基于翻转课堂的无线传感网教学设计研究

贺道德++江涛

摘要：“无线传感网”是物联网专业的一门重要专业基础课，因其课程内容涉及“计算机网络”、“无线传感器”等相关前沿软硬件技术而使得其教学难度大。该文针对此课程的上述特点，采用翻转课堂的教学方案，以“分层路由协议”为例来介绍如何设计“无线传感网”的教学；从而为物联网这个新兴专业的教学提供一个新的教学思路与方案。

关键词：翻转课堂；无线传感网；分层路由协议；教学方案

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）04-0098-02

Research on Teaching Design of Wireless Sensor Networks based on Flipped Classroom

HE Dao-de， JIANG Tao

（School of Information Engineering， Guizhou University of Engineering Science， Bijie 551700， China）

Abstract： Wireless sensor network is an important basic course for the specialty of IoT. Because of its curriculum content computer network， wireless sensor and other related software and hardware technology， this makes it difficult to teach. Aimed at the above characteristics of this course， the flipped classroom model is used to design teaching programs in this paper. And we introduce how to design the wireless sensor network based on the hierarchical routing protocol， so as to provide a new teaching ideas and solutions for the Internet of things.

Key words： flipped classroom； wireless sensor networks； hierarchical routing protocol； teaching program

无线传感网是采用无线传感器为基本单元组成的一种新兴网络，它作为物联网技术的底层网络而得到高度重视[1-3]。在无线传感器网络中，首先需要不同类型的无线传感器在网络的底端获得数据或执行指令，然后由传感器将数据传递给汇聚节点（Sink），再由Sink将数据传入互联网等其他网络从而实现物物互联。因此，学生如若掌握该门技术，需得从硬件上掌握不同种类型的无线传感器的物理特性；还得掌握无线网络的各项协议；更有，需熟练掌握在网络终端下对各種应用软件进行处理的技术等等。基于上述原因，“无线传感网”这门课程的教学理论性强，覆盖知识面广，应用性特征明显；从而使得教师开展教学的难度大而不适于采用常规教学方案开展教学工作。

为了更好地对“无线传感网”开展教学工作，本文作者采用目前流行的“翻转课堂”（Flipped Classroom）教学模式来完成教学工作。在传统的教学中，以课堂教学为中心，在授课过程中，以教师为中心，从而使得学生的学是被动式学习；而在翻转课堂教学模式中，将重新分配教学时间，将教学的中心由课堂改为课外，而学习的主角也由教师变为学生[4，5]。在翻转课堂的教学模式下，学生学习的主观能动性将会得到充分的发挥；学生可在课堂学习之外使用各种学习手段来创造性完成学习任务，例如，学生可以使用教师提前录制好的视频或播客，还可借助互联网等先进的信息化设备完成与教师、同学的远程互助学习等；而在课堂教学时，教师不以讲授知识为目的，而是以集中解决学生在自主学习过程中所遇到的难题为目的而展开教学。

将翻转课堂的教学模式应用于“无线传感网”的课程教学，有利于培养学生的自主学习能力，另外，它也是符合对应用性人才培养的教学方案；本文以本课程的知识点“分层路由协议”为基础，介绍了基于翻转课堂的教学过程与思路，这对将翻转课堂教学模式推广至应用性本科教学具有一定的实践价值。

1 教学知识点

在无线传感网的分层路由协议中，将网络分为若干个簇[6]，每个簇有一个簇首，各无线传感器节点通过簇首传递数据至Sink，最终由Sink将数据传至其他网络或处理终端进行处理而完成网络互联。基于上述知识点，学生应掌握分层路由协议的网络拓扑结构以及实现网络的组网，然后还需分析网络的性能，再通过大量测试数据得到一个最佳网络性能参数，从而将其应用于实际网络环境；而对于网络性能参数，主要是考虑簇首的选举方案、簇首的轮换机制、簇大小、网络能耗等等。

基于上述教学知识点，学生需先学习如何构造分层路由协议的网络拓扑；设计簇首选举及轮换的方案，然后使用编程技术来实现这些方案，完成组网的设计与现；并测试相关网络性能参数，以使得网络的各项性能指标达到最佳。

2 教学内容的组织与实施

基于翻转课堂的教学模式的重点在于通过学生的自主学习以及教师的辅助从而达到掌握知识的目的；因此，基于第1小节对知识点的要求，本文从理论学习、网络拓扑的设计、网络协议编程、网络仿真实验等四个方面来完成教学内容的组织与实施。

2.1 分层路由协议理论学习

分层路由协议的理论学习为该课程设计的首要阶段，也是非常关键和重要的阶段；这是因为只有坚实的理论基础，才能支撑最终的应用与实践。为完成此阶段的学习任务，教师安排任务如下：

1）针对无线传感网络路由协议的背景进行学习；对前阶段的平面路由协议进行总结，得出因平面路由协议带来不足的原因而引入分层路由协议的思想。（为完成此任务，学生可以参看教师在线视频，并写出自己的总结提交给教师，获得学习分数为0至10分）

