尚翠娟，趙生慧，楊軍偉

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應(yīng)用型本科無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實踐課程探討

尚翠娟，趙生慧，楊軍偉

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)廣泛應(yīng)用于生活的各個方面。論文結(jié)合應(yīng)用型本科實踐課程的特點和人才培養(yǎng)目標(biāo)，介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實踐教學(xué)的基本理念、主要內(nèi)容和實施過程。論文提出以興趣為驅(qū)動、以應(yīng)用為導(dǎo)向、以創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)為目標(biāo)的層次性教學(xué)體系，由此提升實踐教學(xué)的課程質(zhì)量和效果，達到人才培養(yǎng)的目標(biāo)。該實踐體系的研究和實施，對于應(yīng)用型本科院校培養(yǎng)學(xué)生自主創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力具有一定的借鑒作用。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；應(yīng)用型；實踐課程

1 研究背景

隨著國家從宏觀上對高等教育進行分類指導(dǎo)，應(yīng)用型教育引起學(xué)術(shù)界的關(guān)注,已成為人們討論的熱點問題。應(yīng)用型本科院校的主要任務(wù)則在于實施應(yīng)用性本科教育,培養(yǎng)大量符合地方經(jīng)濟與社會發(fā)展的需求創(chuàng)新人才[1-2]。因此,要圍繞地方經(jīng)濟發(fā)展和社會發(fā)展的需要進行深入分析調(diào)研,調(diào)整專業(yè)或?qū)I(yè)方向,以靈活實用的課程設(shè)置來培養(yǎng)具有多種技能的學(xué)生。培養(yǎng)應(yīng)用型創(chuàng)新人才不能沿襲傳統(tǒng)的課程體系,而需要構(gòu)建充分反映社會需求,滿足地方、行業(yè)對人才需求的應(yīng)用性課程體系。

我校于2014年成為“安徽省地方應(yīng)用型高水平大學(xué)”建設(shè)學(xué)校，對圍繞本地的經(jīng)濟和社會發(fā)展，積極推動應(yīng)用型專業(yè)和課程建設(shè)。我校物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)也立足于地方的發(fā)展需求，著力建立健全多層次多類型的課程體系和人才培養(yǎng)體系，加強物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用人才的培養(yǎng)。而實驗教學(xué)是學(xué)校培養(yǎng)學(xué)生實踐能力、科研能力等綜合素質(zhì)的重要環(huán)節(jié)，是應(yīng)用型大學(xué)實施素質(zhì)教育不可分割的重要內(nèi)容。但在實際的學(xué)科建設(shè)和發(fā)展過程中發(fā)現(xiàn)，實踐教學(xué)環(huán)節(jié)還存在很多不足之處[3]。在實驗內(nèi)容設(shè)置方面，基礎(chǔ)性實驗教學(xué)內(nèi)容占絕大多數(shù)，而綜合性、設(shè)計性和創(chuàng)新型實驗很少或幾乎沒有。學(xué)生上課僅需按照教師制定的操作方法直接驗證即可，后果是學(xué)生對實驗內(nèi)容缺乏全面理解和認(rèn)識，沒有了積極探索的興趣。為了盡量彌補這些方面的不足，很多學(xué)校就教學(xué)內(nèi)容、課程體系，以及人才培養(yǎng)模式等方面進行改革[4-5]，即從地方應(yīng)用型的高等教育著手，改革實踐教學(xué)內(nèi)容和課程體系。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是計算機網(wǎng)絡(luò)、無線通訊、傳感器應(yīng)用和嵌入式設(shè)備等諸多課程綜合在一起的交叉性學(xué)科。作為一門工程性、實踐性很強的課程，“無線傳感器網(wǎng)絡(luò)”的實驗教學(xué)必須有足夠的開放性和靈活性[6]。其實驗體系的設(shè)計面臨較大挑戰(zhàn)。文獻[6]提出無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)應(yīng)包括驗證型實驗和研究型實驗，強調(diào)應(yīng)根據(jù)課程進度循序漸進、有所側(cè)重、內(nèi)容完整，從最簡單的程序開始，一步一步加強該程序的功能，直到達到網(wǎng)絡(luò)功能完善的目標(biāo)，滿足低功耗、多跳路由的特征。文獻[7]提出除了驗證性實驗和仿真型實驗外，應(yīng)增加設(shè)計型實驗，強調(diào)激發(fā)學(xué)生的興趣。部分學(xué)者結(jié)合院校的優(yōu)勢學(xué)科，也提出了具有專業(yè)特色的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實踐教學(xué)體系，如文獻[8]結(jié)合農(nóng)業(yè)院校的特點，提出了具有農(nóng)業(yè)特色的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實踐項目。

