高麗麗

摘? 要 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)課程具有實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)，為提高學(xué)生實(shí)踐能力，在課程教學(xué)過程中改變了以講授知識(shí)點(diǎn)為主的教學(xué)方法，而是從實(shí)際問題出發(fā)，以實(shí)踐項(xiàng)目為主線，理論教學(xué)為輔助。實(shí)踐教學(xué)項(xiàng)目分為基礎(chǔ)、綜合和創(chuàng)新三個(gè)層次。經(jīng)過教學(xué)過程檢驗(yàn)，達(dá)到提高學(xué)生實(shí)踐能力、激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的目的。

關(guān)鍵詞 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò);實(shí)踐能力;項(xiàng)目教學(xué);物聯(lián)網(wǎng);實(shí)踐教學(xué);通信工程專業(yè);ZigBee;Z-Stack

中圖分類號(hào)：G642.0? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2018）20-0075-03

Teaching Reform of Wireless Sensor Network Course Aiming at Improving Practical Ability//GAO Lili

Abstract The wireless sensor network course has strong practical characteristics， and in order to improve students' practical ability， the

teaching method based on the teaching point has been changed in the

course. It is based on practical problems， with practical projects as

the main line and theoretical teaching as an aid. The practical tea-ching project is divided into three levels： foundation， synthesis and

innovation. After the examination of the teaching process， the pur-

pose of improving students' practical ability and stimulating students'

interest in learning has been achieved.

Key words wireless sensor network; practical ability; project tea-ching; internet of things; practice teaching; communication engi-neering speciality; ZigBee; Z-Stack

1 引言

物聯(lián)網(wǎng)的三大支撐技術(shù)分別是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wire-

less Sensor Network，WSN）、射頻識(shí)別（Radio Frequency

Identification，RFID）和云計(jì)算（Cloud Computing）。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在國(guó)際上被認(rèn)為是繼互聯(lián)網(wǎng)之后的第二大網(wǎng)絡(luò)，美國(guó)《技術(shù)評(píng)論》雜志2003年評(píng)出的將對(duì)人類未來(lái)生活產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響的十大新興技術(shù)中，傳感器網(wǎng)絡(luò)被列為第一[1]。

對(duì)于通信類專業(yè)的學(xué)生來(lái)說(shuō)，通過學(xué)習(xí)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)課程，可以深入探索物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)[2]。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)課程具備很強(qiáng)的實(shí)踐性和工程性，而且從物理感知到面向應(yīng)用，涉及多門學(xué)科，內(nèi)容多、難度大[3-4]，為提高學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力，培養(yǎng)應(yīng)用型人才，必須加強(qiáng)課程體系和實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容的建設(shè)。

2 課程當(dāng)前存在的問題

隨著國(guó)家對(duì)高等教育在宏觀上進(jìn)行分類指導(dǎo)，應(yīng)用型教育越來(lái)越引起關(guān)注，已成為人們討論的熱點(diǎn)問題。內(nèi)蒙古科技大學(xué)通信工程專業(yè)的教學(xué)定位已逐漸轉(zhuǎn)變到圍繞本地的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展，積極推動(dòng)應(yīng)用型專業(yè)和課程的建設(shè)。通信工程專業(yè)新修訂的培養(yǎng)方案明確指出：重視學(xué)生課外創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，著力提高學(xué)生的工程意識(shí)、工程素質(zhì)和工程實(shí)踐能力，為內(nèi)蒙古自治區(qū)通信行業(yè)培養(yǎng)造就一批具有創(chuàng)新精神、團(tuán)隊(duì)意識(shí)的高素質(zhì)應(yīng)用型人才。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)課程作為通信工程專業(yè)的專業(yè)課程，秉承這一思想，以提高學(xué)生的實(shí)踐能力為目標(biāo)，加強(qiáng)培養(yǎng)物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新應(yīng)用型人才。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)課程開設(shè)在大四的第一學(xué)期。對(duì)于高年級(jí)學(xué)生，為了加強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐能力，專業(yè)課程的教授應(yīng)該有別于基礎(chǔ)課程。教師應(yīng)該更多地強(qiáng)調(diào)掌握研究科學(xué)問題的方法，而不是單純地進(jìn)行知識(shí)點(diǎn)講授;應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生去關(guān)注前沿?zé)狳c(diǎn)問題，引發(fā)他們的興趣，在此基礎(chǔ)上指導(dǎo)他們逐步獨(dú)立地開展學(xué)科研究。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)課程內(nèi)容廣泛，涉及通信、計(jì)算機(jī)、電子、嵌入式等多個(gè)學(xué)科。同時(shí)，這門課程強(qiáng)調(diào)實(shí)踐性，從數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)終端顯示，都需設(shè)計(jì)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)[5]。課程內(nèi)容多和課時(shí)受限是一個(gè)比較嚴(yán)重的問題。目前，這門課程根據(jù)培養(yǎng)方案，設(shè)置為40課時(shí)。在40課時(shí)的時(shí)間內(nèi)，既要涉及全部知識(shí)點(diǎn)，又要引導(dǎo)學(xué)生掌握研究問題的方法，培養(yǎng)他們的興趣，如何進(jìn)行課時(shí)安排，就需要授課教師進(jìn)行精心設(shè)計(jì)。

