無線傳感網(wǎng)及其應用教學實踐平臺

李　濰， 許　強

(東南大學 儀器科學與工程學院， 江蘇 南京210096)

0　引言

隨著半導體技術、傳感器技術、嵌入式技術以及通信技術的飛速發(fā)展，具有感知、計算、存儲和通信能力的無線傳感器網(wǎng)絡的應用越來越廣泛[1]?！盁o線傳感網(wǎng)及其應用”課程已成為測控技術與儀器專業(yè)方向的一門重要的選修課。該課程對學生提高測控系統(tǒng)應用設計水平具有很好的培養(yǎng)作用。提高該課程的教學質量，能夠讓學生切實地掌握測控系統(tǒng)的智能化、自動化和網(wǎng)絡化的技術，提高我國的相關領域專業(yè)人才的設計水平。

為進一步加強學生實踐能力與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，本文提出構建全新的無線傳感網(wǎng)及其應用教學實踐平臺這一教學研究與改革課題。該平臺以創(chuàng)新為導向，以應用為背景，創(chuàng)新實踐教學模式。該平臺將在很大程度上改變以教師為中心，學生被動接受知識的傳統(tǒng)教學模式，深入加強實踐創(chuàng)新教育，實現(xiàn)演示型教學、同步課程實驗、SRTP(Student Research Training Program)項目與相關設計競賽四合一創(chuàng)新實踐教學模式。

1　現(xiàn)狀及存在的問題

在“無線傳感網(wǎng)及應用”教學實踐平臺構建之前，該課程的實踐教學主要存在以下問題：

1) 實踐時間不足

“無線傳感網(wǎng)及其應用”課程理論內(nèi)容龐雜，涉及面廣。在教學過程中，學生通常較難理解、消化相關知識，尤其是在只進行課本講授的情況下。只有增加實踐的時間與機會，學生才能夠全面綜合地把握相關的理論知識。但在實際教學過程中，實踐教學安排的時間卻很少。

2) 缺少應用機會，技能儲備不足

傳統(tǒng)模式的教學中，簡單的實驗教學不足以激發(fā)學生的創(chuàng)新能力和應用水平。企業(yè)單位需要具有廣而深的“T” 字型人才，為了適應企業(yè)人才需求和技術發(fā)展，應籌備、開展無線傳感器網(wǎng)絡相關競賽等應用活動。

3) 技術更新快，企業(yè)需求日新月異

無線傳感器網(wǎng)絡是一門新興技術，具有理論發(fā)展快、技術革新快的特點，若不對技術前沿進行追蹤，閉目塞聽，則會阻礙該領域的人才培養(yǎng)。

2　無線傳感網(wǎng)應用教學實踐平臺

2.1　平臺宗旨

無線傳感網(wǎng)及其應用教學實踐平臺的構建以增強學生對該課程知識的理解與掌握為出發(fā)點，進行科研與教學多方面互動，挖掘學生實踐創(chuàng)新的潛力。在該平臺上開展的各項活動能使學生的學習興趣得到激發(fā)，對無線傳感器網(wǎng)絡的相關知識建立起直觀概念，奠定進一步學習和實踐的基礎。例如：進行深淺得當?shù)南嚓P實驗以面向不同層次的學生，通過對編程接口和應用函數(shù)的學習，提高學生的動手能力和科研素養(yǎng)；組織學生參與各類無線傳感網(wǎng)相關的應用比賽如SRTP項目、畢業(yè)設計和創(chuàng)新設計等競賽，進一步提高學生的動手能力，為未來的工作打下堅實的基礎。

2.2　平臺任務

本文提出的基于無線傳感網(wǎng)及其應用的教學實踐平臺采用包括演示型教學、同步課程實驗、SRTP項目和相關設計競賽的“四合一”的教學模式。

(1)演示型教學旨在讓學生對課本知識快速建立直觀概念，為課本教學提供知識儲備，激發(fā)學習興趣。

(2)同步課程實驗環(huán)節(jié)中，讓學生自己動手，完成課程的各項實驗，由淺入深，綜合分析實驗的硬件、軟件部分的工作流程，達到可以自己動手實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡簡單功能的程度。

(3)參加SRTP項目環(huán)節(jié)為學生提供了進一步了解、學習無線傳感器網(wǎng)絡知識并且充分發(fā)揮自己的動手能力的機會。在此過程中，學生通過自行查找文獻，挖掘無線傳感器網(wǎng)絡領域中創(chuàng)新的應用點，將自己的知識儲備付諸于現(xiàn)實，進而完成由課堂學習到課外研學的轉變。

(4)相關設計競賽環(huán)節(jié)與SRTP項目雖同為課外研學的過程，但對學生提出了更高的要求，以競賽來激發(fā)、促進學生的創(chuàng)造力和創(chuàng)新能力，在同臺競技中，學生會在理論知識，實踐水平和心理素質方面得到全方位的提高，進而達到培養(yǎng)具有科學素養(yǎng)的應用型人才的目的。

圖1　“四合一”教學模式

3　教學實踐平臺實施要點

3.1　在平臺上進行教學演示

本課程選用文獻[2]作為教材，該教材的組織架構如圖2所示。該教學實踐平臺使用CVT-IOT教學實驗系統(tǒng)以及相應的仿真程序(如路由協(xié)議研究，MAC協(xié)議研究，時間同步技術研究)給學生提供基本的實驗平臺和背景知識。在傳感器網(wǎng)絡的各技術分支中，學生可以選擇一個切入點，通過在平臺上進行實踐，梳理理論知識，了解技術中的具體方法和流程，從而有助于理解理論知識，最后通過小組展示的方式分享學習心得，達到“深入一點，了解全局”的目的。

