以提高实践能力为目标的无线传感器网络课程教学改革

高丽丽

摘  要 无线传感器网络课程具有实践性强的特点，为提高学生实践能力，在课程教学过程中改变了以讲授知识点为主的教学方法，而是从实际问题出发，以实践项目为主线，理论教学为辅助。实践教学项目分为基础、综合和创新三个层次。经过教学过程检验，达到提高学生实践能力、激发学生学习兴趣的目的。

关键词 无线传感器网络;实践能力;项目教学;物联网;实践教学;通信工程专业;ZigBee;Z-Stack

中图分类号：G642.0    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2018）20-0075-03

Teaching Reform of Wireless Sensor Network Course Aiming at Improving Practical Ability//GAO Lili

Abstract The wireless sensor network course has strong practical characteristics， and in order to improve students' practical ability， the

teaching method based on the teaching point has been changed in the

course. It is based on practical problems， with practical projects as

the main line and theoretical teaching as an aid. The practical tea-ching project is divided into three levels： foundation， synthesis and

innovation. After the examination of the teaching process， the pur-

pose of improving students' practical ability and stimulating students'

interest in learning has been achieved.

Key words wireless sensor network; practical ability; project tea-ching; internet of things; practice teaching; communication engi-neering speciality; ZigBee; Z-Stack

1 引言

物联网的三大支撑技术分别是无线传感器网络（Wire-

less Sensor Network，WSN）、射频识别（Radio Frequency

Identification，RFID）和云计算（Cloud Computing）。无线传感器网络在国际上被认为是继互联网之后的第二大网络，美国《技术评论》杂志2003年评出的将对人类未来生活产生深远影响的十大新兴技术中，传感器网络被列为第一[1]。

对于通信类专业的学生来说，通过学习无线传感器网络课程，可以深入探索物联网核心技术[2]。无线传感器网络课程具备很强的实践性和工程性，而且从物理感知到面向应用，涉及多门学科，内容多、难度大[3-4]，为提高学生的实践创新能力，培养应用型人才，必须加强课程体系和实践教学内容的建设。

2 课程当前存在的问题

随着国家对高等教育在宏观上进行分类指导，应用型教育越来越引起关注，已成为人们讨论的热点问题。内蒙古科技大学通信工程专业的教学定位已逐渐转变到围绕本地的经济和社会发展，积极推动应用型专业和课程的建设。通信工程专业新修订的培养方案明确指出：重视学生课外创新能力的培养，着力提高学生的工程意识、工程素质和工程实践能力，为内蒙古自治区通信行业培养造就一批具有创新精神、团队意识的高素质应用型人才。

无线传感器网络课程作为通信工程专业的专业课程，秉承这一思想，以提高学生的实践能力为目标，加强培养物联网创新应用型人才。无线传感器网络课程开设在大四的第一学期。对于高年级学生，为了加强学生的实践能力，专业课程的教授应该有别于基础课程。教师应该更多地强调掌握研究科学问题的方法，而不是单纯地进行知识点讲授;应该引导学生去关注前沿热点问题，引发他们的兴趣，在此基础上指导他们逐步独立地开展学科研究。

无线传感器网络课程内容广泛，涉及通信、计算机、电子、嵌入式等多个学科。同时，这门课程强调实践性，从数据采集、数据传输到数据终端显示，都需设计相应的实验环节[5]。课程内容多和课时受限是一个比较严重的问题。目前，这门课程根据培养方案，设置为40课时。在40课时的时间内，既要涉及全部知识点，又要引导学生掌握研究问题的方法，培养他们的兴趣，如何进行课时安排，就需要授课教师进行精心设计。

对于注重实践的课程，授课方法很重要。传统的教学，理论和实践往往不能相辅相成。而且在实验内容的设置上，基础性实验占实验内容的绝大部分，综合性实验很少，设计性和创新型实验几乎没有。学生在实验过程中不需要思考，只要按照教师的指导或实验指导书的步骤直接验证即可。这样教学的后果是学生只知其然，不知其所以然，对实验内容不理解，甚至不知道做的是什么。

为解决上述问题，提高学生的实践创新能力，教学团队坚持“以应用为导向，以项目为驱动”的理念，在充分了解學生的能力和兴趣的基础上，设计多个实践项目（实践项目按照“循序渐进、深入浅出”的原则，分为基础、综合和创新三个层次）;然后以实践项目作为教学的核心内容，理论教学作为辅助教学，根据培养方案的要求和多年的教学经验，精心设计无线传感器网络课程的课时安排，力求知识点全面且能突出重点。在教授过程中，引导学生搜集有关电子文献、开源代码及纸质文献资料，进行独立思考;后期让学生根据个性和兴趣自由组队，对实践项目进行协作式开发，对项目中出现的问题及时交流探讨，提高学生解决实际工程问题的能力。

3 理论教学内容安排

无线传感器网络课程涉及通信、传感器、网络等诸多领域，从课程内容的组织到课程实施，均有很大难度。为在有限的时间内使学生获得解决实际问题的能力，教学团队与深圳讯方通信有限公司合作，以典型的无线传感器网络技术ZigBee/Z-Stack作为课程的主要教学内容。教学团队负责理论教学内容，深圳讯方通信有限公司的工程技术人员负责具体的实践项目。

