基于翻轉(zhuǎn)課堂的無線傳感網(wǎng)教學設(shè)計研究

賀道德++江濤

摘要：“無線傳感網(wǎng)”是物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課，因其課程內(nèi)容涉及“計算機網(wǎng)絡(luò)”、“無線傳感器”等相關(guān)前沿軟硬件技術(shù)而使得其教學難度大。該文針對此課程的上述特點，采用翻轉(zhuǎn)課堂的教學方案，以“分層路由協(xié)議”為例來介紹如何設(shè)計“無線傳感網(wǎng)”的教學；從而為物聯(lián)網(wǎng)這個新興專業(yè)的教學提供一個新的教學思路與方案。

關(guān)鍵詞：翻轉(zhuǎn)課堂；無線傳感網(wǎng)；分層路由協(xié)議；教學方案

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：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

無線傳感網(wǎng)是采用無線傳感器為基本單元組成的一種新興網(wǎng)絡(luò)，它作為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的底層網(wǎng)絡(luò)而得到高度重視[1-3]。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，首先需要不同類型的無線傳感器在網(wǎng)絡(luò)的底端獲得數(shù)據(jù)或執(zhí)行指令，然后由傳感器將數(shù)據(jù)傳遞給匯聚節(jié)點（Sink），再由Sink將數(shù)據(jù)傳入互聯(lián)網(wǎng)等其他網(wǎng)絡(luò)從而實現(xiàn)物物互聯(lián)。因此，學生如若掌握該門技術(shù)，需得從硬件上掌握不同種類型的無線傳感器的物理特性；還得掌握無線網(wǎng)絡(luò)的各項協(xié)議；更有，需熟練掌握在網(wǎng)絡(luò)終端下對各種應(yīng)用軟件進行處理的技術(shù)等等?；谏鲜鲈?，“無線傳感網(wǎng)”這門課程的教學理論性強，覆蓋知識面廣，應(yīng)用性特征明顯；從而使得教師開展教學的難度大而不適于采用常規(guī)教學方案開展教學工作。

為了更好地對“無線傳感網(wǎng)”開展教學工作，本文作者采用目前流行的“翻轉(zhuǎn)課堂”（Flipped Classroom）教學模式來完成教學工作。在傳統(tǒng)的教學中，以課堂教學為中心，在授課過程中，以教師為中心，從而使得學生的學是被動式學習；而在翻轉(zhuǎn)課堂教學模式中，將重新分配教學時間，將教學的中心由課堂改為課外，而學習的主角也由教師變?yōu)閷W生[4，5]。在翻轉(zhuǎn)課堂的教學模式下，學生學習的主觀能動性將會得到充分的發(fā)揮；學生可在課堂學習之外使用各種學習手段來創(chuàng)造性完成學習任務(wù)，例如，學生可以使用教師提前錄制好的視頻或播客，還可借助互聯(lián)網(wǎng)等先進的信息化設(shè)備完成與教師、同學的遠程互助學習等；而在課堂教學時，教師不以講授知識為目的，而是以集中解決學生在自主學習過程中所遇到的難題為目的而展開教學。

將翻轉(zhuǎn)課堂的教學模式應(yīng)用于“無線傳感網(wǎng)”的課程教學，有利于培養(yǎng)學生的自主學習能力，另外，它也是符合對應(yīng)用性人才培養(yǎng)的教學方案；本文以本課程的知識點“分層路由協(xié)議”為基礎(chǔ)，介紹了基于翻轉(zhuǎn)課堂的教學過程與思路，這對將翻轉(zhuǎn)課堂教學模式推廣至應(yīng)用性本科教學具有一定的實踐價值。

