无线传感网及其应用教学实践平台

李　潍， 许　强

(东南大学 仪器科学与工程学院， 江苏 南京210096)

0　引言

随着半导体技术、传感器技术、嵌入式技术以及通信技术的飞速发展，具有感知、计算、存储和通信能力的无线传感器网络的应用越来越广泛[1]。“无线传感网及其应用”课程已成为测控技术与仪器专业方向的一门重要的选修课。该课程对学生提高测控系统应用设计水平具有很好的培养作用。提高该课程的教学质量，能够让学生切实地掌握测控系统的智能化、自动化和网络化的技术，提高我国的相关领域专业人才的设计水平。

为进一步加强学生实践能力与创新能力的培养，本文提出构建全新的无线传感网及其应用教学实践平台这一教学研究与改革课题。该平台以创新为导向，以应用为背景，创新实践教学模式。该平台将在很大程度上改变以教师为中心，学生被动接受知识的传统教学模式，深入加强实践创新教育，实现演示型教学、同步课程实验、SRTP(Student Research Training Program)项目与相关设计竞赛四合一创新实践教学模式。

1　现状及存在的问题

在“无线传感网及应用”教学实践平台构建之前，该课程的实践教学主要存在以下问题：

1) 实践时间不足

“无线传感网及其应用”课程理论内容庞杂，涉及面广。在教学过程中，学生通常较难理解、消化相关知识，尤其是在只进行课本讲授的情况下。只有增加实践的时间与机会，学生才能够全面综合地把握相关的理论知识。但在实际教学过程中，实践教学安排的时间却很少。

2) 缺少应用机会，技能储备不足

传统模式的教学中，简单的实验教学不足以激发学生的创新能力和应用水平。企业单位需要具有广而深的“T” 字型人才，为了适应企业人才需求和技术发展，应筹备、开展无线传感器网络相关竞赛等应用活动。

3) 技术更新快，企业需求日新月异

无线传感器网络是一门新兴技术，具有理论发展快、技术革新快的特点，若不对技术前沿进行追踪，闭目塞听，则会阻碍该领域的人才培养。

2　无线传感网应用教学实践平台

2.1　平台宗旨

无线传感网及其应用教学实践平台的构建以增强学生对该课程知识的理解与掌握为出发点，进行科研与教学多方面互动，挖掘学生实践创新的潜力。在该平台上开展的各项活动能使学生的学习兴趣得到激发，对无线传感器网络的相关知识建立起直观概念，奠定进一步学习和实践的基础。例如：进行深浅得当的相关实验以面向不同层次的学生，通过对编程接口和应用函数的学习，提高学生的动手能力和科研素养；组织学生参与各类无线传感网相关的应用比赛如SRTP项目、毕业设计和创新设计等竞赛，进一步提高学生的动手能力，为未来的工作打下坚实的基础。

2.2　平台任务

本文提出的基于无线传感网及其应用的教学实践平台采用包括演示型教学、同步课程实验、SRTP项目和相关设计竞赛的“四合一”的教学模式。

(1)演示型教学旨在让学生对课本知识快速建立直观概念，为课本教学提供知识储备，激发学习兴趣。

(2)同步课程实验环节中，让学生自己动手，完成课程的各项实验，由浅入深，综合分析实验的硬件、软件部分的工作流程，达到可以自己动手实现无线传感器网络简单功能的程度。

(3)参加SRTP项目环节为学生提供了进一步了解、学习无线传感器网络知识并且充分发挥自己的动手能力的机会。在此过程中，学生通过自行查找文献，挖掘无线传感器网络领域中创新的应用点，将自己的知识储备付诸于现实，进而完成由课堂学习到课外研学的转变。

(4)相关设计竞赛环节与SRTP项目虽同为课外研学的过程，但对学生提出了更高的要求，以竞赛来激发、促进学生的创造力和创新能力，在同台竞技中，学生会在理论知识，实践水平和心理素质方面得到全方位的提高，进而达到培养具有科学素养的应用型人才的目的。

图1　“四合一”教学模式

3　教学实践平台实施要点

3.1　在平台上进行教学演示

本课程选用文献[2]作为教材，该教材的组织架构如图2所示。该教学实践平台使用CVT-IOT教学实验系统以及相应的仿真程序(如路由协议研究，MAC协议研究，时间同步技术研究)给学生提供基本的实验平台和背景知识。在传感器网络的各技术分支中，学生可以选择一个切入点，通过在平台上进行实践，梳理理论知识，了解技术中的具体方法和流程，从而有助于理解理论知识，最后通过小组展示的方式分享学习心得，达到“深入一点，了解全局”的目的。