2）分层路由协议的基本思想的学习；学习完成后，总结出分层路由协议的优缺点，并分析其总体的性能指标。（可通过在线视频与师生远程互助等方案来完成此任务，最终成果形式为学习总结，获得学习分数为0至10分）

3）流行分层路由协议的学习；针对目前流行分层路由协议的学习，分析出不同种协议的优缺点并形成总结提交给教师（获得学习分数为0至10分）

2.2 设计网络拓扑

网络拓扑设计是无线传感网组网的一个核心关键点，拓扑结构的好坏直接关系到网络核心性能指标的高低；因此，在本学习阶段，学生应在分层路由协议的理论学习基础上拿出最佳的网络拓扑图。为完成此目标，学生需将自己对网络分析得到结果以图的形式展现出来；因此，学生除前期做好相关分析外，还需熟练掌握一种汇制网络拓扑图的绘图工具。

在此阶段的最后，学生应给教师提交的成果为：

1）分层路由协议的网络拓扑图一份；在图中必须明确标明网络各节点的各项指标（例如：节点的作用域、节点的能量值、节点是否为簇首等）

2）分层路由协议的网络拓扑图的说明书；该说明书以文字的形式描述网络拓扑图的构成，并详细描述网络的各项性能指标等。

此阶段学生得分：学生提交相关成果后，可获得学习分数为0至20分。

2.3 网络协议编程

网络协议编程是网络算法设计的重要环节，在此环节中，学生应设计出优秀的网络自组织程序，以及簇首的选举与轮换算法等。为完成这个学习环节，学生必须具有较强的算法设计与实现能力，且必须较好的完成前两个阶段的学习任务。

在此阶段结束之后，学生提交的成果为：

1）设计网络自组织算法及簇首选举算法并形成相关文档；提交成果后，可获得学习分数0至10分。

2）设计簇首轮换算法并形成相关文档；提交成果后，可获得学习分数0至10分。

2.4 网络仿真实验

网络仿真实验阶段是对前期所学内容进行相关验证，是学生自主学习的最后环节，也是最关键的环节；因为前期的设计是否能够付诸实施及产生最佳效果，将在此阶段得以认证。在该阶段学生需完成的任务如下所示：

1）仿真平台的选取与搭建；选择一个优秀的仿真平台环境会使你的工作事半功倍，因此，学生在实验前需根据自身的实际情况选择好相关平台并搭建好相关环境。

2）在仿真环境中完成好网络的组织，其中包括簇首选举及簇轮换算法的实现等相关内容。

3）测试在不同参数下的网络性能指标，以寻求一个最佳的网络性能参数。

此阶段学生得分：学生提交相关成果后所得学分为0至30分。

3 课堂讲授与答疑

在学生完成自主学习内容后，进入课堂讲授与答疑环节；在这个环节中，教师不再以传统的教学方式讲授相关知识，而是对学生自主学习阶段的成果进行评价与答疑。针对“分层路由协议”这个知识点的教学，教师应按如下方案来组织课堂讲授与答疑：

1）在课堂讲授前，教师对学生提交的成果进行详细评阅并给出最终自主学习分数。

2）在课堂讲授中，教师针对学生自主学习中存在的问题进行统一讲解。

3）在课堂讲授中，教师与学生采用互助讨论的方式完成课堂答疑。

4）最后，由教师及学生代表对此次课堂学习进行总结并快速评价出所有学生课堂教学分数，并按自主学习分数与课堂教学分数的平均值计算出本次课的最终分数并存档以备进行期末评价。

5）布置下次课的教学任务，以工作过程系统化的方式滚动式进入下一个知识点的学习。

4 总结

基于翻转课堂的无线传感网教学设计方案克服了传统教学方式以教师为中心教学而使学生的学习能力得不到很好提高的缺陷；并且，该方案从知识点的准备到技术的实践完全由学生自主完成，这符合应用性人才培养的要求。基于上述特点，本方案是将先进的教学模式应用于复杂边缘性学科的一次很好的尝试；对应用性本科院校开展物联网专业的教学具有较好的参考价值。

参考文献：

[1] 钱志鸿，王义君. 面向物联网的无线传感器网络综述[J]. 电子与信息学报，2013（1）：215-227.

[2] 洪锋，褚红伟，金宗科，单体江，郭忠文. 无线传感器网络应用系统最新进展综述[J]. 计算机研究与发展，2010，（S2）：81-87.

[3] 司海飞，杨忠，王珺. 无線传感器网络研究现状与应用[J]. 机电工程，2011，（01）：16-20，37.

[4] 何克抗. 从“翻转课堂”的本质，看“翻转课堂”在我国的未来发展[J]. 电化教育研究，2014（7）：5-16.

[5] 何朝阳，欧玉芳，曹祁. 美国大学翻转课堂教学模式的启示[J]. 高等工程教育研究，2014（2）：148-151，161.

[6] 姜亚光. 无线传感器网络分层路由协议的研究[D].杭州电子科技大学，2011.