以实践能力为培养目标的“无线传感器网络”教学改革与实践

宋相慧 陈泽婷 曹德安

摘  要：无线传感器网络（WSN）是物联网专业的核心课程，该文对该门课程现状和存在问题进行了分析，阐述了教学改革的一些应用，包括教学内容的调整与整合、理论及实践教学环节的探索、教学设计及方法的改革。通过不断改革探索，期望有效提高学生学习的兴趣，培养学生实践能力和分析解决问题的能力。

关键词：无线传感器网络  实践教学  教学设计与方法

中图分类号：G642    文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2020）01（a）-0115-03

无线传感器网络（WSN）是当前在国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域。笔者学校从2012年开始相继在物联网应用技术、物联网工程技术、通信技术等专业开设“无线传感器网络”，这门课程是该校物联网相关专业的核心课程，该门课程是使学生了解无线传感网络技术的基本技术、前沿和发展趋势，培养学生无线传感网络的方案设计、节点选型、网络组建等能力，使学生能胜任无线传感器网络的组建测试、运行管理和维护等岗位要求。

1  课程现状及存在问题

无线传感器网络这门课的特点是技术内容多、理论难度大、应用性强，一般在本科或研究生中开设，但近年来随着物联网应用技术专业在高职院校中申办，该课程才开始在高职院校中开始开设。目前无线传感器网络课程教学大多还是本科教育的缩略版，以理论教学为主，不太重视实践教学。在教学中还是主要讲无线传感器网络的原理如定位机制、时间同步、网络安全、数据管理和数据融合等，而无线传感网的典型应用、无线传感网的系统搭建、无线组网、数据采集、数据通信等实践内容涉及的较少。实训环节，大多是对理论的验证。这种传统的验证性实践教学忽视了学生分析和解决问题能力的培养，极大地限制了学生积极性和创造性的发挥。在教材方面，针对该课程所编写的教材，大部分都是以本科及以上学生为对象，理论性强，对于各种技术介绍详细，内容难懂且枯燥乏味，难以带动学生的学习积极性。高职学生普遍倾向是动手能力强、理论知识相对单薄。因此，我们从高职高专学生的特点出发，探讨“无线传感器网络”课程的教学改革十分有必要。

2  课程教学的改革

（1）教学内容的整合与组织。

该课程技术含量高、概念多、知识面广、实践性强、难度系数大，针对高职学生理论基础相对薄弱、动手积极性高的特点，为了方便高职学生学习与掌握WSN核心技能，我们需要重新整合教学内容。在教学中对难度大的理论知识如同步技术、定位技术、路由协议、数据融合等进行简单介绍，主要介绍相关概念、特点、作用等，让同学们对无线传感器网络有全方位的认识;课程重点放在无线传感器网络的系统搭建、数据之间的无线传输等。该校从2012年开设无线传感器网络以来，经过不断改进和摸索，整合了较为合理的教学内容。该课程的教学选择了近几年最为热门的基于ZigBee技术的无线传感器网络为授课内容[1]。课程教学内容安排见表1。

（2）理论教学的形式。

从上面的教学内容安排来看，前3个单元为纯理论性教学，课时只占到8个学时，后面5个单元安排为教学做一体化教学。该门课程我们虽然强调实践教学，但基本理论也不可忽视。传统理论性教学都是采用教师讲学生听的形式，学生学习的积极性不高，经常出现学生上课走神的情况。借鉴翻转课堂的形式，将学习的决定权从教师转移给学生，学生变被动学习为主动学习[2]。部分内容采用学习兴趣小组的形式，让学生自行搜集和学习相关资料，并让学生到讲台上给同学们讲解，在课堂上展开讨论。例如，有的兴趣小组分享在森林火灾预警、精准灌溉中定位技术的应用，小组同学通过分工协作查询大量的资料，自己先弄清楚定位技术的相关知识，如定位的含义、定位方法分类、定位评价指标、主要的几种定位技术、定位的典型应用，小组同学消化处理后再讲解给其他同学。在这个过程中，学习的主动性被充分地调动了起来，大量查阅资料获取的资讯比教师讲解会更多，也提高了自主学习能力和团队协作能力。

（3）课程实验教学的安排。

“无线传感器网络”是一门理论与技术并重、实践性很强的课程[3]。通过实验有助于加深学生对该课程中的基本理论知识及基本概念的理解，提高学生分析解决工程中实际问题的能力。该课程共安排72个学时，包括36个理论学时和36个实践学时。实验分為基础实验、设计性实验、无线组网实验、拓展性综合实验。

