"教學方法探索[J]. 電氣電子教學學報， 2014，36（4）：66-68，75.

[7] 張愛清， 葉新榮， 謝小娟. 無線傳感器網絡課程理論教學改革與實踐[J].教育現代化， 2018，5（19）：103-105.

[8] 楊建強，張其林. 基于ZigBee的無線傳感器網絡課程的講、演、練教學設計[J].計算機教育，2017（7）：4.

【通聯編輯：王 力】

基金項目：基于TBL 項目式的“無線傳感器網絡”教學模式探索與實踐基金項目名稱（2022JY022）