無線傳感器網(wǎng)絡(luò)課程實(shí)驗(yàn)教材建設(shè)

寧卓++李牧陽++梅新志

摘要：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的重要專業(yè)課程。南京郵電大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)學(xué)院依據(jù)WSN課程特征和課時(shí)設(shè)置，一改本科教育以講授知識(shí)點(diǎn)為主要手段的教學(xué)模式，為以綜合性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為貫穿主線，以科學(xué)研究+系統(tǒng)開發(fā)方法為教學(xué)手段的實(shí)踐型教學(xué)模式。該文探討了如何配合上述實(shí)踐型教學(xué)模式建設(shè)其相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，探討了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)置和實(shí)驗(yàn)的具體實(shí)施評(píng)價(jià)方法。和以往以知識(shí)塊來劃分的實(shí)驗(yàn)教材不同，提出了若干實(shí)驗(yàn)系列，每個(gè)系列的實(shí)驗(yàn)均與課程知識(shí)點(diǎn)環(huán)環(huán)相扣，構(gòu)成了一個(gè)課程知識(shí)點(diǎn)講解與實(shí)驗(yàn)相輔相成的實(shí)驗(yàn)系列教材。

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；實(shí)驗(yàn)教材；內(nèi)容設(shè)計(jì)；物聯(lián)網(wǎng)工程

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2017）30-0049-02

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)Wireless Sensor Network（WSN）是物聯(lián)網(wǎng)底層重要的感知技術(shù)，其知識(shí)點(diǎn)從感知層硬件技術(shù)到應(yīng)用層安全技術(shù)，內(nèi)容多，難度大，體現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)學(xué)科交叉特色和前沿性。作為物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)重要的學(xué)科專業(yè)課程，選課時(shí)頗受學(xué)生青睞。

WSN這門課程在全國(guó)幾百所高校的物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)都有開設(shè)，其課程實(shí)踐性強(qiáng)，但是在教學(xué)過程中也發(fā)現(xiàn)了一些比較突出的問題。具體表現(xiàn)在：（1）課程的定位與教學(xué)特色問題，如何與其他專業(yè)的同名課程相區(qū)別，突出物聯(lián)網(wǎng)交叉學(xué)科特色是本門課程建設(shè)要解決的關(guān)鍵問題；（2）有限的課時(shí)設(shè)置和課程豐富的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容不相匹配；（3）學(xué)生培養(yǎng)模式和授課方法問題。高年級(jí)學(xué)生普遍對(duì)基礎(chǔ)理論講解感到倦怠，迫切希望加強(qiáng)自己的編程能力和動(dòng)手實(shí)踐的能力，再沿襲“滿堂灌”的教學(xué)模式，授課效果較差。本著物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)注重培養(yǎng)應(yīng)用型人才的理念，南京郵電大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)學(xué)院在2016到2017學(xué)年對(duì)WSN課程進(jìn)行了教學(xué)改革，一改本科教育以講授知識(shí)點(diǎn)為主要手段的教學(xué)模式為以綜合性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為貫穿主線，以科學(xué)研究方法為教學(xué)手段的實(shí)踐型教學(xué)模式，取得了良好的教學(xué)改革效果[1]。

本文有針對(duì)性地為上述課程教學(xué)改革開發(fā)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)教材，實(shí)際上，上述教學(xué)模式改革的難點(diǎn)在于建立與課程設(shè)置相適應(yīng)的實(shí)驗(yàn)體系。這是因?yàn)椋?）挑選合適的內(nèi)容難，與課時(shí)設(shè)置相適應(yīng)難；（2）現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)教材多是隨實(shí)驗(yàn)箱提供的，以內(nèi)容作為區(qū)分，內(nèi)容豐富。（3）實(shí)驗(yàn)箱的實(shí)驗(yàn)都作為黑盒封裝在一起，實(shí)驗(yàn)箱的物理連接和實(shí)際的物理連接不太一樣，影響了學(xué)生的直觀認(rèn)識(shí)。而且因?yàn)閷?shí)驗(yàn)箱價(jià)格昂貴，動(dòng)輒幾十萬，一般很難做到一個(gè)學(xué)生一個(gè)實(shí)驗(yàn)箱，如果沒有復(fù)雜多人實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)考核模式也會(huì)影響實(shí)驗(yàn)效果。

