物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)《無線傳感器網(wǎng)絡(luò)》課程教材建設(shè)探究

余華平　劉波濤　劉鵬

摘要摘要：《無線傳感器網(wǎng)絡(luò)》是物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的核心課程，建設(shè)好該課程教材十分必要。根據(jù)該課程特點，以長江大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)《無線傳感傳感器網(wǎng)絡(luò)》課程教材建設(shè)為例，分析了該課程教材建設(shè)的基本依據(jù)、基本原則和基本目標，把《無線傳感器網(wǎng)絡(luò)》課程教材編寫的主要內(nèi)容設(shè)計成基礎(chǔ)理論教學(xué)、課內(nèi)實驗和綜合課程設(shè)計3部分，使學(xué)生能系統(tǒng)化學(xué)習(xí)課程內(nèi)容和實驗各環(huán)節(jié)，教師能夠有效把握課程教學(xué)內(nèi)容，從而提升教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生能力。

關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；教材編寫；內(nèi)容設(shè)計；物聯(lián)網(wǎng)工程

DOIDOI：10.11907/rjdk.171042

中圖分類號：G436

文獻標識碼：A文章編號文章編號：16727800（2017）05021003

0引言

2010年物聯(lián)網(wǎng)被首次寫入《政府工作報告》，2010年3月教育部下發(fā)《教育部辦公廳關(guān)于戰(zhàn)略性新興專業(yè)相關(guān)專業(yè)申報和審批工作的通知》，指出：“支持和鼓勵有條件的高等學(xué)校從本科教育入手，加速教學(xué)內(nèi)容、課程體系、教學(xué)方法、管理體制與運行機制的改革和創(chuàng)新，積極培養(yǎng)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)相關(guān)專業(yè)的人才”[1]。目前，全國已有近500所高校開設(shè)了物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)，大多依托于計算機科學(xué)或電氣通信工程等相關(guān)專業(yè)辦學(xué)，在校學(xué)生總數(shù)也已超過20 000人[2]。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks，WSN）技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)工程實踐中起著承上啟下的作用，是關(guān)鍵技術(shù)之一?！稛o線傳感器網(wǎng)絡(luò)》課程不但被多數(shù)高校列入物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的核心課程，同時還被很多高校列入計算機、通信等相關(guān)專業(yè)研究生和高年級本科生的選修課[3]。2014年9月，長江大學(xué)依托計算機科學(xué)學(xué)院正式招收物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)學(xué)生，每屆約80人，目前在校本科生已超過200人[4]。鑒于此，開展該課程教材編寫的研究與探討十分必要。

1教材編寫依據(jù)與基礎(chǔ)

在信息爆炸時代，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)已成為研究熱點和應(yīng)用熱點[5]。無論是以培養(yǎng)學(xué)科型人才為主的高校，還是以培養(yǎng)應(yīng)用型人才為主的高校，都有開設(shè)《無線傳感器網(wǎng)絡(luò)》課程的先例，相關(guān)教材也在指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)和專業(yè)建設(shè)過程中起到了積極作用[6]，但無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展迅速，現(xiàn)有教材已不能完全適應(yīng)各專業(yè)發(fā)展，特別是現(xiàn)有教材的很多內(nèi)容都不符合學(xué)院的實際情況，因此需要定期編寫或更新符合各高校教學(xué)實際和反映無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展趨勢的新教材。

長江大學(xué)計算機科學(xué)學(xué)院最早在計算機類研究生中開設(shè)《無線傳感器網(wǎng)絡(luò)》的研討課程；2014年，學(xué)院開始招生《物聯(lián)網(wǎng)工程》專業(yè)本科生，在其人才培養(yǎng)計劃中設(shè)置了《傳感器網(wǎng)絡(luò)》必修課程；物聯(lián)網(wǎng)工程系教研活動也多次專題討論了傳感器網(wǎng)絡(luò)課程群的建設(shè)工作，大家一致認為，《物聯(lián)網(wǎng)工程》專業(yè)需要編寫一本適用于本院學(xué)生實際和學(xué)院實驗平臺條件的《傳感器網(wǎng)絡(luò)》課程教材，建立以《傳感器網(wǎng)絡(luò)》課程為核心的“傳感器網(wǎng)絡(luò)課程群”；2016年“傳感器網(wǎng)絡(luò)”課程團隊成功申報了“《傳感器網(wǎng)絡(luò)》課程教學(xué)資源建設(shè)研究與實踐”教研項目。課程團隊中有長期從事無線傳感器網(wǎng)絡(luò)學(xué)術(shù)研究和工程實踐的教師，主持過5項無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的省部級縱向科研項目，并依托這些相關(guān)項目的成果獲得湖北省科技進步二等獎1項，這些科研項目的積累為編寫高質(zhì)量、特色鮮明的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)教材奠定了基礎(chǔ)。目前，《傳感器網(wǎng)絡(luò)》課程團隊已編寫了較為完備的計算機類研究生《無線傳感器網(wǎng)絡(luò)》課程教案和適用于物聯(lián)網(wǎng)工程本科專業(yè)的《傳感器網(wǎng)絡(luò)》課程教案，并在物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)2014級學(xué)生中使用并逐漸完善。在實際講授中，通過增加提升學(xué)生項目實踐能力和專業(yè)素養(yǎng)的培養(yǎng)內(nèi)容，促使學(xué)生積極思考，受到學(xué)生的普遍歡迎。

