李　濰， 許　強(qiáng)

(東南大學(xué) 儀器科學(xué)與工程學(xué)院， 江蘇 南京210096)

0　引言

隨著半導(dǎo)體技術(shù)、傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)以及通信技術(shù)的飛速發(fā)展，具有感知、計(jì)算、存儲(chǔ)和通信能力的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛[1]?！盁o(wú)線傳感網(wǎng)及其應(yīng)用”課程已成為測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)方向的一門重要的選修課。該課程對(duì)學(xué)生提高測(cè)控系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)水平具有很好的培養(yǎng)作用。提高該課程的教學(xué)質(zhì)量，能夠讓學(xué)生切實(shí)地掌握測(cè)控系統(tǒng)的智能化、自動(dòng)化和網(wǎng)絡(luò)化的技術(shù)，提高我國(guó)的相關(guān)領(lǐng)域?qū)I(yè)人才的設(shè)計(jì)水平。

為進(jìn)一步加強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐能力與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，本文提出構(gòu)建全新的無(wú)線傳感網(wǎng)及其應(yīng)用教學(xué)實(shí)踐平臺(tái)這一教學(xué)研究與改革課題。該平臺(tái)以創(chuàng)新為導(dǎo)向，以應(yīng)用為背景，創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)模式。該平臺(tái)將在很大程度上改變以教師為中心，學(xué)生被動(dòng)接受知識(shí)的傳統(tǒng)教學(xué)模式，深入加強(qiáng)實(shí)踐創(chuàng)新教育，實(shí)現(xiàn)演示型教學(xué)、同步課程實(shí)驗(yàn)、SRTP(Student Research Training Program)項(xiàng)目與相關(guān)設(shè)計(jì)競(jìng)賽四合一創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)模式。

1　現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題

在“無(wú)線傳感網(wǎng)及應(yīng)用”教學(xué)實(shí)踐平臺(tái)構(gòu)建之前，該課程的實(shí)踐教學(xué)主要存在以下問(wèn)題：

1) 實(shí)踐時(shí)間不足

“無(wú)線傳感網(wǎng)及其應(yīng)用”課程理論內(nèi)容龐雜，涉及面廣。在教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生通常較難理解、消化相關(guān)知識(shí)，尤其是在只進(jìn)行課本講授的情況下。只有增加實(shí)踐的時(shí)間與機(jī)會(huì)，學(xué)生才能夠全面綜合地把握相關(guān)的理論知識(shí)。但在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，實(shí)踐教學(xué)安排的時(shí)間卻很少。

2) 缺少應(yīng)用機(jī)會(huì)，技能儲(chǔ)備不足

傳統(tǒng)模式的教學(xué)中，簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)教學(xué)不足以激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新能力和應(yīng)用水平。企業(yè)單位需要具有廣而深的“T” 字型人才，為了適應(yīng)企業(yè)人才需求和技術(shù)發(fā)展，應(yīng)籌備、開展無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)競(jìng)賽等應(yīng)用活動(dòng)。

3) 技術(shù)更新快，企業(yè)需求日新月異

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一門新興技術(shù)，具有理論發(fā)展快、技術(shù)革新快的特點(diǎn)，若不對(duì)技術(shù)前沿進(jìn)行追蹤，閉目塞聽，則會(huì)阻礙該領(lǐng)域的人才培養(yǎng)。

2　無(wú)線傳感網(wǎng)應(yīng)用教學(xué)實(shí)踐平臺(tái)

2.1　平臺(tái)宗旨

無(wú)線傳感網(wǎng)及其應(yīng)用教學(xué)實(shí)踐平臺(tái)的構(gòu)建以增強(qiáng)學(xué)生對(duì)該課程知識(shí)的理解與掌握為出發(fā)點(diǎn)，進(jìn)行科研與教學(xué)多方面互動(dòng)，挖掘?qū)W生實(shí)踐創(chuàng)新的潛力。在該平臺(tái)上開展的各項(xiàng)活動(dòng)能使學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣得到激發(fā)，對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)知識(shí)建立起直觀概念，奠定進(jìn)一步學(xué)習(xí)和實(shí)踐的基礎(chǔ)。例如：進(jìn)行深淺得當(dāng)?shù)南嚓P(guān)實(shí)驗(yàn)以面向不同層次的學(xué)生，通過(guò)對(duì)編程接口和應(yīng)用函數(shù)的學(xué)習(xí)，提高學(xué)生的動(dòng)手能力和科研素養(yǎng)；組織學(xué)生參與各類無(wú)線傳感網(wǎng)相關(guān)的應(yīng)用比賽如SRTP項(xiàng)目、畢業(yè)設(shè)計(jì)和創(chuàng)新設(shè)計(jì)等競(jìng)賽，進(jìn)一步提高學(xué)生的動(dòng)手能力，為未來(lái)的工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2.2　平臺(tái)任務(wù)

本文提出的基于無(wú)線傳感網(wǎng)及其應(yīng)用的教學(xué)實(shí)踐平臺(tái)采用包括演示型教學(xué)、同步課程實(shí)驗(yàn)、SRTP項(xiàng)目和相關(guān)設(shè)計(jì)競(jìng)賽的“四合一”的教學(xué)模式。

