《無線傳感網(wǎng)技術》課程教學設計與實現(xiàn)*

蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術學院信息工程學院 王勝利

本研究以《無線傳感網(wǎng)技術》課程為例，結合高職物聯(lián)網(wǎng)應用技術專業(yè)教學實踐，對課程開設背景、教學目的、課程教學設計進行了研究與探討，在課程教學設計中重點對教學理念設計、教學策略設計、教學資源設計、教學過程設計、考核方式等方面做了分析總結。

無線傳感網(wǎng)技術作為物聯(lián)網(wǎng)技術中關鍵組成部分，在智能家居、智慧小區(qū)、智能工廠、智能農(nóng)業(yè)等領域日益普遍。無線傳感網(wǎng)技術不僅給人們的生活帶來諸多便利和樂趣，也對工農(nóng)業(yè)領域相關產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到推動作用，促進了產(chǎn)業(yè)升級，催生了行業(yè)新業(yè)態(tài)。由此促進了各行業(yè)對無線傳感網(wǎng)技術人員的需求。為了對接這種需求，在高職物聯(lián)網(wǎng)應用技術專業(yè)開設無線傳感網(wǎng)技術課程顯得尤為必要。本文主要從無線傳感網(wǎng)技術課程教學設計中涉及的教學理念設計、教學策略設計、教學資源設計、教學過程設計、考核方式以及實現(xiàn)方法等方面進行研究與探討[1]。

1 無線傳感網(wǎng)技術概述

無線傳感網(wǎng)技術在物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)應用非常普遍。無線傳感網(wǎng)技術是由無線通信技術、計算機網(wǎng)絡技術、傳感器技術、嵌入式技術、信息技術等構建起來的一門前沿技術，其特點是學科交叉度高、知識密度大，在目前物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)發(fā)展中應用廣泛。無線傳感網(wǎng)絡通過各種功能傳感器協(xié)同監(jiān)測環(huán)境信息，并將監(jiān)測信息采集、加工后，以無線通信的形式發(fā)送給觀察者。無線傳感網(wǎng)絡的存在，極大的拓寬了人們感知外界環(huán)境的范圍。

一個典型的無線傳感網(wǎng)系統(tǒng)由無線通信模塊、傳感器模塊、處理器模塊和電源模塊組成。無線通信模塊負責系統(tǒng)內(nèi)各個模塊之間的無線通信，目前無線傳感網(wǎng)技術中應用到的無線通信技術主要有NB-IoT、Lora、WiFi、藍牙、ZigBee、NFC等；傳感器模塊是無線傳感網(wǎng)系統(tǒng)的核心，各種功能的傳感器模塊用來采集環(huán)境信息數(shù)據(jù)并完成數(shù)據(jù)轉換；處理器模塊負責整個系統(tǒng)的運轉，完成對采集到的數(shù)據(jù)的加工、存儲；電源模塊負責給整個系統(tǒng)供電。無線傳感網(wǎng)系統(tǒng)是一個以采集環(huán)境數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡，系統(tǒng)內(nèi)各模塊間具有自組網(wǎng)功能，根據(jù)用戶需求可以組建大小不同的網(wǎng)絡。

高職物聯(lián)網(wǎng)應用技術專業(yè)開設的《無線傳感網(wǎng)技術》課程，以行業(yè)實際需求出發(fā)，從無線傳感網(wǎng)結構組成、無線傳感網(wǎng)基礎技術、無線傳感網(wǎng)系統(tǒng)開發(fā)等方面，對無線傳感網(wǎng)技術進行詳細全面的介紹。

2 課程設計背景

《無線傳感網(wǎng)技術》是一門以實踐為主的課程，具有很強的專業(yè)性，專門給物聯(lián)網(wǎng)應用技術專業(yè)二年級學生開設。在學習這門課程之前學生需要先學習《電子技術》、《傳感器技術》、《單片機技術與應用》、《計算機網(wǎng)絡技術》等課程，讓學生先掌握所需的基礎知識，為學習《無線傳感網(wǎng)技術》課程打下堅實的理論基礎。

3 教學目標分析

3.1 知識目標

《無線傳感網(wǎng)技術》課程的知識目標主要要求學生掌握：（1）無線傳感網(wǎng)基本組成結構，包括物理層、網(wǎng)絡層、應用層的功能及特點；（2）CC2530單片機開發(fā)，掌握CC2530單片機GPIO端口、中斷、定時器、USART接口、ADC模塊等知識點；（3）ZigBee協(xié)議棧組網(wǎng)應用，主要學習Z-stack協(xié)議棧的點對點通信、串口透傳等知識點；（4）BasicRF點對點通信，主要學習BasicRF無線通信的原理和基本應用；（5）NBIoT無線通信，主要學習窄帶物聯(lián)網(wǎng)通信原理和基礎開發(fā)等知識點；（6）藍牙無線通信，主要學習基于BLE協(xié)議棧的串口通信、數(shù)據(jù)傳輸?shù)戎R點；（7）GPRS無線通信，主要學習撥打電話和收發(fā)短信的原理；（8）WiFi無線通信，主要學習通過WiFi實現(xiàn)服務器連接、信號控制等知識點。在上述知識點中，還針對實操設計了典型的實訓任務，以此加強實操知識點的學習。

