翻转课堂教学探索与实践研究以“无线传感器网络”课程为例

　　【摘要】“无线传感器网络”课程面向前沿技术，对学生了解技术更新具有重要意义。在教学中突破传统教学方式，满足学生实际需求，具有一定挑战性。为调动学生学习主动性和学习潜能，活跃课堂教学气氛，在课堂教学中结合具体案例，通过翻转课堂形式，阐述课程涉及的重点、要点内容。不仅让学生深入了解课堂内容，同时培养了学生的独立思考能力、问题导向思维方式，推进课程改革，促进教学相长。

　　【关键词】无线传感器网络;翻转课堂;案例教学

　　0 引言

　　“无线传感器网络”是信息类相关专业的特色课程，涵盖了通信、计算机和自动化等相关内容，所涉及的知识面广。对于一门多学科交叉 且与应用紧密结合的课程来说，如何改变传统教学的刻板方式，活跃课堂气氛，形成师生互动，激发学生的学习兴趣，是教学中的一大挑战。笔者在教学中分析了实际应用案例与课堂知识的结合，通过翻转课堂阐述并讨论了课程涉及的重点、要点内容，进行了教学实践的探索、分析和总结。

　　1 课程简介及传统教学特点

　　1.1 课程简介

　　“无线传感器网络”是高校信息类相关专业的特色选修课，是帮助理工科学生开阔视野、了解前沿技术、探索理论联系实际的一门课程，开设该课程的目的是使学生能够掌握低功耗无线通信网络及基于感知技术的数据分析的基本原理与技术。教学中，笔者通过了解世界一流大学相关课程授课内容和最新科研成果，不断更新课程的内容与教学方法，使学生能够更好地掌握传感器网络的最新知识。课程主要介绍无线传感器网络近几年来的发展和研究成果，涉及微传感器与微机械、通信、嵌入式系统、信号检测与处理、自动控制等前沿学科的综合性技术。

　　内容包括无线传感器网络总体概述、通信协议(如低功耗、低速率无线网络协议IEEE802.15.4等)、支撑技术(如同步、定位、部署等)、智能信息处理及应用的软硬件平台、传感数据应用等。与传统的“传感与检测”课程及无线通信类课程仅从单一问题视角展开讲授不同，“无线传感器网络”是一门特色交叉学科课程，是检测、通信和网络等内容的结合，学好并灵活应用该课程知识，对培养学生解决实际问题的能力有一定意义。

　　1.2 传统教学特点

　　目前，课程的传统教学中，存在授课内容更新缓慢与学生对新知识获取需求迫切之间的矛盾，以及信息技术快速发展与授课方式单一之间的矛盾，尤其是对信息技术类课程而言，还需要克服传统教学存在的其他问题，具体体现在如下4个方面。

　　(1)教学大纲相对固化，教学内容更新缓慢。传统教学中，基本以教材和教学大纲为主要内容，受限于教材出版时间等，教学内容长期得不到更新，学生容易失去学习兴趣。

　　(2)重知识讲解、轻知识探究。在传统授课过程中，注重基本概念、基本方法和工具的讲解，不强调探索过程的训练。这种教学方式可能会把学生培养成“习题专家”，但学生不懂得如何运用基本理论和基本方法去探索未知的科学问题，也无法完成相应的工程应用。

　　(3)教学与科研相脱节，未能实现教研相长。教学中缺少实际应用案例，会使学生无法在短期内消化和理解这些基础知识，对学习感到焦虑，进而消极怠学。

　　(4)教学手段单一、缺乏师生互动。传统教学中，知识是单向传授的，学生并没有太多反馈，“师动而生不动”，难以形成闭环互动。加之教学内容包含大量公式推导，内容相对枯燥，容易使学生失去获取知识的兴趣。针对上述问题，同时考虑到后续课程的特点，笔者从教学内容、参考材料、教学的方式方法和教研相辅相长等角度进行创新，将新的研究成果文献作为教学资源、结合实验室的研究案例，以翻转课堂的教学形式，激发学生的求知欲，把学生接受知识的过程转变为思维和能力的提升过程。

