物聯(lián)網(wǎng)工程“無線傳感網(wǎng)絡(luò)”課程教學(xué)改革與實踐

摘要：在對“無線傳感網(wǎng)絡(luò)”課程教學(xué)改革的實踐中提出了一種項目驅(qū)動的教學(xué)模式，制定了以工程應(yīng)用為目標(biāo)的課程主線，緊密結(jié)合理論和實踐教學(xué)內(nèi)容，并對實踐環(huán)節(jié)和考核方式進行了改革，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和動手能力，效果良好。

關(guān)鍵詞：無線傳感網(wǎng)絡(luò)；項目驅(qū)動；教學(xué)改革

作者簡介：潘勇（1981-），男，重慶人，重慶三峽學(xué)院計算機科學(xué)與工程學(xué)院，講師；熊江（1969-），男，重慶人，重慶三峽學(xué)院計算機科學(xué)與工程學(xué)院，教授。（重慶#8194;404100）

基金項目：本文系重慶市教委科研基金項目（項目編號：KJ131108）的研究成果。

中圖分類號：G642.0#8195;#8195;#8195;#8195;#8195;文獻標(biāo)識碼：A#8195;#8195;#8195;#8195;#8195;文章編號：1007-0079（2014）14-0184-01

“無線傳感網(wǎng)絡(luò)”是物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)課程體系中一門重要的專業(yè)課，主要講授無線傳感網(wǎng)絡(luò)的基本概念、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和算法、設(shè)計基礎(chǔ)和測試技術(shù)。該課程一般以“傳感器技術(shù)與應(yīng)用”、“單片機原理與應(yīng)用”及“通信原理”為先修課程。作為一門面向物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用、聯(lián)系物聯(lián)網(wǎng)理論/系統(tǒng)/設(shè)計、課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計等教學(xué)環(huán)節(jié)的專業(yè)課程，其目的是指導(dǎo)學(xué)生掌握無線傳感網(wǎng)絡(luò)軟硬件設(shè)計手段，提高學(xué)生實踐能力和綜合解決問題的能力。

當(dāng)前該課程理論教學(xué)過于宏觀，偏重算法，教學(xué)形式單一，實驗教學(xué)還停留在驗證實驗為主的老路上。傳統(tǒng)的教學(xué)方法和授課模式無法調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，無法有效提高學(xué)生的動手能力，為改善教學(xué)效果，筆者針對無線傳感網(wǎng)絡(luò)課程提出了項目驅(qū)動為主線的教學(xué)模式，把教學(xué)和實踐緊密結(jié)合，以激發(fā)學(xué)生積極性，提高學(xué)生動手能力。

一、課程教學(xué)內(nèi)容體系改革

該課程的主要內(nèi)容包括微型集成智能傳感器、組網(wǎng)與通信和以單片機為控制核心的信息處理與傳輸。為在授課中突出重點，理論與實踐并重，在課程教學(xué)內(nèi)容安排上進行了一定整合。

物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)不是以理論為主導(dǎo)，其重點在于工程應(yīng)用。針對上述問題，首先在教學(xué)實踐中制定了一條以工程應(yīng)用為目標(biāo)的課程主線，它構(gòu)建在無線傳感網(wǎng)絡(luò)三大支撐技術(shù)——傳感技術(shù)、計算機技術(shù)和通信技術(shù)的基礎(chǔ)上，在進行理論講授后即針對相應(yīng)工程應(yīng)用深入講解一款經(jīng)典芯片，為后續(xù)設(shè)計打下基礎(chǔ)，如圖1所示。

這條主線以最終設(shè)計并制作一款可實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、通信及組網(wǎng)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點為目標(biāo)展開，對于48學(xué)時的課程可以安排32學(xué)時的理論課進行講授，16學(xué)時的實驗課進行實踐。通過主線可以將無線傳感網(wǎng)絡(luò)理論部分和實際工程應(yīng)用部分有機結(jié)合。據(jù)此主線，還可根據(jù)課時的多少進行相應(yīng)擴充，例如低能耗通信協(xié)議、節(jié)點定位和數(shù)據(jù)融合程序的開發(fā)。

