新工科背景下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)課程設(shè)計(jì)教學(xué)改革與實(shí)踐

何爾利，馬滿福，王昌龍，賈向東,3，王小牛，索國瑞

（1.西北師范大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省物聯(lián)網(wǎng)工程研究中心，甘肅 蘭州 730070；3.南京郵電大學(xué) 江蘇省無線通信重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210003）

0 引言

從“復(fù)旦共識(shí)”“天大行動(dòng)”到 “北京指南”，2017 年新工科建設(shè)在我國高教掀起了一場改革與研究的熱潮。新工科建設(shè)要求創(chuàng)新工程教育方式與手段，落實(shí)以學(xué)生為中心的理念，增強(qiáng)師生互動(dòng)，改革教學(xué)方法和考核方式，形成以學(xué)習(xí)者為中心和面向產(chǎn)出的教學(xué)實(shí)踐模式[1-2]。物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)是典型的新工科專業(yè)，作為物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的一門專業(yè)核心課，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks，WSN）課程涉及計(jì)算機(jī)、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(qiáng)、跨度大、知識(shí)點(diǎn)涵蓋范圍廣的綜合型課程，實(shí)踐性較強(qiáng)[3-4]。目前在講授時(shí)大多以講述理論為主、實(shí)驗(yàn)為輔的方式進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)課只能完成一些簡單的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，無法真正提高學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力和自主創(chuàng)新能力。在將系統(tǒng)能力培養(yǎng)作為教學(xué)改革重點(diǎn)的新工科背景下，為了加深學(xué)生對(duì)WSN 課程理論知識(shí)的理解，培養(yǎng)學(xué)生在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)搭建、工程實(shí)踐和綜合系統(tǒng)運(yùn)用方面的能力，激發(fā)學(xué)生對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步學(xué)習(xí)的興趣和激情，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)課程之后開設(shè)一門WSN 課程設(shè)計(jì)必修課。

1 WSN課程設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

WSN 課程設(shè)計(jì)是在程序設(shè)計(jì)、移動(dòng)應(yīng)用開發(fā)、RFID 技術(shù)、現(xiàn)代通信原理、無線傳感網(wǎng)技術(shù)等課程后開設(shè)，目的是指導(dǎo)學(xué)生在理論學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，通過課程設(shè)計(jì)使學(xué)生真正理解和掌握無線傳感網(wǎng)的相關(guān)理論，通過應(yīng)用所學(xué)習(xí)的知識(shí)，解決實(shí)際無線組網(wǎng)問題，進(jìn)而鍛煉學(xué)生的綜合系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力和動(dòng)手實(shí)踐能力。針對(duì)新工科建設(shè)的目標(biāo)和物聯(lián)網(wǎng)人才的新需求，從實(shí)際教學(xué)效果和反饋來看，WSN 課程設(shè)計(jì)在以下幾個(gè)方面有待改進(jìn)。

1.1 課程設(shè)計(jì)內(nèi)容陳舊，學(xué)生創(chuàng)新能力不足

給學(xué)生完成課程設(shè)計(jì)的題目2～3 年不變，大多數(shù)題目沒有結(jié)合實(shí)際應(yīng)用貼近生產(chǎn)生活，綜合設(shè)計(jì)性和創(chuàng)新性體現(xiàn)不足，沒有將新技術(shù)融入進(jìn)來，學(xué)生感覺缺乏挑戰(zhàn)性，學(xué)習(xí)興趣不高，不能發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，激發(fā)不出自主探求知識(shí)的潛能，導(dǎo)致動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力均不足。

1.2 設(shè)計(jì)過程指導(dǎo)不足，學(xué)生收獲不大

課程設(shè)計(jì)題目布置給學(xué)生后存在“放羊”的現(xiàn)象，設(shè)計(jì)過程指導(dǎo)、監(jiān)督不足，缺乏與學(xué)生的交流、討論，設(shè)計(jì)各階段的要求不具體，學(xué)生做個(gè)東西提交上來就算課程通過，學(xué)生對(duì)該門課程的收獲不大。

