以實踐能力為培養目標的“無線傳感器網絡”教學改革與實踐

宋相慧 陳澤婷 曹德安

摘? 要：無線傳感器網絡（WSN）是物聯網專業的核心課程，該文對該門課程現狀和存在問題進行了分析，闡述了教學改革的一些應用，包括教學內容的調整與整合、理論及實踐教學環節的探索、教學設計及方法的改革。通過不斷改革探索，期望有效提高學生學習的興趣，培養學生實踐能力和分析解決問題的能力。

關鍵詞：無線傳感器網絡? 實踐教學? 教學設計與方法

中圖分類號：G642 ? ?文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2020）01（a）-0115-03

無線傳感器網絡（WSN）是當前在國際上備受關注的、涉及多學科高度交叉、知識高度集成的前沿熱點研究領域。筆者學校從2012年開始相繼在物聯網應用技術、物聯網工程技術、通信技術等專業開設“無線傳感器網絡”，這門課程是該校物聯網相關專業的核心課程，該門課程是使學生了解無線傳感網絡技術的基本技術、前沿和發展趨勢，培養學生無線傳感網絡的方案設計、節點選型、網絡組建等能力，使學生能勝任無線傳感器網絡的組建測試、運行管理和維護等崗位要求。

1? 課程現狀及存在問題

無線傳感器網絡這門課的特點是技術內容多、理論難度大、應用性強，一般在本科或研究生中開設，但近年來隨著物聯網應用技術專業在高職院校中申辦，該課程才開始在高職院校中開始開設。目前無線傳感器網絡課程教學大多還是本科教育的縮略版，以理論教學為主，不太重視實踐教學。在教學中還是主要講無線傳感器網絡的原理如定位機制、時間同步、網絡安全、數據管理和數據融合等，而無線傳感網的典型應用、無線傳感網的系統搭建、無線組網、數據采集、數據通信等實踐內容涉及的較少。實訓環節，大多是對理論的驗證。這種傳統的驗證性實踐教學忽視了學生分析和解決問題能力的培養，極大地限制了學生積極性和創造性的發揮。在教材方面，針對該課程所編寫的教材，大部分都是以本科及以上學生為對象，理論性強，對于各種技術介紹詳細，內容難懂且枯燥乏味，難以帶動學生的學習積極性。高職學生普遍傾向是動手能力強、理論知識相對單薄。因此，我們從高職高專學生的特點出發，探討“無線傳感器網絡”課程的教學改革十分有必要。

2? 課程教學的改革

（1）教學內容的整合與組織。

該課程技術含量高、概念多、知識面廣、實踐性強、難度系數大，針對高職學生理論基礎相對薄弱、動手積極性高的特點，為了方便高職學生學習與掌握WSN核心技能，我們需要重新整合教學內容。在教學中對難度大的理論知識如同步技術、定位技術、路由協議、數據融合等進行簡單介紹，主要介紹相關概念、特點、作用等，讓同學們對無線傳感器網絡有全方位的認識;課程重點放在無線傳感器網絡的系統搭建、數據之間的無線傳輸等。該校從2012年開設無線傳感器網絡以來，經過不斷改進和摸索，整合了較為合理的教學內容。該課程的教學選擇了近幾年最為熱門的基于ZigBee技術的無線傳感器網絡為授課內容[1]。課程教學內容安排見表1。

（2）理論教學的形式。

從上面的教學內容安排來看，前3個單元為純理論性教學，課時只占到8個學時，后面5個單元安排為教學做一體化教學。該門課程我們雖然強調實踐教學，但基本理論也不可忽視。傳統理論性教學都是采用教師講學生聽的形式，學生學習的積極性不高，經常出現學生上課走神的情況。借鑒翻轉課堂的形式，將學習的決定權從教師轉移給學生，學生變被動學習為主動學習[2]。部分內容采用學習興趣小組的形式，讓學生自行搜集和學習相關資料，并讓學生到講臺上給同學們講解，在課堂上展開討論。例如，有的興趣小組分享在森林火災預警、精準灌溉中定位技術的應用，小組同學通過分工協作查詢大量的資料，自己先弄清楚定位技術的相關知識，如定位的含義、定位方法分類、定位評價指標、主要的幾種定位技術、定位的典型應用，小組同學消化處理后再講解給其他同學。在這個過程中，學習的主動性被充分地調動了起來，大量查閱資料獲取的資訊比教師講解會更多，也提高了自主學習能力和團隊協作能力。

（3）課程實驗教學的安排。

“無線傳感器網絡”是一門理論與技術并重、實踐性很強的課程[3]。通過實驗有助于加深學生對該課程中的基本理論知識及基本概念的理解，提高學生分析解決工程中實際問題的能力。該課程共安排72個學時，包括36個理論學時和36個實踐學時。實驗分為基礎實驗、設計性實驗、無線組網實驗、拓展性綜合實驗。

