“無線傳感器網(wǎng)絡(luò)”本科課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究與探索

李明

摘要：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一門多學(xué)科交叉的課程。該文分析了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題，分別從實(shí)驗(yàn)硬件配套、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的選擇、實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式和實(shí)驗(yàn)成績(jī)的評(píng)定五個(gè)方面提出了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革措施。實(shí)踐證明，這些措施提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量，增強(qiáng)了學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力和解決問題的水平。

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；課程改革

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2014）13-3016-02

1 概述

隨著物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，企業(yè)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)工程應(yīng)用型人才的需求越來越大。“全面貼近企業(yè)需求，無縫打造專業(yè)實(shí)用人才”是目前高校物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)教育的革新方向。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為物聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分，構(gòu)成了物聯(lián)網(wǎng)的感知層和網(wǎng)絡(luò)層的一部分。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)綜合了傳感器技術(shù)、微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)、嵌入式計(jì)算機(jī)技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通信技術(shù)，是信息感知和數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域的一場(chǎng)革命，是21世紀(jì)影響人類生活的重大技術(shù)之一[1-3]，現(xiàn)在已廣泛應(yīng)用在國(guó)防軍事、國(guó)家安全、環(huán)境監(jiān)測(cè)、目標(biāo)跟蹤、醫(yī)療衛(wèi)生、反恐抗災(zāi)、智能建筑、環(huán)境科學(xué)和空間探索等領(lǐng)域。本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生把握當(dāng)今技術(shù)發(fā)展的潮流，了解和掌握前沿技術(shù)，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，開闊學(xué)生的視野，掌握其基本原理和實(shí)現(xiàn)方法，綜合之前所學(xué)的知識(shí)，從而培養(yǎng)和增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)技術(shù)和解決實(shí)際工程問題的能力。

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要求及現(xiàn)狀

2.1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要求

傳感器網(wǎng)絡(luò)是一門理論與技術(shù)并重、實(shí)踐性很強(qiáng)的課程。通過實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以增強(qiáng)對(duì)理論教學(xué)中的基本概念、通信協(xié)議和經(jīng)典算法的理解，融合之前學(xué)過的《數(shù)字電路》、《單片機(jī)》和《計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)》等學(xué)科的知識(shí)，鍛煉其動(dòng)手能力，提高學(xué)生分析解決通信工程中實(shí)際問題的能力， 也符合國(guó)家提出的“卓越工程師計(jì)劃”中“提升學(xué)生工程實(shí)踐能力”的要求。

2.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀

由于《無線傳感器網(wǎng)絡(luò)》是一門新開的課程，經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在具體的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中設(shè)備的選擇目前各個(gè)高校沒有統(tǒng)一。盡管市場(chǎng)上出現(xiàn)了很多無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)驗(yàn)箱和實(shí)驗(yàn)設(shè)備，但這些設(shè)備多為驗(yàn)證型或者驗(yàn)證型設(shè)備，對(duì)學(xué)生缺乏挑戰(zhàn)性，不能完全滿足教學(xué)的需要和激發(fā)學(xué)生的興趣；同時(shí)由于包裝設(shè)備時(shí)加上了一些防護(hù)措施，比如有機(jī)玻璃，雖然有利于設(shè)備的保養(yǎng)和維護(hù)，但另一方面使得學(xué)生不能對(duì)硬件電路作更深入的理解，影響了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。其次，相當(dāng)一部分學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的重要性認(rèn)識(shí)不足，片面重視理論而忽略了實(shí)驗(yàn)技能的培養(yǎng)；再者，高校擴(kuò)招后，學(xué)生數(shù)量增加后，相應(yīng)的硬件配套設(shè)施配備不足，導(dǎo)致完成實(shí)驗(yàn)所需的設(shè)備缺乏；最后，高校對(duì)實(shí)驗(yàn)教師和一般授課教師實(shí)行有差別的管理，較之普通教師在待遇、職稱評(píng)定等方面存在差距，從而使得部分實(shí)驗(yàn)教師提高自身專業(yè)素質(zhì)的積極性不高。筆者結(jié)合自己多年從事實(shí)驗(yàn)教學(xué)的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)如何提高“無線傳感器網(wǎng)絡(luò)”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量進(jìn)行了一些有益的探索和實(shí)踐，取得了一定的成效。