1.3 分組不合理，不重視團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力的培養(yǎng)

課程設(shè)計(jì)一般是由2～4 人分組完成，分組時(shí)學(xué)生間缺乏合理搭配，存在自由組合、同宿舍組合和關(guān)系好的組合現(xiàn)象，沒有形成搭配合理的團(tuán)隊(duì)，每個(gè)人只負(fù)責(zé)自己的任務(wù)，不能發(fā)揮每個(gè)人的潛能和興趣點(diǎn)，團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力在整個(gè)設(shè)計(jì)過程沒有得到充分的培養(yǎng)。

1.4 完成的系統(tǒng)缺少數(shù)據(jù)分析環(huán)節(jié)

學(xué)生完成的系統(tǒng)多數(shù)情況下只是把采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在本地?cái)?shù)據(jù)庫或云端，能通過Web 端或移動(dòng)端進(jìn)行訪問、展示或控制，沒有對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)一步整理、分析和趨勢(shì)預(yù)測(cè)，缺少相應(yīng)的提示。

1.5 考核方式單一

課程設(shè)計(jì)成績的評(píng)定只取決于最終課程設(shè)計(jì)的報(bào)告和平時(shí)的考勤，沒有將過程考核納入到成績?cè)u(píng)定中來。

2 WSN課程設(shè)計(jì)改革措施

2.1 擬定綜合性設(shè)計(jì)題目

課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容應(yīng)體現(xiàn)前期理論知識(shí)的綜合運(yùn)用，既要考慮加深對(duì)理論部分知識(shí)的進(jìn)一步理解，又能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，解決實(shí)際問題，課程設(shè)計(jì)的題目尤為關(guān)鍵[5]。通過跟蹤、搜集最新的無線傳感網(wǎng)典型應(yīng)用案例，特別是世界物聯(lián)網(wǎng)博覽會(huì)（無錫）每年發(fā)布的新應(yīng)用成果、典型應(yīng)用案例，以及重慶市每年發(fā)布的“重慶市十大物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用案例”等[6]，結(jié)合學(xué)生的實(shí)際水平和實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有條件，擬定出綜合性較強(qiáng)、與工程實(shí)踐結(jié)合緊密的題目供學(xué)生選擇，這樣的題目具有較好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，更能激發(fā)學(xué)生興趣。部分已實(shí)施題目和擬實(shí)施題目見表1。

表1 WSN 課程設(shè)計(jì)參考題目

以上題目基本都涉及數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)、Web 編程、Android 編程、單片機(jī)、嵌入式、傳感器等內(nèi)容，綜合性較強(qiáng)。題目每年至少更新50%，還可增加少部分學(xué)生根據(jù)自己的興趣選擇的自主命題。系統(tǒng)從需求分析、總體框架、硬件、軟件及通信數(shù)據(jù)格式等方面進(jìn)行設(shè)計(jì)，完成代碼編寫、調(diào)試及運(yùn)行等各個(gè)階段。

設(shè)計(jì)題目6 基于ZigBee 的家庭花卉護(hù)理系統(tǒng)，基本要求是采集家中花卉的土壤溫濕度和環(huán)境溫濕度，通過ZigBee 網(wǎng)絡(luò)上傳至服務(wù)器，外出時(shí)間長的人可通過手機(jī)查看家中花卉的相關(guān)數(shù)據(jù)和控制澆水。系統(tǒng)要能顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史曲線等。完成題目需要用到數(shù)據(jù)庫、ZigBee 組網(wǎng)、Android 開發(fā)、8051 單片機(jī)C 語言編程、網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)及相關(guān)傳感器的使用等，系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖見圖1。

