基于MOOC与混合教学的TinyOS操作系统课程教学改革研究

刘三荣

（枣庄学院 信息科学与工程学院，山东 枣庄 277160）

我国物联网产业已经形成了面向应用的较为成熟的产业结构，如我们熟悉的智慧城市、智能交通等.如此巨大的发展，带来了巨大的人才需求，大部分的高校也已开设了物联网相关的专业.TinyOS操作系统是物联网工程的基础课程.它随着“无线传感器网络（WSN）”的技术研究而流行起来的.因此掌握该系统的相关技术也就占领了制高点.TinyOS是一门资料很少，技术较新，没有多少较好的经验可以借鉴，只能自己摸索出一套适合于TinyOS课程学习的教学模式.

1 TinyOS操作系统与教学现状

1.1 TinyOS操作系统

TinyOS是由美国加利福尼亚大学伯克利分校专门为无线传感器网络定制研发的嵌入式操作系统，是一种基于事件驱动的操作系统，程序核心模块较小，能在传感器存储资源少的限制上有所突破，能在无线传感器网络上有效地运行并执行相应的管理工作.TinyOS将底层硬件进行封装成组件架构，对应用层通过组件的层递结构提供与硬件无关的接口.它的这种分层架构有利于操作系统的移植.

TinyOS的架构是一个自下而上的树状结构，分成底层硬件抽象组件、中间综合硬件组件和上层软件组件，其结构如图1所示.底层硬件抽象组件将物理硬件映射到TinyOS的组件模型，负责信号交互并向上报告事件的发生；中间综合硬件组件模拟高级硬件行为，负责解析数据和传递数据参数；上层软件组件主要实现组件控制、路由以及数据传输、协议解析等，并向下发送指令.

nesC语言是TinyOS的编程语言，是C语言的扩展，用来构建TinyOS的结构和执行模型，是进行TinyOS程序开发的工具.nesC程序结构是由模块组件、配置组件和编译文件三种类型文件组成.TinyOS组件有配置组件和模块组件两种.通常来说，底层组件的命令可以由上层组件调用，上层组件及其事件的发生由下层组件通过触发信号的方式通知，硬件与最底层的组件直接交互，自上而下形成一种树状结构接口.接口中的命令函数由接口的提供者实现，接口的事件函数由接口的使用者实现，一个组件使用或提供多个接口，也实现同一接口的多个命令.模块由应用程序代码组成，配件说明应用程序要使用的组件及组件间的关系，将使用者与提供者连接在一起.

图1 TinyOS体系结构

1.2 教学现状

(1)师资力量较弱.TinyOS是门全新的课程，教学老师大都是从事其他专业的，如计嵌入式的、计算机的等，很多无线传感器网络的核心技术这些老师基本没有接触，所以老师的技术水平不是很好，无法满足教学的需求.带课老师要从头学习新的技术本来就很困难，且TinyOS资料文献较少，经验传授相对缺少了，大部分老师是自己摸索学习，然后再将摸索学习的知识传授给学生，这样匮乏的知识储备和较少的经验肯定会影响到教学的质量.

(2)实践教学方法相对落后.讲课和做实验是传统的教学模式的主要方式，先课堂上讲理论知识再安排一次实验.这样的方式导致了学生所做实验之间相互独立.导致学生只会做这些实验，不知道做实验的实际意义、在什么场合应用，更不知道应用到工作中去.学生学习的目的不是很明确，知识更不能融会贯通，更不用说培养学习的兴趣.

(3)实验仪器设备不足.TinyOS是近几年才走进高校的课堂，教学仪器设备相对较少，价格较贵，学校采购设备的范围和数量受到限制，适合于专业教学的实验设备很少，要三、四位同学使用同一套设备.且无线传感器网络设备大多是小的独立节点，设备较易损坏.实验设备少影响了学生学习热情，学生的学习兴趣更无法激发出来.

2 TinyOS操作系统教学改革探索

根据物联网工程专业学生培养目标，让学生更好地掌握所学的专业知识，更好的培养学生实践操作和实践创新的能力，对传统的教学方法和模式进行教学改革，激发学生的学习热情，培养学生学习兴趣.