上述研究對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實踐課程的開設(shè)提供很好的基礎(chǔ)和新的視角，具有一定的參考價值。盡管上述研究也提出了培養(yǎng)學(xué)生的興趣和動手能力，但是在實踐內(nèi)容上并未有明顯的體現(xiàn)。隨著國家對學(xué)生應(yīng)用能力的強調(diào)，實踐課程不僅要求學(xué)生撐握課程知識，更希望學(xué)生具體創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力，能夠?qū)W以致用。本研究提出以興趣為驅(qū)動、以應(yīng)用為導(dǎo)向、以創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)為目標(biāo)，結(jié)合我?！暗胤綉?yīng)用型”的辦法定位，對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)課程的實踐教學(xué)進行研究和探討。本文主要就實踐教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計以及教學(xué)過程的實施這兩個方面進行介紹，并對重點實踐內(nèi)容進行深入剖析。

2 實踐教學(xué)內(nèi)容的分層設(shè)計

本研究以我校物聯(lián)網(wǎng)重點專業(yè)建設(shè)為依托，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的各類學(xué)科競賽如安徽省物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用大賽、全國高校物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用創(chuàng)新大賽等，對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實踐教學(xué)內(nèi)容進行探討和設(shè)計，主要引導(dǎo)學(xué)生自主性地進行創(chuàng)新性研究，鍛煉實踐動手能力。無線傳感網(wǎng)實踐課程主要面向我校物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)及其他信息類專業(yè)的二年級、三年級本科生，還有部分學(xué)習(xí)、動手能力較好的一年級新生，因此在教學(xué)內(nèi)容方面，我們采用分層的設(shè)計方法，設(shè)計三套面向不同層次學(xué)生的實驗教學(xué)內(nèi)容，主要包括興趣型、應(yīng)用型和研創(chuàng)型，如表1所示。

表1 層次型實踐教學(xué)體系

興趣型實踐教學(xué)選擇較為簡單、可快速上手的硬件，實踐內(nèi)容多以趣味性的小實驗為主，實驗?zāi)繕?biāo)是讓學(xué)生了解較多的硬件芯片，并體會到實踐出成果的成就感，激發(fā)學(xué)生進一步學(xué)習(xí)的興趣；應(yīng)用型實踐教學(xué)需要配套基礎(chǔ)理論教學(xué)，選擇性能較好的硬件資源，實踐項目以生活中的應(yīng)用實例為主，強調(diào)實驗項目的系統(tǒng)性、完整性和實用性，讓學(xué)生明白“學(xué)以致用”；研創(chuàng)型實踐教學(xué)需要深入無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的理論知識，要探討應(yīng)用型實踐教學(xué)中的技術(shù)性問題，強調(diào)學(xué)校中的實驗和生活中的產(chǎn)業(yè)化之間的區(qū)別，把實驗做的更深入、更實用。

2.1 興趣型實踐教學(xué)

在興趣型實踐教學(xué)中，我們不區(qū)分專業(yè)和年級的差異，只要有基本的計算機編程基礎(chǔ)，都可以進行無線傳感器網(wǎng)絡(luò)興趣型實驗的實驗培訓(xùn)。但每一個實驗項目都要求學(xué)生能夠移植和修改基本實驗教學(xué)中所涉及到的功能程序。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)興趣型實驗教學(xué)一共開設(shè)五個實驗項目，具體為：(1)開發(fā)環(huán)境的搭建和實驗設(shè)備的熟悉；(2)各種傳感器(溫度、濕度、光照、紅外線)節(jié)點的使用；(3)串行數(shù)據(jù)通信實驗；(4)無線通信實驗(藍牙、XBee)；(5)綜合性實驗，學(xué)生組隊完成，實現(xiàn)至少兩個節(jié)點之間的無線通信，并通過串口將數(shù)據(jù)傳輸至電腦端。