图2　文献[2]组织架构

3.2　在平台上进行课程实验

1)项目教学

上世纪末，课程改革中的学习方式的转变成为世界性的热点问题。采用项目教学法可以使学生成为课堂的主人，教师主要辅助指导学生动手实践[3]，项目教学的思想如图3所示。

资讯阶段，教师对项目进行详细的介绍，让学生了解项目，并进行相关预研工作；

决策阶段，师生进一步沟通并确定分工；

计划阶段，对工作步骤进行细致的规划，收集完成项目的软硬件资源；

实施阶段，学生进行研究工作；

检查阶段，教师检查、督促学生工作，确保任务按时按量完成；

评估阶段，教师对学生工作进行总结和评价，学生自评。

在此流程中，学生的探索能力被激发，通过实践来加深知识的理解，并达到应用的最终目的。本平台采用自选项目与实验相结合的方式来进行实验教学。

图3　项目教学框图

2)实验项目设计与选择

为了让学生更容易接受无线传感网的软硬件知识，实验项目进行精心设计是十分重要的。本平台选择可操作性强，难度适中的实验项目。

(1)基础实验部分，如LED、按键、定时器、中断、串口和AD转换等实验。将CC2530芯片当作单片机来使用。利用学生拥有的单片机相关知识储备，来引导其进入无线传感器网络技术领域。

(2)高级实验部分，即协议栈相关实验部分。协议栈是学习无线传感器网络的难点，本平台设计相对简单的实验来让学生了解协议栈，如简单无线收发、点对点通信、组网等，了解OSAL((Operating System Abstraction Layer))的基本工作流程，从信息传递的流程角度来理解协议栈。

(3)自选项目部分，通过给定一些基本的项目应用题目，如基于ZIGBEE技术的桥梁振动监测，基于无线传感器网络的温室大棚监控系统等，启发学生自行拟定应用背景，参阅相关文献，完善知识体系，独立完成一个小型项目。

3)实验方案

实验包括演示实验和同步课程实验。

演示实验可以启发学生积极思维，通过一边演示，一边讨论的方法加深学生对知识的理解。但考虑到课时安排的限制，仅挑选具有代表性的实验进行演示，占实验环节的25%。

同步课程实验采用的基础实验、高级实验与自选项目环节相结合的方案旨在循序渐进地提高学生的实践能力，共占实验环节的75%。具体实验方案如表1所示。

表1　实验方案

4)考核方式

考核部分采用基础实验(30%)，高级实验(30%)，自选项目(30%)，平时表现(10%)考核相结合的方式进行。其中基础实验与高级实验两部分采用现场考核的方式，要求学生在规定时间内复现实验效果。针对自选项目，学生自行拟定题目，在2-3周内完成。自选项目对学生的综合能力要求较高，更能体现个人创新能力，因此占比较大。2015-2016年度以及2016-2017年度本课程的学生成绩分布如图4所示。

3.3　SRTP项目与相关设计竞赛

学生通过SRTP项目和相关设计竞赛这一环节可以全方位地了解无线传感网相关技术以及最新动态。在本平台上，学生积累了无线传感器网络的软硬件设计的项目经验，并在此平台的软硬件的基础上，以创新为导向，结合应用背景，做了进一步的探索。(李潍等文)

探索获得了一些成果。部分成果示于表2。

图4　学生成绩分布

学生成果形式蔡志鹏,朱靖达,张翔宇竞赛获奖:全国第二届大学生生物医学工程创新设计大赛自选组二等奖李嘉杰,陈思维,王雅馨,李汉,柴川页校级SRTP项目:穿戴式心电信号处理与分类方法研究矫俊鹏,袁金,徐剑,张港,陈伯伦院级SRTP项目:衣物结合的心电穿戴系统

4　结语

本文介绍的无线传感网及其应用教学实践平台，以创新为导向，以应用为背景，创新实践教学模式，采用了演示型教学、同步课程实验、SRTP项目与相关设计竞赛相结合的方法。该平台在2015-2016年度，2016-2017年度的无线传感器网络课程与相关竞赛和SRTP项目的实施效果证明，它有利于调动学生在学习中的主动性和积极性，锻炼学生的无线传感网应用能力，可以切实提高学生的动手能力。

参考文献：

[1]唐秀辉.无线传感器网络技术及在环境监测中的应用研究[D].成都：电子科技大学，2006.

[2]孙利民等编著.无线传感器网络[M]. 北京：清华大学出版社，2005.

[3]沈昕，邓璨.项目教学法在本科单片机教学改革中的应用[J]. 长春：才智，2015(7).