設(shè)計(jì)題目7 基于NB-IoT 的公共停車位預(yù)定系統(tǒng)，基本要求是能將停車場每個(gè)車位的占、空數(shù)據(jù)用傳感器采集后，通過NB-IoT 終端直接發(fā)送到IoT 管理平臺(tái)，要開車外出的人可提前通過Web 端、移動(dòng)App 查找目的地附近停車場的空車位進(jìn)行預(yù)訂。系統(tǒng)要能顯示不同停車場的車位布局圖、總車位及空車位數(shù)，具有預(yù)訂計(jì)時(shí)和按時(shí)計(jì)費(fèi)功能。完成題目需要用到數(shù)據(jù)庫、中國電信IoT管理平臺(tái)、Android開發(fā)、微信公眾號(hào)開發(fā)、Web 編程、STM32 開發(fā)及地磁傳感器的使用等，系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖見圖2。

圖1 花卉護(hù)理設(shè)計(jì)框圖

2.2 分析設(shè)計(jì)案例引導(dǎo)學(xué)生創(chuàng)新

通過對(duì)WSN 典型應(yīng)用案例的深入分析，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)創(chuàng)新點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維。以設(shè)計(jì)題目6 為例，在分析智慧花盆、智能澆花系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過討論、引導(dǎo)，學(xué)生覺得原來的系統(tǒng)是對(duì)水管進(jìn)行控制，在家里用不方便還占空間，想到自帶水箱（小水瓶）的設(shè)計(jì)，還有人提出花卉不一定都在室內(nèi)，還可能放在室外或屋頂，終端節(jié)點(diǎn)的供電可通過太陽能來提供，進(jìn)而提出增加太陽能板（迷你太陽能發(fā)電板）、夜間LED 補(bǔ)光等模塊。此外，還邀請(qǐng)參加比賽獲獎(jiǎng)的高年級(jí)同學(xué)來分享、演示他們的作品，讓學(xué)生實(shí)景觀摩尋找創(chuàng)新點(diǎn)。隨著人工智能的廣泛應(yīng)用，無線傳感網(wǎng)技術(shù)與 AI 相結(jié)合的案例越來越多，也在鼓勵(lì)和引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合這兩種技術(shù)做一些應(yīng)用創(chuàng)新[6]。

2.3 采用面向能力導(dǎo)向的分組機(jī)制

綜合性數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)需要幾個(gè)人合作完成，有硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、通信數(shù)據(jù)格式設(shè)計(jì)及編程實(shí)現(xiàn)和設(shè)計(jì)報(bào)告的撰寫。通過分組合作不僅可以培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神、溝通能力，還可以培養(yǎng)競爭意識(shí)。在2015級(jí)、2016 級(jí)的課程設(shè)計(jì)課上采用了面向能力導(dǎo)向的分組機(jī)制[7]，讓學(xué)生先寫出自己的優(yōu)勢(shì)和感興趣的方面，老師再結(jié)合前一學(xué)期上理論課每個(gè)學(xué)生的表現(xiàn)情況進(jìn)行分組，避免了關(guān)系好、同宿舍組隊(duì)的情況。從整個(gè)設(shè)計(jì)過程看，這樣的分組較好地發(fā)掘?qū)W生了的學(xué)習(xí)潛能，學(xué)生在小組討論、設(shè)計(jì)答辯等環(huán)節(jié)的配合順暢、自然。

圖2 車位預(yù)訂設(shè)計(jì)框圖

2.4 加強(qiáng)設(shè)計(jì)過程指導(dǎo)

