基于無線傳感網(wǎng)絡的電子類專業(yè)教學方法研究

朱娟

【摘 要】針對無線傳感網(wǎng)絡課程多學科交叉的特點，結(jié)合國家應用型人才培養(yǎng)目標的需求，分析電子類專業(yè)教學中存在的問題，分別從教學內(nèi)容和方法上進行了探討，提出項目式教學、分層式實踐教學的方法。

【關鍵詞】無線傳感網(wǎng)絡 項目式教學 分層式教學

【中圖分類號】G 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2016）03C-0143-02

無線傳感器網(wǎng)絡（Wireless Sensor Networks，WSN）技術是當下新興物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的熱門技術之一，和它相關的產(chǎn)品涉及我們生活中的各個領域，特別是汽車電子、智慧農(nóng)業(yè)、智能醫(yī)療、城市監(jiān)控等都與無線傳感網(wǎng)絡息息相關。正因如此，各大院校都將無線傳感網(wǎng)絡原理與實現(xiàn)作為電子工程、通信工程、物聯(lián)網(wǎng)工程等專業(yè)的主干課程。此課程是一個知識高度集成的前沿熱點研究領域，它涉及傳感器技術、通信原理、嵌入式技術、自動控制原理、無線通信原理等眾多學科的知識，主要講授了zigbee蜂窩網(wǎng)絡及無線移動網(wǎng)絡的基本傳輸技術、網(wǎng)絡架構(gòu)及主流傳輸網(wǎng)絡協(xié)議等。通過本課程的學習，學生可以初步了解現(xiàn)代傳感網(wǎng)絡技術，具備從事近距離無線通信系統(tǒng)開發(fā)的基本能力。

一、課程教學存在的問題

目前，大多數(shù)電子類專業(yè)無線傳感網(wǎng)絡技術課程安排在第六、七學期，授課僅停留在理論教學階段，即使有的專業(yè)開過實驗課程，也只是借鑒了已有的實驗平臺，以驗證性實驗為主。從近年的教學效果來看，該實驗教學系統(tǒng)并不適用于電子專業(yè)的學生，因為他們并不能通過實驗得到的各種數(shù)據(jù)理解無線網(wǎng)絡建立及傳輸?shù)倪^程，長此以往，使其喪失學習興趣，此外還有許多因素也制約了該課程的教學。

缺乏適合電子類學生的教材

目前市場上關于無線傳感網(wǎng)絡技術的書籍大部分與計算機專業(yè)相關，大致包括如下幾部分內(nèi)容：無線自組織網(wǎng)絡原理、無線傳感器網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)、路由協(xié)議、MAC 層協(xié)議、定位技術、時間同步技術、無線網(wǎng)安全等。以上內(nèi)容對于只接觸過計算機網(wǎng)絡的電子類專業(yè)學生來說理解較為困難，因為關于網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)和通信協(xié)議的知識在電子專業(yè)課程中涉及較少，很多書籍大篇幅的在講此類的知識，讓學生望而生畏。

（二）缺乏統(tǒng)一的實驗開發(fā)平臺

目前關于無線傳感網(wǎng)絡的構(gòu)建方案很多，為了在物聯(lián)網(wǎng)市場上爭得一席之地，很多廠商都推出了支持無線傳感網(wǎng)絡組建的硬件芯片和通信協(xié)議棧，針對不同的應用需求可以使用不同的芯片和協(xié)議棧，這使得學生思維混亂，難以抉擇。

（三）課程安排不合理、銜接不緊密

本課程安排在第六或第七學期，學生處于大三下、大四上的階段，很多學生在此時都會選擇考研或忙于找工作，便無心靜心學習此課程。加之與此課程相關的前期課程計算機網(wǎng)絡在第四學期開課，時間跨度較大，導致學生學習無線網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)時知識有遺忘，銜接不起來。

二、無線傳感網(wǎng)絡課程體系改革

基于zigbee技術的無線傳感網(wǎng)絡，大致被分為三個層次，底層是用來感知數(shù)據(jù)的感知層，主要是傳感器等數(shù)據(jù)采集設備；第二層是數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡層，網(wǎng)絡層將建立在現(xiàn)有的移動通訊網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)基礎上，其主要功能是直接通過現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)或移動通信網(wǎng)（如GSM、T D -SCDMA）、無線接入網(wǎng)（WiMAX）、無線局域網(wǎng)（Wi-Fi）、衛(wèi)星網(wǎng)等基礎網(wǎng)絡設施，對來自感知層的信息進行接入和傳輸；最上面是應用層，利用經(jīng)過分析處理的感知數(shù)據(jù)，為用戶提供豐富的特定服務。電子類專業(yè)的無線傳感網(wǎng)絡課程應盡可能多的覆蓋本專業(yè)的知識，以本專業(yè)已開課程為基礎，充分利用已學知識進行拓展和創(chuàng)新，由此制定了適用于電子類學生的無線傳感網(wǎng)絡課程體系，它分為基礎的低端課程、提高的高端課程和實訓課程，具體課程體系架構(gòu)如表1所示。

