物联网工程专业《无线传感器网络》课程教材建设探究

余华平　刘波涛　刘鹏

摘要摘要：《无线传感器网络》是物联网工程专业的核心课程，建设好该课程教材十分必要。根据该课程特点，以长江大学物联网工程专业《无线传感传感器网络》课程教材建设为例，分析了该课程教材建设的基本依据、基本原则和基本目标，把《无线传感器网络》课程教材编写的主要内容设计成基础理论教学、课内实验和综合课程设计3部分，使学生能系统化学习课程内容和实验各环节，教师能够有效把握课程教学内容，从而提升教學质量和学生能力。

关键词关键词：无线传感器网络；教材编写；内容设计；物联网工程

DOIDOI：10.11907/rjdk.171042

中图分类号：G436

文献标识码：A文章编号文章编号：16727800（2017）05021003

0引言

2010年物联网被首次写入《政府工作报告》，2010年3月教育部下发《教育部办公厅关于战略性新兴专业相关专业申报和审批工作的通知》，指出：“支持和鼓励有条件的高等学校从本科教育入手，加速教学内容、课程体系、教学方法、管理体制与运行机制的改革和创新，积极培养战略性新兴产业相关专业的人才”[1]。目前，全国已有近500所高校开设了物联网工程专业，大多依托于计算机科学或电气通信工程等相关专业办学，在校学生总数也已超过20 000人[2]。

无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN）技术在物联网工程实践中起着承上启下的作用，是关键技术之一。《无线传感器网络》课程不但被多数高校列入物联网工程专业的核心课程，同时还被很多高校列入计算机、通信等相关专业研究生和高年级本科生的选修课[3]。2014年9月，长江大学依托计算机科学学院正式招收物联网工程专业学生，每届约80人，目前在校本科生已超过200人[4]。鉴于此，开展该课程教材编写的研究与探讨十分必要。

1教材编写依据与基础

在信息爆炸时代，无线传感器网络已成为研究热点和应用热点[5]。无论是以培养学科型人才为主的高校，还是以培养应用型人才为主的高校，都有开设《无线传感器网络》课程的先例，相关教材也在指导学生学习和专业建设过程中起到了积极作用[6]，但无线传感器网络技术发展迅速，现有教材已不能完全适应各专业发展，特别是现有教材的很多内容都不符合学院的实际情况，因此需要定期编写或更新符合各高校教学实际和反映无线传感器网络技术发展趋势的新教材。

长江大学计算机科学学院最早在计算机类研究生中开设《无线传感器网络》的研讨课程；2014年，学院开始招生《物联网工程》专业本科生，在其人才培养计划中设置了《传感器网络》必修课程；物联网工程系教研活动也多次专题讨论了传感器网络课程群的建设工作，大家一致认为，《物联网工程》专业需要编写一本适用于本院学生实际和学院实验平台条件的《传感器网络》课程教材，建立以《传感器网络》课程为核心的“传感器网络课程群”；2016年“传感器网络”课程团队成功申报了“《传感器网络》课程教学资源建设研究与实践”教研项目。课程团队中有长期从事无线传感器网络学术研究和工程实践的教师，主持过5项无线传感器网络相关的省部级纵向科研项目，并依托这些相关项目的成果获得湖北省科技进步二等奖1项，这些科研项目的积累为编写高质量、特色鲜明的无线传感器网络教材奠定了基础。目前，《传感器网络》课程团队已编写了较为完备的计算机类研究生《无线传感器网络》课程教案和适用于物联网工程本科专业的《传感器网络》课程教案，并在物联网工程专业2014级学生中使用并逐渐完善。在实际讲授中，通过增加提升学生项目实践能力和专业素养的培养内容，促使学生积极思考，受到学生的普遍欢迎。

2教材编写原则与目标

《无线传感器网络》课程涉及计算机、微电子、传感器、网络、通信、数据分析处理等诸多领域，是一门面向实际应用、交叉性强、跨度大的综合型课程[5]。其技术发展更新快、实践应用要求高、课时少、教学内容切割和教学难度大。因此，教材编写应力求在内容设计上有一定特色，理论联系实际，反映国内外学科进展；在体系结构安排上，要体现科学性和适用性。具体分析如下：

（1）针对专业建设实际和课程特点，理论与实践结合，实现内容分块设计。针对物联网工程核心专业课程建设的实际需要和《传感器网络》课程特点，以加强学生的实践动手能力为目标，理论联系实际，力求系统地介绍无线传感器网络在理论和实践方面的基本原理与经典协议、算法以及典型应用案例。教材内容分块设计，力求核心内容的基础性和体系性，以及扩展内容（进阶内容）的先进性和前瞻性，同时结合学院在物联网方向的科研成果和学院实验平台设备条件，编写实践案例和实验内容，突出实用性和实践性。

（2）参考优秀教材和跟踪技术进展，科学编排教材结构，突出“传感器网络课程群”建设。在精研国内外优秀教材的基础上，结合《传感器网络》课程团队在学院物联网工程本科专业和计算机类研究生中的教学实践积累，科学编排教材结构，舍去现有教材中一些陈旧或次要内容，增加一些新颖或重要内容。同时，综合考虑“传感器网络课程群”内各课程之间的内容划分与教学衔接，强调《传感器网络》课程知识体系的系统性和课内实验的基础实践性。

