以提高實踐能力為目標的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)課程教學改革

高麗麗

摘? 要 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)課程具有實踐性強的特點，為提高學生實踐能力，在課程教學過程中改變了以講授知識點為主的教學方法，而是從實際問題出發(fā)，以實踐項目為主線，理論教學為輔助。實踐教學項目分為基礎(chǔ)、綜合和創(chuàng)新三個層次。經(jīng)過教學過程檢驗，達到提高學生實踐能力、激發(fā)學生學習興趣的目的。

關(guān)鍵詞 無線傳感器網(wǎng)絡(luò);實踐能力;項目教學;物聯(lián)網(wǎng);實踐教學;通信工程專業(yè);ZigBee;Z-Stack

中圖分類號：G642.0? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2018）20-0075-03

Teaching Reform of Wireless Sensor Network Course Aiming at Improving Practical Ability//GAO Lili

Abstract The wireless sensor network course has strong practical characteristics， and in order to improve students' practical ability， the

teaching method based on the teaching point has been changed in the

course. It is based on practical problems， with practical projects as

the main line and theoretical teaching as an aid. The practical tea-ching project is divided into three levels： foundation， synthesis and

innovation. After the examination of the teaching process， the pur-

pose of improving students' practical ability and stimulating students'

interest in learning has been achieved.

Key words wireless sensor network; practical ability; project tea-ching; internet of things; practice teaching; communication engi-neering speciality; ZigBee; Z-Stack

1 引言

物聯(lián)網(wǎng)的三大支撐技術(shù)分別是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wire-

less Sensor Network，WSN）、射頻識別（Radio Frequency

Identification，RFID）和云計算（Cloud Computing）。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在國際上被認為是繼互聯(lián)網(wǎng)之后的第二大網(wǎng)絡(luò)，美國《技術(shù)評論》雜志2003年評出的將對人類未來生活產(chǎn)生深遠影響的十大新興技術(shù)中，傳感器網(wǎng)絡(luò)被列為第一[1]。

對于通信類專業(yè)的學生來說，通過學習無線傳感器網(wǎng)絡(luò)課程，可以深入探索物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)[2]。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)課程具備很強的實踐性和工程性，而且從物理感知到面向應用，涉及多門學科，內(nèi)容多、難度大[3-4]，為提高學生的實踐創(chuàng)新能力，培養(yǎng)應用型人才，必須加強課程體系和實踐教學內(nèi)容的建設(shè)。

2 課程當前存在的問題

隨著國家對高等教育在宏觀上進行分類指導，應用型教育越來越引起關(guān)注，已成為人們討論的熱點問題。內(nèi)蒙古科技大學通信工程專業(yè)的教學定位已逐漸轉(zhuǎn)變到圍繞本地的經(jīng)濟和社會發(fā)展，積極推動應用型專業(yè)和課程的建設(shè)。通信工程專業(yè)新修訂的培養(yǎng)方案明確指出：重視學生課外創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，著力提高學生的工程意識、工程素質(zhì)和工程實踐能力，為內(nèi)蒙古自治區(qū)通信行業(yè)培養(yǎng)造就一批具有創(chuàng)新精神、團隊意識的高素質(zhì)應用型人才。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)課程作為通信工程專業(yè)的專業(yè)課程，秉承這一思想，以提高學生的實踐能力為目標，加強培養(yǎng)物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新應用型人才。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)課程開設(shè)在大四的第一學期。對于高年級學生，為了加強學生的實踐能力，專業(yè)課程的教授應該有別于基礎(chǔ)課程。教師應該更多地強調(diào)掌握研究科學問題的方法，而不是單純地進行知識點講授;應該引導學生去關(guān)注前沿熱點問題，引發(fā)他們的興趣，在此基礎(chǔ)上指導他們逐步獨立地開展學科研究。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)課程內(nèi)容廣泛，涉及通信、計算機、電子、嵌入式等多個學科。同時，這門課程強調(diào)實踐性，從數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)終端顯示，都需設(shè)計相應的實驗環(huán)節(jié)[5]。課程內(nèi)容多和課時受限是一個比較嚴重的問題。目前，這門課程根據(jù)培養(yǎng)方案，設(shè)置為40課時。在40課時的時間內(nèi)，既要涉及全部知識點，又要引導學生掌握研究問題的方法，培養(yǎng)他們的興趣，如何進行課時安排，就需要授課教師進行精心設(shè)計。