　　2 翻转课堂的教学目的

　　2.1 授课内容

　　在选择进行翻转课堂教学的内容时，笔者主要考虑了以下4点：①知识足够新颖，能让学生耳目一新，激发学生自主学习的兴趣;②内容难度适中，既能让学生生动讲解，又具有一定的挑战性;③问题结合实际，注重基于现实的案例，可采用基于教师科研的问题来充实课堂教学，把学科知识还原为生活和工作知识;④采用英文课件讲解，鼓励学生用英语沟通交流，为开阔学生的国际视野打下坚实的基础。在翻转课堂教学中结合具体案例开展教学。以基于无线传感器网络的监测数据应用为例，让学生思考杭州市龙井茶叶生长环境的监测问题。

　　如基于无线传感器网络的茶叶生长过程监测应用，需要考虑传感器的选型、数据处理和存储、通信协议和组网等问题。教学中，由学生讲解应用场景涉及的背景调研、关键问题提取、系统原型搭建、实施的可行性等教学点。学生于课前通过阅读教材、上网搜索文献，学懂、弄通、扎实掌握课程内容，将学习前置，并将针对问题的思考带到课堂中。

　　2.2 教学目的

　　通过翻转课堂解决传统教学中的上述问题，并实现以下4个目的：①教学相长：转变过去纯粹的教与学的关系，使学生由被动学习转为主动学习，让教师的教更有的放矢。达到“学因教而日进，教因学而益深”的层次。②教研相长：教学中为学生讲授课程相关的前沿研究成果要点，同时通过思考教学问题，总结经验，指导研究，使教学与科研紧密结合。③注重形式上的“翻”：笔者在教学中从讲授式和灌输式中跳出来，重视学生的主体地位，以学定教，变教为导，激活学生学习的主体意识，提高学生在教学中的参与度。④注重理念上的“转”：教师从居高临下的权威式授课转变为与学生平等的讨论，本质上是一种启发式教学的回归，最终创设一种富有活 力、灵活创新的新型教学形态。

　　3 翻转课堂的具体形式

　　3.1 呈现方式

　　翻转课堂按照教学内容来分，主要有两种方式：①按照教学内容的顺序，选择部分重要的教学点进行翻转课堂教学;②聚焦其中某一内容，让学生自由发挥想象，进行充分讨论。笔者在教学实践中主要采用了第2种方式，聚焦无线传感器网络中的监测数据应用，以如何对传感器采集到的数据进行分析应用为例，开展翻转课堂教学。具体授课过程包括：学生通过课前自学，分析相关数据涉及的问题来源(数据应用)，查阅相关研究资料(课前调研);课堂展示，学生把准备好的PPT向教师和其他学生进行讲解，介绍数据集的来龙去脉;课堂讨论;分析总结，课后形成大作业。学生在反复接触、自主思考、共同讨论和多次练习中，做到将知识融会贯通，真正掌握所学内容，同时也是从学习、理解、巩固到应用的渐进过程。

　　内容涵盖了应用场景、数据采集技术、数据传输技术、数据库结构、智能数据分析。智能数据分析是在整个应用中最为重要的工作，也是无线传感器网络面向应用解决问题的一项重要支撑技术，因此选择这一内容进行翻转课堂教学，对于学生理解问题本质，深入探索解决方法，掌握重要内容具有一定意义。教学时，提前对学生进行分组，每次由2名学生准备展示内容，利用前期调研和对内容的理解，进行20～25分钟的课堂展示，讨论环节主要由教师引导学生发言，如对已有传感器网络数据应用的场景进行剖析，或者探讨数据应用的不同视角，最后由教师总结课程内容。

