以應(yīng)用創(chuàng)新為導(dǎo)向的高職WSN應(yīng)用課程建設(shè)與探索

胡擁兵

摘要： 隨著物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)飛速發(fā)展， ZigBee、低功耗藍(lán)牙、低功耗WIFI、NFC等WSN技術(shù)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，智能家居、智慧城市等創(chuàng)新性應(yīng)用不斷涌現(xiàn)。作為高職的傳統(tǒng)WSN應(yīng)用課程，把教學(xué)的重點(diǎn)放在技術(shù)基礎(chǔ)的教學(xué)上，側(cè)重網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)的淺顯理論，以及WSN應(yīng)用的簡單示例，課程內(nèi)容與技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀存在脫節(jié)。而今，國家高度重視物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展，并把創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)作為技術(shù)發(fā)展新引擎，而WSN應(yīng)用課程由于其課程特點(diǎn)，在應(yīng)用創(chuàng)新上大有可為。本論文探討WSN應(yīng)用課程的設(shè)計，在課程建設(shè)中，把應(yīng)用創(chuàng)新作為高職WSN應(yīng)用課程的引導(dǎo)，突出對應(yīng)用創(chuàng)新的教學(xué)，在已經(jīng)成熟的WSN技術(shù)及各種物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)平臺上開展WSN的理論與實(shí)踐教學(xué)，探索與拓展高職學(xué)生的技術(shù)發(fā)展空間。

Abstract： With the rapid development of IoT application technologies， WSN technologies such as ZigBee， low-power Bluetooth， low-power WIFI， and NFC have been widely used， and innovative applications such as smart homes and smart cities are emerging. As a traditional WSN course in higher vocational education， the focus of teaching is on the technology-based teaching， focusing on the basic theories of the network foundation， and simple examples of WSN applications. There is a disconnect between the curriculum content and the status quo of technological development. Nowadays， the state attaches great importance to the development of Internet of Things technology， and regards innovation and entrepreneurship as a new engine for technological development. The WSN curriculum has great potential for application innovation due to its curriculum characteristics. This paper explores the design of the WSN curriculum. In the curriculum construction， application innovation is used as a guide for higher vocational WSN courses， and the teaching of application innovation is highlighted. The theory of WSN is developed on mature WSN technologies and various Internet of Things technology platforms. Practice teaching， exploring and expanding the technical development space for higher vocational students.

關(guān)鍵詞： 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；應(yīng)用創(chuàng)新

Key words： wireless sensor network；application innovation

中圖分類號：G642.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）26-0296-02

0 引言

目前，物聯(lián)網(wǎng)引領(lǐng)著世界第三次產(chǎn)業(yè)升級和發(fā)展，已深入各行各業(yè)，并一直是政府、企業(yè)及輿論關(guān)注的焦點(diǎn)。隨著相關(guān)軟硬件技術(shù)飛速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)應(yīng)用也取得各種突破。智能家居、智慧城市、共享單車、自動駕駛汽車等各類創(chuàng)新性“黑科技”應(yīng)用不斷涌現(xiàn)，爭相亮相。物聯(lián)網(wǎng)對傳統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)及發(fā)展模式產(chǎn)生持續(xù)和深遠(yuǎn)影響。

作為物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵接入技術(shù)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）技術(shù)發(fā)展非常迅速，如ZigBee、低功耗藍(lán)牙、低功耗WIFI、NFC等近距離WSN技術(shù)已經(jīng)非常成熟，并得到廣泛應(yīng)用。NB-IOT、LoRaWan等遠(yuǎn)距離WSN技術(shù)應(yīng)用范圍日益龐大。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用前景十分廣闊，能夠廣泛應(yīng)用于國防軍事、環(huán)境檢測、智能家居、醫(yī)療護(hù)理、危險區(qū)域遠(yuǎn)程控制、城市交通和星際探索等領(lǐng)域，因此得到各國政府、軍方、跨國公司和科研機(jī)構(gòu)的廣泛關(guān)注和高度重視[1]。