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革與探索

3.1 實(shí)驗(yàn)硬件配套

3.1.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建

在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)方面，我們采用訂制與自主開發(fā)相結(jié)合的方式。在前期，我們積極與實(shí)驗(yàn)設(shè)備廠商溝通，訂制能夠滿足不同層次學(xué)生的開發(fā)板，并讓廠家開放接口，以備二次開發(fā)使用。在硬件配置方面，部分硬件模塊采用可配置的方式，這樣一方面可以增加平臺(tái)的可擴(kuò)展性，另一方面，可以使得一些學(xué)有余力的學(xué)生進(jìn)行新模塊的開發(fā)。軟件配置方面，包括嵌入式軟件和PC端軟件，其中嵌入式軟件我們采用的編譯器為IAR Embedded Workbench IDE，用戶提供一個(gè)易學(xué)和具有最大量代碼繼承能力的開發(fā)環(huán)境，以及對(duì)大多數(shù)和特殊目標(biāo)的支持適合各種不同 CPU 的目標(biāo)，有效提高用戶的工作效率。在PC端軟件方面，我們直接采用設(shè)備廠商提供的工具。

3.1.2 實(shí)驗(yàn)教材的編寫

實(shí)驗(yàn)教材是提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的保證?，F(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)教材內(nèi)容多為驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)方案單一，缺乏設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)問題簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求程式化，內(nèi)容上過多依賴?yán)碚摻虒W(xué)，不利于學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)。為改變這種不足，我們與實(shí)驗(yàn)設(shè)備提供商積極溝通與合作，用簡(jiǎn)潔嚴(yán)謹(jǐn)?shù)恼Z言借助一些例程闡述實(shí)驗(yàn)原理，細(xì)致描述了實(shí)驗(yàn)步驟，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力；另一方面，在實(shí)驗(yàn)教材上，增加了一些啟發(fā)式、設(shè)計(jì)性和討論的內(nèi)容，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和獨(dú)立思考的能力。

3.1.3 實(shí)驗(yàn)師資的管理

實(shí)驗(yàn)教師的合理配備是提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的重要條件[4]。我們一方面對(duì)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)室管理體制作了些改革，使得實(shí)驗(yàn)室工作人員走上教學(xué)第一線，與理論課教師共同負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)教材的編寫與選擇。同時(shí)，積極調(diào)動(dòng)他們的積極性，鼓勵(lì)他們積極參與相關(guān)項(xiàng)目的申請(qǐng)，積極組織教師進(jìn)修學(xué)習(xí)，提升其業(yè)務(wù)素質(zhì)。另一方面，有針對(duì)性和有實(shí)效性地做好人的思想工作[5]，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教師的師風(fēng)師德教育，提倡愛崗敬業(yè)和樂于奉獻(xiàn)的精神，同時(shí)建立教學(xué)督導(dǎo)機(jī)制，通過各種途徑反饋和改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

3.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的選擇

根據(jù)學(xué)生認(rèn)知學(xué)習(xí)的規(guī)律，按照“無線傳感器網(wǎng)絡(luò)”的教學(xué)大綱，將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行層次化的劃分，在原有基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上增加部分設(shè)計(jì)性和綜合性的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容劃分為：三個(gè)層次：第一部分為基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)，主要是熟悉CC2530芯片的基礎(chǔ)硬件和熟悉軟件IAR Embedded Workbench IDE編譯環(huán)境的實(shí)驗(yàn)；第二部分為提高性實(shí)驗(yàn)，涉及的知識(shí)不僅包括傳感器網(wǎng)絡(luò)，而且還包括之前計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、模擬電路和數(shù)字電路的知識(shí)，比如Zigbee與不同網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)通信與融合問題，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)的能力，幫助學(xué)生積累嵌入式系統(tǒng)開發(fā)及物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，借助實(shí)驗(yàn)這個(gè)橋梁增加對(duì)理論課中的知識(shí)體系的深入理解；第三部分為綜合性的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，主要讓一些學(xué)有余力的同學(xué)參與老師的科研項(xiàng)目，對(duì)新的理論、新的算法進(jìn)行研究，進(jìn)一步提高學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)造性思維。endprint