在課程設(shè)計(jì)開始的前幾節(jié)課，老師深入每一個(gè)組對(duì)該組所選的題目進(jìn)行分析，講清楚題目所要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)及功能。在設(shè)計(jì)過程中除了上課交流外，學(xué)生可以將設(shè)計(jì)的思路、改進(jìn)方法、創(chuàng)新點(diǎn)和設(shè)計(jì)報(bào)告等放到網(wǎng)上供老師隨時(shí)查看，在線指導(dǎo)、討論。學(xué)院有Moodle 在線課程平臺(tái)，老師可上傳相關(guān)的資料、文獻(xiàn)供學(xué)生下載，學(xué)生可上傳設(shè)計(jì)文檔讓老師查看。2016 級(jí)的課程設(shè)計(jì)引入了雨課堂教學(xué)，老師按教學(xué)計(jì)劃發(fā)布信息，學(xué)生提交設(shè)計(jì)進(jìn)度和階段成果，適時(shí)發(fā)布各組設(shè)計(jì)進(jìn)度以督促進(jìn)度慢的組，與學(xué)生討論、互動(dòng)次數(shù)也有較大增加，可對(duì)一些共性問題匯總后做集中講解。另外，還結(jié)合了學(xué)校正在實(shí)施的“課堂教學(xué)延伸五個(gè)環(huán)節(jié)”（課前預(yù)習(xí)、平時(shí)作業(yè)、課外閱讀、課外討論、期中考試）中的討論環(huán)節(jié)，應(yīng)用頭腦風(fēng)暴的方式在小組內(nèi)、小組間相互啟發(fā)，學(xué)生針對(duì)討論中提到的問題，在系統(tǒng)的功能和細(xì)節(jié)上做進(jìn)一步的改進(jìn)，使設(shè)計(jì)出的系統(tǒng)是一個(gè)真正貼近實(shí)用的系統(tǒng)。

2.5 應(yīng)用多元化的綜合考核方式

課程設(shè)計(jì)的考核不能只看結(jié)果，要突出過程控制，對(duì)學(xué)生設(shè)計(jì)過程中動(dòng)手能力和實(shí)際解決問題的能力進(jìn)行評(píng)價(jià)。各小組設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在設(shè)計(jì)報(bào)告提交之前要在班上進(jìn)行演示、答辯，回答老師和學(xué)生的提問并由老師和其他小組的學(xué)生打分。演示的次序應(yīng)該遵守自底向上的原則，從感知節(jié)點(diǎn)到網(wǎng)絡(luò)再到數(shù)據(jù)處理最后到管理軟件[8-9]。提的問題如數(shù)據(jù)的采集如何實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)傳，用了哪些傳輸方式，對(duì)數(shù)據(jù)的處理方法有哪些，系統(tǒng)能應(yīng)用在哪些場合等。WSN 課程設(shè)計(jì)最終的成績分布為在線交流（10%）、設(shè)計(jì)答辯（25%）、系統(tǒng)演示（35%）、創(chuàng)新點(diǎn)（10%）及設(shè)計(jì)報(bào)告（20%）。其中設(shè)計(jì)答辯、系統(tǒng)演示環(huán)節(jié)的分?jǐn)?shù)是由老師打的分?jǐn)?shù)和學(xué)生打的分?jǐn)?shù)各占50%組成，設(shè)計(jì)報(bào)告每個(gè)小組提交一份，具體到小組內(nèi)每個(gè)學(xué)生的分?jǐn)?shù)，還可按其負(fù)責(zé)模塊的工作量、難易程度及是否使用新技術(shù)等方面在分?jǐn)?shù)上進(jìn)一步區(qū)分。應(yīng)用這種考核方式在第二次課程設(shè)計(jì)改革中，學(xué)生的競爭意識(shí)明顯增強(qiáng)，每組都在盡可能詳細(xì)地展示自己的作品以期得到高分。從結(jié)課學(xué)生的反饋看大多數(shù)學(xué)生都認(rèn)可這種考核方式，對(duì)自己的最終得分是滿意的。