3.2 能力目標

《無線傳感網(wǎng)技術》課程的實操性很強，在掌握大量理論知識點的同時，還要求學生具備良好的實操能力。在學習完本門課程后，學生應該掌握以下技能：（1）會搭建無線傳感網(wǎng)開發(fā)環(huán)境，熟練掌握常用開發(fā)軟件，在軟件上會編寫、下載和調(diào)試程序；（2）熟練掌握CC2530單片機基本組件的開發(fā)，會使用CC2350單片機控制執(zhí)行器，采集傳感器數(shù)據(jù)；（3）能夠基于Z-stack實現(xiàn)點對點通信、串口通信、綁定以及簡單無線傳感網(wǎng)絡系統(tǒng)的設計；（4）能夠基于BLE協(xié)議實現(xiàn)串口通信和無線控制；（5）能熟練使用基本AT指令實現(xiàn)撥打電話和短信收發(fā)；（6）熟練掌握通過WiFi連接服務器以及通過WiFi控制執(zhí)行器。

3.3 素質目標

《無線傳感網(wǎng)技術》課程的素質目標是：（1）讓學生能夠掌握無線傳感網(wǎng)系統(tǒng)的軟件編程規(guī)范和項目管理方法，養(yǎng)成良好的工程管理素質。（2）養(yǎng)成學生良好的自主學習素養(yǎng)，課程中設置的大量實操任務，都是針對知識點應用的典型案例，學生需要自己分析任務要求，發(fā)現(xiàn)問題、分析問題，最終解決問題，通過這樣的訓練，將很好的養(yǎng)成學生的自主學習能力，對學生想成良好的學習素養(yǎng)，大有裨益。（3）逐步養(yǎng)成學生團隊協(xié)作、互幫互助的習慣。例如，在開展基于Z-stack的串口透傳實驗時，需要小組間的配合，兩個實驗小組間要通過協(xié)調(diào)溝通，共同確定實驗參數(shù)才能最終完成實驗，這就要求學生進行有效溝通、相互幫助，共同完成實驗任務[2]。

4 課程教學設計

4.1 教學理念設計

本課程實踐性強，要求學生具備良好的實踐動手能力，因此在制定《無線傳感網(wǎng)技術》課程教學設計時采取教師示范為輔，學生實踐為主的教學模式，在教學過程中注重對學生的實踐動手能力培養(yǎng)。課程實踐教學設計設置了系統(tǒng)需求分析、系統(tǒng)硬件原理圖和PCB設計、系統(tǒng)軟件編程、系統(tǒng)調(diào)試運行等環(huán)節(jié)，并從與生活密切聯(lián)系的無線傳感網(wǎng)應用項目出發(fā)，展開系統(tǒng)需求調(diào)研、系統(tǒng)分析設計、確定具體工作任務等工作，開展學生實踐環(huán)節(jié)。

4.2 教學策略設計

本課程采用任務工單的方式，上課前給學生布置任務，讓學生開展資料查詢，搜集整理相關知識點，為課堂學習做好準備；課堂上分組討論、分組實訓，教師按小組進行講授指導并對學生實訓情況進行評價考核，這一過程中，學生自主開展實訓，教師輔助指導，通過發(fā)現(xiàn)學生的問題，進行針對性的解答，最后對學生實訓過程表現(xiàn)和實訓結果做出綜合性評價。考核評價后要求學生整理課堂教學內(nèi)容，反思實訓過程中優(yōu)點和不足，做好實踐實訓總結。

4.3 教學資源設計

本課程教學中要用到硬件開發(fā)模塊、嵌入式開發(fā)軟件以及實訓系統(tǒng)工位裝置等教學資源。結合課程內(nèi)容，硬件開發(fā)模塊配備了ZigBee、藍牙、WiFi等硬件模塊，利用這些模塊開展無線傳感網(wǎng)底層硬件開發(fā)學習；軟件開發(fā)環(huán)境主要是IAR開發(fā)環(huán)境，重點開展基于ZigBee的無線傳感網(wǎng)系統(tǒng)設計編程；在實訓系統(tǒng)工位裝置上，主要開展智慧農(nóng)業(yè)，智能家居、智慧物業(yè)項目中無線傳感網(wǎng)系統(tǒng)的安裝調(diào)試。

4.4 教學過程設計

《無線傳感網(wǎng)技術》課程的主要內(nèi)容包括無線傳感網(wǎng)的基本架構、無線傳感網(wǎng)通信技術及應用和無線傳感網(wǎng)絡的傳感器節(jié)點三個方面[3]。