對于注重實踐的課程，授課方法很重要。傳統(tǒng)的教學，理論和實踐往往不能相輔相成。而且在實驗內(nèi)容的設(shè)置上，基礎(chǔ)性實驗占實驗內(nèi)容的絕大部分，綜合性實驗很少，設(shè)計性和創(chuàng)新型實驗幾乎沒有。學生在實驗過程中不需要思考，只要按照教師的指導或?qū)嶒炛笇牟襟E直接驗證即可。這樣教學的后果是學生只知其然，不知其所以然，對實驗內(nèi)容不理解，甚至不知道做的是什么。

為解決上述問題，提高學生的實踐創(chuàng)新能力，教學團隊堅持“以應用為導向，以項目為驅(qū)動”的理念，在充分了解學生的能力和興趣的基礎(chǔ)上，設(shè)計多個實踐項目（實踐項目按照“循序漸進、深入淺出”的原則，分為基礎(chǔ)、綜合和創(chuàng)新三個層次）;然后以實踐項目作為教學的核心內(nèi)容，理論教學作為輔助教學，根據(jù)培養(yǎng)方案的要求和多年的教學經(jīng)驗，精心設(shè)計無線傳感器網(wǎng)絡(luò)課程的課時安排，力求知識點全面且能突出重點。在教授過程中，引導學生搜集有關(guān)電子文獻、開源代碼及紙質(zhì)文獻資料，進行獨立思考;后期讓學生根據(jù)個性和興趣自由組隊，對實踐項目進行協(xié)作式開發(fā)，對項目中出現(xiàn)的問題及時交流探討，提高學生解決實際工程問題的能力。

3 理論教學內(nèi)容安排

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)課程涉及通信、傳感器、網(wǎng)絡(luò)等諸多領(lǐng)域，從課程內(nèi)容的組織到課程實施，均有很大難度。為在有限的時間內(nèi)使學生獲得解決實際問題的能力，教學團隊與深圳訊方通信有限公司合作，以典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)ZigBee/Z-Stack作為課程的主要教學內(nèi)容。教學團隊負責理論教學內(nèi)容，深圳訊方通信有限公司的工程技術(shù)人員負責具體的實踐項目。

本課程共安排40學時，其中理論教學占用20學時，實踐教學占用20學時，實踐以具體實踐項目的方式出現(xiàn)。在本課程之前，學生已先修了計算機通信網(wǎng)、C語言、單片機原理與技術(shù)等課程，所以在教學安排上，這部分內(nèi)容可以不講以節(jié)約課時，主要講授無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)理論知識和Z-Stack項目開發(fā)內(nèi)容。

根據(jù)任課教師體會、工程技術(shù)人員推薦和往屆學生的反饋，理論教學選用兩本教材，分別為崔遜學、左從菊編著的《無線傳感器網(wǎng)絡(luò)簡明教程》和鐘永鋒、劉永俊編著的《ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)》。

《無線傳感器網(wǎng)絡(luò)簡明教程》主要介紹無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本概念，常見的微型傳感器，傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信技術(shù)、支撐技術(shù)、應用開發(fā)基礎(chǔ)，傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的技術(shù)標準;另外提供了大量傳感器網(wǎng)絡(luò)應用方面的實例，側(cè)重無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信與組網(wǎng)技術(shù)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的支撐技術(shù)，內(nèi)容簡單明了、淺顯易懂，在這里作為入門輔導書籍。

《ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)》與ZigBee聯(lián)盟的官方規(guī)范保持一致，并以架構(gòu)設(shè)計者的角度全面系統(tǒng)地介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的物理層/MAC層規(guī)范（IEEE 802.15.4）、ZigBee網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議、應用層協(xié)議，以及與技術(shù)實現(xiàn)密切相關(guān)的網(wǎng)關(guān)、安全和應用子集等規(guī)范，與課程的實踐項目相輔相成。