1 教學知識點

在無線傳感網(wǎng)的分層路由協(xié)議中，將網(wǎng)絡(luò)分為若干個簇[6]，每個簇有一個簇首，各無線傳感器節(jié)點通過簇首傳遞數(shù)據(jù)至Sink，最終由Sink將數(shù)據(jù)傳至其他網(wǎng)絡(luò)或處理終端進行處理而完成網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)?；谏鲜鲋R點，學生應(yīng)掌握分層路由協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)以及實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)，然后還需分析網(wǎng)絡(luò)的性能，再通過大量測試數(shù)據(jù)得到一個最佳網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)，從而將其應(yīng)用于實際網(wǎng)絡(luò)環(huán)境；而對于網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)，主要是考慮簇首的選舉方案、簇首的輪換機制、簇大小、網(wǎng)絡(luò)能耗等等。

基于上述教學知識點，學生需先學習如何構(gòu)造分層路由協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)拓撲；設(shè)計簇首選舉及輪換的方案，然后使用編程技術(shù)來實現(xiàn)這些方案，完成組網(wǎng)的設(shè)計與現(xiàn)；并測試相關(guān)網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)，以使得網(wǎng)絡(luò)的各項性能指標達到最佳。

2 教學內(nèi)容的組織與實施

基于翻轉(zhuǎn)課堂的教學模式的重點在于通過學生的自主學習以及教師的輔助從而達到掌握知識的目的；因此，基于第1小節(jié)對知識點的要求，本文從理論學習、網(wǎng)絡(luò)拓撲的設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議編程、網(wǎng)絡(luò)仿真實驗等四個方面來完成教學內(nèi)容的組織與實施。

2.1 分層路由協(xié)議理論學習

分層路由協(xié)議的理論學習為該課程設(shè)計的首要階段，也是非常關(guān)鍵和重要的階段；這是因為只有堅實的理論基礎(chǔ)，才能支撐最終的應(yīng)用與實踐。為完成此階段的學習任務(wù)，教師安排任務(wù)如下：

1）針對無線傳感網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的背景進行學習；對前階段的平面路由協(xié)議進行總結(jié)，得出因平面路由協(xié)議帶來不足的原因而引入分層路由協(xié)議的思想。（為完成此任務(wù)，學生可以參看教師在線視頻，并寫出自己的總結(jié)提交給教師，獲得學習分數(shù)為0至10分）

2）分層路由協(xié)議的基本思想的學習；學習完成后，總結(jié)出分層路由協(xié)議的優(yōu)缺點，并分析其總體的性能指標。（可通過在線視頻與師生遠程互助等方案來完成此任務(wù)，最終成果形式為學習總結(jié)，獲得學習分數(shù)為0至10分）

3）流行分層路由協(xié)議的學習；針對目前流行分層路由協(xié)議的學習，分析出不同種協(xié)議的優(yōu)缺點并形成總結(jié)提交給教師（獲得學習分數(shù)為0至10分）

2.2 設(shè)計網(wǎng)絡(luò)拓撲

網(wǎng)絡(luò)拓撲設(shè)計是無線傳感網(wǎng)組網(wǎng)的一個核心關(guān)鍵點，拓撲結(jié)構(gòu)的好壞直接關(guān)系到網(wǎng)絡(luò)核心性能指標的高低；因此，在本學習階段，學生應(yīng)在分層路由協(xié)議的理論學習基礎(chǔ)上拿出最佳的網(wǎng)絡(luò)拓撲圖。為完成此目標，學生需將自己對網(wǎng)絡(luò)分析得到結(jié)果以圖的形式展現(xiàn)出來；因此，學生除前期做好相關(guān)分析外，還需熟練掌握一種匯制網(wǎng)絡(luò)拓撲圖的繪圖工具。

在此階段的最后，學生應(yīng)給教師提交的成果為：

1）分層路由協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)拓撲圖一份；在圖中必須明確標明網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點的各項指標（例如：節(jié)點的作用域、節(jié)點的能量值、節(jié)點是否為簇首等）

