以實踐能力為培養(yǎng)目標的“無線傳感器網(wǎng)絡(luò)”教學(xué)改革與實踐

宋相慧 陳澤婷 曹德安

摘? 要：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）是物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的核心課程，該文對該門課程現(xiàn)狀和存在問題進行了分析，闡述了教學(xué)改革的一些應(yīng)用，包括教學(xué)內(nèi)容的調(diào)整與整合、理論及實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的探索、教學(xué)設(shè)計及方法的改革。通過不斷改革探索，期望有效提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，培養(yǎng)學(xué)生實踐能力和分析解決問題的能力。

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)? 實踐教學(xué)? 教學(xué)設(shè)計與方法

中圖分類號：G642 ? ?文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2020）01（a）-0115-03

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）是當前在國際上備受關(guān)注的、涉及多學(xué)科高度交叉、知識高度集成的前沿?zé)狳c研究領(lǐng)域。筆者學(xué)校從2012年開始相繼在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)工程技術(shù)、通信技術(shù)等專業(yè)開設(shè)“無線傳感器網(wǎng)絡(luò)”，這門課程是該校物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)專業(yè)的核心課程，該門課程是使學(xué)生了解無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的基本技術(shù)、前沿和發(fā)展趨勢，培養(yǎng)學(xué)生無線傳感網(wǎng)絡(luò)的方案設(shè)計、節(jié)點選型、網(wǎng)絡(luò)組建等能力，使學(xué)生能勝任無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組建測試、運行管理和維護等崗位要求。

1? 課程現(xiàn)狀及存在問題

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)這門課的特點是技術(shù)內(nèi)容多、理論難度大、應(yīng)用性強，一般在本科或研究生中開設(shè)，但近年來隨著物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)在高職院校中申辦，該課程才開始在高職院校中開始開設(shè)。目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)大多還是本科教育的縮略版，以理論教學(xué)為主，不太重視實踐教學(xué)。在教學(xué)中還是主要講無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的原理如定位機制、時間同步、網(wǎng)絡(luò)安全、數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)融合等，而無線傳感網(wǎng)的典型應(yīng)用、無線傳感網(wǎng)的系統(tǒng)搭建、無線組網(wǎng)、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)通信等實踐內(nèi)容涉及的較少。實訓(xùn)環(huán)節(jié)，大多是對理論的驗證。這種傳統(tǒng)的驗證性實踐教學(xué)忽視了學(xué)生分析和解決問題能力的培養(yǎng)，極大地限制了學(xué)生積極性和創(chuàng)造性的發(fā)揮。在教材方面，針對該課程所編寫的教材，大部分都是以本科及以上學(xué)生為對象，理論性強，對于各種技術(shù)介紹詳細，內(nèi)容難懂且枯燥乏味，難以帶動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。高職學(xué)生普遍傾向是動手能力強、理論知識相對單薄。因此，我們從高職高專學(xué)生的特點出發(fā)，探討“無線傳感器網(wǎng)絡(luò)”課程的教學(xué)改革十分有必要。

2? 課程教學(xué)的改革

（1）教學(xué)內(nèi)容的整合與組織。

該課程技術(shù)含量高、概念多、知識面廣、實踐性強、難度系數(shù)大，針對高職學(xué)生理論基礎(chǔ)相對薄弱、動手積極性高的特點，為了方便高職學(xué)生學(xué)習(xí)與掌握WSN核心技能，我們需要重新整合教學(xué)內(nèi)容。在教學(xué)中對難度大的理論知識如同步技術(shù)、定位技術(shù)、路由協(xié)議、數(shù)據(jù)融合等進行簡單介紹，主要介紹相關(guān)概念、特點、作用等，讓同學(xué)們對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有全方位的認識;課程重點放在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)搭建、數(shù)據(jù)之間的無線傳輸?shù)?。該校?012年開設(shè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)以來，經(jīng)過不斷改進和摸索，整合了較為合理的教學(xué)內(nèi)容。該課程的教學(xué)選擇了近幾年最為熱門的基于ZigBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為授課內(nèi)容[1]。課程教學(xué)內(nèi)容安排見表1。