實驗一到實驗四屬于驗證性實驗，讓學(xué)生了解并熟悉搭建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一些常見硬件模塊。實驗五要求學(xué)生針對一些應(yīng)用性的小場景完成各種硬件的綜合使用，實驗會給出一些固定的應(yīng)用題目供學(xué)生選擇，如智能小門鈴、智能溫控、智能燈控等，學(xué)生也可以自己設(shè)計一些創(chuàng)新性的實驗題目。

興趣型實驗內(nèi)容整體上難度較低，不需要深入掌握無線傳感器網(wǎng)絡(luò)理論知識的基礎(chǔ)上，也可以完成實驗所設(shè)定的內(nèi)容。實驗四相對來講有一些難度，需要學(xué)生了解一些網(wǎng)絡(luò)的基本知識、無線傳輸技術(shù)經(jīng)及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，學(xué)生才能更好地理解實驗內(nèi)容。實驗五幫助學(xué)生認(rèn)識專業(yè)知識在實際生活中的應(yīng)用，進而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新能力。興趣型實驗采用了較為簡單的Arduino開發(fā)套件，包含一塊Arduino主開發(fā)板、若干各類的傳感器和各類小配件，此外還配備了兩款無線通信模塊，即HC-05藍牙主從一體模塊和支持Zigbee協(xié)議的XBee模塊。實驗主要設(shè)備如圖1所示。

圖1 Arduino開發(fā)套件

2.2 應(yīng)用型實踐教學(xué)

通過興趣型實踐教學(xué)的學(xué)習(xí)，學(xué)生基本上對感知、無線通信、嵌入式編程有了感性的認(rèn)識，并具備了使用多種硬件模塊并進行軟件編程的能力。但這些知識還沒有系統(tǒng)、深入地觸及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本理論，達不到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實踐課程的培養(yǎng)目標(biāo)。

應(yīng)用型實踐教學(xué)需要配套無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的理論教學(xué)，理論教學(xué)的內(nèi)容包括無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定義、硬件平臺、軟件平臺、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和主要應(yīng)用等。理論教學(xué)希望可以幫助學(xué)生對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有較為系統(tǒng)的理解，從最開始直觀的硬件操作上升到一定的理論程度，同時讓學(xué)生了解無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的無限可能，這種無限可能包括了各種硬件平臺、各種軟件平臺和無所不在的應(yīng)用。在應(yīng)用型實踐教學(xué)中，我們選用了GEN-0200B型號的傳感器節(jié)點，該節(jié)點的處理器使用TI公司的MSP430F1611，射頻模塊為CC2420，集成了可見光傳感器S1087和濕度傳感器SHT11，并搭載TinyOS操作系統(tǒng)。在理論教學(xué)中的軟件平臺部分，以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)TinyOS為主，介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的操作系統(tǒng)，并重點講解了nesC編程語言。本部分主要包括TinyOS的結(jié)構(gòu)化概念和執(zhí)行模型、nesC基本語法規(guī)則，以及應(yīng)用nesC語言進行組件化編程的基本技術(shù)。

應(yīng)用型實踐教學(xué)主要分為兩部分內(nèi)容，第一部分為基礎(chǔ)實驗，第二部分為應(yīng)用項目實驗。基礎(chǔ)實驗開設(shè)四個實驗項目，具體如表2所示。需要特別指出的是實驗四的內(nèi)容是選修內(nèi)容，這是考慮到部分學(xué)生有可能在學(xué)習(xí)本門課程前已經(jīng)學(xué)習(xí)過高級應(yīng)用編程，并可進行面向用戶的應(yīng)用開發(fā)。若不具備使用高級編程語言和數(shù)據(jù)庫的能力，實驗四將安排基于C#和MYSQL的簡單應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)實驗，確保學(xué)生可以完成后續(xù)實驗內(nèi)容。