(1)演示型教學(xué)旨在讓學(xué)生對(duì)課本知識(shí)快速建立直觀概念，為課本教學(xué)提供知識(shí)儲(chǔ)備，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。

(2)同步課程實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中，讓學(xué)生自己動(dòng)手，完成課程的各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，由淺入深，綜合分析實(shí)驗(yàn)的硬件、軟件部分的工作流程，達(dá)到可以自己動(dòng)手實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)單功能的程度。

(3)參加SRTP項(xiàng)目環(huán)節(jié)為學(xué)生提供了進(jìn)一步了解、學(xué)習(xí)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)知識(shí)并且充分發(fā)揮自己的動(dòng)手能力的機(jī)會(huì)。在此過(guò)程中，學(xué)生通過(guò)自行查找文獻(xiàn)，挖掘無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域中創(chuàng)新的應(yīng)用點(diǎn)，將自己的知識(shí)儲(chǔ)備付諸于現(xiàn)實(shí)，進(jìn)而完成由課堂學(xué)習(xí)到課外研學(xué)的轉(zhuǎn)變。

(4)相關(guān)設(shè)計(jì)競(jìng)賽環(huán)節(jié)與SRTP項(xiàng)目雖同為課外研學(xué)的過(guò)程，但對(duì)學(xué)生提出了更高的要求，以競(jìng)賽來(lái)激發(fā)、促進(jìn)學(xué)生的創(chuàng)造力和創(chuàng)新能力，在同臺(tái)競(jìng)技中，學(xué)生會(huì)在理論知識(shí)，實(shí)踐水平和心理素質(zhì)方面得到全方位的提高，進(jìn)而達(dá)到培養(yǎng)具有科學(xué)素養(yǎng)的應(yīng)用型人才的目的。

圖1　“四合一”教學(xué)模式

3　教學(xué)實(shí)踐平臺(tái)實(shí)施要點(diǎn)

3.1　在平臺(tái)上進(jìn)行教學(xué)演示

本課程選用文獻(xiàn)[2]作為教材，該教材的組織架構(gòu)如圖2所示。該教學(xué)實(shí)踐平臺(tái)使用CVT-IOT教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)以及相應(yīng)的仿真程序(如路由協(xié)議研究，MAC協(xié)議研究，時(shí)間同步技術(shù)研究)給學(xué)生提供基本的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和背景知識(shí)。在傳感器網(wǎng)絡(luò)的各技術(shù)分支中，學(xué)生可以選擇一個(gè)切入點(diǎn)，通過(guò)在平臺(tái)上進(jìn)行實(shí)踐，梳理理論知識(shí)，了解技術(shù)中的具體方法和流程，從而有助于理解理論知識(shí)，最后通過(guò)小組展示的方式分享學(xué)習(xí)心得，達(dá)到“深入一點(diǎn)，了解全局”的目的。

圖2　文獻(xiàn)[2]組織架構(gòu)

3.2　在平臺(tái)上進(jìn)行課程實(shí)驗(yàn)

1)項(xiàng)目教學(xué)

上世紀(jì)末，課程改革中的學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變成為世界性的熱點(diǎn)問(wèn)題。采用項(xiàng)目教學(xué)法可以使學(xué)生成為課堂的主人，教師主要輔助指導(dǎo)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐[3]，項(xiàng)目教學(xué)的思想如圖3所示。

資訊階段，教師對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行詳細(xì)的介紹，讓學(xué)生了解項(xiàng)目，并進(jìn)行相關(guān)預(yù)研工作；

決策階段，師生進(jìn)一步溝通并確定分工；

計(jì)劃階段，對(duì)工作步驟進(jìn)行細(xì)致的規(guī)劃，收集完成項(xiàng)目的軟硬件資源；

實(shí)施階段，學(xué)生進(jìn)行研究工作；

檢查階段，教師檢查、督促學(xué)生工作，確保任務(wù)按時(shí)按量完成；

評(píng)估階段，教師對(duì)學(xué)生工作進(jìn)行總結(jié)和評(píng)價(jià)，學(xué)生自評(píng)。

在此流程中，學(xué)生的探索能力被激發(fā)，通過(guò)實(shí)踐來(lái)加深知識(shí)的理解，并達(dá)到應(yīng)用的最終目的。本平臺(tái)采用自選項(xiàng)目與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

圖3　項(xiàng)目教學(xué)框圖

2)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)與選擇

為了讓學(xué)生更容易接受無(wú)線傳感網(wǎng)的軟硬件知識(shí)，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行精心設(shè)計(jì)是十分重要的。本平臺(tái)選擇可操作性強(qiáng)，難度適中的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

(1)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)部分，如LED、按鍵、定時(shí)器、中斷、串口和AD轉(zhuǎn)換等實(shí)驗(yàn)。將CC2530芯片當(dāng)作單片機(jī)來(lái)使用。利用學(xué)生擁有的單片機(jī)相關(guān)知識(shí)儲(chǔ)備，來(lái)引導(dǎo)其進(jìn)入無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域。

