无线传感器网络课程教学方法探索

摘要：针对学生在无线传感器网络学习过程中存在的困难，探索一种易于学生接受并能快速指导实践的教学方法。文章采用将小型开发板带入课堂，理论和实践无时间差结合的项目式教学法，让学生在实践-理论-再实践的过程中逐步掌握艰深的理论知识。同时，结合物联网仿真平台及云平台，模拟数据采集及上传并下发控制指令的物联网工作过程，让学生对整个物联网体系有较为清晰的认知，并明确该课程在整个物联网体系中的重要作用。另外，采用分组式教学，学生的综合成绩是根据小组共同得分及个人表现得分加权计算获得，该方式可以调动同学之间互帮互助、共同监督、共同促进的良好学习风气，并且小组讨论、相互教并快速实践的学习方式有助于学习内容的及时内化吸收和记忆。

关键词：无线传感器网络；项目式教学；TBL教学模式;分组教学；物联网技术

中图分类号：G642 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2024）27-0171-03

0 引言

物联网技术是信息技术的第三次技术革命，它是链接信息世界与现实世界的关键桥梁，其应用越来越广泛。为适应时代发展和国家需求，许多高校都开设了物联网技术相关课程。其中无线传感器网络是重要的先导课程，该课程涉及通信技术、网络技术、RFID 技术、传感器技术、嵌入式技术等多项综合信息技术。该课程是以培养学生的专业素养、对物物互联技术具有运用理论知识解决应用系统构建能力为目标、培养应用型人才的重要课程[1-3]。

对于本校测控专业学生，在无线传感器网络课程的教学实施过程中，主要存在以下一些问题：1） 该课程的内容属于多学科交叉的应用学科，目前其良好的教学方式仍处于摸索实践阶段，缺少可以借鉴的成熟体系和成功经验。2） 课程内容涉及的知识点多且复杂，导致学生抓不住重点，缺乏学习兴趣。目前，不断涌现出的无线通信方式种类繁多，有短距离、中距离、中长距离以及低功耗广域等方式，面对复杂的通信协议，对于缺乏扎实的计算机网络及通信基本理论知识的测控专业同学而言，如果仅仅是理论知识的灌输结合几次演示性实验教学的话，将很难提起学习兴趣，导致厌倦情绪。3） 没有系统全面的教材，而且各个教材内容与科研、生产等实践环节脱节。无线传感器网络不仅仅是通信的方式，还是要服务于物联网整个大的系统体系，而目前的“无线传感器网络”教材大多只是讲授各种无线通信原理、协议标准、无线传感器网络安全技术、时钟同步技术、定位技术等，并没有结合实际的物联网应用例子或实际项目来编排，使学生不知道如何学以致用[4-5]。4） 理论教学课时少，学生实践能力弱，导致课程教学效果差。目前的教学课时安排大都是理论课时32学时，实验学时8学时，主要是理论讲授加实验演示的方式，即以教师讲授演示为主，学生跟着操作，实际动手开发的机会较少，影响学习的积极性，无法培养学生的自主学习能力。

目前，很多高校都对无线传感器网络课程的教学进行了改革和探索，取得了一定的成绩。河海大学的吴迪[6]等人提出了一种“无线传感网络”四阶教学法，该方法可有效提升教学质量、加强学生实践创新应用能力。张爱清[7]等人针对“无线传感器网络”课程内容多、理论枯燥、难度大的特点，提出了比较法和演示法的教学方法改革，并探讨了多元化课程考核方案。杨建强[8]等人针对应用型高校对学生应用能力培养的要求，提出一种以ZigBee技术为基础的讲、演、练教学设计方法。以上各种针对“无线传感器网络”课程提出的教学改革方法都在本校学生中取得了有效的教学成果。

鉴于以上问题及研究现状分析，本文结合本校本专业学生的学情和培养目标，提出将小型开发板引入课堂的项目式分组教学法，在实践-理论-再实践的过程中提高学习效率及学生的创新实践能力。同时，进行每3～4个学生为一组的分组性教学，旨在提高学生的团队协作精神和加强对团队利益负责的责任心。

