物聯(lián)網工程專業(yè)《無線傳感器網絡》課程教材建設探究

余華平　劉波濤　劉鵬

摘要摘要：《無線傳感器網絡》是物聯(lián)網工程專業(yè)的核心課程，建設好該課程教材十分必要。根據(jù)該課程特點，以長江大學物聯(lián)網工程專業(yè)《無線傳感傳感器網絡》課程教材建設為例，分析了該課程教材建設的基本依據(jù)、基本原則和基本目標，把《無線傳感器網絡》課程教材編寫的主要內容設計成基礎理論教學、課內實驗和綜合課程設計3部分，使學生能系統(tǒng)化學習課程內容和實驗各環(huán)節(jié)，教師能夠有效把握課程教學內容，從而提升教學質量和學生能力。

關鍵詞關鍵詞：無線傳感器網絡；教材編寫；內容設計；物聯(lián)網工程

DOIDOI：10.11907/rjdk.171042

中圖分類號：G436

文獻標識碼：A文章編號文章編號：16727800（2017）05021003

0引言

2010年物聯(lián)網被首次寫入《政府工作報告》，2010年3月教育部下發(fā)《教育部辦公廳關于戰(zhàn)略性新興專業(yè)相關專業(yè)申報和審批工作的通知》，指出：“支持和鼓勵有條件的高等學校從本科教育入手，加速教學內容、課程體系、教學方法、管理體制與運行機制的改革和創(chuàng)新，積極培養(yǎng)戰(zhàn)略性新興產業(yè)相關專業(yè)的人才”[1]。目前，全國已有近500所高校開設了物聯(lián)網工程專業(yè)，大多依托于計算機科學或電氣通信工程等相關專業(yè)辦學，在校學生總數(shù)也已超過20 000人[2]。

無線傳感器網絡（Wireless Sensor Networks，WSN）技術在物聯(lián)網工程實踐中起著承上啟下的作用，是關鍵技術之一。《無線傳感器網絡》課程不但被多數(shù)高校列入物聯(lián)網工程專業(yè)的核心課程，同時還被很多高校列入計算機、通信等相關專業(yè)研究生和高年級本科生的選修課[3]。2014年9月，長江大學依托計算機科學學院正式招收物聯(lián)網工程專業(yè)學生，每屆約80人，目前在校本科生已超過200人[4]。鑒于此，開展該課程教材編寫的研究與探討十分必要。

1教材編寫依據(jù)與基礎

在信息爆炸時代，無線傳感器網絡已成為研究熱點和應用熱點[5]。無論是以培養(yǎng)學科型人才為主的高校，還是以培養(yǎng)應用型人才為主的高校，都有開設《無線傳感器網絡》課程的先例，相關教材也在指導學生學習和專業(yè)建設過程中起到了積極作用[6]，但無線傳感器網絡技術發(fā)展迅速，現(xiàn)有教材已不能完全適應各專業(yè)發(fā)展，特別是現(xiàn)有教材的很多內容都不符合學院的實際情況，因此需要定期編寫或更新符合各高校教學實際和反映無線傳感器網絡技術發(fā)展趨勢的新教材。

長江大學計算機科學學院最早在計算機類研究生中開設《無線傳感器網絡》的研討課程；2014年，學院開始招生《物聯(lián)網工程》專業(yè)本科生，在其人才培養(yǎng)計劃中設置了《傳感器網絡》必修課程；物聯(lián)網工程系教研活動也多次專題討論了傳感器網絡課程群的建設工作，大家一致認為，《物聯(lián)網工程》專業(yè)需要編寫一本適用于本院學生實際和學院實驗平臺條件的《傳感器網絡》課程教材，建立以《傳感器網絡》課程為核心的“傳感器網絡課程群”；2016年“傳感器網絡”課程團隊成功申報了“《傳感器網絡》課程教學資源建設研究與實踐”教研項目。課程團隊中有長期從事無線傳感器網絡學術研究和工程實踐的教師，主持過5項無線傳感器網絡相關的省部級縱向科研項目，并依托這些相關項目的成果獲得湖北省科技進步二等獎1項，這些科研項目的積累為編寫高質量、特色鮮明的無線傳感器網絡教材奠定了基礎。目前，《傳感器網絡》課程團隊已編寫了較為完備的計算機類研究生《無線傳感器網絡》課程教案和適用于物聯(lián)網工程本科專業(yè)的《傳感器網絡》課程教案，并在物聯(lián)網工程專業(yè)2014級學生中使用并逐漸完善。在實際講授中，通過增加提升學生項目實踐能力和專業(yè)素養(yǎng)的培養(yǎng)內容，促使學生積極思考，受到學生的普遍歡迎。

2教材編寫原則與目標

《無線傳感器網絡》課程涉及計算機、微電子、傳感器、網絡、通信、數(shù)據(jù)分析處理等諸多領域，是一門面向實際應用、交叉性強、跨度大的綜合型課程[5]。其技術發(fā)展更新快、實踐應用要求高、課時少、教學內容切割和教學難度大。因此，教材編寫應力求在內容設計上有一定特色，理論聯(lián)系實際，反映國內外學科進展；在體系結構安排上，要體現(xiàn)科學性和適用性。具體分析如下：