作為物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的重要支撐技術(shù)，《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020年）》明確列出對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究要求。廣州市也提出建設(shè)“智慧城市”與“智慧社區(qū)”的意見與要求。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)毫無疑問是關(guān)鍵核心技術(shù)之一。對于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)，無論是從專業(yè)建設(shè)的角度，從“以辦人民滿意的社區(qū)高職教育和服務(wù)廣州現(xiàn)代城市發(fā)展”的辦學(xué)宗旨，還是服務(wù)于“智慧社區(qū)”建設(shè)，作為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)的核心課程，WSN應(yīng)用課程都應(yīng)得到足夠重視。

傳統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用課程基于ZigBee技術(shù)進(jìn)行設(shè)計，已經(jīng)與WSN技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀不相適應(yīng)，有必要對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)課程的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整和補(bǔ)充，讓學(xué)生通過WSN應(yīng)用課程的學(xué)習(xí)，更全面的了解與掌握WSN的發(fā)展現(xiàn)狀與主要技術(shù)，更加清晰的理解現(xiàn)有WSN相關(guān)產(chǎn)品的技術(shù)路線與設(shè)計思路，以更加全面開放的思路去設(shè)計實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)解決方案及產(chǎn)品，突出并落實(shí)WSN應(yīng)用課程在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用創(chuàng)新方面的優(yōu)勢。

1 課程特點(diǎn)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量傳感器節(jié)點(diǎn)通過自組織方式構(gòu)成的多跳無線網(wǎng)絡(luò)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)集傳感器、嵌入式、無線通信和信息處理等技術(shù)于一體，這也使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)課程建設(shè)存在各方面的挑戰(zhàn)，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

①本課程設(shè)計多個專業(yè)學(xué)科，理論教學(xué)內(nèi)容雜、跨度大、難度高。涉及的內(nèi)容主要有：傳感器技術(shù)、電子技術(shù)、無線通信技術(shù)、傳感網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、嵌入式操作系統(tǒng)與開發(fā)、定位技術(shù)、數(shù)據(jù)處理等。高難度、多種類、大跨度的知識體系讓課程教學(xué)內(nèi)容成為一個難點(diǎn)。如何在有限的課程容量中設(shè)置最合適的內(nèi)容，是此課程成功的基礎(chǔ)[2]。教師應(yīng)具備廣博而深厚的專業(yè)知識，這樣才能提供較好的理論教學(xué)。

②本課程所涉技術(shù)處于發(fā)展前沿，新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，教學(xué)內(nèi)容需與時俱進(jìn)。在WSN領(lǐng)域，新硬件、新協(xié)議、新算法、新系統(tǒng)的不斷涌現(xiàn)。在教學(xué)過程中，教師需要不斷學(xué)習(xí)，根據(jù)技術(shù)發(fā)展不斷更新和調(diào)整教學(xué)內(nèi)容，讓學(xué)生緊跟技術(shù)發(fā)展腳步。

③WSN與場景密切相關(guān)。不同應(yīng)用場景下使用的WSN網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、硬件平臺等都存在很大不同。如何在教學(xué)過程中針對不同的場景提取出共性問題，使學(xué)生在掌握共性問題的基礎(chǔ)上針對具體場景找出差異并合理選擇技術(shù)路線存在較大挑戰(zhàn)。

④對學(xué)生要求較高。WSN理論知識晦澀、所涉及知識點(diǎn)繁雜，不僅要求學(xué)生有扎實(shí)的基礎(chǔ)知識和寬泛的知識面，還需要學(xué)生具有較強(qiáng)的學(xué)習(xí)能力和主動鉆研的積極性。因此激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣也是本課程建設(shè)的難點(diǎn)之一。

⑤無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)較多、仿真平臺和開發(fā)環(huán)境復(fù)雜多樣、應(yīng)用型的實(shí)訓(xùn)設(shè)備還不完善，很容易造成學(xué)生學(xué)習(xí)上產(chǎn)生混亂和困惑，同時教師的備課難度大大增加。因此，如何開設(shè)合適的實(shí)訓(xùn)課程需要不斷探索。