本课程共安排40学时，其中理论教学占用20学时，实践教学占用20学时，实践以具体实践项目的方式出现。在本课程之前，学生已先修了计算机通信网、C语言、单片机原理与技术等课程，所以在教学安排上，这部分内容可以不讲以节约课时，主要讲授无线传感器网络的基础理论知识和Z-Stack项目开发内容。

根据任课教师体会、工程技术人员推荐和往届学生的反馈，理论教学选用两本教材，分别为崔逊学、左从菊编著的《无线传感器网络简明教程》和钟永锋、刘永俊编著的《ZigBee无线传感器网络》。

《无线传感器网络简明教程》主要介绍无线传感器网络的基本概念，常见的微型传感器，传感器网络的通信技术、支撑技术、应用开发基础，传感器网络协议的技术标准;另外提供了大量传感器网络应用方面的实例，侧重无线传感器网络的通信与组网技术和无线传感器网络的支撑技术，内容简单明了、浅显易懂，在这里作为入门辅导书籍。

《ZigBee无线传感器网络》与ZigBee联盟的官方规范保持一致，并以架构设计者的角度全面系统地介绍了无线传感器网络的物理层/MAC层规范（IEEE 802.15.4）、ZigBee网络层协议、应用层协议，以及与技术实现密切相关的网关、安全和应用子集等规范，与课程的实践项目相辅相成。

两本书均逻辑清晰、易于理解，适合本科生阅读。二者结合，既可以达到理论教学目标，又可以为后续的实践项目打下基础。无线传感器网络的基础理论具体教学内容及学时安排如表1所示。

4 实践项目教学安排

实践教程和实践设备均为深圳讯方通信有限公司开发。在实践过程中，为使每个学生有独立完成实践项目的条件，共配备20套实验箱和一套智能家居系统。每套实验箱包括三个节点，若干各类传感器、网关、下载器等，还有相关软件。每个实践项目都有项目背景、项目原理、项目步骤、关键程序解析、程序流程图及课后思考。实践项目分为基础、综合和创新三个层次。

只要有基本的单片机知识、计算机编程基础，都可以完成无线传感器网络基础型项目。每一个基础型实践项目要求学生必须能够移植并会修改项目中涉及的程序。

综合型项目是能实现一定功能的具体的实践项目，目的是培养学生的创新能力和工程实践能力。项目包括节点的无线数据发送和接收、建网与入网分析、无线采集温度和无线采集温度/湿度，并通过网关在上位机进行数据显示。综合型项目有一定难度，需要学生了解一些网络的基本知识、无线通信技术及网络通信协议，才能更好地理解实验内容。

创新型项目是综合型项目的延伸，培養学生的实践动手能力和分析解决问题的能力，要求学生自己编写程序，完成一些简单任务。以智能家居为例，实现室内灯光的控制和室内窗帘的开合。创新型项目可以帮助学生认识专业知识在实际生活中的应用，进而激发学生的学习兴趣和创新能力。

基础型项目和综合型项目要求学生必须在规定时间内完成，要求学生课下进行有效预习。同时，为避免授课教师检查和辅导不及时，每次安排10组实验，两名授课教师。通过这两种类型的实践项目，学生对理论知识理解得更透彻，在实践过程中体会到理论和实践相辅相成的关系，并为创新型项目的完成打下基础。

创新型项目相对复杂，在有限的课堂时间内大多数学生不能完成。因此，实验室全天开放，学生可以自行安排时间进入实验室进行深入学习;并提倡自由组队，成员之间相互探讨、协作，共同完成项目。通过创新型项目，让学生体会获得实践成果的成就感，进一步激发兴趣。

无线传感器网络Z-Stack具体实践教学项目内容及学时安排如表2所示。

5 结语

无线传感器网络课程具有知识庞杂、教学内容多与跨度大、强调实践性的特点，给教师的教授和学生的学习带来很大的挑战。从实际问题出发，以实践为主、理论为辅的教学方式，每个实践项目围绕一个主题展开，由易到难、循序渐进，能够大大激发学生的学习兴趣。运用“以应用为导向，以项目为驱动”的理念，不仅可以帮助学生更好地理解无线传感器网络基础理论知识和ZigBee协议相关概念，而且有利于培养学生的实践能力，提高学生解决实际工程问题的能力，教学质量获得明显提高。■

参考文献

[1]周伟，易军，张元涛，等.“无线传感器网络”课程教学模式探索[J].重庆科技学院学报：社会科学版，2014（5）：

165-166.

[2]何丽莉，胡成全，白洪涛.计算机专业《无线传感器网络》课程教学研究[J].教育教学论坛，2015（40）：170-171.

[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（3）：166-167.

[4]杨建强，张其林.基于ZigBee的无线传感器网络课程的讲、演、练教学设计[J].计算机教育，2017（7）：73-76.

[5]吴迪，朱金秀，韩光洁，等.“无线传感器网络”教学方法探索[J].电气电子教学学报，2014，36（4）：66-68.