《无线传感网技术》课程教学设计与实现*

兰州资源环境职业技术学院信息工程学院 王胜利

本研究以《无线传感网技术》课程为例，结合高职物联网应用技术专业教学实践，对课程开设背景、教学目的、课程教学设计进行了研究与探讨，在课程教学设计中重点对教学理念设计、教学策略设计、教学资源设计、教学过程设计、考核方式等方面做了分析总结。

无线传感网技术作为物联网技术中关键组成部分，在智能家居、智慧小区、智能工厂、智能农业等领域日益普遍。无线传感网技术不仅给人们的生活带来诸多便利和乐趣，也对工农业领域相关产业的发展起到推动作用，促进了产业升级，催生了行业新业态。由此促进了各行业对无线传感网技术人员的需求。为了对接这种需求，在高职物联网应用技术专业开设无线传感网技术课程显得尤为必要。本文主要从无线传感网技术课程教学设计中涉及的教学理念设计、教学策略设计、教学资源设计、教学过程设计、考核方式以及实现方法等方面进行研究与探讨[1]。

1 无线传感网技术概述

无线传感网技术在物联网行业应用非常普遍。无线传感网技术是由无线通信技术、计算机网络技术、传感器技术、嵌入式技术、信息技术等构建起来的一门前沿技术，其特点是学科交叉度高、知识密度大，在目前物联网行业发展中应用广泛。无线传感网络通过各种功能传感器协同监测环境信息，并将监测信息采集、加工后，以无线通信的形式发送给观察者。无线传感网络的存在，极大的拓宽了人们感知外界环境的范围。

一个典型的无线传感网系统由无线通信模块、传感器模块、处理器模块和电源模块组成。无线通信模块负责系统内各个模块之间的无线通信，目前无线传感网技术中应用到的无线通信技术主要有NB-IoT、Lora、WiFi、蓝牙、ZigBee、NFC等；传感器模块是无线传感网系统的核心，各种功能的传感器模块用来采集环境信息数据并完成数据转换；处理器模块负责整个系统的运转，完成对采集到的数据的加工、存储；电源模块负责给整个系统供电。无线传感网系统是一个以采集环境数据为中心的网络，系统内各模块间具有自组网功能，根据用户需求可以组建大小不同的网络。

高职物联网应用技术专业开设的《无线传感网技术》课程，以行业实际需求出发，从无线传感网结构组成、无线传感网基础技术、无线传感网系统开发等方面，对无线传感网技术进行详细全面的介绍。

2 课程设计背景

《无线传感网技术》是一门以实践为主的课程，具有很强的专业性，专门给物联网应用技术专业二年级学生开设。在学习这门课程之前学生需要先学习《电子技术》、《传感器技术》、《单片机技术与应用》、《计算机网络技术》等课程，让学生先掌握所需的基础知识，为学习《无线传感网技术》课程打下坚实的理论基础。

3 教学目标分析

3.1 知识目标

《无线传感网技术》课程的知识目标主要要求学生掌握：（1）无线传感网基本组成结构，包括物理层、网络层、应用层的功能及特点；（2）CC2530单片机开发，掌握CC2530单片机GPIO端口、中断、定时器、USART接口、ADC模块等知识点；（3）ZigBee协议栈组网应用，主要学习Z-stack协议栈的点对点通信、串口透传等知识点；（4）BasicRF点对点通信，主要学习BasicRF无线通信的原理和基本应用；（5）NBIoT无线通信，主要学习窄带物联网通信原理和基础开发等知识点；（6）蓝牙无线通信，主要学习基于BLE协议栈的串口通信、数据传输等知识点；（7）GPRS无线通信，主要学习拨打电话和收发短信的原理；（8）WiFi无线通信，主要学习通过WiFi实现服务器连接、信号控制等知识点。在上述知识点中，还针对实操设计了典型的实训任务，以此加强实操知识点的学习。

3.2 能力目标

《无线传感网技术》课程的实操性很强，在掌握大量理论知识点的同时，还要求学生具备良好的实操能力。在学习完本门课程后，学生应该掌握以下技能：（1）会搭建无线传感网开发环境，熟练掌握常用开发软件，在软件上会编写、下载和调试程序；（2）熟练掌握CC2530单片机基本组件的开发，会使用CC2350单片机控制执行器，采集传感器数据；（3）能够基于Z-stack实现点对点通信、串口通信、绑定以及简单无线传感网络系统的设计；（4）能够基于BLE协议实现串口通信和无线控制；（5）能熟练使用基本AT指令实现拨打电话和短信收发；（6）熟练掌握通过WiFi连接服务器以及通过WiFi控制执行器。

3.3 素质目标

《无线传感网技术》课程的素质目标是：（1）让学生能够掌握无线传感网系统的软件编程规范和项目管理方法，养成良好的工程管理素质。（2）养成学生良好的自主学习素养，课程中设置的大量实操任务，都是针对知识点应用的典型案例，学生需要自己分析任务要求，发现问题、分析问题，最终解决问题，通过这样的训练，将很好的养成学生的自主学习能力，对学生想成良好的学习素养，大有裨益。（3）逐步养成学生团队协作、互帮互助的习惯。例如，在开展基于Z-stack的串口透传实验时，需要小组间的配合，两个实验小组间要通过协调沟通，共同确定实验参数才能最终完成实验，这就要求学生进行有效沟通、相互帮助，共同完成实验任务[2]。

