新工科背景下傳感網(wǎng)原理及應(yīng)用課程改革探索

◆陳慧玲 繆梅

0 前言

2017年2月20日，教育部發(fā)布《關(guān)于開展新工科研究與實踐的通知》（教高司函〔2017〕6號），其目的是深化工程教育改革，推進(jìn)新工科建設(shè)與發(fā)展，建設(shè)工程教育強國，服務(wù)和支撐我國經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級[1]。

物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)是一個新興的專業(yè)。2010年3月，教育部號召“211”學(xué)校申報物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)，8月份通過審批，2011年開始招生。物聯(lián)網(wǎng)作為教育部審批設(shè)置的高等學(xué)校戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，從專業(yè)設(shè)置之初就備受各界重視，并成為就業(yè)前景廣闊的熱門領(lǐng)域，主要就業(yè)于與物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的企業(yè)、行業(yè)，從事物聯(lián)網(wǎng)的通信架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)、無線傳感器、信息安全等的設(shè)計、開發(fā)、管理與維護(hù)，也可在高校或科研機構(gòu)從事科研和教學(xué)工作。物聯(lián)網(wǎng)是個交叉學(xué)科，涉及通信技術(shù)、傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及RFID技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)技術(shù)等多項知識。本科階段深入學(xué)習(xí)這些知識的難度很大，可從與物聯(lián)網(wǎng)有關(guān)的知識著手，找準(zhǔn)專業(yè)方向、夯實基礎(chǔ)，同時增強實踐與應(yīng)用能力。

傳感網(wǎng)原理及應(yīng)用課程是物聯(lián)網(wǎng)本科專業(yè)的一門專業(yè)方向課程，涵蓋矩陣、概率論、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹⒔Y(jié)構(gòu)優(yōu)化、優(yōu)化算法、傳感器檢測技術(shù)以及嵌入式控制等知識。有的院校亦把課程命名為“無線傳感網(wǎng)原理及應(yīng)用”，兩者的教學(xué)內(nèi)容總體一致，只是名稱不同。該課程的教學(xué)旨在使學(xué)生掌握無線傳感網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)理論知識，培養(yǎng)學(xué)生智能網(wǎng)絡(luò)、智能節(jié)點的基本開發(fā)能力，為物聯(lián)網(wǎng)及相關(guān)產(chǎn)業(yè)培養(yǎng)知識型、技能型、應(yīng)用開發(fā)型專門人才。

傳感網(wǎng)原理及應(yīng)用課程的理論性很強，同時，其理論與實踐的聯(lián)系也非常緊密。本課程的良好學(xué)習(xí)和實踐有助于掌握整個學(xué)科的主要內(nèi)容，為直接走上工作崗位或者繼續(xù)深造夯實基礎(chǔ)。但是，傳感網(wǎng)原理及應(yīng)用在教學(xué)實踐過程存在學(xué)習(xí)與應(yīng)用脫節(jié)、理論與實踐分離、知識點相對孤立、與其他課程的銜接度不夠緊密、未能構(gòu)建完整的知識體系等問題。基于上述問題，本文擬從課程設(shè)計、知識體系、教學(xué)資源、課堂教學(xué)以及實驗設(shè)計五個方面進(jìn)行系統(tǒng)性的課程改革探索，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和創(chuàng)新性，為培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識和實踐能力的應(yīng)用型物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)人才提供參考。