由于沒有針對電子專業(yè)的無線傳感網(wǎng)絡書籍，故可利用先修課程計算機網(wǎng)絡，zigbee論壇（網(wǎng)蜂科技）及TI公司相關資料來進行教學。將無線傳感網(wǎng)絡作為計算機網(wǎng)絡課程的延展和提高，把計算機網(wǎng)絡知識與無線傳感網(wǎng)絡技術有效結(jié)合。為了保證教學內(nèi)容的針對性、銜接性，可從以下方面進行調(diào)整：精簡計算機網(wǎng)絡的基本原理和概念，刪除陳舊的技術和協(xié)議；重點講解網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)及網(wǎng)絡協(xié)議，并以zigbee無線網(wǎng)絡Z-STACK協(xié)議為模型，分析協(xié)議的工作原理。計算機網(wǎng)絡分層協(xié)議與Z-STACK協(xié)議的對應關系如圖1所示；增加zigbee無線局域網(wǎng)組建方法和應用實例，培養(yǎng)學生的工程實踐能力、綜合運用交叉學科知識的科技創(chuàng)新能力。

三、無線傳感網(wǎng)絡教學改革實踐

（一）采用項目式實踐教學

項目式教學法是將教學內(nèi)容的理論與實踐有機結(jié)合在一起的教學法，通過教師在研項目來引導學生思考，以項目任務為驅(qū)動，充分發(fā)揮學生的主動性和創(chuàng)造性，解決生活中的實際問題。在筆者主持的2013年襄陽市科技局項目“基于zigbee的漢江水環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)研究”中，首先組織學生進行需求分析，通過走訪環(huán)境監(jiān)測部分，了解需要監(jiān)測的水質(zhì)參數(shù)為pH 值、溫度、溶解氧、電導率、濁度、氨氮濃度和氯化物濃度等，然后根據(jù)系統(tǒng)成本、精度要求等因素選擇合適的傳感器，并通過網(wǎng)上查閱資料了解各種傳感器的使用方法。其次引導學生制定合適的無線數(shù)據(jù)傳輸方案，將藍牙、紅外、GPRS等多種無線傳輸技術對比，選擇了基于CC2530的zigbee無線傳感網(wǎng)絡方案，要求學生們著手學習CC2530芯片及zigbee Z-STACK協(xié)議棧，先掌握點對點的數(shù)據(jù)傳輸，再掌握點對多點的數(shù)據(jù)傳輸，循序漸進，逐步提高。最后將整個系統(tǒng)整合，完成調(diào)試。

（二）采用分層式實踐教學

分層式教學又稱分組教學，教師根據(jù)學生的知識、能力水平和潛力傾向把學生科學地分成幾組水平相近的群體，使得各群體在教師恰當?shù)姆謱硬呗院拖嗷プ饔弥械玫阶詈玫陌l(fā)展和提高。根據(jù)以上理念，教師可以根據(jù)學生對表1所示專業(yè)課程的掌握情況、能力水平和個人發(fā)展方向，將實驗分為基礎型實驗、提高型實驗、創(chuàng)新型實驗等，實踐環(huán)節(jié)的具體層次化設計如表2所示：

實踐表明，電子類專業(yè)無線傳感網(wǎng)絡教學方法有效激發(fā)了學生的創(chuàng)新思維，增強了學生的專業(yè)技能，11級電子信息工程專業(yè)學生的“基于zigbee的溫濕光換氣環(huán)境遠程智能控制系統(tǒng)”獲國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目立項，12級電子信息工程學生研發(fā)的“基于無線傳感網(wǎng)絡的智能農(nóng)業(yè)綜合管理平臺”獲湖北省“挑戰(zhàn)杯”三等獎。

“無線傳感網(wǎng)絡”作為新興的短距離無線通信技術，在各高校電子類專業(yè)的課程中占據(jù)著舉足輕重的地位，我們需不斷改進教學內(nèi)容、豐富教學手段、創(chuàng)新實踐環(huán)節(jié)，充分發(fā)揮學生的主觀能動性和動手實踐能力，以實現(xiàn)培養(yǎng)卓越工程師的目標。

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