《無線傳感網(wǎng)技術(shù)》課程教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程學(xué)院 王勝利

本研究以《無線傳感網(wǎng)技術(shù)》課程為例，結(jié)合高職物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)教學(xué)實(shí)踐，對(duì)課程開設(shè)背景、教學(xué)目的、課程教學(xué)設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究與探討，在課程教學(xué)設(shè)計(jì)中重點(diǎn)對(duì)教學(xué)理念設(shè)計(jì)、教學(xué)策略設(shè)計(jì)、教學(xué)資源設(shè)計(jì)、教學(xué)過程設(shè)計(jì)、考核方式等方面做了分析總結(jié)。

無線傳感網(wǎng)技術(shù)作為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中關(guān)鍵組成部分，在智能家居、智慧小區(qū)、智能工廠、智能農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域日益普遍。無線傳感網(wǎng)技術(shù)不僅給人們的生活帶來諸多便利和樂趣，也對(duì)工農(nóng)業(yè)領(lǐng)域相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到推動(dòng)作用，促進(jìn)了產(chǎn)業(yè)升級(jí)，催生了行業(yè)新業(yè)態(tài)。由此促進(jìn)了各行業(yè)對(duì)無線傳感網(wǎng)技術(shù)人員的需求。為了對(duì)接這種需求，在高職物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)開設(shè)無線傳感網(wǎng)技術(shù)課程顯得尤為必要。本文主要從無線傳感網(wǎng)技術(shù)課程教學(xué)設(shè)計(jì)中涉及的教學(xué)理念設(shè)計(jì)、教學(xué)策略設(shè)計(jì)、教學(xué)資源設(shè)計(jì)、教學(xué)過程設(shè)計(jì)、考核方式以及實(shí)現(xiàn)方法等方面進(jìn)行研究與探討[1]。

1 無線傳感網(wǎng)技術(shù)概述

無線傳感網(wǎng)技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)應(yīng)用非常普遍。無線傳感網(wǎng)技術(shù)是由無線通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)、信息技術(shù)等構(gòu)建起來的一門前沿技術(shù)，其特點(diǎn)是學(xué)科交叉度高、知識(shí)密度大，在目前物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)發(fā)展中應(yīng)用廣泛。無線傳感網(wǎng)絡(luò)通過各種功能傳感器協(xié)同監(jiān)測(cè)環(huán)境信息，并將監(jiān)測(cè)信息采集、加工后，以無線通信的形式發(fā)送給觀察者。無線傳感網(wǎng)絡(luò)的存在，極大的拓寬了人們感知外界環(huán)境的范圍。

一個(gè)典型的無線傳感網(wǎng)系統(tǒng)由無線通信模塊、傳感器模塊、處理器模塊和電源模塊組成。無線通信模塊負(fù)責(zé)系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)模塊之間的無線通信，目前無線傳感網(wǎng)技術(shù)中應(yīng)用到的無線通信技術(shù)主要有NB-IoT、Lora、WiFi、藍(lán)牙、ZigBee、NFC等；傳感器模塊是無線傳感網(wǎng)系統(tǒng)的核心，各種功能的傳感器模塊用來采集環(huán)境信息數(shù)據(jù)并完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；處理器模塊負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)，完成對(duì)采集到的數(shù)據(jù)的加工、存儲(chǔ)；電源模塊負(fù)責(zé)給整個(gè)系統(tǒng)供電。無線傳感網(wǎng)系統(tǒng)是一個(gè)以采集環(huán)境數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)內(nèi)各模塊間具有自組網(wǎng)功能，根據(jù)用戶需求可以組建大小不同的網(wǎng)絡(luò)。

高職物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)開設(shè)的《無線傳感網(wǎng)技術(shù)》課程，以行業(yè)實(shí)際需求出發(fā)，從無線傳感網(wǎng)結(jié)構(gòu)組成、無線傳感網(wǎng)基礎(chǔ)技術(shù)、無線傳感網(wǎng)系統(tǒng)開發(fā)等方面，對(duì)無線傳感網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)全面的介紹。

2 課程設(shè)計(jì)背景

《無線傳感網(wǎng)技術(shù)》是一門以實(shí)踐為主的課程，具有很強(qiáng)的專業(yè)性，專門給物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)二年級(jí)學(xué)生開設(shè)。在學(xué)習(xí)這門課程之前學(xué)生需要先學(xué)習(xí)《電子技術(shù)》、《傳感器技術(shù)》、《單片機(jī)技術(shù)與應(yīng)用》、《計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)》等課程，讓學(xué)生先掌握所需的基礎(chǔ)知識(shí)，為學(xué)習(xí)《無線傳感網(wǎng)技術(shù)》課程打下堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