2教材編寫原則與目標

《無線傳感器網(wǎng)絡(luò)》課程涉及計算機、微電子、傳感器、網(wǎng)絡(luò)、通信、數(shù)據(jù)分析處理等諸多領(lǐng)域，是一門面向?qū)嶋H應(yīng)用、交叉性強、跨度大的綜合型課程[5]。其技術(shù)發(fā)展更新快、實踐應(yīng)用要求高、課時少、教學(xué)內(nèi)容切割和教學(xué)難度大。因此，教材編寫應(yīng)力求在內(nèi)容設(shè)計上有一定特色，理論聯(lián)系實際，反映國內(nèi)外學(xué)科進展；在體系結(jié)構(gòu)安排上，要體現(xiàn)科學(xué)性和適用性。具體分析如下：

（1）針對專業(yè)建設(shè)實際和課程特點，理論與實踐結(jié)合，實現(xiàn)內(nèi)容分塊設(shè)計。針對物聯(lián)網(wǎng)工程核心專業(yè)課程建設(shè)的實際需要和《傳感器網(wǎng)絡(luò)》課程特點，以加強學(xué)生的實踐動手能力為目標，理論聯(lián)系實際，力求系統(tǒng)地介紹無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在理論和實踐方面的基本原理與經(jīng)典協(xié)議、算法以及典型應(yīng)用案例。教材內(nèi)容分塊設(shè)計，力求核心內(nèi)容的基礎(chǔ)性和體系性，以及擴展內(nèi)容（進階內(nèi)容）的先進性和前瞻性，同時結(jié)合學(xué)院在物聯(lián)網(wǎng)方向的科研成果和學(xué)院實驗平臺設(shè)備條件，編寫實踐案例和實驗內(nèi)容，突出實用性和實踐性。

（2）參考優(yōu)秀教材和跟蹤技術(shù)進展，科學(xué)編排教材結(jié)構(gòu)，突出“傳感器網(wǎng)絡(luò)課程群”建設(shè)。在精研國內(nèi)外優(yōu)秀教材的基礎(chǔ)上，結(jié)合《傳感器網(wǎng)絡(luò)》課程團隊在學(xué)院物聯(lián)網(wǎng)工程本科專業(yè)和計算機類研究生中的教學(xué)實踐積累，科學(xué)編排教材結(jié)構(gòu)，舍去現(xiàn)有教材中一些陳舊或次要內(nèi)容，增加一些新穎或重要內(nèi)容。同時，綜合考慮“傳感器網(wǎng)絡(luò)課程群”內(nèi)各課程之間的內(nèi)容劃分與教學(xué)銜接，強調(diào)《傳感器網(wǎng)絡(luò)》課程知識體系的系統(tǒng)性和課內(nèi)實驗的基礎(chǔ)實踐性。

（3）教學(xué)配套資源綜合設(shè)計。在《傳感器網(wǎng)絡(luò)》課程群的框架內(nèi)，綜合設(shè)計《傳感器網(wǎng)絡(luò)》課程教材、配套PPT、練習(xí)題庫和實驗教程等教學(xué)資源。要充分重視課后思考題和習(xí)題設(shè)計，習(xí)題力求體現(xiàn)基本概念、基本原理、基本算法和具體應(yīng)用案例等相關(guān)內(nèi)容，以幫助學(xué)生更好地理解相關(guān)技術(shù)，增強學(xué)生項目分析和設(shè)計的實踐能力。