1 研究現(xiàn)狀

自2011年傳感網(wǎng)原理及應(yīng)用課程開設(shè)以來，各類高校對這一專業(yè)課程進(jìn)行了多角度的研究與探索。2015年，吉林大學(xué)設(shè)計了“課程應(yīng)用項目”環(huán)節(jié)，貫穿于整個課程教學(xué)的始終，以激發(fā)學(xué)生的興趣，增強教學(xué)效果，培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用能力。2016年，江蘇大學(xué)面向農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，以農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境監(jiān)測為例，探討行業(yè)應(yīng)用為導(dǎo)向的無線傳感網(wǎng)課程教學(xué)，將抽象概念變得具體形象，加之與理論緊密配合的實踐鞏固教學(xué)，使教學(xué)效果得以顯著改善。2017年，天津科技大學(xué)將“互聯(lián)網(wǎng)+移動終端”應(yīng)用到教學(xué)過程中，通過采用泛在學(xué)習(xí)、自主學(xué)習(xí)、類比實驗、實時交流、結(jié)合實例、以賽促學(xué)、以研促學(xué)等教學(xué)方法，提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，實現(xiàn)知識的牢固掌握。2018年，東南大學(xué)提出構(gòu)建一種全新的無線傳感網(wǎng)及其應(yīng)用的教學(xué)實踐平臺的思路，以改變教師為中心、學(xué)生被動接受知識的傳統(tǒng)教學(xué)模式，從而實現(xiàn)以創(chuàng)新為導(dǎo)向、以應(yīng)用為背景的創(chuàng)新實踐教學(xué)模式，將理論與實踐緊密結(jié)合，提升教學(xué)質(zhì)量以及學(xué)生的實驗實訓(xùn)水平和創(chuàng)新能力[2]。齊齊哈爾大學(xué)從調(diào)整與整合教學(xué)內(nèi)容、改革理論與實踐教學(xué)環(huán)節(jié)、優(yōu)化教學(xué)設(shè)計及方法等方面提高學(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[3]。安徽師范大學(xué)探討了多元化的課程考核方案[4]。2019年，常州工學(xué)院從優(yōu)化教學(xué)方法、深化校企合作、師資隊伍建設(shè)三個方面探討課程改革的具體措施，以期應(yīng)用于以后的教學(xué)實踐。武漢工程大學(xué)針對課程教學(xué)的特點和現(xiàn)狀，引入CDIO工程教育模式，強調(diào)以學(xué)生的自主學(xué)習(xí)為主導(dǎo)，讓學(xué)生參與產(chǎn)品的構(gòu)思、設(shè)計、實現(xiàn)和運作整個過程，從而培養(yǎng)學(xué)生對整個工程項目的理解和實施能力[5]。此外，內(nèi)蒙古科技大學(xué)提出以提高實踐能力為目標(biāo)的教學(xué)改革；重慶三峽學(xué)院和南陽理工學(xué)院分別面向新工科背景研究課程教學(xué)改革與實踐模式；南京郵電大學(xué)針對研究生階段的同名課程進(jìn)行教學(xué)模式的改革探索，重新定義課程定位，改革傳統(tǒng)的教學(xué)方法；南京林業(yè)大學(xué)、山西大學(xué)以及西安工業(yè)大學(xué)等多所高校亦進(jìn)行了教學(xué)改革研究。

中國知網(wǎng)公開的相關(guān)研究論文過百篇，研究的內(nèi)容包括課程建設(shè)、教學(xué)模式、實踐教學(xué)以及考核方式等，涉及的院校包括綜合大學(xué)、專門學(xué)院、高等職業(yè)技術(shù)學(xué)院、高等?？茖W(xué)校等，部分研究成果已經(jīng)得到實踐應(yīng)用。但是，傳感網(wǎng)原理及應(yīng)用在課程建設(shè)方面尚存在以下幾個方面的不足：

1）課程設(shè)計方面，未能充分考慮不同類型學(xué)生的不同需求；

2）知識體系方面，理論知識與實際應(yīng)用之間的銜接度不夠緊密；

3）教學(xué)資源方面，直接相關(guān)的微課、慕課資源較少；

4）課堂教學(xué)方面，理論教學(xué)與實踐教學(xué)在時空方面相對分離；

5）實驗設(shè)計方面，各知識點相對孤立，未能構(gòu)成一個完整的體系。

綜合以上課程現(xiàn)狀，本項目擬從課程設(shè)計、課堂教學(xué)、實踐教學(xué)以及考核方式等方面對傳感網(wǎng)原理及應(yīng)用課程進(jìn)行系統(tǒng)研究，建設(shè)跨課程的微課庫，建立豐富課程資源，進(jìn)一步根據(jù)學(xué)生的就業(yè)需求進(jìn)行有針對性的實踐內(nèi)容設(shè)計，力求實現(xiàn)理論知識與實際應(yīng)用的無縫對接。