兩本書均邏輯清晰、易于理解，適合本科生閱讀。二者結(jié)合，既可以達到理論教學目標，又可以為后續(xù)的實踐項目打下基礎(chǔ)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)理論具體教學內(nèi)容及學時安排如表1所示。

4 實踐項目教學安排

實踐教程和實踐設(shè)備均為深圳訊方通信有限公司開發(fā)。在實踐過程中，為使每個學生有獨立完成實踐項目的條件，共配備20套實驗箱和一套智能家居系統(tǒng)。每套實驗箱包括三個節(jié)點，若干各類傳感器、網(wǎng)關(guān)、下載器等，還有相關(guān)軟件。每個實踐項目都有項目背景、項目原理、項目步驟、關(guān)鍵程序解析、程序流程圖及課后思考。實踐項目分為基礎(chǔ)、綜合和創(chuàng)新三個層次。

只要有基本的單片機知識、計算機編程基礎(chǔ)，都可以完成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)型項目。每一個基礎(chǔ)型實踐項目要求學生必須能夠移植并會修改項目中涉及的程序。

綜合型項目是能實現(xiàn)一定功能的具體的實踐項目，目的是培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力和工程實踐能力。項目包括節(jié)點的無線數(shù)據(jù)發(fā)送和接收、建網(wǎng)與入網(wǎng)分析、無線采集溫度和無線采集溫度/濕度，并通過網(wǎng)關(guān)在上位機進行數(shù)據(jù)顯示。綜合型項目有一定難度，需要學生了解一些網(wǎng)絡(luò)的基本知識、無線通信技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，才能更好地理解實驗內(nèi)容。

創(chuàng)新型項目是綜合型項目的延伸，培養(yǎng)學生的實踐動手能力和分析解決問題的能力，要求學生自己編寫程序，完成一些簡單任務。以智能家居為例，實現(xiàn)室內(nèi)燈光的控制和室內(nèi)窗簾的開合。創(chuàng)新型項目可以幫助學生認識專業(yè)知識在實際生活中的應用，進而激發(fā)學生的學習興趣和創(chuàng)新能力。

基礎(chǔ)型項目和綜合型項目要求學生必須在規(guī)定時間內(nèi)完成，要求學生課下進行有效預習。同時，為避免授課教師檢查和輔導不及時，每次安排10組實驗，兩名授課教師。通過這兩種類型的實踐項目，學生對理論知識理解得更透徹，在實踐過程中體會到理論和實踐相輔相成的關(guān)系，并為創(chuàng)新型項目的完成打下基礎(chǔ)。

創(chuàng)新型項目相對復雜，在有限的課堂時間內(nèi)大多數(shù)學生不能完成。因此，實驗室全天開放，學生可以自行安排時間進入實驗室進行深入學習;并提倡自由組隊，成員之間相互探討、協(xié)作，共同完成項目。通過創(chuàng)新型項目，讓學生體會獲得實踐成果的成就感，進一步激發(fā)興趣。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)Z-Stack具體實踐教學項目內(nèi)容及學時安排如表2所示。

5 結(jié)語

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)課程具有知識龐雜、教學內(nèi)容多與跨度大、強調(diào)實踐性的特點，給教師的教授和學生的學習帶來很大的挑戰(zhàn)。從實際問題出發(fā)，以實踐為主、理論為輔的教學方式，每個實踐項目圍繞一個主題展開，由易到難、循序漸進，能夠大大激發(fā)學生的學習興趣。運用“以應用為導向，以項目為驅(qū)動”的理念，不僅可以幫助學生更好地理解無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)理論知識和ZigBee協(xié)議相關(guān)概念，而且有利于培養(yǎng)學生的實踐能力，提高學生解決實際工程問題的能力，教學質(zhì)量獲得明顯提高?！?/p>

參考文獻

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