　　3.2 翻转课堂的分析与讨论

　　课堂上，学生展示分析和教师引导讨论是翻转课堂教学的核心环节，要求学生提前准备好内容，通过展示分析得出结果;同时，鼓励其他学生针对展示过程及内容提出疑惑并展开讨论，进一步深化学生对问题的理解。以2013年杭州市共享单车的数据集为例。教学点是让学生探讨如何发挥数据智能的作用来解决实际问题。学生的展示题目包括杭州公共自行车车辆状态评估、杭州公共自行车借/还需求、公共自行车流水数据分析、基于自行车终端交易流水数据判断车损、公共自行车终端交易流水数据分析、城市公共自行车项目数据集分析、原处还车的数据分析报告、杭州公共自行车数据初探，部分学生的课堂展示内容如图5所示，这些题目从不同角度分析了给定的共享单车数据。

　　通过课堂参与、引导、启发和讨论等方法，结合教学过程中的信息传递途径、增强教学等实现了教与学的充分互动。通过翻转课堂，增强了课堂的吸引力和感染力，引导学生主动思考，激发了学生的求知欲，提高了学生的学习效率、分析解决问题的能力。

　　4 前沿技术类课程翻转课堂教学的特色

　　“无线传感器网络”课程教学从实际需求出发，通过翻转课堂的形式，使学生实现对课程知识的深度掌握和广泛应用，教学中体现出如下4点特色。

　　(1)自主性。无线传感器网络中的智能数据分析是国际前沿学术方向。为开展智能数据分析，学生需要合作调研相关背景，消化传感器和数据分析的相关知识，自主完成PPT展示并能熟练讲述。因此，学生需要预演多次，在过程中学生深刻理解了“台上一分钟、台下十年功”，既强化了课堂知识，又开阔了自身视野。

　　(2)互动性。学生在展示“无线传感器网络”课程的数据智能应用时，除了教师可以点评、引导和参与讨论，其他学生亦可以参与互动。这对进行展示的学生来说是个挑战，学生需要事先考虑诸多潜在提问，并在课前进行大量文献调研。

　　(3)开放性。对于选定进行翻转课堂教学的教学点，其讲授内容和呈现方式可以不拘泥于某种固定形式。学生在展示时可以从任何一个合理的角度进行讲解，教师主要关注学生的讲述逻辑是否正确、思维是否缜密、解决问题的思路是否具有创造性。

　　(4)探索性。无线传感器网络采集的数据怎么用、解决什么问题，也是目前较为前沿的学术研究方向。因此，笔者在教学中鼓励并引导学生进行深度探索。借助翻转课堂教学改革形成比较自由的学术讨论模式，引导学生把学习和研究结合起来，培养学生的科研意识和创新精神。这种在教学中启发学生研究，学生在研究中学习知识和方法的教学活动，取得了很好的效果，深受学生欢迎。

　　5 结语

　　“无线传感器网络”课程教学中，笔者采用翻转课堂的教学方式，对课程内容进行了探讨。通过引入实际科研问题，结合课程内容，引导学生学习知识、查阅文献、调研探索，给出解决问题的思路和方案，使学生获得一定程度的成就感，调动学生的学习积极性与热情。通过课堂展示和讨论，进一步帮助学生探索解决问题的思路，引导其将积极性与获得感转化为进一步深入学习的动力，进而形成教学相长的良性循环。使学生可以在课外继续探讨教学内容中的开放问题，参加教师正在进行的研究工作，将问题转化为学生科研训练项目或者毕业设计，对教学内容进行持续性研究，从而提升翻转课堂教学的价值与意义。教师可通过翻转课堂教学效果的反馈积累教学经验，分析并改进翻转课堂教学中存在的问题，进而提升教学能力，推动课程教学改革。教师需要仔细观察翻转课堂对不同学生的教学效果，“教”和“学”是个动态过程，即便是翻转课堂，仍要因人而异，因材施教。

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　　作者：陈积明1，程 鹏1，贺诗波1，史治国2