1 分组项目式教学的优势

学习金字塔理论是由美国著名学习专家爱德加·戴尔提出，如图1所示，它用数字形式形象地展示了采用不同的学习方式，学习者在两周后还能记住学过内容的平均学习保持率。从该图中可以看出，采用传统的教师讲授、学生听的教学模式是一种被动学习方式，并没有调动学生的主动学习积极性，是效率最低的学习模式，两周后仅能记住学习内容的5%。这也就是为什么老师感觉上课的时候学生反应还都不错，貌似都听懂了，考试的时候成绩却很差的原因。从图中还可以看出，分组讨论、实践练习以及相互教并快速使用的学习方法有助于学生加深对知识的理解和记忆。因此，在教学设计过程中，可根据学习金字塔理论中不同学习方式所产生的效果进行设计。课前，可布置预习任务，让学生通过视听结合的方式或示范演示的学习资源进行课前自主学习。在课堂，创设团队学习的情景，让学习者在交流合作、实践操作中进行学习，没学懂的同学可积极向同组同学请教，学有余力的同学，应积极帮助同组其他同学，在教别人的过程中，进一步巩固加深记忆。同时，项目式教学是注重以项目为载体的主动性教学方法，重视工程文化教育，能极大提高学生的创新意识和工程应用能力。

本课程的教学改革也就是基于以上的学习金字塔理论进行了分组项目式教学，将同学们依据对知识掌握的不同层次搭配，按3人一组分成了若干组。依据教学目标和教学计划，将理论知识对应到不同的项目中，在上课过程中，同学们可利用小型开发板实践不同的项目，发现问题后再进行理论知识的学习，然后对项目进行难度和理论升级，进一步掌握理论知识并逐步具备知识迁移和创新的能力。

2 项目式教学在“无线传感器网络”课程中的实施

2.1 项目准备

项目的准备环节就是帮助不同学习程度的同学确立学习目标、根据设计要求确定实施方案的过程。在这个过程中针对不同层次的学生设计难度适当超出学生认知能力的题目，给学生以探索和思考的空间，在解决困难问题的过程中感受学习的乐趣。首先，要明确该项目要实现的目标，也即被测量是什么，需要多少个终端节点，节点和网关之间采用什么样的无线传输方式，网关采用什么样的传输方式将数据上传到云平台，如何对数据进行可视化应用设计，应用端如何与云平台的数据进行交互等问题。其次，需明确相关联的理论知识及教学方式的确定。

2.2 项目实施

项目的实施依据教学进度分为难度逐级递增的四部分，首先是从I/O口的配置和使用、采用中断方式控制外部设备、利用串口与上位机实现通信、如何驱动TFT显示器输出显示所需的内容、如何采集温湿度传感器DHT11的数据等5个项目中逐步熟悉CC2530 单片机的资源及开发方式；其次，针对ZigBee无线通信，从开发环境配置、单播通信、组播通信和广播通信等几个方面熟悉ZigBee协议栈Zstack及ZigBee通信方式；然后从节点采集温湿度传感器DHT11的数据传输到协调器、用电脑串口发送AT指令控制Wi-Fi模块、用CC2530的串口AT指令控制Wi-Fi模块、网关采用Wi-Fi 无线通信将数据传输给手机、协调器采用Wi-Fi无线通信将数据传输给云平台、在云平台实现数据的可视化等逐次递进的项目中实现一个完整的物联网工作过程；最后，设定一定难度的综合项目，让学生一步步加深学生内容，不至于因为内容太难，一开始就产生畏难情绪而放弃。如表1所示为教学过程中逐级需要实现的各级各类项目。

在项目的实施过程中，根据每组以及每个同学掌握的情况，可以适当增加或减小难度，让基础稍弱的同学也能有兴趣参与学习中而不是因为畏难情绪就索性放弃，也要让基础较好的同学去尝试探索更深的知识，体验攻克困难取得进步的成就感和价值感。如图2所示为课堂中部分同学完成的部分项目示意图。ZigBee 终端实时采集温湿度传感器的数据，传输给ZigBee协调器，并同时在终端和协调器上显示。协调器通过Wi-Fi无线网络将数据上传到云平台，从云平台界面可以看到数据的变化趋势。为了对数据显示进行优化，设计了数据的可视化Web界面，可通过仪表盘和折线图直观地观测到数据的实时变化和历史数据。

2.3 项目总结

项目总结包括成果展示和报告的撰写。在整个项目执行环节，报告的撰写占有很重要的地位，写报告的过程可以帮助学生梳理思路，是一个建立知识链接的过程，是将所学知识由实践上升到理论的过程。因此，要对报告进行严格把关，规范格式和内容。