4 课程教学设计

4.1 教学理念设计

本课程实践性强，要求学生具备良好的实践动手能力，因此在制定《无线传感网技术》课程教学设计时采取教师示范为辅，学生实践为主的教学模式，在教学过程中注重对学生的实践动手能力培养。课程实践教学设计设置了系统需求分析、系统硬件原理图和PCB设计、系统软件编程、系统调试运行等环节，并从与生活密切联系的无线传感网应用项目出发，展开系统需求调研、系统分析设计、确定具体工作任务等工作，开展学生实践环节。

4.2 教学策略设计

本课程采用任务工单的方式，上课前给学生布置任务，让学生开展资料查询，搜集整理相关知识点，为课堂学习做好准备；课堂上分组讨论、分组实训，教师按小组进行讲授指导并对学生实训情况进行评价考核，这一过程中，学生自主开展实训，教师辅助指导，通过发现学生的问题，进行针对性的解答，最后对学生实训过程表现和实训结果做出综合性评价。考核评价后要求学生整理课堂教学内容，反思实训过程中优点和不足，做好实践实训总结。

4.3 教学资源设计

本课程教学中要用到硬件开发模块、嵌入式开发软件以及实训系统工位装置等教学资源。结合课程内容，硬件开发模块配备了ZigBee、蓝牙、WiFi等硬件模块，利用这些模块开展无线传感网底层硬件开发学习；软件开发环境主要是IAR开发环境，重点开展基于ZigBee的无线传感网系统设计编程；在实训系统工位装置上，主要开展智慧农业，智能家居、智慧物业项目中无线传感网系统的安装调试。

4.4 教学过程设计

《无线传感网技术》课程的主要内容包括无线传感网的基本架构、无线传感网通信技术及应用和无线传感网络的传感器节点三个方面[3]。

在无线传感网的基本架构内容中，主要讲解无线传感网络的定义、产生的历史背景、系统设计中的挑战因素等，并举例讲解无线传感网的典型应用案例，让学生对无线传感网的物理层、MAC协议和网络层有基本的认识；在无线传感网通信技术及应用内容中[4]，重点介绍RFID、ZigBee、WiFi、Blue-tooth、NB-IoT以及Lora等无线通信技术，重点学习基于ZigBee的无线传感网设计开发，让学生掌握基于各类无线通信技术的典型无线传感网系统设计方法；在无线传感网络的传感器节点内容中，主要讲解无线传感器节点硬件设计架构、传感器子系统、通信接口等内容，在实训中让学生利用常用传感器节点、通信模块、数据处理模块进行项目开发练习，提高学生综合开发能力，培养学生工程素养。具体教学内容如表1所示。实训任务中一个任务工单的完整流程包括：任务说明及布置—制定计划—决策—任务实施—检查程序文件并质询—考核评价—撰写总结。

4.5 考核方式

无线传感网课程考核的目的，主要是督促学生完成课程教学任务，激励学生自主学习，提升实践操作能力，养成良好的职业素养。

本门课程的考核方式主要涉及：（1）过程性考核。重点对学生课堂表现考核，包括出勤、课堂提问、课堂纪律等。通过日常考核的形式，督促学生按时完成任务，养成良好的学习习惯。（2）结果性考核。主要通过开展实训任务进行考核，包括实训任务方案制定、结果展示、实训报告撰写三个方面的考核，最后给出实训综合成绩，以此反映学生对学习内容的掌握情况。（3）工程素养考核。采用小组互评和教师评价的方式，对学生的团队协作情况、实训操作规范、注意事项等方面开展考核，促进学生工程素养和职业素质的提升。各项考核的占比如表2所示。

表2 考核占比Tab.2 Proportion of assessment

4.6 实现方法

根据课程标准及以往教学实践经验，在课程实现环节主要采用以下三种方式：

（1）教师示范和学生实践相结合，完成课堂教学任务。根据本课程实践性强的特征，在课程设计中包含了大量的实训任务，因此在教学过程中，教师首先对实训重点环节进行示范，学生根据教师的示范讲解，分小组开展实训练习，完成课堂学习任务。

（2）开展无线传感网技术兴趣小组，组织学生进行课外实践学习。在课堂教学的基础上，组织学生成立无线传感网技术兴趣小组，由任课教师进行指导。指导教师通过设置一些难度较高、趣味性强的问题，让学生在课外进行自主学习，提升学生自主学习能力和团队协作能力。

（3）借助物联网技术省赛和国赛，以赛促教、以赛促学。物联网应用技术专业学生每年都会参加物联网各类竞赛，无线传感网络技术作为物联网应用技术专业学生的重点学习内容，在物联网各类竞赛试题中也占有重要比重。因此在教学过程中，一方面，通过《无线传感网技术》课程教学提高学生竞赛水平；另一方面，通过总结竞赛经验，丰富教师教学经验和教学能力。形成以赛促教、以赛促学的良好局面。

5 结语

本文结合高职物联网应用技术专业教学实践，对课程设计背景、教学目标和课程教学设计进行了分析研究。在课程教学设计中重点对教学理念设计、教学策略设计、教学资源设计、教学过程设计、考核方式以及实现方法等方面进行了分析总结。这门课程的主要特点是实践，学生需要进行大量地练习才能较好地掌握所学知识点。今后将进一步探索该课程的教学设计模式和教学策略，为学生能够更好的掌握无线传感网开发技能，提升学生的动手能力和创新能力储备教学经验。