2.1 基于MOOC与混合式教学改革

MOOC是近几年新兴的教学形式，正改变着课堂的传统教学模式，适合于当今网络化学习方式.教师在网络上提供教学视频为主的学习资源，学生在线学习教学视频，通过网络在师生间、学习者间的进行互动交流，完成教师提供的在线测试、在线作业、在线考试等.能够在一定程度上实现优质教学资源共享，推动教育的公平性.将传统教学与MOOC教学方式结合起来形成混合式教学，学生在课下完成知识学习，课堂则变成师生间互动的场所，完成答疑解惑、问题讨论和知识运用等.

将TinyOS的理论知识部分制作成微视频，并作为作业布置给学生，让学生观看视频完成在线学习与练习并进行交流与讨论，在实践课堂上进行关键知识点的讨论、答疑.完成关健知识点的编程练习，从而加强实践练习.

为了让学生充分掌握TinyOS的知识点，结合教学内容与实践教学的难易程度，将知识点进行分块，并将学生进行分组，将每一块知识点让一组学生共同准备，制作PPT或知识点的总结，在课堂上进行7-8分钟的讲解，并进行讨论和抽查.既培养了学生的自学能力，制作PPT的能力，查找文献资料的能力，又培养了学生解决问题的能力，从而提高学生的学习积极性和主观能动性.

2.2 任务驱动实践教学

TinyOS是无线传感器网络的操作系统，要实现数据的采集、处理和传输三种功能.它是大量静止或移动传感器以自组织或多跳的方式组成无线网络，协作地采集、处理、传输网络覆盖区域内被感知对象的信息，最终将信息发送给网络的所有者.所以TinyOS是一门实践性很强的课程.

针对TinyOS课程的特点，采用任务驱动式教学设计实践教学，通过设计学生感兴趣的实践任务，在学生完成任务的过程中提取理论知识点，巩固理论知识.在实施任务驱动式教学方式中，通过布置难度循序渐进的实践任务，让学生在实践中发现问题，进行自主或协作学习，鼓励围绕实践内容进行讨论与研究，从实践任务中提炼知识点，形成“以任务为主线、学生为主体、教师为主导”的教学模式.

带领学生参观物联网实验室中“智慧城市”，引导学生思考在城市交通中无人驾驶公交车中报站、红绿灯的识别、路线的识别等是如何实现的.对此进行任务分析和分解，进一步引导学生思考与无线传感器网络的节点部署、数据采集处理、路由协议等相关知识，由以有的知识引入新的知识，激发学生的好奇心和学习兴趣.

基于任务驱动教学方式，设计若干循序渐进的任务，每个任务背后都隐含的相应的知识点.循序渐进的任务将教学难点进行分解细化，使学生从简单的知识到复杂的系统挥金如土，层层深入，促进学生在此过程中自主学习、探索和创新.任务大纲与相应知识点的分配如表1所示.

表1 任务大纲与知识点分配

表中任务层层递进，可将TinyOS的各个层次的关健技术和知识点进行概括，在以有的知识上拓展新的知识点，从而使学生温故而知新、触类旁通.

3 结语

TinyOS课程教学改革侧重于理论教学和实践教学，探讨了如何对TinyOS课程教学方法进行改革，以适应物联网专业的教学要求和培养目标.通过实践采用上述教学方式对于TinyOS课程教学是行之有效的方法.它能促进学生发现问题、解决问题，激发学生对TinyOS课程的学习兴趣，培养学生分析和解决问题的能力，更好地提高教学质量.

〔1〕李外云.CC2530与无线传感器网络操作系统TinyOS应用实践[M].北京：北京航空航天大学出版社,2013.

〔2〕李欧,张效义,王晓梅,张大龙.TinyOS实用编程—面向无线传感器网节点软件开发[M].北京：机械工业出版社,2013.

〔3〕牟占生,董博杰.基于MOOC的混合式学生探究—以Coursera平台为例[J].现代教育技术，2014,124(5):73-80.