（1）針對專業(yè)建設實際和課程特點，理論與實踐結合，實現(xiàn)內容分塊設計。針對物聯(lián)網工程核心專業(yè)課程建設的實際需要和《傳感器網絡》課程特點，以加強學生的實踐動手能力為目標，理論聯(lián)系實際，力求系統(tǒng)地介紹無線傳感器網絡在理論和實踐方面的基本原理與經典協(xié)議、算法以及典型應用案例。教材內容分塊設計，力求核心內容的基礎性和體系性，以及擴展內容（進階內容）的先進性和前瞻性，同時結合學院在物聯(lián)網方向的科研成果和學院實驗平臺設備條件，編寫實踐案例和實驗內容，突出實用性和實踐性。

（2）參考優(yōu)秀教材和跟蹤技術進展，科學編排教材結構，突出“傳感器網絡課程群”建設。在精研國內外優(yōu)秀教材的基礎上，結合《傳感器網絡》課程團隊在學院物聯(lián)網工程本科專業(yè)和計算機類研究生中的教學實踐積累，科學編排教材結構，舍去現(xiàn)有教材中一些陳舊或次要內容，增加一些新穎或重要內容。同時，綜合考慮“傳感器網絡課程群”內各課程之間的內容劃分與教學銜接，強調《傳感器網絡》課程知識體系的系統(tǒng)性和課內實驗的基礎實踐性。

（3）教學配套資源綜合設計。在《傳感器網絡》課程群的框架內，綜合設計《傳感器網絡》課程教材、配套PPT、練習題庫和實驗教程等教學資源。要充分重視課后思考題和習題設計，習題力求體現(xiàn)基本概念、基本原理、基本算法和具體應用案例等相關內容，以幫助學生更好地理解相關技術，增強學生項目分析和設計的實踐能力。

（4）參考書目反映目前國內外最新材料，編寫專業(yè)詞匯索引表。給出擴展學習和跟蹤最新研究進展的參考書目和網址列表，編寫統(tǒng)一的專業(yè)詞匯表，方便學生自主學習和準確理解各項技術。

3教材內容設計

根據(jù)上述原則和目標，長江大學計算機科學學院《無線傳感器網絡》課程組在廣泛調研國內外公開出版發(fā)行的無線傳感器網絡相關圖書、教材以及國外課程網站[610]的基礎上，將《無線傳感器網絡》教材內容設計為3個模塊：基礎理論教學、課內實驗和綜合課程設計。

3.1基礎理論教學

基礎理論教學主要包括4部分：無線傳感器網絡基礎知識、無線傳感器網絡組網技術、無線傳感器網絡支撐技術和無線傳感器網絡高級主題（進階內容）。每一章節(jié)后面設置本章小結和習題，在教材最后設置專業(yè)詞匯索引表，供學生加強知識點理解和學習。①無線傳感器網絡基礎知識部分主要講述無線傳感器網絡的基本概念、體系結構、性能指標、主要的應用領域和發(fā)展歷史，以及傳感器節(jié)點模塊組成、能耗模型與節(jié)點設計等；②無線傳感器網絡組網技術部分討論無線傳感器網絡的物理層（信道編碼、調制）、介質訪問控制層（802.11標準、MAC協(xié)議）、網絡層（路由協(xié)議）、傳輸層等；③無線傳感器網絡支撐技術部分討論無線傳感器網絡的時間同步技術、定位技術、數(shù)據(jù)融合技術等；④無線傳感器網絡高級主題（進階內容）部分討論無線傳感器網絡仿真分析技術、特殊無線傳感器網絡和無線傳感器網絡應用案例等。具體內容與學時安排如表1所示。

3.2課內實驗

在課內實驗中，以教材第4章“實驗平臺”和第15章“基于 CC2530 ZigBee WSN實驗”為基礎設計兩個基礎性實驗、兩個中級難度實驗和兩個高級難度的選做實驗[78]，如表2所示。

3.3綜合課程設計

無線傳感器網絡綜合課程設計在綜合6個課內實驗內容的基礎上進行拓展和深入，設計6個綜合工程應用實例（教材第12章）[78]。綜合課程設計安排學生以2～4人為一組協(xié)作地選擇完成6個綜合工程應用實例中的1個，每個工程實例配置指導教師1位，負責課程設計指導和實例成果驗收，通過驗收遴選出優(yōu)秀小組在課程設計年級交流大會上匯報，提升學生綜合工程實踐能力、團結協(xié)作能力和交流匯報能力。具體如表3所示。

4結語

《無線傳感器網絡》是一門系統(tǒng)性很強的課程，其教學內容跨度大、實踐性強的特點給教師講授、學生學習帶來了雙重挑戰(zhàn)，而一本合適的《無線傳感器網絡》課程教材是上好該課程的基礎。本文以長江大學物聯(lián)網工程專業(yè)《無線傳感器網絡》課程教材編寫為例，探討了該教材編寫的依據(jù)與基礎、原則與目標，并給出了編寫實例。但是，無線傳感器網絡作為一門綜合性課程，除了一本符合學生實際和實驗環(huán)境實際的教材外，還需要教師根據(jù)學生實際情況，進一步將知識點設計成模塊，提供給學生，促進其自主學習。同時，要根據(jù)課程實踐性特點，在課程學時等條件允許的情況下，在課內外增加設計型實驗內容，進一步提高學生無線傳感器網絡系統(tǒng)開發(fā)與實踐的能力。

參考文獻參考文獻：

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責任編輯（責任編輯：孫娟）