綜合上述，為了為本學(xué)院的WSN教學(xué)方式改革配合，本文梳理了實(shí)驗(yàn)教材建設(shè)的建設(shè)思路，討論了實(shí)驗(yàn)教材編寫的主要內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)系列的建設(shè)方法，量身定做一個(gè)配套的實(shí)驗(yàn)教材。這個(gè)教材不同于其他以知識(shí)模塊來劃分內(nèi)容的實(shí)驗(yàn)教材，是以實(shí)驗(yàn)系列來區(qū)分的。每個(gè)實(shí)驗(yàn)系列充分考慮到和教師課程核心知識(shí)點(diǎn)的導(dǎo)學(xué)對(duì)應(yīng)，構(gòu)成一個(gè)由簡(jiǎn)入深，由易到難，一環(huán)扣一環(huán)的實(shí)驗(yàn)系列，較大范圍地覆蓋課程的主要內(nèi)容。

1 建設(shè)思路

1） 通過對(duì)現(xiàn)行無線傳感器網(wǎng)絡(luò)課程存在的不足進(jìn)行反思、總結(jié)，深化認(rèn)識(shí)這門課程的特點(diǎn)，重新界定有物聯(lián)網(wǎng)學(xué)院特色的授課內(nèi)容。將WSN的授課內(nèi)容按知識(shí)點(diǎn)分割，梳理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與知識(shí)點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，建立相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)體系。

2） 圍繞核心知識(shí)點(diǎn)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)系列，重構(gòu)教學(xué)與實(shí)驗(yàn)方法。圍繞一個(gè)需要研究解決的特定系統(tǒng)展開，重視從問題導(dǎo)入開始，并貫穿學(xué)習(xí)始終，讓學(xué)生在尋找解決問題的方法中進(jìn)行知識(shí)的學(xué)習(xí)與應(yīng)用，而不是知識(shí)的簡(jiǎn)單套用，強(qiáng)調(diào)任務(wù)驅(qū)動(dòng)，并注意設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)系列。能夠從淺入深，前期的驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)和簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)為最后的綜合性設(shè)計(jì)做準(zhǔn)備，一步步指導(dǎo)學(xué)生將前繼子實(shí)驗(yàn)組合成為總終的綜合性實(shí)驗(yàn)，并注意任務(wù)的復(fù)雜性與綜合化。

3） 本門課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的設(shè)計(jì)和實(shí)施應(yīng)該是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程。教師應(yīng)該梳理核心知識(shí)點(diǎn)，根據(jù)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)中強(qiáng)化學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高他們的實(shí)際動(dòng)手能力，再根據(jù)學(xué)生的反饋以及實(shí)際教學(xué)效果，不斷調(diào)整實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)難度以及實(shí)驗(yàn)的教學(xué)方法，促進(jìn)每一輪教學(xué)實(shí)踐在內(nèi)容和方法上不斷豐富、改進(jìn)和完善。

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)置

根據(jù)上述目標(biāo)和建設(shè)思路，南京郵電大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)學(xué)院無線傳感器網(wǎng)絡(luò)課程組在廣泛調(diào)研國(guó)內(nèi)外公開出版發(fā)行的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)圖書教材以及多個(gè)國(guó)內(nèi)實(shí)驗(yàn)箱實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教材內(nèi)容設(shè)計(jì)為12個(gè)系列，分別是：自習(xí)室節(jié)能控制系統(tǒng)、智能安防無線報(bào)警系統(tǒng)、門禁考勤系統(tǒng)、圖書管理系統(tǒng)、藥品管理系統(tǒng)、冷庫環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、智能家電控制系統(tǒng)、智能工業(yè)模擬系統(tǒng)、火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、洪水預(yù)警系統(tǒng)、智慧醫(yī)療服務(wù)系統(tǒng)和智慧管道系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容涵蓋了目前操作性比較強(qiáng)的物聯(lián)網(wǎng)各個(gè)應(yīng)用，充分體現(xiàn)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為物聯(lián)網(wǎng)感知層的各個(gè)重要技術(shù)，具有較強(qiáng)的實(shí)踐意義。