（2）理論教學(xué)的形式。

從上面的教學(xué)內(nèi)容安排來看，前3個單元為純理論性教學(xué)，課時只占到8個學(xué)時，后面5個單元安排為教學(xué)做一體化教學(xué)。該門課程我們雖然強調(diào)實踐教學(xué)，但基本理論也不可忽視。傳統(tǒng)理論性教學(xué)都是采用教師講學(xué)生聽的形式，學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性不高，經(jīng)常出現(xiàn)學(xué)生上課走神的情況。借鑒翻轉(zhuǎn)課堂的形式，將學(xué)習(xí)的決定權(quán)從教師轉(zhuǎn)移給學(xué)生，學(xué)生變被動學(xué)習(xí)為主動學(xué)習(xí)[2]。部分內(nèi)容采用學(xué)習(xí)興趣小組的形式，讓學(xué)生自行搜集和學(xué)習(xí)相關(guān)資料，并讓學(xué)生到講臺上給同學(xué)們講解，在課堂上展開討論。例如，有的興趣小組分享在森林火災(zāi)預(yù)警、精準灌溉中定位技術(shù)的應(yīng)用，小組同學(xué)通過分工協(xié)作查詢大量的資料，自己先弄清楚定位技術(shù)的相關(guān)知識，如定位的含義、定位方法分類、定位評價指標、主要的幾種定位技術(shù)、定位的典型應(yīng)用，小組同學(xué)消化處理后再講解給其他同學(xué)。在這個過程中，學(xué)習(xí)的主動性被充分地調(diào)動了起來，大量查閱資料獲取的資訊比教師講解會更多，也提高了自主學(xué)習(xí)能力和團隊協(xié)作能力。

（3）課程實驗教學(xué)的安排。

“無線傳感器網(wǎng)絡(luò)”是一門理論與技術(shù)并重、實踐性很強的課程[3]。通過實驗有助于加深學(xué)生對該課程中的基本理論知識及基本概念的理解，提高學(xué)生分析解決工程中實際問題的能力。該課程共安排72個學(xué)時，包括36個理論學(xué)時和36個實踐學(xué)時。實驗分為基礎(chǔ)實驗、設(shè)計性實驗、無線組網(wǎng)實驗、拓展性綜合實驗。

表2中基礎(chǔ)實驗主要是硬件平臺CC2530的基礎(chǔ)開發(fā)，包括C語言開發(fā)的基本語法結(jié)構(gòu)與特點;設(shè)計性實驗主要用來訓(xùn)練學(xué)生利用CC2530進行基礎(chǔ)傳感器信息采集的能力;無線組網(wǎng)實驗主要是使學(xué)生熟練應(yīng)用Z-Stack協(xié)議棧進行無線數(shù)據(jù)傳輸、Zigbee網(wǎng)絡(luò)通信和管理;拓展性綜合實驗，把物聯(lián)網(wǎng)類大賽相關(guān)題目融入到實踐教學(xué)中，如智能家居系統(tǒng)、智能農(nóng)業(yè)大棚系統(tǒng)、智能停車場系統(tǒng)等，這些既是實際應(yīng)用項目又是競賽題目引入課堂，讓學(xué)生自己設(shè)計、實現(xiàn)這樣的應(yīng)用系統(tǒng)，學(xué)生提高學(xué)習(xí)興趣的同時，對整個無線傳感網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)搭建、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)通信及數(shù)據(jù)處理等理論知識有了更深刻的認識。通過這樣的實踐訓(xùn)練可以有效提高學(xué)生的實踐技能，有利于培養(yǎng)學(xué)生分析解決問題的能力。同時，學(xué)生的創(chuàng)新能力與獨立思維能力也得到了培養(yǎng)。前三類實驗項目可在課堂內(nèi)完成，第四類拓展性綜合實驗由于課程課時所限，需要利用課余時間在教師的指導(dǎo)下完成。

3? 教學(xué)設(shè)計與教學(xué)方法的探索

在該門課程幾年的教學(xué)過程中，我們對教學(xué)設(shè)計與方法進行了一定的探索，歸納有以下幾種：視頻教學(xué)、演示教學(xué)、案例教學(xué)、啟發(fā)與引導(dǎo)、多媒體教學(xué)、項目式教學(xué)、類比式教學(xué)、教學(xué)做一體化、任務(wù)驅(qū)動教學(xué)[4]。針對不同的教學(xué)單元，選擇適合學(xué)生的適當?shù)慕虒W(xué)方法與設(shè)計。

