“无线传感器网络”本科课程实验教学研究与探索

李明

摘要：无线传感器网络是一门多学科交叉的课程。该文分析了无线传感器网络实验教学中存在的问题，分别从实验硬件配套、实验内容的选择、实验教学模式和实验成绩的评定五个方面提出了实验教学的改革措施。实践证明，这些措施提高了实验教学的质量，增强了学生的动手实践能力和解决问题的水平。

关键词：无线传感器网络；实验教学；课程改革

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）13-3016-02

1 概述

随着物联网产业的迅猛发展，企业对物联网工程应用型人才的需求越来越大。“全面贴近企业需求，无缝打造专业实用人才”是目前高校物联网专业教育的革新方向。无线传感器网络作为物联网的重要组成部分，构成了物联网的感知层和网络层的一部分。无线传感器网络技术综合了传感器技术、微机电系统技术、嵌入式计算机技术、分布式信息处理技术、网络技术和通信技术，是信息感知和数据采集领域的一场革命，是21世纪影响人类生活的重大技术之一[1-3]，现在已广泛应用在国防军事、国家安全、环境监测、目标跟踪、医疗卫生、反恐抗灾、智能建筑、环境科学和空间探索等领域。本课程的学习，使学生把握当今技术发展的潮流，了解和掌握前沿技术，激发学生的创新思维，开阔学生的视野，掌握其基本原理和实现方法，综合之前所学的知识，从而培养和增强网络设计技术和解决实际工程问题的能力。

2 实验教学的要求及现状

2.1 实验教学的要求

传感器网络是一门理论与技术并重、实践性很强的课程。通过实验，学生可以增强对理论教学中的基本概念、通信协议和经典算法的理解，融合之前学过的《数字电路》、《单片机》和《计算机网络》等学科的知识，锻炼其动手能力，提高学生分析解决通信工程中实际问题的能力， 也符合国家提出的“卓越工程师计划”中“提升学生工程实践能力”的要求。

2.2 实验教学的现状

由于《无线传感器网络》是一门新开的课程，经调查发现，在具体的实验教学过程中设备的选择目前各个高校没有统一。尽管市场上出现了很多无线传感器网络的实验箱和实验设备，但这些设备多为验证型或者验证型设备，对学生缺乏挑战性，不能完全满足教学的需要和激发学生的兴趣；同时由于包装设备时加上了一些防护措施，比如有机玻璃，虽然有利于设备的保养和维护，但另一方面使得学生不能对硬件电路作更深入的理解，影响了学生的学习效率。其次，相当一部分学生对实验的重要性认识不足，片面重视理论而忽略了实验技能的培养；再者，高校扩招后，学生数量增加后，相应的硬件配套设施配备不足，导致完成实验所需的设备缺乏；最后，高校对实验教师和一般授课教师实行有差别的管理，较之普通教师在待遇、职称评定等方面存在差距，从而使得部分实验教师提高自身专业素质的积极性不高。笔者结合自己多年从事实验教学的经验，对如何提高“无线传感器网络”课程实验教学质量进行了一些有益的探索和实践，取得了一定的成效。

3 实验教学的改革与探索

3.1 实验硬件配套

3.1.1 实验平台的搭建

在实验平台方面，我们采用订制与自主开发相结合的方式。在前期，我们积极与实验设备厂商沟通，订制能够满足不同层次学生的开发板，并让厂家开放接口，以备二次开发使用。在硬件配置方面，部分硬件模块采用可配置的方式，这样一方面可以增加平台的可扩展性，另一方面，可以使得一些学有余力的学生进行新模块的开发。软件配置方面，包括嵌入式软件和PC端软件，其中嵌入式软件我们采用的编译器为IAR Embedded Workbench IDE，用户提供一个易学和具有最大量代码继承能力的开发环境，以及对大多数和特殊目标的支持适合各种不同 CPU 的目标，有效提高用户的工作效率。在PC端软件方面，我们直接采用设备厂商提供的工具。

3.1.2 实验教材的编写

实验教材是提高实验教学质量的保证。现有的实验教材内容多为验证型实验，实验方案单一，缺乏设计性实验，实验问题简单，实验报告要求程式化，内容上过多依赖理论教学，不利于学生进行实验预习。为改变这种不足，我们与实验设备提供商积极沟通与合作，用简洁严谨的语言借助一些例程阐述实验原理，细致描述了实验步骤，培养学生自主学习的能力；另一方面，在实验教材上，增加了一些启发式、设计性和讨论的内容，有利于培养学生的创新意识和独立思考的能力。

