农业院校“无线传感器网络”课程特点与教学方法研究

2015-11-26马国强路宁包蕊

物联网技术 2015年11期

马国强++路宁++包蕊

摘要：物联网作为农业院校的专业核心课程，“无线传感器网络”的教学改革已成为广大教师的研究热点。文章通过突出服务大农业领域物联网的应用，科学设置课程内容，创新实验内容安排，改进实践教学效果，引入多元化考核。达到了提高学生的学习兴趣、培养实际动手能力和创新精神的目的，从而深化了对农业物联网理论知识的理解。

关键词：无线传感器网络；教学研究；实验教学；物联网

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2015）11-0-02

0 引言

物联网将人类生存的物理世界网络化、信息化，将分离的物理世界和信息空间互联整合，代表了未来网络的发展趋势。IBM认为，IT产业下一阶段的任务就是把新一代IT技术充分运用到各行各业中。具体来说，物联网就是把感应器嵌入、配置到电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、供水系统、大坝、油气管道等设施中，并且被普遍连接，形成物联网[1]。

2010年教育部下达了在我国高校设置物联网专业的申报通知，首批批准开设物联网专业的高校有32所。此后各类高校开设物联网专业的热情高涨。除综合型高校和工科高校外，农业院校也纷纷开设物联网工程专业。天津农学院（下文简称“我校”）于2013年正式获批开设“物联网工程”本科专业，当年开始招生，规模为60人。

“无线传感器网络”是物联网工程专业一门重要的专业基础课。作为新设专业，对于这门课程的教学内容、教学方法、实验项目内容设置、实验教学模式等，许多农业院校都在摸索过程中。我校在2014年就为计算机应用技术（农信方向）专业的学生开设了“无线传感器网络”课程，对该课程的教学进行了一定的实践与探索，并积累了一定的经验。

1 课程教学现状及问题

“无线传感器网络”课程内容十分丰富，集无线通信与网络、嵌入式系统原理与技术、传感器原理与技术于一体[3]，具有多学科高度交叉的特点，且均属于前沿课题，涉及的知识面广、内容更新发展快，故在本科阶段开设该课程具有很大的挑战性。主要表现在缺乏适合农业院校本科生使用的教材，缺乏标准统一的实验设备，缺乏科班出身的师资力量三方面。

1.1 缺乏适合农业院校本科生使用的教材

自从在高校设置物联网专业以来，各个高校和出版社都进行了相关教材的编写。这些教材的理论部分都大致包括如下几部分内容：无线自组织网络原理、无线传感器网络体系结构、路由协议、MAC层协议、定位技术、时间同步技术、无线网安全等。上述内容多以简介和综述的方式进行表述，这对农业院校的本科生来说，理解起来较为困难。原因在于农业院校的本科生工科基础课开设相对较少，因而农业院校本科生在学习这方面内容时略显吃力。

1.2 缺乏标准统一的实验设备

随着近几年“物联网”概念热度快速提升，各种生产“物联网”实验设备的公司和厂家纷纷成立。各种仿真平台、开发环境五花八门[4]。比如有的使用CC2430芯片作为ZigBee网络的实验基础，有的使用CC2530芯片作为ZigBee网络的实验基础等。实验平台、开发环境的多样化，技术标准不统一，实验设备不完善给“无线传感器网络”课程的实验教学带来一定难度。容易给学生造成思维的混乱，也增加了教师备课的困难。因而急需一套统一标准、统一项目、统一实验平台、统一开发环境的实验教学模式。

1.3 缺乏科班出身的师资力量

师资力量明显缺乏，尤其在农业院校，工科师资本来就相对薄弱。需着力培养一批无线传感器网络的骨干教师。

2 结合农业物联网，合理确定教学内容

农业物联网主要是指通过无线自组织网络技术，使用无线传感器节点实时采集环境信息，进而构成监控网络，及时准确地确定环境条件和参数变化，将传统农业以人力为中心、依赖孤立机械的生产模式转向以信息和软件为依托，大量使用各种自动化、智能化、远程控制的生产设备，实现半自动或自动监控的精细生产模式。