下面以Z-Stack協(xié)議棧這一單元為例說明一下教學(xué)設(shè)計與方法的應(yīng)用。該單元要求學(xué)生理解Z-Stack協(xié)議棧中的一些基本概念，掌握Z-Stack協(xié)議棧的事件的產(chǎn)生和處理過程、Z-Stack主函數(shù)的執(zhí)行過程、任務(wù)的初始化和調(diào)度過程、數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收過程;了解Z-Stack協(xié)議棧串口的實現(xiàn)機制、Z-Stack協(xié)議棧的啟動分析、Z-Stack綁定機制。此單元是該門課程的難點，協(xié)議棧的代碼量相對大且難，為了使同學(xué)們能夠更好地掌握該單元，我們采用如下教學(xué)設(shè)計與方法。

（1）采用演示的方法，教學(xué)生下載與安裝Z-Stack。介紹Z-Stack目錄結(jié)構(gòu)。

（2）采用案例教學(xué)，讓同學(xué)們對ZigBee協(xié)議棧有個初步的感性認識。在協(xié)議棧里加入串口功能，只需要3步即可完成：串口初始化、登記任務(wù)號、串口發(fā)送。協(xié)議棧比較復(fù)雜，學(xué)生容易產(chǎn)生畏難情緒，本案例可激起學(xué)生對學(xué)習(xí)協(xié)議棧的信心。

（3）采用啟發(fā)、引導(dǎo)等形式，使學(xué)生理解Z-Stack協(xié)議棧基本概念：Z-Stack協(xié)議棧中的設(shè)備類型、信道、PANID、地址類型、數(shù)據(jù)傳送方式、端點、拓撲結(jié)構(gòu)、簇、路由和協(xié)議棧規(guī)范等。

（4）利用多媒體教學(xué)，教授學(xué)生Z-Stack的任務(wù)調(diào)度，讓學(xué)生理解其機制。

（5）利用項目教學(xué)法，使學(xué)生掌握Z-Stack的最重要功能——組網(wǎng)進行無線數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。

項目：終端節(jié)點將數(shù)據(jù)0123456789無線發(fā)送到協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器通過串口發(fā)送給PC上位機顯示出來。通過該項目掌握發(fā)送函數(shù)AF_DataRequest（）與接收函數(shù)SampleApp_MessageMSGCB（）的使用;學(xué)會在組網(wǎng)之前對網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進行設(shè)置，包括協(xié)議棧規(guī)范的設(shè)置、拓撲結(jié)構(gòu)、邏輯設(shè)備類型、PANID和信道的選擇。

（6）采用類比式教學(xué)方法，使學(xué)生掌握Zigbee的3種通訊方式：點播、組播、廣播;完成實驗，通過數(shù)據(jù)的相互傳輸來了解單播、組播、廣播含義;掌握編程方法。

4? 結(jié)語

“無線傳感器網(wǎng)絡(luò)”是傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)、通信技術(shù)、計算機技術(shù)等學(xué)科交叉，理論與實踐并重的前沿技術(shù)研究領(lǐng)域。作為一種短距離無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，是高職院校物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的核心課程，根據(jù)課程特點和高職學(xué)生的特點，我們需要不斷整合、更新教學(xué)內(nèi)容，摸索受學(xué)生歡迎的理論教學(xué)形式，改進實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，不斷探索適合高職學(xué)生的教學(xué)方法和教學(xué)設(shè)計，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性，培養(yǎng)學(xué)生的實踐動手能力和創(chuàng)新能力，提高“無線傳感器網(wǎng)絡(luò)”的理論與實踐教學(xué)質(zhì)量。

參考文獻

[1] 陳海生，郭曉云.“無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)”課程實驗教學(xué)探索[J].河北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報：農(nóng)林教育版，2017，19（5）：64-67.

[2] 王艷，張晨，陳姝君.傳感器技術(shù)的理論與實驗教學(xué)改革[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2016（251）：74-76.

[3] 王健.“雙創(chuàng)”背景下的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)教學(xué)改革與實踐[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2018（5）：42-47.

[4] 李曙英，肖賢建.應(yīng)用型本科“ZigBee網(wǎng)絡(luò)原理與應(yīng)用開發(fā)”課程教學(xué)探索與實踐[J].電腦知識與技術(shù)，2016（12）：153-155.