對(duì)于注重實(shí)踐的課程，授課方法很重要。傳統(tǒng)的教學(xué)，理論和實(shí)踐往往不能相輔相成。而且在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)置上，基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)占實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的絕大部分，綜合性實(shí)驗(yàn)很少，設(shè)計(jì)性和創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)幾乎沒有。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中不需要思考，只要按照教師的指導(dǎo)或?qū)嶒?yàn)指導(dǎo)書的步驟直接驗(yàn)證即可。這樣教學(xué)的后果是學(xué)生只知其然，不知其所以然，對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容不理解，甚至不知道做的是什么。

為解決上述問題，提高學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力，教學(xué)團(tuán)隊(duì)堅(jiān)持“以應(yīng)用為導(dǎo)向，以項(xiàng)目為驅(qū)動(dòng)”的理念，在充分了解學(xué)生的能力和興趣的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)多個(gè)實(shí)踐項(xiàng)目（實(shí)踐項(xiàng)目按照“循序漸進(jìn)、深入淺出”的原則，分為基礎(chǔ)、綜合和創(chuàng)新三個(gè)層次）;然后以實(shí)踐項(xiàng)目作為教學(xué)的核心內(nèi)容，理論教學(xué)作為輔助教學(xué)，根據(jù)培養(yǎng)方案的要求和多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，精心設(shè)計(jì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)課程的課時(shí)安排，力求知識(shí)點(diǎn)全面且能突出重點(diǎn)。在教授過程中，引導(dǎo)學(xué)生搜集有關(guān)電子文獻(xiàn)、開源代碼及紙質(zhì)文獻(xiàn)資料，進(jìn)行獨(dú)立思考;后期讓學(xué)生根據(jù)個(gè)性和興趣自由組隊(duì)，對(duì)實(shí)踐項(xiàng)目進(jìn)行協(xié)作式開發(fā)，對(duì)項(xiàng)目中出現(xiàn)的問題及時(shí)交流探討，提高學(xué)生解決實(shí)際工程問題的能力。

3 理論教學(xué)內(nèi)容安排

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)課程涉及通信、傳感器、網(wǎng)絡(luò)等諸多領(lǐng)域，從課程內(nèi)容的組織到課程實(shí)施，均有很大難度。為在有限的時(shí)間內(nèi)使學(xué)生獲得解決實(shí)際問題的能力，教學(xué)團(tuán)隊(duì)與深圳訊方通信有限公司合作，以典型的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)ZigBee/Z-Stack作為課程的主要教學(xué)內(nèi)容。教學(xué)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)理論教學(xué)內(nèi)容，深圳訊方通信有限公司的工程技術(shù)人員負(fù)責(zé)具體的實(shí)踐項(xiàng)目。

本課程共安排40學(xué)時(shí)，其中理論教學(xué)占用20學(xué)時(shí)，實(shí)踐教學(xué)占用20學(xué)時(shí)，實(shí)踐以具體實(shí)踐項(xiàng)目的方式出現(xiàn)。在本課程之前，學(xué)生已先修了計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)、C語(yǔ)言、單片機(jī)原理與技術(shù)等課程，所以在教學(xué)安排上，這部分內(nèi)容可以不講以節(jié)約課時(shí)，主要講授無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)理論知識(shí)和Z-Stack項(xiàng)目開發(fā)內(nèi)容。

根據(jù)任課教師體會(huì)、工程技術(shù)人員推薦和往屆學(xué)生的反饋，理論教學(xué)選用兩本教材，分別為崔遜學(xué)、左從菊編著的《無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)明教程》和鐘永鋒、劉永俊編著的《ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)》。

《無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)明教程》主要介紹無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本概念，常見的微型傳感器，傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信技術(shù)、支撐技術(shù)、應(yīng)用開發(fā)基礎(chǔ)，傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn);另外提供了大量傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用方面的實(shí)例，側(cè)重?zé)o線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信與組網(wǎng)技術(shù)和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的支撐技術(shù)，內(nèi)容簡(jiǎn)單明了、淺顯易懂，在這里作為入門輔導(dǎo)書籍。

《ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)》與ZigBee聯(lián)盟的官方規(guī)范保持一致，并以架構(gòu)設(shè)計(jì)者的角度全面系統(tǒng)地介紹了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的物理層/MAC層規(guī)范（IEEE 802.15.4）、ZigBee網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議、應(yīng)用層協(xié)議，以及與技術(shù)實(shí)現(xiàn)密切相關(guān)的網(wǎng)關(guān)、安全和應(yīng)用子集等規(guī)范，與課程的實(shí)踐項(xiàng)目相輔相成。