2）分層路由協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)拓撲圖的說明書；該說明書以文字的形式描述網(wǎng)絡(luò)拓撲圖的構(gòu)成，并詳細描述網(wǎng)絡(luò)的各項性能指標等。

此階段學生得分：學生提交相關(guān)成果后，可獲得學習分數(shù)為0至20分。

2.3 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議編程

網(wǎng)絡(luò)協(xié)議編程是網(wǎng)絡(luò)算法設(shè)計的重要環(huán)節(jié)，在此環(huán)節(jié)中，學生應(yīng)設(shè)計出優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)自組織程序，以及簇首的選舉與輪換算法等。為完成這個學習環(huán)節(jié)，學生必須具有較強的算法設(shè)計與實現(xiàn)能力，且必須較好的完成前兩個階段的學習任務(wù)。

在此階段結(jié)束之后，學生提交的成果為：

1）設(shè)計網(wǎng)絡(luò)自組織算法及簇首選舉算法并形成相關(guān)文檔；提交成果后，可獲得學習分數(shù)0至10分。

2）設(shè)計簇首輪換算法并形成相關(guān)文檔；提交成果后，可獲得學習分數(shù)0至10分。

2.4 網(wǎng)絡(luò)仿真實驗

網(wǎng)絡(luò)仿真實驗階段是對前期所學內(nèi)容進行相關(guān)驗證，是學生自主學習的最后環(huán)節(jié)，也是最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)；因為前期的設(shè)計是否能夠付諸實施及產(chǎn)生最佳效果，將在此階段得以認證。在該階段學生需完成的任務(wù)如下所示：

1）仿真平臺的選取與搭建；選擇一個優(yōu)秀的仿真平臺環(huán)境會使你的工作事半功倍，因此，學生在實驗前需根據(jù)自身的實際情況選擇好相關(guān)平臺并搭建好相關(guān)環(huán)境。

2）在仿真環(huán)境中完成好網(wǎng)絡(luò)的組織，其中包括簇首選舉及簇輪換算法的實現(xiàn)等相關(guān)內(nèi)容。

3）測試在不同參數(shù)下的網(wǎng)絡(luò)性能指標，以尋求一個最佳的網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)。

此階段學生得分：學生提交相關(guān)成果后所得學分為0至30分。

3 課堂講授與答疑

在學生完成自主學習內(nèi)容后，進入課堂講授與答疑環(huán)節(jié)；在這個環(huán)節(jié)中，教師不再以傳統(tǒng)的教學方式講授相關(guān)知識，而是對學生自主學習階段的成果進行評價與答疑。針對“分層路由協(xié)議”這個知識點的教學，教師應(yīng)按如下方案來組織課堂講授與答疑：

1）在課堂講授前，教師對學生提交的成果進行詳細評閱并給出最終自主學習分數(shù)。

2）在課堂講授中，教師針對學生自主學習中存在的問題進行統(tǒng)一講解。

3）在課堂講授中，教師與學生采用互助討論的方式完成課堂答疑。

4）最后，由教師及學生代表對此次課堂學習進行總結(jié)并快速評價出所有學生課堂教學分數(shù)，并按自主學習分數(shù)與課堂教學分數(shù)的平均值計算出本次課的最終分數(shù)并存檔以備進行期末評價。

5）布置下次課的教學任務(wù)，以工作過程系統(tǒng)化的方式滾動式進入下一個知識點的學習。

4 總結(jié)

基于翻轉(zhuǎn)課堂的無線傳感網(wǎng)教學設(shè)計方案克服了傳統(tǒng)教學方式以教師為中心教學而使學生的學習能力得不到很好提高的缺陷；并且，該方案從知識點的準備到技術(shù)的實踐完全由學生自主完成，這符合應(yīng)用性人才培養(yǎng)的要求。基于上述特點，本方案是將先進的教學模式應(yīng)用于復雜邊緣性學科的一次很好的嘗試；對應(yīng)用性本科院校開展物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的教學具有較好的參考價值。

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