3.3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)采用理解基本原理——驗(yàn)證原理——方法模仿——思維創(chuàng)新的教學(xué)模式。根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的不同，采用不同的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法。對(duì)于基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)部分，教師先對(duì)相關(guān)理論和實(shí)驗(yàn)設(shè)備做出詳細(xì)說明，然后學(xué)生按照之前的分組完成實(shí)驗(yàn)規(guī)定的內(nèi)容，作業(yè)完成后，由教師和學(xué)生共同完成對(duì)項(xiàng)目的驗(yàn)收。最后，教師對(duì)實(shí)驗(yàn)做出評(píng)述，同時(shí)啟發(fā)學(xué)生在關(guān)鍵代碼處進(jìn)行修改或者更改電路設(shè)計(jì)進(jìn)入模仿設(shè)計(jì)階段。對(duì)于提高性實(shí)驗(yàn)和綜合性實(shí)驗(yàn)部分，主要面向?qū)W有余力和有興趣的同學(xué)，引入研究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，盡可能發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)造性。教師選擇自己科研項(xiàng)目中應(yīng)用性較強(qiáng)的內(nèi)容作為學(xué)生的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，對(duì)學(xué)生進(jìn)行積極引導(dǎo)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力。

3.4 實(shí)驗(yàn)成績(jī)的評(píng)定

學(xué)生實(shí)驗(yàn)成績(jī)的評(píng)定主要指標(biāo)不是其最終的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，而是實(shí)驗(yàn)過程。對(duì)于一些原創(chuàng)性的實(shí)驗(yàn)思路，即使實(shí)驗(yàn)效果不理想，也應(yīng)評(píng)定為優(yōu)秀，以此激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新能力。對(duì)于我院測(cè)控專業(yè)采用實(shí)驗(yàn)過程考核加實(shí)驗(yàn)報(bào)告相結(jié)合的綜合考核方法，其成績(jī)比例為7：3。實(shí)驗(yàn)過程考核的內(nèi)容包括出勤、實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)操作步驟、實(shí)驗(yàn)態(tài)度和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，考察的重點(diǎn)在于學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能。對(duì)于實(shí)驗(yàn)報(bào)告的考核，我們擯棄了一些形式化的格式約束，鼓勵(lì)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的問題和最后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行科學(xué)分析和獨(dú)立思考，以此增強(qiáng)學(xué)生的科學(xué)研究的素質(zhì)。

4 結(jié)束語

實(shí)驗(yàn)是理論與實(shí)際溝通的橋梁，也是培養(yǎng)卓越工程師必不可少的重要組成部分。通過近兩年的實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐表明，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐是一種高效的教學(xué)方法，一方面，有利于提高實(shí)驗(yàn)教師積極性和業(yè)務(wù)素質(zhì)，另一方面，有助于學(xué)生建立完整的知識(shí)體系結(jié)構(gòu)，培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立探索、勇于開拓進(jìn)取的能力，

參考文獻(xiàn)：

[1] Estrin D.GovIndan R， Heideman J， et al. Next century challenges： Scalable coordination in sensor networks[C]. MOBICOM， Seattle， 1999：263-270.

[2] Weiser M. The computer for the twenty-first century[J]. Scientific American， 1991（9）.

[3] 孫利民， 李建民， 陳諭. 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2005：5.

[4] 陳詠華， 李麗榮.工程訓(xùn)練實(shí)踐教學(xué)研究與探索[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理， 2011，28（3）：118-119，126.

[5] 初元璋，袁從述. 改革管理體制，調(diào)動(dòng)實(shí)驗(yàn)人員的積極性，促進(jìn)實(shí)驗(yàn)室工作[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，1991，8（2）：3-5.endprint