在學(xué)生熟悉了硬件平臺和軟件開發(fā)環(huán)境后，學(xué)生通過小組協(xié)作的方式開展應(yīng)用項目實驗。應(yīng)用項目實驗結(jié)合生活中的一些應(yīng)用場景，設(shè)計一些創(chuàng)新型的實驗項目，由3人小組共同完成。應(yīng)用項目實驗中有多項題目可供選擇，如表2所示。這些題目涉及到智能農(nóng)業(yè)、智能家居、智能電網(wǎng)、智能交通等多個領(lǐng)域，并和實際生活息息相關(guān)。應(yīng)用實驗項目不局限于這些題目，鼓勵學(xué)生自己有更好的想法、更多的創(chuàng)新。

表2 應(yīng)用型實踐教學(xué)內(nèi)容

通過應(yīng)用型實踐教學(xué)的訓(xùn)練，學(xué)生不僅加深了對理論知識的理解和掌握，也在實踐過程中學(xué)會了如何運用理論知識解決實際問題，學(xué)生的主動思考能力、主動解決問題能力、團隊協(xié)作能力都可以得到鍛煉。

2.3 研創(chuàng)型實踐教學(xué)

高校積極響應(yīng)國家倡導(dǎo)的高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育，因此實踐教學(xué)課堂鼓勵學(xué)生由創(chuàng)新向創(chuàng)業(yè)發(fā)展。應(yīng)用型實踐項目的開展，可以激發(fā)創(chuàng)業(yè)靈感。但是由創(chuàng)新向創(chuàng)業(yè)轉(zhuǎn)變，將不可避免遇到一些作為學(xué)生可能不曾深入考慮的問題，如無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)能問題、網(wǎng)絡(luò)路由問題等。由于在實驗環(huán)境中的實踐項目并未真實模擬現(xiàn)實場景，很多問題都被忽略。如果將創(chuàng)新性實踐項目向創(chuàng)業(yè)轉(zhuǎn)變，則需要更為深入地去探討實際應(yīng)用中的技術(shù)性問題。

針對上述問題，研創(chuàng)型實踐教學(xué)就無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在工程實施中遇到的一些共性問題對學(xué)生進行指導(dǎo)。研創(chuàng)型實驗教學(xué)一共開設(shè)四個實驗項目，具體為：(1)WSN覆蓋實驗；(2)WSN路由協(xié)議實驗；(3)WSN節(jié)能實驗；(4)WSN安全技術(shù)實驗。上述實驗項目在應(yīng)用型實驗項目的基礎(chǔ)上完成，采用相同的硬件平臺和軟件平臺。

3 實踐教學(xué)過程的實施

目前我院在重點建設(shè)物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的過程中，購置了多套傳感器設(shè)備，并構(gòu)建了物聯(lián)網(wǎng)實驗室。實驗室不僅為物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的學(xué)生提供了實踐課程的平臺，也面向全院學(xué)生進行物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的實踐。實踐教學(xué)的實施結(jié)合了我院開設(shè)的導(dǎo)論性課程、專業(yè)課程和各種實踐環(huán)節(jié)，具體的實施情況如下。

興趣性實踐教學(xué)作為我院開設(shè)的“物聯(lián)網(wǎng)導(dǎo)論”課程相配套的實驗課程，5個實驗項目， 16個學(xué)時。除此之外，我校在暑假期間開設(shè)小學(xué)期，興趣性實踐教學(xué)也作為特色實踐課程，向全校開放。在興趣性實踐中，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)生活中可創(chuàng)新的地方，組織學(xué)生團隊協(xié)作完成興趣性實踐教學(xué)中綜合性實踐項目。為鼓勵學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和創(chuàng)新欲望，在課程結(jié)束時，由老師組織實踐項目的答辯，并根據(jù)學(xué)生的項目完成、文檔撰寫和現(xiàn)場答辯情況，評選出優(yōu)秀團隊。一方面，根據(jù)學(xué)院規(guī)定給出相應(yīng)獎勵；另一方面，組織相應(yīng)的學(xué)生團隊參加各種物聯(lián)網(wǎng)比賽，如安徽高校物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用創(chuàng)新大賽、全國高校物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用創(chuàng)新大賽等。