（4）參考書目反映目前國內(nèi)外最新材料，編寫專業(yè)詞匯索引表。給出擴展學(xué)習(xí)和跟蹤最新研究進展的參考書目和網(wǎng)址列表，編寫統(tǒng)一的專業(yè)詞匯表，方便學(xué)生自主學(xué)習(xí)和準確理解各項技術(shù)。

3教材內(nèi)容設(shè)計

根據(jù)上述原則和目標，長江大學(xué)計算機科學(xué)學(xué)院《無線傳感器網(wǎng)絡(luò)》課程組在廣泛調(diào)研國內(nèi)外公開出版發(fā)行的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)圖書、教材以及國外課程網(wǎng)站[610]的基礎(chǔ)上，將《無線傳感器網(wǎng)絡(luò)》教材內(nèi)容設(shè)計為3個模塊：基礎(chǔ)理論教學(xué)、課內(nèi)實驗和綜合課程設(shè)計。

3.1基礎(chǔ)理論教學(xué)

基礎(chǔ)理論教學(xué)主要包括4部分：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)知識、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)技術(shù)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)支撐技術(shù)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)高級主題（進階內(nèi)容）。每一章節(jié)后面設(shè)置本章小結(jié)和習(xí)題，在教材最后設(shè)置專業(yè)詞匯索引表，供學(xué)生加強知識點理解和學(xué)習(xí)。①無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)知識部分主要講述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本概念、體系結(jié)構(gòu)、性能指標、主要的應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展歷史，以及傳感器節(jié)點模塊組成、能耗模型與節(jié)點設(shè)計等；②無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)技術(shù)部分討論無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的物理層（信道編碼、調(diào)制）、介質(zhì)訪問控制層（802.11標準、MAC協(xié)議）、網(wǎng)絡(luò)層（路由協(xié)議）、傳輸層等；③無線傳感器網(wǎng)絡(luò)支撐技術(shù)部分討論無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的時間同步技術(shù)、定位技術(shù)、數(shù)據(jù)融合技術(shù)等；④無線傳感器網(wǎng)絡(luò)高級主題（進階內(nèi)容）部分討論無線傳感器網(wǎng)絡(luò)仿真分析技術(shù)、特殊無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用案例等。具體內(nèi)容與學(xué)時安排如表1所示。

3.2課內(nèi)實驗

在課內(nèi)實驗中，以教材第4章“實驗平臺”和第15章“基于 CC2530 ZigBee WSN實驗”為基礎(chǔ)設(shè)計兩個基礎(chǔ)性實驗、兩個中級難度實驗和兩個高級難度的選做實驗[78]，如表2所示。

3.3綜合課程設(shè)計

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合課程設(shè)計在綜合6個課內(nèi)實驗內(nèi)容的基礎(chǔ)上進行拓展和深入，設(shè)計6個綜合工程應(yīng)用實例（教材第12章）[78]。綜合課程設(shè)計安排學(xué)生以2～4人為一組協(xié)作地選擇完成6個綜合工程應(yīng)用實例中的1個，每個工程實例配置指導(dǎo)教師1位，負責(zé)課程設(shè)計指導(dǎo)和實例成果驗收，通過驗收遴選出優(yōu)秀小組在課程設(shè)計年級交流大會上匯報，提升學(xué)生綜合工程實踐能力、團結(jié)協(xié)作能力和交流匯報能力。具體如表3所示。

4結(jié)語

《無線傳感器網(wǎng)絡(luò)》是一門系統(tǒng)性很強的課程，其教學(xué)內(nèi)容跨度大、實踐性強的特點給教師講授、學(xué)生學(xué)習(xí)帶來了雙重挑戰(zhàn)，而一本合適的《無線傳感器網(wǎng)絡(luò)》課程教材是上好該課程的基礎(chǔ)。本文以長江大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)《無線傳感器網(wǎng)絡(luò)》課程教材編寫為例，探討了該教材編寫的依據(jù)與基礎(chǔ)、原則與目標，并給出了編寫實例。但是，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一門綜合性課程，除了一本符合學(xué)生實際和實驗環(huán)境實際的教材外，還需要教師根據(jù)學(xué)生實際情況，進一步將知識點設(shè)計成模塊，提供給學(xué)生，促進其自主學(xué)習(xí)。同時，要根據(jù)課程實踐性特點，在課程學(xué)時等條件允許的情況下，在課內(nèi)外增加設(shè)計型實驗內(nèi)容，進一步提高學(xué)生無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)開發(fā)與實踐的能力。

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