（3）教学配套资源综合设计。在《传感器网络》课程群的框架内，综合设计《传感器网络》课程教材、配套PPT、练习题库和实验教程等教学资源。要充分重视课后思考题和习题设计，习题力求体现基本概念、基本原理、基本算法和具体应用案例等相关内容，以帮助学生更好地理解相关技术，增强学生项目分析和设计的实践能力。

（4）参考书目反映目前国内外最新材料，编写专业词汇索引表。给出扩展学习和跟踪最新研究进展的参考书目和网址列表，编写统一的专业词汇表，方便学生自主学习和准确理解各项技术。

3教材内容设计

根据上述原则和目标，长江大学计算机科学学院《无线传感器网络》课程组在广泛调研国内外公开出版发行的无线传感器网络相关图书、教材以及国外课程网站[610]的基础上，将《无线传感器网络》教材内容设计为3个模块：基础理论教学、课内实验和综合课程设计。

3.1基础理论教学

基础理论教学主要包括4部分：无线传感器网络基础知识、无线传感器网络组网技术、无线传感器网络支撑技术和无线传感器网络高级主题（进阶内容）。每一章节后面设置本章小结和习题，在教材最后设置专业词汇索引表，供学生加强知识点理解和学习。①无线传感器网络基础知识部分主要讲述无线传感器网络的基本概念、体系结构、性能指标、主要的应用领域和发展历史，以及传感器节点模块组成、能耗模型与节点设计等；②无线传感器网络组网技术部分讨论无线传感器网络的物理层（信道编码、调制）、介质访问控制层（802.11标准、MAC协议）、网络层（路由协议）、传输层等；③无线传感器网络支撑技术部分讨论无线传感器网络的时间同步技术、定位技术、数据融合技术等；④无线传感器网络高级主题（进阶内容）部分讨论无线传感器网络仿真分析技术、特殊无线传感器网络和无线传感器网络应用案例等。具体内容与学时安排如表1所示。

3.2课内实验

在课内实验中，以教材第4章“实验平台”和第15章“基于 CC2530 ZigBee WSN实验”为基础设计两个基础性实验、两个中级难度实验和两个高级难度的选做实验[78]，如表2所示。

3.3综合课程设计

无线传感器网络综合课程设计在综合6个课内实验内容的基础上进行拓展和深入，设计6个综合工程应用实例（教材第12章）[78]。综合课程设计安排学生以2～4人为一组协作地选择完成6个综合工程应用实例中的1个，每个工程实例配置指导教师1位，负责课程设计指导和实例成果验收，通过验收遴选出优秀小组在课程设计年级交流大会上汇报，提升学生综合工程实践能力、团结协作能力和交流汇报能力。具体如表3所示。

4结语

《无线传感器网络》是一门系统性很强的课程，其教学内容跨度大、实践性强的特点给教师讲授、学生学习带来了双重挑战，而一本合适的《无线传感器网络》课程教材是上好该课程的基础。本文以长江大学物联网工程专业《无线传感器网络》课程教材编写为例，探讨了该教材编写的依据与基础、原则与目标，并给出了编写实例。但是，无线传感器网络作为一门综合性课程，除了一本符合学生实际和实验环境实际的教材外，还需要教师根据学生实际情况，进一步將知识点设计成模块，提供给学生，促进其自主学习。同时，要根据课程实践性特点，在课程学时等条件允许的情况下，在课内外增加设计型实验内容，进一步提高学生无线传感器网络系统开发与实践的能力。

参考文献参考文献：

[1]温家宝.十一届全国人大三次会议政府工作报告[EB/OL].http：//www.gov.cn/2010lh/content_1555767.htm，2010.

[2]余琽，赵健，黄传河，等.物联网工程专业建设与实践教学研究[J].计算机教育，2013，8（15）：9497.

[3]李峰.无线传感器网络的特点与发展趋势[J].建材技术与应用，2011（8）：1820.

[4]长江大学招生信息网.长江大学分省历年招生计划[EB/OL].http：//zszc.yangtzeu.edu.cn/page.html，2017.

[5]孙洁.面向物联网人才培养的传感器网络课程群建设[J].高教论坛，2016，4（4）：7879.

[6][美]胡飞，曹小军.无线传感器网络原理与实践[M].牛晓光，宫继兵，译.北京：机械工业出版社，2015.

[7][美]IAN F，AKYILDIZ MEHMET CAN VURAN.无线传感器网络[M].徐平平，刘昊，褚宏云，译.北京：电子工业出版社，2013.

[8]许毅，陈立家.无线传感器网络技术原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2015.

[9]王小强，欧阳骏，黄宁淋.ZigBee无线传感器网络设计与实现[M].北京：化学工业出版社，2013.

[10]李云.CC2530与无线传感器网络操作系统TinyOS应用实践[M].北京：北京航空航天大学出版社，2013.

责任编辑（责任编辑：孙娟）