3.1.3 实验师资的管理

实验教师的合理配备是提高实验教学质量的重要条件[4]。我们一方面对现有的实验室管理体制作了些改革，使得实验室工作人员走上教学第一线，与理论课教师共同负责实验教材的编写与选择。同时，积极调动他们的积极性，鼓励他们积极参与相关项目的申请，积极组织教师进修学习，提升其业务素质。另一方面，有针对性和有实效性地做好人的思想工作[5]，加强实验教师的师风师德教育，提倡爱岗敬业和乐于奉献的精神，同时建立教学督导机制，通过各种途径反馈和改进实验教学质量。

3.2 实验内容的选择

根据学生认知学习的规律，按照“无线传感器网络”的教学大纲，将实验内容进行层次化的划分，在原有基础性实验和验证性实验的基础上增加部分设计性和综合性的实验项目。实验内容划分为：三个层次：第一部分为基础性实验，主要是熟悉CC2530芯片的基础硬件和熟悉软件IAR Embedded Workbench IDE编译环境的实验；第二部分为提高性实验，涉及的知识不仅包括传感器网络，而且还包括之前计算机网络、模拟电路和数字电路的知识，比如Zigbee与不同网络之间的数据通信与融合问题，培养学生综合运用所学知识的能力，帮助学生积累嵌入式系统开发及物联网的实践经验，借助实验这个桥梁增加对理论课中的知识体系的深入理解；第三部分为综合性的实验项目，主要让一些学有余力的同学参与老师的科研项目，对新的理论、新的算法进行研究，进一步提高学生的动手能力和创造性思维。endprint

3.3 实验教学模式

无线传感器网络实验采用理解基本原理——验证原理——方法模仿——思维创新的教学模式。根据实验内容的不同，采用不同的实验教学方法。对于基础实验部分，教师先对相关理论和实验设备做出详细说明，然后学生按照之前的分组完成实验规定的内容，作业完成后，由教师和学生共同完成对项目的验收。最后，教师对实验做出评述，同时启发学生在关键代码处进行修改或者更改电路设计进入模仿设计阶段。对于提高性实验和综合性实验部分，主要面向学有余力和有兴趣的同学，引入研究性实验教学方法，尽可能发挥学生的创造性。教师选择自己科研项目中应用性较强的内容作为学生的实验内容，对学生进行积极引导，培养学生的创新思维和发现问题、分析问题和解决问题的能力。

3.4 实验成绩的评定

学生实验成绩的评定主要指标不是其最终的实验结果，而是实验过程。对于一些原创性的实验思路，即使实验效果不理想，也应评定为优秀，以此激发学生的创新能力。对于我院测控专业采用实验过程考核加实验报告相结合的综合考核方法，其成绩比例为7：3。实验过程考核的内容包括出勤、实验预习、实验操作步骤、实验态度和实验结果，考察的重点在于学生的实验技能。对于实验报告的考核，我们摈弃了一些形式化的格式约束，鼓励学生对实验过程中出现的问题和最后的实验结果进行科学分析和独立思考，以此增强学生的科学研究的素质。

4 结束语

实验是理论与实际沟通的桥梁，也是培养卓越工程师必不可少的重要组成部分。通过近两年的实验教学实践表明，无线传感器网络实验教学实践是一种高效的教学方法，一方面，有利于提高实验教师积极性和业务素质，另一方面，有助于学生建立完整的知识体系结构，培养学生的独立探索、勇于开拓进取的能力，

参考文献：

[1] Estrin D.GovIndan R， Heideman J， et al. Next century challenges： Scalable coordination in sensor networks[C]. MOBICOM， Seattle， 1999：263-270.

[2] Weiser M. The computer for the twenty-first century[J]. Scientific American， 1991（9）.

[3] 孙利民， 李建民， 陈谕. 无线传感器网络[M]. 北京：清华大学出版社，2005：5.

[4] 陈咏华， 李丽荣.工程训练实践教学研究与探索[J].实验技术与管理， 2011，28（3）：118-119，126.

[5] 初元璋，袁从述. 改革管理体制，调动实验人员的积极性，促进实验室工作[J].实验技术与管理，1991，8（2）：3-5.endprint