3 教學(xué)目標(biāo)分析

3.1 知識(shí)目標(biāo)

《無線傳感網(wǎng)技術(shù)》課程的知識(shí)目標(biāo)主要要求學(xué)生掌握：（1）無線傳感網(wǎng)基本組成結(jié)構(gòu)，包括物理層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層的功能及特點(diǎn)；（2）CC2530單片機(jī)開發(fā)，掌握CC2530單片機(jī)GPIO端口、中斷、定時(shí)器、USART接口、ADC模塊等知識(shí)點(diǎn)；（3）ZigBee協(xié)議棧組網(wǎng)應(yīng)用，主要學(xué)習(xí)Z-stack協(xié)議棧的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信、串口透?jìng)鞯戎R(shí)點(diǎn)；（4）BasicRF點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，主要學(xué)習(xí)BasicRF無線通信的原理和基本應(yīng)用；（5）NBIoT無線通信，主要學(xué)習(xí)窄帶物聯(lián)網(wǎng)通信原理和基礎(chǔ)開發(fā)等知識(shí)點(diǎn)；（6）藍(lán)牙無線通信，主要學(xué)習(xí)基于BLE協(xié)議棧的串口通信、數(shù)據(jù)傳輸?shù)戎R(shí)點(diǎn)；（7）GPRS無線通信，主要學(xué)習(xí)撥打電話和收發(fā)短信的原理；（8）WiFi無線通信，主要學(xué)習(xí)通過WiFi實(shí)現(xiàn)服務(wù)器連接、信號(hào)控制等知識(shí)點(diǎn)。在上述知識(shí)點(diǎn)中，還針對(duì)實(shí)操設(shè)計(jì)了典型的實(shí)訓(xùn)任務(wù)，以此加強(qiáng)實(shí)操知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)。

3.2 能力目標(biāo)

《無線傳感網(wǎng)技術(shù)》課程的實(shí)操性很強(qiáng)，在掌握大量理論知識(shí)點(diǎn)的同時(shí)，還要求學(xué)生具備良好的實(shí)操能力。在學(xué)習(xí)完本門課程后，學(xué)生應(yīng)該掌握以下技能：（1）會(huì)搭建無線傳感網(wǎng)開發(fā)環(huán)境，熟練掌握常用開發(fā)軟件，在軟件上會(huì)編寫、下載和調(diào)試程序；（2）熟練掌握CC2530單片機(jī)基本組件的開發(fā)，會(huì)使用CC2350單片機(jī)控制執(zhí)行器，采集傳感器數(shù)據(jù)；（3）能夠基于Z-stack實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信、串口通信、綁定以及簡(jiǎn)單無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；（4）能夠基于BLE協(xié)議實(shí)現(xiàn)串口通信和無線控制；（5）能熟練使用基本AT指令實(shí)現(xiàn)撥打電話和短信收發(fā)；（6）熟練掌握通過WiFi連接服務(wù)器以及通過WiFi控制執(zhí)行器。

3.3 素質(zhì)目標(biāo)

《無線傳感網(wǎng)技術(shù)》課程的素質(zhì)目標(biāo)是：（1）讓學(xué)生能夠掌握無線傳感網(wǎng)系統(tǒng)的軟件編程規(guī)范和項(xiàng)目管理方法，養(yǎng)成良好的工程管理素質(zhì)。（2）養(yǎng)成學(xué)生良好的自主學(xué)習(xí)素養(yǎng)，課程中設(shè)置的大量實(shí)操任務(wù)，都是針對(duì)知識(shí)點(diǎn)應(yīng)用的典型案例，學(xué)生需要自己分析任務(wù)要求，發(fā)現(xiàn)問題、分析問題，最終解決問題，通過這樣的訓(xùn)練，將很好的養(yǎng)成學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，對(duì)學(xué)生想成良好的學(xué)習(xí)素養(yǎng)，大有裨益。（3）逐步養(yǎng)成學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作、互幫互助的習(xí)慣。例如，在開展基于Z-stack的串口透?jìng)鲗?shí)驗(yàn)時(shí)，需要小組間的配合，兩個(gè)實(shí)驗(yàn)小組間要通過協(xié)調(diào)溝通，共同確定實(shí)驗(yàn)參數(shù)才能最終完成實(shí)驗(yàn)，這就要求學(xué)生進(jìn)行有效溝通、相互幫助，共同完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)[2]。

4 課程教學(xué)設(shè)計(jì)

4.1 教學(xué)理念設(shè)計(jì)