表2中基础实验主要是硬件平台CC2530的基础开发，包括C语言开发的基本语法结构与特点;设计性实验主要用来训练学生利用CC2530进行基础传感器信息采集的能力;无线组网实验主要是使学生熟练应用Z-Stack协议栈进行无线数据传输、Zigbee网络通信和管理;拓展性综合实验，把物联网类大赛相关题目融入到实践教学中，如智能家居系统、智能农业大棚系统、智能停车场系统等，这些既是实际应用项目又是竞赛题目引入课堂，让学生自己设计、实现这样的应用系统，学生提高学习兴趣的同时，对整个无线传感网的体系结构、系统搭建、数据采集、数据通信及数据处理等理论知识有了更深刻的认识。通过这样的实践训练可以有效提高学生的实践技能，有利于培养学生分析解决问题的能力。同时，学生的创新能力与独立思维能力也得到了培养。前三类实验项目可在课堂内完成，第四类拓展性综合实验由于课程课时所限，需要利用课余时间在教师的指导下完成。

3  教学设计与教学方法的探索

在该门课程几年的教学过程中，我们对教学设计与方法进行了一定的探索，归纳有以下几种：视频教学、演示教学、案例教学、启发与引导、多媒体教学、项目式教学、类比式教学、教学做一体化、任务驱动教学[4]。针对不同的教学单元，选择适合学生的适当的教学方法与设计。

下面以Z-Stack协议栈这一单元为例说明一下教学设计与方法的应用。该单元要求学生理解Z-Stack协议栈中的一些基本概念，掌握Z-Stack协议栈的事件的产生和处理过程、Z-Stack主函数的执行过程、任务的初始化和调度过程、数据的发送和接收过程;了解Z-Stack协议栈串口的实现机制、Z-Stack协议栈的启动分析、Z-Stack绑定机制。此单元是该门课程的难点，协议栈的代码量相对大且难，为了使同学们能够更好地掌握该单元，我们采用如下教学设计与方法。

（1）采用演示的方法，教学生下载与安装Z-Stack。介绍Z-Stack目录结构。

（2）采用案例教学，让同学们对ZigBee协议栈有个初步的感性认识。在协议栈里加入串口功能，只需要3步即可完成：串口初始化、登记任务号、串口发送。协议栈比较复杂，学生容易产生畏难情绪，本案例可激起学生对学习协议栈的信心。

（3）采用启发、引导等形式，使学生理解Z-Stack协议栈基本概念：Z-Stack协议栈中的设备类型、信道、PANID、地址类型、数据传送方式、端点、拓扑结构、簇、路由和协议栈规范等。

（4）利用多媒体教学，教授学生Z-Stack的任务调度，让学生理解其机制。

（5）利用项目教学法，使学生掌握Z-Stack的最重要功能——组网进行无线数据的发送和接收。

项目：终端节点将数据0123456789无线发送到协调器，协调器通过串口发送给PC上位机显示出来。通过该项目掌握发送函数AF_DataRequest（）与接收函数SampleApp_MessageMSGCB（）的使用;学会在组网之前对网络参数进行设置，包括协议栈规范的设置、拓扑结构、逻辑设备类型、PANID和信道的选择。

（6）采用类比式教学方法，使学生掌握Zigbee的3种通讯方式：点播、组播、广播;完成实验，通过数据的相互传输来了解单播、组播、广播含义;掌握编程方法。

4  结语

“无线传感器网络”是传感器技术、嵌入式技术、通信技术、计算机技术等学科交叉，理论与实践并重的前沿技术研究领域。作为一种短距离无线数据传输技术，是高职院校物联网专业的核心课程，根据课程特点和高职学生的特点，我们需要不断整合、更新教学内容，摸索受学生欢迎的理论教学形式，改进实践教学环节，不断探索适合高职学生的教学方法和教学設计，激发学生的学习兴趣和积极性，培养学生的实践动手能力和创新能力，提高“无线传感器网络”的理论与实践教学质量。

参考文献

[1] 陈海生，郭晓云.“无线传感器网络技术”课程实验教学探索[J].河北农业大学学报：农林教育版，2017，19（5）：64-67.

[2] 王艳，张晨，陈姝君.传感器技术的理论与实验教学改革[J].中国现代教育装备，2016（251）：74-76.

[3] 王健.“双创”背景下的无线传感器网络教学改革与实践[J].物联网技术，2018（5）：42-47.

[4] 李曙英，肖贤建.应用型本科“ZigBee网络原理与应用开发”课程教学探索与实践[J].电脑知识与技术，2016（12）：153-155.