2.1 實(shí)驗(yàn)系列設(shè)計(jì)

每個(gè)系列充分考慮到了知識(shí)的遞進(jìn)性，均含有4部分子實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：WSN基本芯片實(shí)驗(yàn)、WSN支撐技術(shù)、WSN組網(wǎng)技術(shù)、WSN各種高級(jí)應(yīng)用。依據(jù)最終選擇的綜合性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)不同，每個(gè)系列配套的上述四個(gè)模塊的子實(shí)驗(yàn)都不一樣，都是最后的綜合系統(tǒng)的一部分，或某個(gè)模塊的核心技術(shù)，主旨是每個(gè)子實(shí)驗(yàn)與知識(shí)點(diǎn)授課相對(duì)應(yīng)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容環(huán)環(huán)相扣，由易到難，層層遞進(jìn)，為最后的綜合系統(tǒng)做準(zhǔn)備。以下以第一個(gè)自習(xí)室節(jié)能控制系統(tǒng)為例，具體闡述實(shí)驗(yàn)內(nèi)容以及與知識(shí)點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

自習(xí)室節(jié)能控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控自習(xí)室里的人員分布情況和人員所在區(qū)域的光照強(qiáng)度，按照既定策略進(jìn)行燈光控制以達(dá)到節(jié)能的效果。系統(tǒng)分為光照度檢測(cè)子實(shí)驗(yàn)、人員檢查子實(shí)驗(yàn)、燈開關(guān)控制子實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)處理子實(shí)驗(yàn)四個(gè)部分，前三部分傳感器檢測(cè)均涉及物理層、MAC層和網(wǎng)絡(luò)層的關(guān)鍵技術(shù)，有一定的共通性，因此第一次課時(shí)為4課時(shí)，全面講解涉及的關(guān)鍵技術(shù)，而其他兩個(gè)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)則偏重學(xué)生自己動(dòng)手，課時(shí)縮短為2課時(shí)。由于采用Zigbee技術(shù)進(jìn)行組網(wǎng)，組網(wǎng)技術(shù)比較成熟，且有開源代碼支持，組網(wǎng)功能嵌入在數(shù)據(jù)處理部分。系統(tǒng)體現(xiàn)了典型的物聯(lián)網(wǎng)綜合應(yīng)用，涉及多種傳感器的檢測(cè)和數(shù)據(jù)采集，綜合實(shí)踐性非常強(qiáng)。每個(gè)子實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)課時(shí)安排和課程知識(shí)點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。endprint

2.2 實(shí)驗(yàn)具體實(shí)施辦法

在課程的具體教學(xué)實(shí)施上，我們將整個(gè)教學(xué)模式以自習(xí)室節(jié)能控制系統(tǒng)作為例子有針對(duì)性地闡述如下。第一次課教師即把同學(xué)分為小組，每個(gè)小組均抽取上述12個(gè)課題中的一個(gè)，屬于復(fù)雜多人實(shí)驗(yàn)。 先由老師介紹系統(tǒng)功能，并搭建系統(tǒng)框架，然后將系統(tǒng)分為如表1所示的五個(gè)部分。由于實(shí)驗(yàn)比較復(fù)雜，采用學(xué)生分組的形式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。每組指定一名組長(zhǎng)，每個(gè)部分由若干學(xué)生負(fù)責(zé)，確保每個(gè)學(xué)生完成其中的某些功能模塊。完成實(shí)驗(yàn)的組可以獲得本次實(shí)驗(yàn)的基本得分。其后的教學(xué)過程中，按表1實(shí)驗(yàn)所對(duì)應(yīng)的課程知識(shí)點(diǎn)，緊扣該實(shí)驗(yàn)內(nèi)容講解課堂核心知識(shí)點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生掌握系統(tǒng)工作原理，熟悉需要用到的設(shè)備，逐步經(jīng)歷需求分析、概要設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)等系統(tǒng)開發(fā)的過程。