本課程實(shí)踐性強(qiáng)，要求學(xué)生具備良好的實(shí)踐動(dòng)手能力，因此在制定《無線傳感網(wǎng)技術(shù)》課程教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)采取教師示范為輔，學(xué)生實(shí)踐為主的教學(xué)模式，在教學(xué)過程中注重對(duì)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力培養(yǎng)。課程實(shí)踐教學(xué)設(shè)計(jì)設(shè)置了系統(tǒng)需求分析、系統(tǒng)硬件原理圖和PCB設(shè)計(jì)、系統(tǒng)軟件編程、系統(tǒng)調(diào)試運(yùn)行等環(huán)節(jié)，并從與生活密切聯(lián)系的無線傳感網(wǎng)應(yīng)用項(xiàng)目出發(fā)，展開系統(tǒng)需求調(diào)研、系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)、確定具體工作任務(wù)等工作，開展學(xué)生實(shí)踐環(huán)節(jié)。

4.2 教學(xué)策略設(shè)計(jì)

本課程采用任務(wù)工單的方式，上課前給學(xué)生布置任務(wù)，讓學(xué)生開展資料查詢，搜集整理相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，為課堂學(xué)習(xí)做好準(zhǔn)備；課堂上分組討論、分組實(shí)訓(xùn)，教師按小組進(jìn)行講授指導(dǎo)并對(duì)學(xué)生實(shí)訓(xùn)情況進(jìn)行評(píng)價(jià)考核，這一過程中，學(xué)生自主開展實(shí)訓(xùn)，教師輔助指導(dǎo)，通過發(fā)現(xiàn)學(xué)生的問題，進(jìn)行針對(duì)性的解答，最后對(duì)學(xué)生實(shí)訓(xùn)過程表現(xiàn)和實(shí)訓(xùn)結(jié)果做出綜合性評(píng)價(jià)?？己嗽u(píng)價(jià)后要求學(xué)生整理課堂教學(xué)內(nèi)容，反思實(shí)訓(xùn)過程中優(yōu)點(diǎn)和不足，做好實(shí)踐實(shí)訓(xùn)總結(jié)。

4.3 教學(xué)資源設(shè)計(jì)

本課程教學(xué)中要用到硬件開發(fā)模塊、嵌入式開發(fā)軟件以及實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)工位裝置等教學(xué)資源。結(jié)合課程內(nèi)容，硬件開發(fā)模塊配備了ZigBee、藍(lán)牙、WiFi等硬件模塊，利用這些模塊開展無線傳感網(wǎng)底層硬件開發(fā)學(xué)習(xí)；軟件開發(fā)環(huán)境主要是IAR開發(fā)環(huán)境，重點(diǎn)開展基于ZigBee的無線傳感網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)編程；在實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)工位裝置上，主要開展智慧農(nóng)業(yè)，智能家居、智慧物業(yè)項(xiàng)目中無線傳感網(wǎng)系統(tǒng)的安裝調(diào)試。

4.4 教學(xué)過程設(shè)計(jì)

《無線傳感網(wǎng)技術(shù)》課程的主要內(nèi)容包括無線傳感網(wǎng)的基本架構(gòu)、無線傳感網(wǎng)通信技術(shù)及應(yīng)用和無線傳感網(wǎng)絡(luò)的傳感器節(jié)點(diǎn)三個(gè)方面[3]。

在無線傳感網(wǎng)的基本架構(gòu)內(nèi)容中，主要講解無線傳感網(wǎng)絡(luò)的定義、產(chǎn)生的歷史背景、系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的挑戰(zhàn)因素等，并舉例講解無線傳感網(wǎng)的典型應(yīng)用案例，讓學(xué)生對(duì)無線傳感網(wǎng)的物理層、MAC協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)層有基本的認(rèn)識(shí)；在無線傳感網(wǎng)通信技術(shù)及應(yīng)用內(nèi)容中[4]，重點(diǎn)介紹RFID、ZigBee、WiFi、Blue-tooth、NB-IoT以及Lora等無線通信技術(shù)，重點(diǎn)學(xué)習(xí)基于ZigBee的無線傳感網(wǎng)設(shè)計(jì)開發(fā)，讓學(xué)生掌握基于各類無線通信技術(shù)的典型無線傳感網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法；在無線傳感網(wǎng)絡(luò)的傳感器節(jié)點(diǎn)內(nèi)容中，主要講解無線傳感器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)架構(gòu)、傳感器子系統(tǒng)、通信接口等內(nèi)容，在實(shí)訓(xùn)中讓學(xué)生利用常用傳感器節(jié)點(diǎn)、通信模塊、數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行項(xiàng)目開發(fā)練習(xí)，提高學(xué)生綜合開發(fā)能力，培養(yǎng)學(xué)生工程素養(yǎng)。具體教學(xué)內(nèi)容如表1所示。實(shí)訓(xùn)任務(wù)中一個(gè)任務(wù)工單的完整流程包括：任務(wù)說明及布置—制定計(jì)劃—決策—任務(wù)實(shí)施—檢查程序文件并質(zhì)詢—考核評(píng)價(jià)—撰寫總結(jié)。