2 我學(xué)院課程建設(shè)、設(shè)計與探索

為了優(yōu)化WSN的總體教學(xué)效果，我們從課程、學(xué)生、教師與專業(yè)特點(diǎn)出發(fā)，對該門課程進(jìn)行更加實(shí)用教學(xué)設(shè)計，突出強(qiáng)調(diào)WSN的應(yīng)用創(chuàng)新。

①依托行業(yè)成熟技術(shù)，讓理論知識貼近創(chuàng)新。根據(jù)前期課程的教學(xué)情況，調(diào)整WSN應(yīng)用課程的教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)、教學(xué)進(jìn)度、實(shí)驗實(shí)訓(xùn)的授課安排等。深入研究WSN的知識點(diǎn)，提取共性知識，將知識點(diǎn)講深、講透，使學(xué)生掌握WSN技術(shù)的精髓，能舉一反三。同時將當(dāng)前WSN技術(shù)發(fā)展的前沿代入課程，讓學(xué)生能緊跟技術(shù)發(fā)展腳步。如基礎(chǔ)理論教學(xué)內(nèi)容部分，設(shè)計思路應(yīng)圍繞傳感器的無線接入解決方案，介紹常見的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。根據(jù)相關(guān)技術(shù)的特點(diǎn)及參數(shù)等，聯(lián)系實(shí)際應(yīng)用的場景及注意事項，突出WSN應(yīng)用課程側(cè)重于應(yīng)用的特點(diǎn)。除了傳統(tǒng)的Zigbee技術(shù)原理、發(fā)展、技術(shù)特點(diǎn)、芯片、協(xié)議棧、開發(fā)平臺及SDK、應(yīng)用場景及常見應(yīng)用等，還補(bǔ)充NFC、藍(lán)牙、低功耗WIFI、NB-IoT、Lora Wan等技術(shù)方面的知識。

②依托地方產(chǎn)業(yè)特色，讓教學(xué)內(nèi)容貼近專業(yè)目標(biāo)定位。專業(yè)與行業(yè)以及企業(yè)開展了非常深入的產(chǎn)教融合的合作。選擇廣東省物聯(lián)網(wǎng)協(xié)會作為行業(yè)應(yīng)用的入口，與省物聯(lián)網(wǎng)協(xié)會合作建設(shè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用創(chuàng)新實(shí)訓(xùn)室，依托地方產(chǎn)業(yè)特色，引入物聯(lián)網(wǎng)智能傳感傳感器技術(shù)、自組網(wǎng)技術(shù)與系統(tǒng)設(shè)備的安裝、調(diào)試與日常維護(hù)、物聯(lián)網(wǎng)智能家居工程應(yīng)用、智慧交通應(yīng)用、智慧教室與物聯(lián)網(wǎng)云平臺的創(chuàng)新實(shí)訓(xùn)與設(shè)計開發(fā)項目等。聯(lián)合省物聯(lián)網(wǎng)協(xié)會關(guān)聯(lián)企業(yè)搭建了物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新云平臺。該平臺開發(fā)提供前端設(shè)備和模塊、軟件模塊庫，可由教師或?qū)W生設(shè)計系統(tǒng)功能和系統(tǒng)架構(gòu)，進(jìn)行由淺至深的創(chuàng)新系統(tǒng)開發(fā)，并將所開發(fā)的系統(tǒng)應(yīng)用到實(shí)際，可以與實(shí)際的系統(tǒng)進(jìn)行對比，達(dá)到更好的學(xué)習(xí)實(shí)踐效果。

③以科研促WSN應(yīng)用課程教學(xué)。與傳統(tǒng)的理論實(shí)踐和驗證性實(shí)驗教學(xué)相比，創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)要突出“創(chuàng)新”二字。除了教學(xué)組織過程也要創(chuàng)新之外，實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容的創(chuàng)新對教師就提出了更高的要求。教師應(yīng)當(dāng)比學(xué)生具有更強(qiáng)的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力，因此，教師必須在科研的能力上有所要求才能保證創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)的質(zhì)量[3]。WSN技術(shù)仍處于高速發(fā)展?fàn)顟B(tài)，教師在教學(xué)的同時，還需不斷跟進(jìn)學(xué)科前沿，探索基于WSN相關(guān)的科研項目，因此能及時把最新的研究成果和行業(yè)發(fā)展情況與學(xué)生分享，激起同學(xué)們的學(xué)習(xí)興趣。對于那些對WSN表現(xiàn)出極大興趣的同學(xué)，教師引導(dǎo)其加入自己的科研團(tuán)隊以及相關(guān)眾創(chuàng)空間，既為自己的科研團(tuán)隊注入新生力量，又能通過使某些學(xué)生在WSN上深入學(xué)習(xí)，帶動其他同學(xué)在該課程上的學(xué)習(xí)。

