新工科背景下基于翻转课堂的传感网实验课程教学改革

胡必玲，钟 锦，潘洁珠

（合肥师范学院 计算机学院，安徽 合肥 236032）

0 引 言

2017年以来，我国高教掀起了一场新工科建设的热潮。新工科建设强调课堂互动，改革教学方式，落实以学生为中心的教学理念[1-2]。翻转课堂是一种对传统的课堂教学结构进行翻转，将以教师为中心的课堂转变为以学生为中心的课堂，也是让学生在课前完成知识学习，在课堂上完成知识的吸收与掌握的一种新型教学模式[3]。国内的学者和教育实践者们已将翻转课堂教学模式应用于多门课程的教学中，主要目的是通过翻转课堂改进传统教学模式中存在的弊端[3-6]。

物联网工程专业是新工科的典型专业[7]，传感器网络实验课程是物联网工程专业的主干实验课程，其教学内容多，学时有限，教学效果与学生的专业核心素养紧密相关[8-10]。笔者在对翻转课堂的教学模式进行深入研究的基础上，为了提高学生的主动学习积极性，强化学生对实践内容的掌握，提升教学效果，尝试在传感器网络实验教学中引入了翻转课堂的教学方式。将传统模式下在课中进行的知识传授转移到课下进行，而将原本在课下进行的知识内化转移到课中进行。在实验课前，学生以导学问题为指引利用教学视频、课件、参考书等教学资源，自学教学内容[4]。在实验课中，师生之间、学生之间针对教学内容展开答疑和讨论，实现对知识和实践环节的理解和吸收。实践效果表明，对于实践性的课程，翻转课堂教学模式能取得良好的教学效果。

1 传感器网络实验的特点和存在的问题

传感器网络实验课程的主要教学内容一般应包括四部分：基础实验、ZigBee组网实验、无线传感器网络实验、研创型实验。

基础实验包括CC2530片上系统的实验和Z-stack协议栈实验两部分。CC2530片上系统实验是让学生掌握CC2530片上系统各部件的使用，包括CC2530中的通用I/O口、定时器、外部中断、串口通信、A/D 转换等，进一步为后续实验打下坚实的基础；Z-stack协议栈实验的设置主要是为了让学生熟悉协议栈中常用的API函数的使用。

ZigBee组网实验包括基于ZigBee 的星形、树形和Mesh无线传感器网络综合实验。

无线传感器网络实验是对先前的基础部分实验、先修课程“传感器原理与应用”中传感器实验和无线传感器组网实验的融合和提升，包括分布式温湿度采集器、分布式防盗监测器两个实验。

研创型实验是传感器网络实验课程的拓展部分，供学有余力和对传感网感兴趣的学生学习，主要就无线传感器网络在工程实施中遇到的一些共性问题对学生进行指导，一般包括传感网覆盖、路由协议、节能和安全技术的实验。

从以上分析可见，传感器网络实验课程教学内容多、课程容量大、跨度大。另外，传感器网络实验课时相对教学内容来说很有限。

目前，本课程多以传统模式进行教学，在实验课前，学生预习实验指导书中相关内容；在实验课中，教师向学生讲授本次实验的基本原理，并通过样例演示操作步骤，随后学生基于实验指导书，按照实验要求完成指定实验内容；课下，学生撰写实验报告，实现对所学实验原理和操作技能的内化。此种教学模式突出了教师在教学活动中的主导地位，但忽视了学生在学习过程中的主体地位和对学生学习兴趣的激发。相当部分学生消极思考操作步骤背后的原理和意义，机械地根据实验指导书操作，不利于提高教学效果和提升学生的动手能力[5]；另外，由于课堂教学内容多、课程容量大，学生基础不一样，要在课堂内完成所有的教学内容时间紧张，常常不能在课堂上完成实验评价；第三，学生之间、师生之间缺乏交流。有限的课堂时间除去教师讲授实验原理和学生动手实验操作时间外，导致教师与学生之间、学生与学生之间没有太多时间进行交流讨论互动，教师也无法兼顾不同层次的学生。因此，笔者尝试将翻转课堂应用于传感器网络实验课程的教学，以期提升实验教学效果和参考。以下以串行通信接口的发送与接收为例，阐述教学过程。

2 实验教学设计

以串行通信接口的发送和接收实验为例，首先设计主要知识和技能表，具体内容见表1所列。根据往年教学经验，知识点1比较简单直观，知识点2～6，多数学生通过阅读实验指导书和CC2530数据手册就可以很好地掌握。而技能点7，8相对有点难度，多数学生仅通过自学难以熟练掌握。为此结合翻转课堂的教学模式，将整个教学过程分为两个阶段，第一阶段为课下自学，第二阶段为课中内化和实验。