3 課程設(shè)計(jì)改革效果

學(xué)院的課程設(shè)計(jì)課程在三年級(jí)的春季學(xué)期開設(shè)，學(xué)科競賽大多在課程設(shè)計(jì)結(jié)束的暑假進(jìn)行，以課程設(shè)計(jì)所做的系統(tǒng)為基礎(chǔ)，進(jìn)行修改、增加創(chuàng)新，鼓勵(lì)學(xué)生參加相關(guān)學(xué)科競賽，通過省賽、國賽鍛煉來增加學(xué)生專業(yè)學(xué)習(xí)的興趣和系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力。2018 年，“基于云平臺(tái)的城區(qū)停車誘導(dǎo)信息發(fā)布系統(tǒng)”獲得全國大學(xué)生物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新應(yīng)用設(shè)計(jì)大賽西北賽區(qū)特等獎(jiǎng)、全國總決賽一等獎(jiǎng)，“基于二維碼的門禁系統(tǒng)”獲得創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)電子設(shè)計(jì)大賽西北賽區(qū)一等獎(jiǎng)，“基于云平臺(tái)的智能家居系統(tǒng)”獲得全國大學(xué)生物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)競賽西北賽區(qū)特等獎(jiǎng)、全國總決賽三等獎(jiǎng)；2019 年，“長租公寓環(huán)境監(jiān)測(cè)及在線預(yù)訂系統(tǒng)”“澆花神器——Mini植物精靈”獲得全國大學(xué)生嵌入式人工智能設(shè)計(jì)大賽西北賽區(qū)特等獎(jiǎng)等。參加比賽的隊(duì)員由高年級(jí)和還未上WSN 課程的低年級(jí)搭配組成，通過改革發(fā)現(xiàn)當(dāng)這些低年級(jí)的學(xué)生進(jìn)入高年級(jí)學(xué)習(xí)時(shí)會(huì)帶動(dòng)相當(dāng)一部分人對(duì)該課程感興趣，進(jìn)而準(zhǔn)備參加比賽，以此形成良性循環(huán)，這種方式可以對(duì)低年級(jí)學(xué)生起到很好的帶、傳、宣作用。西北師范大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)WSN 課程設(shè)計(jì)開設(shè)情況見表2。

其中主動(dòng)交流人次在2015 級(jí)、2016 級(jí)得到很大幅度的增長，除了課程設(shè)計(jì)改革外，還有一個(gè)原因是使用了在線教學(xué)平臺(tái)、微信群等在線交流工具，有些在課堂上發(fā)言少的學(xué)生在在線工具上交流還比較積極。參加比賽的人數(shù)在改革后得到了較大幅度的增長，省賽的漲幅從改革前最高的21%增加到了45%。在對(duì)2016 級(jí)學(xué)生的調(diào)研和學(xué)院組織的學(xué)生代表討論會(huì)上，學(xué)生對(duì)WSN課程設(shè)計(jì)的改革效果總體是肯定的，大多數(shù)學(xué)生都談到通過課程設(shè)計(jì)的動(dòng)手實(shí)現(xiàn)，才真正觸摸和踏入了物聯(lián)網(wǎng)的大門，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用有了更為深刻的理解。學(xué)生的評(píng)教分?jǐn)?shù)從學(xué)校的教務(wù)系統(tǒng)可以看出改革后也有一定的提高。課程設(shè)計(jì)改革前后的增長情況見圖3。

表2 課程設(shè)計(jì)開設(shè)情況

圖3 課程設(shè)計(jì)改革前后的增長情況

4 結(jié)語

WSN 課程設(shè)計(jì)是理論課基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)的延伸，重在培養(yǎng)學(xué)生分析、解決實(shí)際問題的系統(tǒng)能力和動(dòng)手實(shí)踐能力。結(jié)合新工科的標(biāo)準(zhǔn)，通過以上WSN 課程設(shè)計(jì)教學(xué)改革措施，不僅激發(fā)了學(xué)生對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際問題的能力，而且學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、創(chuàng)新能力也得到了一定的提高，取得了預(yù)期的教學(xué)效果，充分顯示了新措施在系統(tǒng)能力培養(yǎng)上的優(yōu)勢(shì)。長期堅(jiān)持這些措施并持續(xù)改進(jìn)完善，相信會(huì)達(dá)到課程設(shè)計(jì)開設(shè)的目的和本專業(yè)工程人才的培養(yǎng)目標(biāo)。