2 教學(xué)改革內(nèi)容與實施方案

針對學(xué)生就業(yè)類型的多樣化，本項目擬研究不同學(xué)生需求之間的差異，在教學(xué)實施、實踐內(nèi)容、考核側(cè)重點，尤其是平時成績方面進(jìn)行針對性優(yōu)化，以適應(yīng)大眾、小眾等不同類型學(xué)生的個性化需求。

差異化課程設(shè)計 面向不同的職業(yè)規(guī)劃或者就業(yè)需求，在教學(xué)設(shè)計、實踐內(nèi)容、考核側(cè)重點，尤其是平時成績的考查方面進(jìn)行針對性優(yōu)化，使之富有彈性，并具有較強的可擴(kuò)展性。

實施安全監(jiān)督檢查，是現(xiàn)階段企業(yè)安全管理的主要手段，通過組織有效的監(jiān)督檢查工作，可以第一時間發(fā)現(xiàn)問題和隱患并組織整改，以降低事故事件出現(xiàn)的概率，同時，通過分析發(fā)現(xiàn)企業(yè)存在的普遍性問題進(jìn)行集中整改，可以提高企業(yè)的整體安全性。

師范專業(yè)為主的高等院校中，物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的學(xué)生對自己未來的職業(yè)規(guī)劃存在較大的差異。通過問卷調(diào)查和畢業(yè)生的就業(yè)情況統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，通常約30%的學(xué)生畢業(yè)后致力于從事教師行業(yè)，30%左右的學(xué)生進(jìn)入IT或者相關(guān)行業(yè)，30%～35%的學(xué)生考研深造，尚有個別學(xué)生目標(biāo)不太明確或者打算考公務(wù)員等。面向不同職業(yè)訴求的學(xué)生，擬在教學(xué)實踐中采取分門別類的方法，具體實施方式如表1所示。

表1 差異化的課程設(shè)計

1）針對A類學(xué)生。A類學(xué)生畢業(yè)后擬從事小學(xué)教育，他們主要是基于師范院校大環(huán)境，考取中小學(xué)教師的事業(yè)編制，以后所從事的專業(yè)不一定與所學(xué)專業(yè)相關(guān)，大多學(xué)生會考慮語文、數(shù)學(xué)、英語等基礎(chǔ)學(xué)科，一部分學(xué)生會考慮美術(shù)、音樂、體育和科學(xué)等學(xué)科，但相對小眾。對于擬從事教學(xué)的這類學(xué)生的培養(yǎng)，在教學(xué)過程中除了掌握必備的基礎(chǔ)知識之外，更注重培養(yǎng)師德、師范以及講、說等組織一堂課的能力。具體實施方式：擬在理論教學(xué)環(huán)節(jié)，選擇知識性、方法性等較為典型的內(nèi)容，設(shè)計準(zhǔn)備一堂課環(huán)節(jié)，指導(dǎo)學(xué)生梳理知識點、查閱文獻(xiàn)、組織課件、策劃互動以及設(shè)計教學(xué)語言等，從多個角度培養(yǎng)學(xué)生組織一堂課的能力。在平時成績的考核方面，也以準(zhǔn)備一堂課為題材，從課堂準(zhǔn)備以及完成的成熟度等方面進(jìn)行評分。