(2)高級(jí)實(shí)驗(yàn)部分，即協(xié)議棧相關(guān)實(shí)驗(yàn)部分。協(xié)議棧是學(xué)習(xí)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的難點(diǎn)，本平臺(tái)設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)來(lái)讓學(xué)生了解協(xié)議棧，如簡(jiǎn)單無(wú)線收發(fā)、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信、組網(wǎng)等，了解OSAL((Operating System Abstraction Layer))的基本工作流程，從信息傳遞的流程角度來(lái)理解協(xié)議棧。

(3)自選項(xiàng)目部分，通過(guò)給定一些基本的項(xiàng)目應(yīng)用題目，如基于ZIGBEE技術(shù)的橋梁振動(dòng)監(jiān)測(cè)，基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)等，啟發(fā)學(xué)生自行擬定應(yīng)用背景，參閱相關(guān)文獻(xiàn)，完善知識(shí)體系，獨(dú)立完成一個(gè)小型項(xiàng)目。

3)實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)包括演示實(shí)驗(yàn)和同步課程實(shí)驗(yàn)。

演示實(shí)驗(yàn)可以啟發(fā)學(xué)生積極思維，通過(guò)一邊演示，一邊討論的方法加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解。但考慮到課時(shí)安排的限制，僅挑選具有代表性的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行演示，占實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的25%。

同步課程實(shí)驗(yàn)采用的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、高級(jí)實(shí)驗(yàn)與自選項(xiàng)目環(huán)節(jié)相結(jié)合的方案旨在循序漸進(jìn)地提高學(xué)生的實(shí)踐能力，共占實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的75%。具體實(shí)驗(yàn)方案如表1所示。

表1　實(shí)驗(yàn)方案

4)考核方式

考核部分采用基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)(30%)，高級(jí)實(shí)驗(yàn)(30%)，自選項(xiàng)目(30%)，平時(shí)表現(xiàn)(10%)考核相結(jié)合的方式進(jìn)行。其中基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)與高級(jí)實(shí)驗(yàn)兩部分采用現(xiàn)場(chǎng)考核的方式，要求學(xué)生在規(guī)定時(shí)間內(nèi)復(fù)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)效果。針對(duì)自選項(xiàng)目，學(xué)生自行擬定題目，在2-3周內(nèi)完成。自選項(xiàng)目對(duì)學(xué)生的綜合能力要求較高，更能體現(xiàn)個(gè)人創(chuàng)新能力，因此占比較大。2015-2016年度以及2016-2017年度本課程的學(xué)生成績(jī)分布如圖4所示。

3.3　SRTP項(xiàng)目與相關(guān)設(shè)計(jì)競(jìng)賽

學(xué)生通過(guò)SRTP項(xiàng)目和相關(guān)設(shè)計(jì)競(jìng)賽這一環(huán)節(jié)可以全方位地了解無(wú)線傳感網(wǎng)相關(guān)技術(shù)以及最新動(dòng)態(tài)。在本平臺(tái)上，學(xué)生積累了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的軟硬件設(shè)計(jì)的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，并在此平臺(tái)的軟硬件的基礎(chǔ)上，以創(chuàng)新為導(dǎo)向，結(jié)合應(yīng)用背景，做了進(jìn)一步的探索。(李濰等文)

探索獲得了一些成果。部分成果示于表2。

圖4　學(xué)生成績(jī)分布

學(xué)生成果形式蔡志鵬,朱靖達(dá),張翔宇競(jìng)賽獲獎(jiǎng):全國(guó)第二屆大學(xué)生生物醫(yī)學(xué)工程創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽自選組二等獎(jiǎng)李嘉杰,陳思維,王雅馨,李漢,柴川頁(yè)校級(jí)SRTP項(xiàng)目:穿戴式心電信號(hào)處理與分類方法研究矯俊鵬,袁金,徐劍,張港,陳伯倫院級(jí)SRTP項(xiàng)目:衣物結(jié)合的心電穿戴系統(tǒng)

4　結(jié)語(yǔ)

本文介紹的無(wú)線傳感網(wǎng)及其應(yīng)用教學(xué)實(shí)踐平臺(tái)，以創(chuàng)新為導(dǎo)向，以應(yīng)用為背景，創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)模式，采用了演示型教學(xué)、同步課程實(shí)驗(yàn)、SRTP項(xiàng)目與相關(guān)設(shè)計(jì)競(jìng)賽相結(jié)合的方法。該平臺(tái)在2015-2016年度，2016-2017年度的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)課程與相關(guān)競(jìng)賽和SRTP項(xiàng)目的實(shí)施效果證明，它有利于調(diào)動(dòng)學(xué)生在學(xué)習(xí)中的主動(dòng)性和積極性，鍛煉學(xué)生的無(wú)線傳感網(wǎng)應(yīng)用能力，可以切實(shí)提高學(xué)生的動(dòng)手能力。

參考文獻(xiàn)：

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