在無線傳感網(wǎng)的基本架構內(nèi)容中，主要講解無線傳感網(wǎng)絡的定義、產(chǎn)生的歷史背景、系統(tǒng)設計中的挑戰(zhàn)因素等，并舉例講解無線傳感網(wǎng)的典型應用案例，讓學生對無線傳感網(wǎng)的物理層、MAC協(xié)議和網(wǎng)絡層有基本的認識；在無線傳感網(wǎng)通信技術及應用內(nèi)容中[4]，重點介紹RFID、ZigBee、WiFi、Blue-tooth、NB-IoT以及Lora等無線通信技術，重點學習基于ZigBee的無線傳感網(wǎng)設計開發(fā)，讓學生掌握基于各類無線通信技術的典型無線傳感網(wǎng)系統(tǒng)設計方法；在無線傳感網(wǎng)絡的傳感器節(jié)點內(nèi)容中，主要講解無線傳感器節(jié)點硬件設計架構、傳感器子系統(tǒng)、通信接口等內(nèi)容，在實訓中讓學生利用常用傳感器節(jié)點、通信模塊、數(shù)據(jù)處理模塊進行項目開發(fā)練習，提高學生綜合開發(fā)能力，培養(yǎng)學生工程素養(yǎng)。具體教學內(nèi)容如表1所示。實訓任務中一個任務工單的完整流程包括：任務說明及布置—制定計劃—決策—任務實施—檢查程序文件并質詢—考核評價—撰寫總結。

4.5 考核方式

無線傳感網(wǎng)課程考核的目的，主要是督促學生完成課程教學任務，激勵學生自主學習，提升實踐操作能力，養(yǎng)成良好的職業(yè)素養(yǎng)。

本門課程的考核方式主要涉及：（1）過程性考核。重點對學生課堂表現(xiàn)考核，包括出勤、課堂提問、課堂紀律等。通過日常考核的形式，督促學生按時完成任務，養(yǎng)成良好的學習習慣。（2）結果性考核。主要通過開展實訓任務進行考核，包括實訓任務方案制定、結果展示、實訓報告撰寫三個方面的考核，最后給出實訓綜合成績，以此反映學生對學習內(nèi)容的掌握情況。（3）工程素養(yǎng)考核。采用小組互評和教師評價的方式，對學生的團隊協(xié)作情況、實訓操作規(guī)范、注意事項等方面開展考核，促進學生工程素養(yǎng)和職業(yè)素質的提升。各項考核的占比如表2所示。

表2 考核占比Tab.2 Proportion of assessment

4.6 實現(xiàn)方法

根據(jù)課程標準及以往教學實踐經(jīng)驗，在課程實現(xiàn)環(huán)節(jié)主要采用以下三種方式：

（1）教師示范和學生實踐相結合，完成課堂教學任務。根據(jù)本課程實踐性強的特征，在課程設計中包含了大量的實訓任務，因此在教學過程中，教師首先對實訓重點環(huán)節(jié)進行示范，學生根據(jù)教師的示范講解，分小組開展實訓練習，完成課堂學習任務。

（2）開展無線傳感網(wǎng)技術興趣小組，組織學生進行課外實踐學習。在課堂教學的基礎上，組織學生成立無線傳感網(wǎng)技術興趣小組，由任課教師進行指導。指導教師通過設置一些難度較高、趣味性強的問題，讓學生在課外進行自主學習，提升學生自主學習能力和團隊協(xié)作能力。

（3）借助物聯(lián)網(wǎng)技術省賽和國賽，以賽促教、以賽促學。物聯(lián)網(wǎng)應用技術專業(yè)學生每年都會參加物聯(lián)網(wǎng)各類競賽，無線傳感網(wǎng)絡技術作為物聯(lián)網(wǎng)應用技術專業(yè)學生的重點學習內(nèi)容，在物聯(lián)網(wǎng)各類競賽試題中也占有重要比重。因此在教學過程中，一方面，通過《無線傳感網(wǎng)技術》課程教學提高學生競賽水平；另一方面，通過總結競賽經(jīng)驗，豐富教師教學經(jīng)驗和教學能力。形成以賽促教、以賽促學的良好局面。

5 結語

本文結合高職物聯(lián)網(wǎng)應用技術專業(yè)教學實踐，對課程設計背景、教學目標和課程教學設計進行了分析研究。在課程教學設計中重點對教學理念設計、教學策略設計、教學資源設計、教學過程設計、考核方式以及實現(xiàn)方法等方面進行了分析總結。這門課程的主要特點是實踐，學生需要進行大量地練習才能較好地掌握所學知識點。今后將進一步探索該課程的教學設計模式和教學策略，為學生能夠更好的掌握無線傳感網(wǎng)開發(fā)技能，提升學生的動手能力和創(chuàng)新能力儲備教學經(jīng)驗。