表2中基礎實驗主要是硬件平臺CC2530的基礎開發，包括C語言開發的基本語法結構與特點;設計性實驗主要用來訓練學生利用CC2530進行基礎傳感器信息采集的能力;無線組網實驗主要是使學生熟練應用Z-Stack協議棧進行無線數據傳輸、Zigbee網絡通信和管理;拓展性綜合實驗，把物聯網類大賽相關題目融入到實踐教學中，如智能家居系統、智能農業大棚系統、智能停車場系統等，這些既是實際應用項目又是競賽題目引入課堂，讓學生自己設計、實現這樣的應用系統，學生提高學習興趣的同時，對整個無線傳感網的體系結構、系統搭建、數據采集、數據通信及數據處理等理論知識有了更深刻的認識。通過這樣的實踐訓練可以有效提高學生的實踐技能，有利于培養學生分析解決問題的能力。同時，學生的創新能力與獨立思維能力也得到了培養。前三類實驗項目可在課堂內完成，第四類拓展性綜合實驗由于課程課時所限，需要利用課余時間在教師的指導下完成。

3? 教學設計與教學方法的探索

在該門課程幾年的教學過程中，我們對教學設計與方法進行了一定的探索，歸納有以下幾種：視頻教學、演示教學、案例教學、啟發與引導、多媒體教學、項目式教學、類比式教學、教學做一體化、任務驅動教學[4]。針對不同的教學單元，選擇適合學生的適當的教學方法與設計。

下面以Z-Stack協議棧這一單元為例說明一下教學設計與方法的應用。該單元要求學生理解Z-Stack協議棧中的一些基本概念，掌握Z-Stack協議棧的事件的產生和處理過程、Z-Stack主函數的執行過程、任務的初始化和調度過程、數據的發送和接收過程;了解Z-Stack協議棧串口的實現機制、Z-Stack協議棧的啟動分析、Z-Stack綁定機制。此單元是該門課程的難點，協議棧的代碼量相對大且難，為了使同學們能夠更好地掌握該單元，我們采用如下教學設計與方法。

（1）采用演示的方法，教學生下載與安裝Z-Stack。介紹Z-Stack目錄結構。

（2）采用案例教學，讓同學們對ZigBee協議棧有個初步的感性認識。在協議棧里加入串口功能，只需要3步即可完成：串口初始化、登記任務號、串口發送。協議棧比較復雜，學生容易產生畏難情緒，本案例可激起學生對學習協議棧的信心。

（3）采用啟發、引導等形式，使學生理解Z-Stack協議棧基本概念：Z-Stack協議棧中的設備類型、信道、PANID、地址類型、數據傳送方式、端點、拓撲結構、簇、路由和協議棧規范等。

（4）利用多媒體教學，教授學生Z-Stack的任務調度，讓學生理解其機制。

（5）利用項目教學法，使學生掌握Z-Stack的最重要功能——組網進行無線數據的發送和接收。

項目：終端節點將數據0123456789無線發送到協調器，協調器通過串口發送給PC上位機顯示出來。通過該項目掌握發送函數AF_DataRequest（）與接收函數SampleApp_MessageMSGCB（）的使用;學會在組網之前對網絡參數進行設置，包括協議棧規范的設置、拓撲結構、邏輯設備類型、PANID和信道的選擇。

（6）采用類比式教學方法，使學生掌握Zigbee的3種通訊方式：點播、組播、廣播;完成實驗，通過數據的相互傳輸來了解單播、組播、廣播含義;掌握編程方法。

4? 結語

“無線傳感器網絡”是傳感器技術、嵌入式技術、通信技術、計算機技術等學科交叉，理論與實踐并重的前沿技術研究領域。作為一種短距離無線數據傳輸技術，是高職院校物聯網專業的核心課程，根據課程特點和高職學生的特點，我們需要不斷整合、更新教學內容，摸索受學生歡迎的理論教學形式，改進實踐教學環節，不斷探索適合高職學生的教學方法和教學設計，激發學生的學習興趣和積極性，培養學生的實踐動手能力和創新能力，提高“無線傳感器網絡”的理論與實踐教學質量。

參考文獻

[1] 陳海生，郭曉云.“無線傳感器網絡技術”課程實驗教學探索[J].河北農業大學學報：農林教育版，2017，19（5）：64-67.

[2] 王艷，張晨，陳姝君.傳感器技術的理論與實驗教學改革[J].中國現代教育裝備，2016（251）：74-76.

[3] 王健.“雙創”背景下的無線傳感器網絡教學改革與實踐[J].物聯網技術，2018（5）：42-47.

[4] 李曙英，肖賢建.應用型本科“ZigBee網絡原理與應用開發”課程教學探索與實踐[J].電腦知識與技術，2016（12）：153-155.