3 TBL 教学及成绩评定

TBL模式是以团队合作为基础进行学习活动的过程，其组成元素是分组、学生课前自学、个人测验、小组测验、应用性练习以及评价等。结合无线传感器网络课程的理论知识特点和拟采取的小型开发板项目式教学方法，将TBL教学活动分为课前和课堂两个活动过程，知识储备、知识考核、知识应用3个阶段7 个步骤，具体教学设计如图3所示：

其中课前活动包含组建小组和目标导学，合理有效地组建团队是开展TBL教学模式的前提，每个团队可由3人组成，在组建过程中，对不同学生的学习表现、学习能力、性格特点等差异性进行考虑分配组建，以保证每个小组之间的综合水平相当。在目标导学阶段，由教师根据教学内容确定教学目标并准备好相关的学习资料和项目内容，并在教学的前一周发给学生，并告知学生明确的教学要求和要实现的项目结果，让学生有针对性地查找资料。

课堂活动主要分为知识考核和知识应用，知识考核为个人准备测试、团队准备测试和知识巩固内化，知识应用为团队应用任务和评价总结。个人准备测试的目的在于考查学生课前预习准备的学习效果，学生在5～8分钟内独立完成若干单项选择题，这可以避免有的同学完全依赖组员的消极学习行为。团队准备测试是在个人准备测试完成后进行，根据项目内容提高项目完成的难度，让小组成员共同在一定时间内讨论完成。知识巩固内化是在个人准备和团队准备测试后，针对普遍存在的问题，鼓励学生进行回答，最后由老师进行讲解，及时发现解决学生在项目完成过程中普遍存在的疑惑，让学生对此前比较弱的知识进行巩固内化，为完成下一环节团队应用任务做准备。团队应用任务是针对该课程设置的实践项目，利用开发板和平台仿真等由小组成员共同协作完成，并书写项目报告。最后，评价总结是对团队任务的完成情况进行评价，有没有实现预定的功能，报告书写是否规范，针对硬件和软件程序等，抽不同的组员进行回答问题，并对小组的综合表现进行打分评价。如表2所示为学生的成绩评定方式，其中项目执行分为课堂项目和最后的创新项目，均是由小组成员共同讨论完成，但在成绩评定过程中既要避免“搭便车”的现象，也要鼓励学有余力的同学挑战更难的任务，因此通过加权的方式来计算得出最终成绩。

4 结束语

本文针对无线传感器网络课程在授课过程中出现的困难和问题，提出了项目式教学结合TBL模式的教学改革。将小型开发板引入课堂，让学生在实践过程中遇到问题，然后再有针对性地学习理论知识。将课程内容按讲解顺序设置为不同难度的实践项目，让学生先对学习的内容通过实践有个直观感性的认识，然后再回头学习理论，加深对理论的理解。同时，TBL 教学模式有助于培养学生的团结互助精神，也在组员互相讨论讲解的过程中更有助于知识的内化吸收和掌握。该方法的实施取得了较好的教学效果，也提高了学生的实践动手能力和学习兴趣。

参考文献：

[1] 吴珺，王春枝，叶志伟.面向信息时代发展的物联网技术课程创新规划研究[J].教育教学论坛，2016（17）：233-234.

[2] 李建中，高宏.无线传感器网络的研究进展[J].计算机研究与发展，2008，45（1）：1-15.

[3] 王俊“. 无线传感器网络” 课程特点与教学方法改革探索[J]. 中国电力教育，2014（23）：37-38.

[4] 陈海生，郭晓云，王峰，等“. 无线传感器网络技术” 课程实验教学探索[J].河北农业大学学报（农林教育版），2017，19（5）： 64-67.

[5] 蒋庆，汤建斌，徐志鹏.工程能力培养导向的多元混合式教学探索：以“无线传感器网络” 课程为例[J].教育信息化论坛， 2022（9）：3-5.

[6] 吴迪，朱金秀5.，韩光洁，等."无线传感器网络"教学方法探索[J]. 电气电子教学学报， 2014，36（4）：66-68，75.

[7] 张爱清， 叶新荣， 谢小娟. 无线传感器网络课程理论教学改革与实践[J].教育现代化， 2018，5（19）：103-105.

[8] 杨建强，张其林. 基于ZigBee的无线传感器网络课程的讲、演、练教学设计[J].计算机教育，2017（7）：4.

【通联编辑：王 力】

基金项目：基于TBL 项目式的“无线传感器网络”教学模式探索与实践基金项目名称（2022JY022）