應(yīng)用型實踐教學(xué)作為我院開設(shè)的“無線傳感器網(wǎng)絡(luò)”課程相對應(yīng)的實踐課程，第一部分基礎(chǔ)實驗，18個學(xué)時?；A(chǔ)性實驗人手一套實驗設(shè)備，對學(xué)生的實驗過程、實驗完成情況進行考核。第二部分應(yīng)用項目實驗安排在課程結(jié)束后，以課程設(shè)計的形式開展，為期一周，1個學(xué)分。應(yīng)用項目實驗要求學(xué)生組隊完成，小組選題后指定一名指導(dǎo)老師進行輔導(dǎo)。一周后，所有小組應(yīng)提交相應(yīng)的可執(zhí)行的源程序和文檔報告，并以答辯的形式向所有指導(dǎo)教師報告所做主要工作。各項內(nèi)容所占最終考核成績的百分比如下：過程考核成績占總成績的20%；系統(tǒng)完成占總成績的30%；文檔占總成績的30%；現(xiàn)場答辯占總成績的20% 。

研創(chuàng)性實踐教學(xué)以學(xué)年設(shè)計的形式開展，為期2周，2個學(xué)分。研創(chuàng)性實驗同樣要求學(xué)生組隊完成，考核方式與應(yīng)用性實驗類似。但在研創(chuàng)性實驗一方面要求學(xué)生在技術(shù)上更深入，另一方面要求學(xué)生考慮創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的可行性。

目前，學(xué)生對該實踐教學(xué)的評價普遍較好，認(rèn)為該教學(xué)實踐能提高學(xué)科知識的學(xué)習(xí)能力、分析問題和解決問題的能力，以及團隊成員溝通交流的能力。同時鼓勵學(xué)生參加各種學(xué)科競賽，部分作品在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用相關(guān)競賽中取得了不錯的成績。其中智能廚房監(jiān)測系統(tǒng)完成了廚房環(huán)境數(shù)據(jù)和用戶的廚房行為數(shù)據(jù)，如氣體濃度、用戶進出廚房的次數(shù)、用水情況等數(shù)據(jù)的采集， 并實現(xiàn)了實時分析數(shù)據(jù)、有害氣體警報的功能，系統(tǒng)截圖如圖2所示。

圖2 智能廚房監(jiān)測系統(tǒng)

4 總結(jié)

對于地方性應(yīng)用型高等院校而言，培養(yǎng)學(xué)生的自主創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力、服務(wù)于地方是一項重要任務(wù)。順應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高速發(fā)展及在生活方面的廣泛應(yīng)用，本文以滁州學(xué)院物聯(lián)網(wǎng)工程重點專業(yè)建設(shè)為依托，以專業(yè)課程綜合實訓(xùn)為參考，結(jié)合我校多個優(yōu)勢學(xué)科資源，開設(shè)不同層次的實驗子項目，供不同專業(yè)、不同年級的學(xué)生選擇，訓(xùn)練學(xué)生運用熟練掌握的專業(yè)知識去分析實際生活中的應(yīng)用問題，同時從技術(shù)層面上提出問題解決方案的能力，培養(yǎng)信息類專業(yè)的學(xué)生了解、掌握和應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域知識的能力，以及相關(guān)專業(yè)學(xué)生應(yīng)用計算思維解決綜合性專業(yè)領(lǐng)域問題的能力，有利于學(xué)生從整體上掌握知識，促進學(xué)生創(chuàng)新能力的發(fā)展。實踐證明，該課程提高了學(xué)生的實踐動力能力，改變了傳統(tǒng)的實踐教學(xué)模式，實現(xiàn)了從驗證式教學(xué)模式向應(yīng)用創(chuàng)新型教學(xué)模式的過渡，對培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力有非常重要的意義。

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責(zé)任編輯：李應(yīng)青

G642

A

1673-1794(2016)05-0128-04

尚翠娟，滁州學(xué)院計算機與信息工程學(xué)院助教，碩士；趙生慧，滁州學(xué)院計算機與信息工程學(xué)院教授；楊軍偉，滁州供電公司(安徽 滁州 239000)。

安徽省教育廳省級質(zhì)量工程項目：物聯(lián)網(wǎng)工程特色專業(yè)(2014tszy031)；網(wǎng)絡(luò)工程虛擬仿真實驗教學(xué)中心(2014xnzx020)；滁州學(xué)院質(zhì)量工程項目：物聯(lián)網(wǎng)工程實踐教學(xué)中心(2014sfzx01)；面向老人健康照護的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實踐項目設(shè)計(2015jyy007)

2016-05-14