二、實踐環(huán)節(jié)的教學(xué)改革

作為工程應(yīng)用型專業(yè)，實驗的重要性不言自明。在本課程中實驗課程約占總學(xué)時的33%，而且一上手就是設(shè)計性實驗，實驗內(nèi)容有針對性地覆蓋了理論課的授課內(nèi)容。在安排上也圍繞課程主線進行，使理論課和實驗課成為有機整體，學(xué)生從親自焊接一塊節(jié)點的電路板開始，直到完成一個基本的無線傳感通信網(wǎng)絡(luò)。其目的要求如表1所示。

表1#8194;實驗課內(nèi)容及要求

序號題目目的要求

1節(jié)點制作實驗熟悉節(jié)點硬件電路；掌握節(jié)點焊接技能；掌握節(jié)點硬件調(diào)試和糾錯

2無線通信實驗熟悉無線通信芯片的工作原理；掌握無線點對點通信接口電路；掌握無線點對點通信的應(yīng)用編程

3溫度傳感實驗熟悉溫度傳感芯片的工作原理；掌握節(jié)點單片機與溫度傳感器接口電路；掌握溫度傳感器的應(yīng)用編程

4液晶顯示實驗熟悉液晶模塊的工作原理；掌握節(jié)點單片機與液晶模塊的接口電路；掌握液晶屏顯示的應(yīng)用編程

5無線傳感網(wǎng)組網(wǎng)實驗熟悉無線傳感網(wǎng)的工作原理；掌握無線傳感網(wǎng)組網(wǎng)接口電路；掌握無線傳感網(wǎng)通信與組網(wǎng)協(xié)議的應(yīng)用編程

三、課程考核方式和評價的教學(xué)改革

目前國內(nèi)高校對無線傳感網(wǎng)絡(luò)課程的考核多采用閉卷形式，學(xué)生記憶的知識空泛而零散。而且當(dāng)前國內(nèi)無線傳感網(wǎng)絡(luò)教材質(zhì)量參差不齊，學(xué)生考出好的成績其實是對一些表面概念的死記硬背，學(xué)完還是不會動手。經(jīng)過改革，考試形式采用大作業(yè)的形式。大作業(yè)的題目是實現(xiàn)一個星形拓撲的具有自組織、自管理功能的無線傳感網(wǎng)絡(luò)，這一題目涉及了無線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計制造與硬件調(diào)試、溫度傳感數(shù)據(jù)的采集與編程、單片機和無線通信芯片之間數(shù)據(jù)交換與編程、無線通信芯片之間通信組網(wǎng)與編程。學(xué)生在完成過程中既有前期實驗的積累，又在前期基礎(chǔ)上進行了升級。另外，要求學(xué)生根據(jù)自己的創(chuàng)意，讓設(shè)計出的系統(tǒng)面向某個實際應(yīng)用。比如醫(yī)院病人體溫監(jiān)測系統(tǒng)、森林火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)等。作業(yè)分組完成，一組4人，撰寫設(shè)計報告，現(xiàn)場演示系統(tǒng)運行結(jié)果，參考電子設(shè)計競賽模式進行比賽打分，并確定以下評分標(biāo)準(zhǔn)：網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)硬件電路合理，焊點美觀，硬件測試正常；網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)軟件設(shè)計合理，結(jié)果顯示直觀，采集數(shù)據(jù)實時，通信數(shù)據(jù)收發(fā)準(zhǔn)確，網(wǎng)絡(luò)運行穩(wěn)定；達到以上標(biāo)準(zhǔn)即可評為良好及以上。創(chuàng)意應(yīng)用方案可作加分處理。

四、教學(xué)方式改革

為了激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高動手能力，參考全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽模式，在教學(xué)方式上引入教學(xué)—實驗—比賽機制，筆者在教學(xué)實踐中按照實際提出明確設(shè)計目標(biāo)，布置任務(wù)。學(xué)生根據(jù)目標(biāo)和布置的任務(wù)在實驗中探索解決，并隨時得到老師的指導(dǎo)，最后組織比賽并評分的流程實施如下：