2）針對B類學(xué)生。B類學(xué)生畢業(yè)后擬從事IT行業(yè)，他們多數(shù)是對計算機或者物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)有較為濃厚的興趣，或者對該朝陽產(chǎn)業(yè)有較大的期許，打算在該行業(yè)有所建樹。對于此類學(xué)生，在教學(xué)實踐過程中將更加注重其專業(yè)知識的培養(yǎng)。在實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，擬通過定制或研發(fā)實踐平臺，或者與企業(yè)聯(lián)合培養(yǎng)等方式，設(shè)計應(yīng)用性、綜合性強，更加貼合實際應(yīng)用的實訓(xùn)項目，培養(yǎng)該類學(xué)生直面挫折，實際動手解決具體問題的能力。在平時成績的考核方面，從實訓(xùn)項目完成的態(tài)度、各個模塊實現(xiàn)的成熟度、與小組成員的配合度等方面進(jìn)行綜合測評。

3）針對C類學(xué)生。C類學(xué)生畢業(yè)后擬考研繼續(xù)深造。據(jù)調(diào)研本專業(yè)近四年的學(xué)生考研數(shù)據(jù)，每個班級每年至少1/3的學(xué)生進(jìn)行考研繼續(xù)深造，他們往往認(rèn)為普通本科學(xué)歷并不能滿足當(dāng)前的就業(yè)環(huán)境，抑或高考的時候發(fā)揮失常，沒有考取自己理想的本科院校，想通過考研來提升自己的學(xué)歷資質(zhì)，以便將來能獲取更好的發(fā)展機會。對于此類學(xué)生，注重培養(yǎng)探索未知的能力，面對全然未知的問題，從總體方案、軟硬件設(shè)計以及系統(tǒng)優(yōu)化方面，均進(jìn)行有針對性的指導(dǎo)。在平時成績的考核方面，從態(tài)度、團(tuán)隊成員的配合以及問題的完成度等方面進(jìn)行綜合測評。

4）針對D類學(xué)生。每個班級有個別學(xué)生打算報考公務(wù)員，亦有極個別的學(xué)生對未來尚沒有明確的規(guī)劃，但是基本明確這一部分學(xué)生畢業(yè)后不想再從事本專業(yè)方面的工作。針對此類學(xué)生，在教學(xué)實踐中投入更多的關(guān)注，通過提問等方式進(jìn)行知識的引導(dǎo)，主要強調(diào)他們對基礎(chǔ)知識的把握能力。在實踐環(huán)節(jié)，建議他們積極投入興趣組，配合其他學(xué)生完成相應(yīng)的實踐項目。在平時成績的考查環(huán)節(jié)，以鼓勵為主，從配合的態(tài)度以及投入的精力等方面進(jìn)行綜合測評。

WSN實踐平臺設(shè)計 為了實現(xiàn)梯度化教學(xué)，擬開發(fā)一種能夠服務(wù)于不同應(yīng)用的WSN實踐平臺，結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。WSN實踐平臺包括傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點以及應(yīng)用節(jié)點三大模塊。其中，傳感器節(jié)點模塊主要由一個采集底板和一個ZigBee模塊構(gòu)成，并且根據(jù)需要可以增加傳感器擴(kuò)展板。傳感器節(jié)點在無線ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)既可用作普通傳感器節(jié)點，也可用作無線ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的路由節(jié)點。傳感器節(jié)點主要實現(xiàn)溫度、濕度、流量、距離、電磁噪聲、位移、速度以及振動等信息的采集和數(shù)據(jù)傳輸功能。傳感器將采集到的溫度、流量等信息通過ZigBee無線模塊的射頻部分發(fā)送給路由節(jié)點或者網(wǎng)關(guān)。

圖1 WSN實踐平臺結(jié)構(gòu)框圖

實踐平臺的上層應(yīng)用為用戶提供了多種可選擇的WSN接入方式，諸如采用Mobile通過4G的方式接入，也可以利用PC/便攜設(shè)備通過有線或者Wi-Fi的方式接入。面向不同的應(yīng)用，用戶可以采取不同的接入方式，與不同的傳感器節(jié)點進(jìn)行交互。