④以創(chuàng)新項目促學(xué)。創(chuàng)新項目能使促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。主要有兩種途徑：

1）與企業(yè)合作，引入物聯(lián)網(wǎng)眾創(chuàng)項目，帶動優(yōu)秀的學(xué)生完成項目，在項目的完成過程中，深入掌握WSN實(shí)現(xiàn)的理論基礎(chǔ)、技術(shù)特點(diǎn)、開發(fā)技術(shù)等。例如實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新開發(fā)系統(tǒng)（涵蓋智能家居、遠(yuǎn)程溫濕度檢測、圖書盤點(diǎn)）的數(shù)據(jù)采集與設(shè)備控制、并將設(shè)計和開發(fā)的數(shù)據(jù)，直接上傳到遠(yuǎn)程云平臺，并通過手機(jī)可以遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的監(jiān)測和設(shè)備的控制。采用行業(yè)中成熟的MQTT協(xié)議、以及物聯(lián)網(wǎng)中間件架構(gòu)，通過B/S與架構(gòu)下，均可實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集與控制，支持最新的html5協(xié)議，實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)控制。

2）剖析同類院校或業(yè)界成功或者接近成功的WSN眾創(chuàng)項目和眾籌項目，闡述WSN技術(shù)在這類項目中的作用，特點(diǎn)，讓學(xué)生對WSN技術(shù)的重要性有更深感觸。通過以上途徑讓學(xué)生更有興趣對各類傳感網(wǎng)協(xié)議技術(shù)進(jìn)行更深刻理解。

⑤對接職業(yè)資格標(biāo)準(zhǔn)對WSN技術(shù)的需求。與省物聯(lián)網(wǎng)協(xié)會開展職業(yè)資格認(rèn)證合作，協(xié)會對課程教師開展職業(yè)資格認(rèn)證相關(guān)培訓(xùn)。通過培訓(xùn)，教師對接相應(yīng)職業(yè)資格標(biāo)準(zhǔn)要求，同時結(jié)合WSN體系結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，構(gòu)建課程知識體系與內(nèi)容。對于高校物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)有效對接區(qū)域物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)，課程內(nèi)容深入對接職業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，教學(xué)過程對接生產(chǎn)過程，進(jìn)而為企業(yè)輸送緊缺的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)人才，都有著非常重要的意義[4]。

⑥以賽促學(xué)，多模式互補(bǔ)。以理論教學(xué)為基礎(chǔ)，實(shí)訓(xùn)教學(xué)為主導(dǎo)，以應(yīng)用為導(dǎo)向，項目、競賽、案例為輔助驅(qū)動力，構(gòu)建“多模式互補(bǔ)”的新的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)WSN應(yīng)用課程教學(xué)模式，培養(yǎng)具有扎實(shí)WSN技術(shù)知識、能獨(dú)立探索與合作創(chuàng)新的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)學(xué)生。

3 結(jié)語

WSN應(yīng)用課程是我學(xué)院物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)的專業(yè)核心課程。為了提高WSN應(yīng)用課程的教學(xué)質(zhì)量，提高專業(yè)學(xué)生的創(chuàng)新能力，本文研究了當(dāng)前WSN應(yīng)用課程的產(chǎn)業(yè)情況，課程特點(diǎn)，分析了我院進(jìn)行該課程建設(shè)和教學(xué)設(shè)計的探索，提出了具體的課程建設(shè)過程和教學(xué)設(shè)計思路，為WSN應(yīng)用課程的建設(shè)給出了一種新的基本思路。

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