1.設(shè)計合理教學(xué)任務(wù)

學(xué)生首先設(shè)計電路原理圖，根據(jù)電路圖制作電路板并焊接，然后根據(jù)實驗課任務(wù)編寫程序并下載調(diào)試。每個大實驗又分解為幾個基本任務(wù)和一個創(chuàng)新任務(wù)。以無線傳感網(wǎng)組網(wǎng)實驗為例，分為兩個基本任務(wù)和一個創(chuàng)新任務(wù)，任務(wù)內(nèi)容及要求如下：

基本任務(wù)：參照頻分復(fù)用思想，利用射頻芯片本身的頻道，實現(xiàn)一對三星形拓撲通信網(wǎng)構(gòu)建；分析無線芯片數(shù)據(jù)包構(gòu)造，利用信息數(shù)據(jù)長度，實現(xiàn)一對三星形拓撲通信網(wǎng)構(gòu)建。

創(chuàng)新任務(wù)：利用以上兩種思路的一種，組建一個網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，由兩個一對三星形拓撲網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。

2.學(xué)生動手實踐

實驗課是學(xué)生動手實踐的主要平臺，學(xué)生在實驗課上根據(jù)老師布置的任務(wù)和講解自己動手實踐。老師要跟蹤學(xué)生實踐過程中的問題，及時給予解決，并啟發(fā)全班同學(xué)一起思考，不積累問題，引導(dǎo)學(xué)生不斷完善，優(yōu)化方案。同時電路板學(xué)生也可以帶走，利用課余時間繼續(xù)專研。

3.組織學(xué)生比賽

當(dāng)學(xué)生完成所有基礎(chǔ)實驗后，最后的大作業(yè)提交以現(xiàn)場比賽打分的形式進行。對于各個組的設(shè)計結(jié)果，優(yōu)點要肯定，不足之處也要給出建議。學(xué)生在這個環(huán)節(jié)，成就感往往能得到極大的滿足。正好以此為契機，鼓勵通過本課程學(xué)習(xí)已對物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)生興趣的學(xué)生參加更高層次的校級、省級比賽，不斷提升自身能力。

五、教學(xué)效果

1.課堂和實驗課教學(xué)效果

通過教學(xué)設(shè)計和教學(xué)實踐，學(xué)生在課堂上積極主動地進行思考和回答問題，對學(xué)習(xí)充滿了興趣，能夠在教師的引導(dǎo)下主動思考問題，主動上網(wǎng)查閱資料。在實驗課上，多數(shù)同學(xué)不僅能迅速地完成布置的實驗項目，而且互相之間討論熱烈，并積極地和老師交流。有些同學(xué)則更為深入，不滿足于當(dāng)前的實驗結(jié)果，而是更深入地研究芯片性能，提出了若干創(chuàng)意和想法，并不斷測試與優(yōu)化。事實證明，這些小組最后的大作業(yè)完成得非常出色。

2.大作業(yè)反饋教學(xué)效果

從交上來的25份大作業(yè)看，學(xué)生在設(shè)計上充分發(fā)揮了主觀能動性，界面及通信協(xié)議設(shè)計多樣化，如有的利用界面圖形設(shè)計軟件在一塊單色液晶上設(shè)計出動畫效果以顯示通信結(jié)果，有的移植成熟的有線通信協(xié)議，如Modbus協(xié)議編寫程序，在此協(xié)議下系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠。學(xué)生在查閱資料完成大作業(yè)的過程中不僅鞏固了課堂和教材上的內(nèi)容，還自發(fā)加入了網(wǎng)絡(luò)中新流行的界面設(shè)計思想或一些工業(yè)化的通信協(xié)議設(shè)計方法。

總之，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中發(fā)揮了主體作用，提高了自身硬件調(diào)試能力和軟件編程能力。

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（責(zé)任編輯：王祝萍）