考慮到有限的課時(shí)，實(shí)驗(yàn)要由小組合作式學(xué)習(xí)等課外環(huán)節(jié)組成。到了一定階段，每個(gè)模塊都要形成子模塊流程設(shè)計(jì)，然后進(jìn)行階段性學(xué)習(xí)成果展示和交流。進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，形成相關(guān)文檔，最后每個(gè)實(shí)驗(yàn)都要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)總結(jié)，匯報(bào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。

3 測(cè)評(píng)標(biāo)準(zhǔn)

本課程不再以考試成績(jī)唯一的測(cè)評(píng)標(biāo)準(zhǔn)，而是考核學(xué)生接受新知識(shí)，自己深入了解知識(shí)，動(dòng)手實(shí)踐的綜合能力。課程實(shí)驗(yàn)本質(zhì)上是復(fù)雜多人實(shí)驗(yàn)，評(píng)估的時(shí)候要確保在一個(gè)小組里人人均參與項(xiàng)目設(shè)計(jì)，就需要建立合理的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)驗(yàn)得分占比分別為平時(shí)表現(xiàn)（20%）+軟件設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)及演示（50%）+報(bào)告文檔（30%）。平時(shí)表現(xiàn)是對(duì)每個(gè)學(xué)生的參與度，學(xué)習(xí)態(tài)度的一個(gè)評(píng)價(jià)。軟件設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)及演示分別從團(tuán)隊(duì)合作精神、程序設(shè)計(jì)能力、軟件設(shè)計(jì)合理性、軟件功能實(shí)現(xiàn)情況和回答問題準(zhǔn)確度五個(gè)方面評(píng)價(jià)整個(gè)實(shí)驗(yàn)的完成情況。報(bào)告文檔分別從報(bào)告書寫規(guī)范程度、內(nèi)容翔實(shí)程度和文字表達(dá)熟練程度三方面評(píng)價(jià)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的總結(jié)情況。系統(tǒng)答辯時(shí)，每組需要選出一個(gè)代表，演示系統(tǒng)，講解設(shè)計(jì)過程及系統(tǒng)亮點(diǎn)和難點(diǎn)技術(shù)，原則上其余組員的成績(jī)不能高于這個(gè)組代表，每個(gè)組員均需要隨機(jī)回答答辯老師提出的問題。如此分別對(duì)每組學(xué)生所做的實(shí)驗(yàn)給以綜合評(píng)判，督促每個(gè)學(xué)生的參與，促進(jìn)學(xué)生間的交流。

4 總結(jié)

秉承“課程精，實(shí)驗(yàn)強(qiáng)”的課程建設(shè)原則，面向物聯(lián)網(wǎng)學(xué)科特色，本文把無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)成配合基礎(chǔ)理論教學(xué)的一個(gè)由簡(jiǎn)入深，由易到難，一環(huán)扣一環(huán)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)系列，較大范圍地覆蓋課程的主要內(nèi)容。并探索了復(fù)雜實(shí)驗(yàn)中多人分組實(shí)驗(yàn)的教學(xué)實(shí)施方法和效果評(píng)價(jià)方法。使得學(xué)院WSN課程的教學(xué)一改“教師授課+ 學(xué)生復(fù)習(xí)”的傳授式教學(xué)模式，為“教師導(dǎo)學(xué)+ 學(xué)生自學(xué)+ 合作研討”的實(shí)踐型教學(xué)模式，對(duì)課程教學(xué)做出了有益探索，夯實(shí)了教學(xué)基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 寧卓，張佩，石偉.《無線傳感器網(wǎng)絡(luò)》課程教學(xué)探究[J].軟件導(dǎo)刊，2016，15（10）：188-190.

[2] 孫利民，李建中，陳渝，等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.endprint