兩本書均邏輯清晰、易于理解，適合本科生閱讀。二者結(jié)合，既可以達(dá)到理論教學(xué)目標(biāo)，又可以為后續(xù)的實(shí)踐項(xiàng)目打下基礎(chǔ)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)理論具體教學(xué)內(nèi)容及學(xué)時(shí)安排如表1所示。

4 實(shí)踐項(xiàng)目教學(xué)安排

實(shí)踐教程和實(shí)踐設(shè)備均為深圳訊方通信有限公司開發(fā)。在實(shí)踐過程中，為使每個(gè)學(xué)生有獨(dú)立完成實(shí)踐項(xiàng)目的條件，共配備20套實(shí)驗(yàn)箱和一套智能家居系統(tǒng)。每套實(shí)驗(yàn)箱包括三個(gè)節(jié)點(diǎn)，若干各類傳感器、網(wǎng)關(guān)、下載器等，還有相關(guān)軟件。每個(gè)實(shí)踐項(xiàng)目都有項(xiàng)目背景、項(xiàng)目原理、項(xiàng)目步驟、關(guān)鍵程序解析、程序流程圖及課后思考。實(shí)踐項(xiàng)目分為基礎(chǔ)、綜合和創(chuàng)新三個(gè)層次。

只要有基本的單片機(jī)知識(shí)、計(jì)算機(jī)編程基礎(chǔ)，都可以完成無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)型項(xiàng)目。每一個(gè)基礎(chǔ)型實(shí)踐項(xiàng)目要求學(xué)生必須能夠移植并會(huì)修改項(xiàng)目中涉及的程序。

綜合型項(xiàng)目是能實(shí)現(xiàn)一定功能的具體的實(shí)踐項(xiàng)目，目的是培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和工程實(shí)踐能力。項(xiàng)目包括節(jié)點(diǎn)的無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)送和接收、建網(wǎng)與入網(wǎng)分析、無(wú)線采集溫度和無(wú)線采集溫度/濕度，并通過網(wǎng)關(guān)在上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示。綜合型項(xiàng)目有一定難度，需要學(xué)生了解一些網(wǎng)絡(luò)的基本知識(shí)、無(wú)線通信技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，才能更好地理解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

創(chuàng)新型項(xiàng)目是綜合型項(xiàng)目的延伸，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力和分析解決問題的能力，要求學(xué)生自己編寫程序，完成一些簡(jiǎn)單任務(wù)。以智能家居為例，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)燈光的控制和室內(nèi)窗簾的開合。創(chuàng)新型項(xiàng)目可以幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)專業(yè)知識(shí)在實(shí)際生活中的應(yīng)用，進(jìn)而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新能力。

基礎(chǔ)型項(xiàng)目和綜合型項(xiàng)目要求學(xué)生必須在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成，要求學(xué)生課下進(jìn)行有效預(yù)習(xí)。同時(shí)，為避免授課教師檢查和輔導(dǎo)不及時(shí)，每次安排10組實(shí)驗(yàn)，兩名授課教師。通過這兩種類型的實(shí)踐項(xiàng)目，學(xué)生對(duì)理論知識(shí)理解得更透徹，在實(shí)踐過程中體會(huì)到理論和實(shí)踐相輔相成的關(guān)系，并為創(chuàng)新型項(xiàng)目的完成打下基礎(chǔ)。

創(chuàng)新型項(xiàng)目相對(duì)復(fù)雜，在有限的課堂時(shí)間內(nèi)大多數(shù)學(xué)生不能完成。因此，實(shí)驗(yàn)室全天開放，學(xué)生可以自行安排時(shí)間進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行深入學(xué)習(xí);并提倡自由組隊(duì)，成員之間相互探討、協(xié)作，共同完成項(xiàng)目。通過創(chuàng)新型項(xiàng)目，讓學(xué)生體會(huì)獲得實(shí)踐成果的成就感，進(jìn)一步激發(fā)興趣。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)Z-Stack具體實(shí)踐教學(xué)項(xiàng)目?jī)?nèi)容及學(xué)時(shí)安排如表2所示。

5 結(jié)語(yǔ)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)課程具有知識(shí)龐雜、教學(xué)內(nèi)容多與跨度大、強(qiáng)調(diào)實(shí)踐性的特點(diǎn)，給教師的教授和學(xué)生的學(xué)習(xí)帶來(lái)很大的挑戰(zhàn)。從實(shí)際問題出發(fā)，以實(shí)踐為主、理論為輔的教學(xué)方式，每個(gè)實(shí)踐項(xiàng)目圍繞一個(gè)主題展開，由易到難、循序漸進(jìn)，能夠大大激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。運(yùn)用“以應(yīng)用為導(dǎo)向，以項(xiàng)目為驅(qū)動(dòng)”的理念，不僅可以幫助學(xué)生更好地理解無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)理論知識(shí)和ZigBee協(xié)議相關(guān)概念，而且有利于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力，提高學(xué)生解決實(shí)際工程問題的能力，教學(xué)質(zhì)量獲得明顯提高?！?/p>

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