2.1 农业物联网的主要应用

我国是一个农业大国，地域辽阔，自然灾害频发，气候复杂多变，将物联网技术用于解决“三农”问题是一个很好的发展机遇。物联网在现代农业领域的应用包括：监视农作物灌溉情况、畜禽的环境状况、土壤气候变更以及大面积的地表检测，收集温度、风力、湿度、大气、降雨量、土壤水分、土壤pH值等，从而进行科学预测，帮助农民减灾、抗灾，进行科学种植，进而提高农业的综合效益。

2.2 教学内容与课时分配

我校“无线传感器网络”课程面向“物联网工程”专业本科开设，开课学期为二年级第二学期，总共32学时，其中课堂讲授24学时、实验课8学时。先修课程包括“计算机网络”、“C++程序设计”等。如何利用有限的课时使学生掌握农业物联网最核心、最需要的传感网知识，是我们改革课程内容和实验项目内容的目标和方向。

为了适应本科生的农业物联网专业知识体系的建立、突出农业物联网知识和能力需求，尽量涉及到种植业、养殖业、水产、大田作物、温室种植等各个领域的监测需求，课堂讲授内容和实验项目内容如表1所列。

3 创新实验环节安排，引入多元化考评方式

“无线传感器网络”是门理论与技术并重、对嵌入式编程实践能力要求很强的课程。单凭8学时（4次）实验课，难以达到预期效果。为此，我们改变传统的课堂教学模式，将以往的教师讲授为主、学生被动接受，改为学生自己动脑、教师启发指导的教学模式。强化实验课教学环节，着重培养学生的实际动手能力、独立思考能力、创新能力，培养团队合作精神[5]。

3.1 全天候开放实验室

由于实验课时有限，仅仅靠实验课达到培养学生熟练掌握传感器网络编程的目标是不现实的。为此，我们的“农业物联网工程”实验室，作为“物联网工程”专业面向学生开放的指定实验室，充分利用实验室的空闲时间，为学生提供实际锻炼动手能力的硬件条件，营造良好的自主实践环境，并由专门的实验教师进行指导和答疑。

3.2 基于项目的实验内容设计

以课程项目设计为纽带，锻炼学生的系统设计和开发能力。每3-4名学生组成一个小组，实行组长负责制。小组成员共同讨论提出项目方案和具体实施步骤，并进行人员分工。在项目实施过程中，每个小组成员一方面独立完成自己分工的任务，另一方面还需与小组其他成员进行沟通交流、协作一致完成项目整体功能。在课程设计结束时，每组撰写详细的课程设计报告和总结报告。

3.3 鼓励师生参加技能竞赛

从我国目前开展的各级各类物联网应用创新设计比赛的技术层面来看，更注重本行业发展的前沿技术[6]。广泛开展大学生实践创新计划项目和大学生创业大赛项目[7]。

通过鼓励师生参加天津市教委、中国电子学会、教育部等各级各类物联网应用创新与设计比赛，锻炼了队伍、开阔了视野。近三年来，获得市级竞赛三等奖两项、二等奖一项，参与国家级竞赛一项。

3.4 多元化考评模式

具体来说，期末考试采用闭卷笔试方式，主要测试理论知识掌握的熟练程度、对知识点的理解能力等，分值占总成绩的50%；实验项目开发能力占总成绩的30%，主要对学生实验过程中动手能力和实际解决问题的能力进行评价；开发文档撰写和协作能力评价占总成绩的20%。

4 结语

农业院校的“物联网工程”专业培养的学生，能力重点侧重于农业物联网的实际应用，以适应我国农业发展迫切需要的物联网专门人才。

“无线传感器网络”作为农业院校物联网专业的重点课程，实践性很强。我们通过改进课堂教学内容、丰富教学手段、创新实践环节，充分发挥学生的主观能动性和动手实践能力，改善了教学效果，激发了学生的学习兴趣和热情，使学生不仅巩固了所学到的专业知识，同时提高了应用能力和创新能力。

参考文献

[1]胡忠望.“物联网工程”新专业课程体系的设计[J].中国电力教育，2010（22）：109-110.

[2]吴迪，朱昌平.“无线传感器网络”课程的教学实践与探索[J]. 中国电力教育，2012（20）：63-64.

[3]孙玉昕.《无线传感器网络技术》课程实验教学研究[J].软件导刊，2015，14（3）：166-167.