4.5 考核方式

無線傳感網(wǎng)課程考核的目的，主要是督促學(xué)生完成課程教學(xué)任務(wù)，激勵(lì)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，提升實(shí)踐操作能力，養(yǎng)成良好的職業(yè)素養(yǎng)。

本門課程的考核方式主要涉及：（1）過程性考核。重點(diǎn)對(duì)學(xué)生課堂表現(xiàn)考核，包括出勤、課堂提問、課堂紀(jì)律等。通過日?？己说男问?，督促學(xué)生按時(shí)完成任務(wù)，養(yǎng)成良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣。（2）結(jié)果性考核。主要通過開展實(shí)訓(xùn)任務(wù)進(jìn)行考核，包括實(shí)訓(xùn)任務(wù)方案制定、結(jié)果展示、實(shí)訓(xùn)報(bào)告撰寫三個(gè)方面的考核，最后給出實(shí)訓(xùn)綜合成績(jī)，以此反映學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容的掌握情況。（3）工程素養(yǎng)考核。采用小組互評(píng)和教師評(píng)價(jià)的方式，對(duì)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作情況、實(shí)訓(xùn)操作規(guī)范、注意事項(xiàng)等方面開展考核，促進(jìn)學(xué)生工程素養(yǎng)和職業(yè)素質(zhì)的提升。各項(xiàng)考核的占比如表2所示。

表2 考核占比Tab.2 Proportion of assessment

4.6 實(shí)現(xiàn)方法

根據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)及以往教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在課程實(shí)現(xiàn)環(huán)節(jié)主要采用以下三種方式：

（1）教師示范和學(xué)生實(shí)踐相結(jié)合，完成課堂教學(xué)任務(wù)。根據(jù)本課程實(shí)踐性強(qiáng)的特征，在課程設(shè)計(jì)中包含了大量的實(shí)訓(xùn)任務(wù)，因此在教學(xué)過程中，教師首先對(duì)實(shí)訓(xùn)重點(diǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行示范，學(xué)生根據(jù)教師的示范講解，分小組開展實(shí)訓(xùn)練習(xí)，完成課堂學(xué)習(xí)任務(wù)。

（2）開展無線傳感網(wǎng)技術(shù)興趣小組，組織學(xué)生進(jìn)行課外實(shí)踐學(xué)習(xí)。在課堂教學(xué)的基礎(chǔ)上，組織學(xué)生成立無線傳感網(wǎng)技術(shù)興趣小組，由任課教師進(jìn)行指導(dǎo)。指導(dǎo)教師通過設(shè)置一些難度較高、趣味性強(qiáng)的問題，讓學(xué)生在課外進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，提升學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

（3）借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)省賽和國(guó)賽，以賽促教、以賽促學(xué)。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)學(xué)生每年都會(huì)參加物聯(lián)網(wǎng)各類競(jìng)賽，無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)作為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)學(xué)生的重點(diǎn)學(xué)習(xí)內(nèi)容，在物聯(lián)網(wǎng)各類競(jìng)賽試題中也占有重要比重。因此在教學(xué)過程中，一方面，通過《無線傳感網(wǎng)技術(shù)》課程教學(xué)提高學(xué)生競(jìng)賽水平；另一方面，通過總結(jié)競(jìng)賽經(jīng)驗(yàn)，豐富教師教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和教學(xué)能力。形成以賽促教、以賽促學(xué)的良好局面。

5 結(jié)語

本文結(jié)合高職物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)教學(xué)實(shí)踐，對(duì)課程設(shè)計(jì)背景、教學(xué)目標(biāo)和課程教學(xué)設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析研究。在課程教學(xué)設(shè)計(jì)中重點(diǎn)對(duì)教學(xué)理念設(shè)計(jì)、教學(xué)策略設(shè)計(jì)、教學(xué)資源設(shè)計(jì)、教學(xué)過程設(shè)計(jì)、考核方式以及實(shí)現(xiàn)方法等方面進(jìn)行了分析總結(jié)。這門課程的主要特點(diǎn)是實(shí)踐，學(xué)生需要進(jìn)行大量地練習(xí)才能較好地掌握所學(xué)知識(shí)點(diǎn)。今后將進(jìn)一步探索該課程的教學(xué)設(shè)計(jì)模式和教學(xué)策略，為學(xué)生能夠更好的掌握無線傳感網(wǎng)開發(fā)技能，提升學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力儲(chǔ)備教學(xué)經(jīng)驗(yàn)。