课下自学阶段，教师在每次实验课前将对本次实验核心内容和实验示例的讲解录制成教学视频上传到网络平台，并加载到对应实验项目的目录下。同时上传每次实验的内容和要求，并根据实验的相关知识点和每次实验的具体内容发布若干有针对性的导学问题，要求学生开展课下自学。上传的讲解视频、实验具体内容的PDF文档、导学问题均被设置成任务点。学生应在课下自学阶段很好地掌握表1中1～6的内容，对于7，8，做到简单了解相关背景知识，为下一阶段的课中内化和动手实验打下基础。

表1 串行通信接口发送与接收实验的主要教学目标

课中内化和实验阶段可分为五个环节（一次实验时长90 min）：第一个环节为15 min，本环节就串行通信接口的背景知识、模式设置、波特率设置、数据读入写出、使能串口发送和接收中断问题进行交流答疑；第二个环节为10 min，本环节就课下自学阶段的示例进行要点回顾，并根据此示例演示实验具体流程，说明注意事项；第三个环节为学生实验操作阶段，设定时长为40 min，本环节引导学生完成实验具体内容7和8；第四个环节为15 min，针对学生实验阶段教师巡视过程中发现的问题进行指导解决；第五个阶段为实验总结阶段，设定时长为10 min，本环节对学生实验完成情况进行统计，并总结本次实验。

3 实验教学实施

3.1 学生分组与课下自学

本课程的课堂规模为60人左右，学生自由组合形成小组，每组2人，以小组为单位完成全部教学环节。在课下阶段，教师在实验开课之前将教学视频和导学问题上传到指定网络平台。教学视频主要向学生讲解CC2530中的串行通信接口的功能和特点，以及与串行通信接口的工作模式、波特率、连接位置、数据的发送和接收相关的寄存器的配置，以及与串行通信接口的发送中断和接收中断相关的寄存器的配置，并通过示例阐述上述知识点。导学问题见表2所列。

表2 课下自学环节的导学问题

3.2 课中内化

本阶段教师首先引导学生开展课堂讨论，复习巩固串行通信接口数据发送与接收相关的知识。学生在课堂时间内与其他学生或教师就课前自学的内容进行讨论，可以加深他们对所学知识的认识。在讨论结束之后，对于有疑虑的地方，教师统一进行阐述。由于本实验涉及到串口调试助手的使用和设置以及仿真器的使用，在开展课堂讨论和答疑之后，教师必须结合在网络平台上提供的示例演示实验的操作流程。第三阶段，是课堂上的小组实验阶段，主要包括编程实现串行通信接口进行数据发送和接收两个部分。这两部分实验由学生在教师引导下完成。教师启发学生认识到利用串行通信接口实现数据的发送和接收之前必须对其进行配置，即为初始化，包括设置工作模式、波特率、连接位置，又由于数据的发送和接收是在系统时钟控制下进行，还需要设置系统时钟源并等待其稳定。如果利用中断方式实现数据的发送和接收，还需要使能串口的发送中断和接收中断，并编写中断处理函数。此外，数据发送需要实现数据发送函数，数据接收需要实现接收功能。教师要求学生按照实验指导书要求完成实验内容，并注意代码编写风格，强调功能的独立性。

由于课前的视频讲解和课堂上的小组讨论和答疑，多数学生能够在教师引导下顺利完成实验内容，并且对串口的使用得到很好的掌握。

4 教学效果与体会

本次课堂翻转的实践取得了较好的教学效果。一是有效激发了学生学习的积极性，学生对课堂教学的参与程度明显提高。在传统的教学模式下，学生往往不进行课前预习，课堂讲解时也经常出现瞌睡、玩手机、聊天的现象；应用翻转课堂之后，由于将课程内容讲解的视频、预习作业等设置成任务点，并会在课堂中进行小组讨论，学生的学习积极性得到了提升，参与度得到了提高。二是通过课下自学，学生自主学习的能力得到提升，分析问题解决问题的能力得到提升。翻转课堂的优势是将学生被动的接收改为主动的学，在学习过程中，为了完成作业及课堂讨论，学生改变了过去消极怠学的状态，会主动去吸收、去理解、去分析问题。三是学生对教学内容的掌握程度得到提升，在课程期末考核中，不会动手操作、操作结果不正确、无法完成代码编写的学生人数较没有实行翻转课堂阶段大幅度下降。

对于本次实践教学改革，笔者认为翻转课堂教学模式的成功不是在于简单地将线下内容搬到线上，将课堂讲解内容搬到课下，而在于在翻转课堂教学模式下教师根据教学的具体内容，布置合适的自学内容，设计合适的导学问题，根据教学内容的重难点在实验课堂上设计合适的学习环节。

5 结 语

翻转课堂已作为大多数高校教师增强师生互动、激发学生学习积极性所采用的新的教学模式。本文以串行通信接口数据的发送和接收为例，将翻转课堂模式应用于无线传感器网络实验课程的教学中，取得了良好的教学效果。后续将深入研究翻转课堂的教学模式，对现阶段实践工作进行完善。