圖2　文獻[2]組織架構

3.2　在平臺上進行課程實驗

1)項目教學

上世紀末，課程改革中的學習方式的轉變成為世界性的熱點問題。采用項目教學法可以使學生成為課堂的主人，教師主要輔助指導學生動手實踐[3]，項目教學的思想如圖3所示。

資訊階段，教師對項目進行詳細的介紹，讓學生了解項目，并進行相關預研工作；

決策階段，師生進一步溝通并確定分工；

計劃階段，對工作步驟進行細致的規(guī)劃，收集完成項目的軟硬件資源；

實施階段，學生進行研究工作；

檢查階段，教師檢查、督促學生工作，確保任務按時按量完成；

評估階段，教師對學生工作進行總結和評價，學生自評。

在此流程中，學生的探索能力被激發(fā)，通過實踐來加深知識的理解，并達到應用的最終目的。本平臺采用自選項目與實驗相結合的方式來進行實驗教學。

圖3　項目教學框圖

2)實驗項目設計與選擇

為了讓學生更容易接受無線傳感網(wǎng)的軟硬件知識，實驗項目進行精心設計是十分重要的。本平臺選擇可操作性強，難度適中的實驗項目。

(1)基礎實驗部分，如LED、按鍵、定時器、中斷、串口和AD轉換等實驗。將CC2530芯片當作單片機來使用。利用學生擁有的單片機相關知識儲備，來引導其進入無線傳感器網(wǎng)絡技術領域。

(2)高級實驗部分，即協(xié)議棧相關實驗部分。協(xié)議棧是學習無線傳感器網(wǎng)絡的難點，本平臺設計相對簡單的實驗來讓學生了解協(xié)議棧，如簡單無線收發(fā)、點對點通信、組網(wǎng)等，了解OSAL((Operating System Abstraction Layer))的基本工作流程，從信息傳遞的流程角度來理解協(xié)議棧。

(3)自選項目部分，通過給定一些基本的項目應用題目，如基于ZIGBEE技術的橋梁振動監(jiān)測，基于無線傳感器網(wǎng)絡的溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)等，啟發(fā)學生自行擬定應用背景，參閱相關文獻，完善知識體系，獨立完成一個小型項目。

3)實驗方案

實驗包括演示實驗和同步課程實驗。

演示實驗可以啟發(fā)學生積極思維，通過一邊演示，一邊討論的方法加深學生對知識的理解。但考慮到課時安排的限制，僅挑選具有代表性的實驗進行演示，占實驗環(huán)節(jié)的25%。

同步課程實驗采用的基礎實驗、高級實驗與自選項目環(huán)節(jié)相結合的方案旨在循序漸進地提高學生的實踐能力，共占實驗環(huán)節(jié)的75%。具體實驗方案如表1所示。

表1　實驗方案

4)考核方式

考核部分采用基礎實驗(30%)，高級實驗(30%)，自選項目(30%)，平時表現(xiàn)(10%)考核相結合的方式進行。其中基礎實驗與高級實驗兩部分采用現(xiàn)場考核的方式，要求學生在規(guī)定時間內(nèi)復現(xiàn)實驗效果。針對自選項目，學生自行擬定題目，在2-3周內(nèi)完成。自選項目對學生的綜合能力要求較高，更能體現(xiàn)個人創(chuàng)新能力，因此占比較大。2015-2016年度以及2016-2017年度本課程的學生成績分布如圖4所示。

3.3　SRTP項目與相關設計競賽

學生通過SRTP項目和相關設計競賽這一環(huán)節(jié)可以全方位地了解無線傳感網(wǎng)相關技術以及最新動態(tài)。在本平臺上，學生積累了無線傳感器網(wǎng)絡的軟硬件設計的項目經(jīng)驗，并在此平臺的軟硬件的基礎上，以創(chuàng)新為導向，結合應用背景，做了進一步的探索。(李濰等文)

探索獲得了一些成果。部分成果示于表2。

圖4　學生成績分布

學生成果形式蔡志鵬,朱靖達,張翔宇競賽獲獎:全國第二屆大學生生物醫(yī)學工程創(chuàng)新設計大賽自選組二等獎李嘉杰,陳思維,王雅馨,李漢,柴川頁校級SRTP項目:穿戴式心電信號處理與分類方法研究矯俊鵬,袁金,徐劍,張港,陳伯倫院級SRTP項目:衣物結合的心電穿戴系統(tǒng)

4　結語

本文介紹的無線傳感網(wǎng)及其應用教學實踐平臺，以創(chuàng)新為導向，以應用為背景，創(chuàng)新實踐教學模式，采用了演示型教學、同步課程實驗、SRTP項目與相關設計競賽相結合的方法。該平臺在2015-2016年度，2016-2017年度的無線傳感器網(wǎng)絡課程與相關競賽和SRTP項目的實施效果證明，它有利于調動學生在學習中的主動性和積極性，鍛煉學生的無線傳感網(wǎng)應用能力，可以切實提高學生的動手能力。

參考文獻：

[1]唐秀輝.無線傳感器網(wǎng)絡技術及在環(huán)境監(jiān)測中的應用研究[D].成都：電子科技大學，2006.

[2]孫利民等編著.無線傳感器網(wǎng)絡[M]. 北京：清華大學出版社，2005.

[3]沈昕，鄧璨.項目教學法在本科單片機教學改革中的應用[J]. 長春：才智，2015(7).