實踐教學(xué)設(shè)計 針對四類不同職業(yè)規(guī)劃的學(xué)生，基于WSN實踐平臺擬設(shè)計梯度化的實踐教學(xué)方案。

1）針對A類學(xué)生?？紤]到A類學(xué)生的小學(xué)教育目標(biāo)，在實踐教學(xué)環(huán)節(jié)并不強調(diào)專業(yè)性的設(shè)計，而是針對某一類應(yīng)用項目，請學(xué)生從教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法以及教學(xué)步驟等方面設(shè)計一堂課，并建立教案和課件等教學(xué)文件；進(jìn)一步地，對設(shè)計的一堂課予以實施，最后由受眾對象和教師共同給予評估和考核。

2）針對B類學(xué)生。B類學(xué)生有非常明確的專業(yè)導(dǎo)向，并且對專業(yè)知識也有較高的追求目標(biāo)，尤其是關(guān)注完整地設(shè)計一個小型的應(yīng)用系統(tǒng)，希望能夠熟練掌握整個設(shè)計流程，把握各個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，并能提高實際動手能力。在實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，根據(jù)學(xué)生的需求，設(shè)計較為明確的應(yīng)用任務(wù)n；進(jìn)一步地，引導(dǎo)學(xué)生從易到難，從最小系統(tǒng)到最大系統(tǒng)逐步推進(jìn)，進(jìn)行完整的課程設(shè)計，使學(xué)生明確設(shè)計流程，掌握設(shè)計方法，熟練使用開發(fā)工具。在此基礎(chǔ)上，培養(yǎng)學(xué)生面對問題，通過檢索數(shù)據(jù)庫、查閱文獻(xiàn)等多種手段，分析問題和解決問題的能力。

3）針對C類學(xué)生。C類學(xué)生和B類學(xué)生一樣，也有較為明確的專業(yè)導(dǎo)向，但是相對于B類學(xué)生來說，他們往往更加關(guān)注整個學(xué)科的關(guān)鍵技術(shù)、未來的發(fā)展前景以及學(xué)科之間的交叉問題，從而想探索自己在該領(lǐng)域的研究興趣和重點。在實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，針對某一類應(yīng)用任務(wù)，提出覆蓋性、連通性、網(wǎng)絡(luò)生命期、干擾和競爭以及網(wǎng)絡(luò)延遲等性能指標(biāo)，提出優(yōu)化需求，在此基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生對網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，通過查閱文獻(xiàn)、系統(tǒng)仿真等設(shè)計優(yōu)化方案，提出優(yōu)化算法，進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。針對此類學(xué)生的實踐實施，教師務(wù)必做好引領(lǐng)，同時培養(yǎng)學(xué)生通過關(guān)鍵詞查閱相關(guān)文獻(xiàn)的能力，以及基于文獻(xiàn)資料和仿真實驗數(shù)據(jù)提出優(yōu)化方案的能力。

4）針對D類學(xué)生。由于D類學(xué)生和A類學(xué)生類似，沒有明確的專業(yè)導(dǎo)向，甚至于對未來的職業(yè)也沒有較為清晰的規(guī)劃，對于設(shè)計型的應(yīng)用實踐明顯動力不足。所以，在實踐教學(xué)環(huán)節(jié)鼓勵學(xué)生積極參與B類或C類學(xué)生的設(shè)計任務(wù)，協(xié)調(diào)好他們在項目組中的角色，把握好他們的訴求，通過教學(xué)的不斷推進(jìn)，根據(jù)他們的思想動向以及理解能力動態(tài)地調(diào)整實踐方案。

3 結(jié)語

傳感網(wǎng)原理及應(yīng)用課程在大三上學(xué)期進(jìn)行教學(xué)實踐，這個階段，學(xué)生的思想已經(jīng)相對穩(wěn)定，進(jìn)行個性化的教學(xué)實踐是可行的。但是，外界的影響或者學(xué)習(xí)過程中遇到的困難挫折可能會對學(xué)生的思想造成影響，所以，在具體的教學(xué)實施過程中要及時掌握學(xué)生的思想動向，了解他們的需求以及實際能力，做好動態(tài)的調(diào)整和科學(xué)的規(guī)劃。