物聯網工程“無線傳感網絡”課程教學改革與實踐

摘要：在對“無線傳感網絡”課程教學改革的實踐中提出了一種項目驅動的教學模式，制定了以工程應用為目標的課程主線，緊密結合理論和實踐教學內容，并對實踐環節和考核方式進行了改革，提高了學生的學習積極性和動手能力，效果良好。

關鍵詞：無線傳感網絡；項目驅動；教學改革

作者簡介：潘勇（1981-），男，重慶人，重慶三峽學院計算機科學與工程學院，講師；熊江（1969-），男，重慶人，重慶三峽學院計算機科學與工程學院，教授。（重慶#8194;404100）

基金項目：本文系重慶市教委科研基金項目（項目編號：KJ131108）的研究成果。

中圖分類號：G642.0#8195;#8195;#8195;#8195;#8195;文獻標識碼：A#8195;#8195;#8195;#8195;#8195;文章編號：1007-0079（2014）14-0184-01

“無線傳感網絡”是物聯網工程專業課程體系中一門重要的專業課，主要講授無線傳感網絡的基本概念、網絡協議和算法、設計基礎和測試技術。該課程一般以“傳感器技術與應用”、“單片機原理與應用”及“通信原理”為先修課程。作為一門面向物聯網應用、聯系物聯網理論/系統/設計、課程設計和畢業設計等教學環節的專業課程，其目的是指導學生掌握無線傳感網絡軟硬件設計手段，提高學生實踐能力和綜合解決問題的能力。

當前該課程理論教學過于宏觀，偏重算法，教學形式單一，實驗教學還停留在驗證實驗為主的老路上。傳統的教學方法和授課模式無法調動學生的學習積極性，無法有效提高學生的動手能力，為改善教學效果，筆者針對無線傳感網絡課程提出了項目驅動為主線的教學模式，把教學和實踐緊密結合，以激發學生積極性，提高學生動手能力。

一、課程教學內容體系改革

該課程的主要內容包括微型集成智能傳感器、組網與通信和以單片機為控制核心的信息處理與傳輸。為在授課中突出重點，理論與實踐并重，在課程教學內容安排上進行了一定整合。

物聯網工程專業不是以理論為主導，其重點在于工程應用。針對上述問題，首先在教學實踐中制定了一條以工程應用為目標的課程主線，它構建在無線傳感網絡三大支撐技術——傳感技術、計算機技術和通信技術的基礎上，在進行理論講授后即針對相應工程應用深入講解一款經典芯片，為后續設計打下基礎，如圖1所示。

這條主線以最終設計并制作一款可實現數據采集、通信及組網的無線傳感網絡節點為目標展開，對于48學時的課程可以安排32學時的理論課進行講授，16學時的實驗課進行實踐。通過主線可以將無線傳感網絡理論部分和實際工程應用部分有機結合。據此主線，還可根據課時的多少進行相應擴充，例如低能耗通信協議、節點定位和數據融合程序的開發。

二、實踐環節的教學改革

作為工程應用型專業，實驗的重要性不言自明。在本課程中實驗課程約占總學時的33%，而且一上手就是設計性實驗，實驗內容有針對性地覆蓋了理論課的授課內容。在安排上也圍繞課程主線進行，使理論課和實驗課成為有機整體，學生從親自焊接一塊節點的電路板開始，直到完成一個基本的無線傳感通信網絡。其目的要求如表1所示。

表1#8194;實驗課內容及要求

序號題目目的要求

1節點制作實驗熟悉節點硬件電路；掌握節點焊接技能；掌握節點硬件調試和糾錯

2無線通信實驗熟悉無線通信芯片的工作原理；掌握無線點對點通信接口電路；掌握無線點對點通信的應用編程

3溫度傳感實驗熟悉溫度傳感芯片的工作原理；掌握節點單片機與溫度傳感器接口電路；掌握溫度傳感器的應用編程

4液晶顯示實驗熟悉液晶模塊的工作原理；掌握節點單片機與液晶模塊的接口電路；掌握液晶屏顯示的應用編程

5無線傳感網組網實驗熟悉無線傳感網的工作原理；掌握無線傳感網組網接口電路；掌握無線傳感網通信與組網協議的應用編程

三、課程考核方式和評價的教學改革

目前國內高校對無線傳感網絡課程的考核多采用閉卷形式，學生記憶的知識空泛而零散。而且當前國內無線傳感網絡教材質量參差不齊，學生考出好的成績其實是對一些表面概念的死記硬背，學完還是不會動手。經過改革，考試形式采用大作業的形式。大作業的題目是實現一個星形拓撲的具有自組織、自管理功能的無線傳感網絡，這一題目涉及了無線傳感網絡設計制造與硬件調試、溫度傳感數據的采集與編程、單片機和無線通信芯片之間數據交換與編程、無線通信芯片之間通信組網與編程。學生在完成過程中既有前期實驗的積累，又在前期基礎上進行了升級。另外，要求學生根據自己的創意，讓設計出的系統面向某個實際應用。比如醫院病人體溫監測系統、森林火災監測系統等。作業分組完成，一組4人，撰寫設計報告，現場演示系統運行結果，參考電子設計競賽模式進行比賽打分，并確定以下評分標準：網絡系統硬件電路合理，焊點美觀，硬件測試正常；網絡系統軟件設計合理，結果顯示直觀，采集數據實時，通信數據收發準確，網絡運行穩定；達到以上標準即可評為良好及以上。創意應用方案可作加分處理。

四、教學方式改革

為了激發學生的學習興趣，提高動手能力，參考全國大學生電子設計競賽模式，在教學方式上引入教學—實驗—比賽機制，筆者在教學實踐中按照實際提出明確設計目標，布置任務。學生根據目標和布置的任務在實驗中探索解決，并隨時得到老師的指導，最后組織比賽并評分的流程實施如下：

1.設計合理教學任務

學生首先設計電路原理圖，根據電路圖制作電路板并焊接，然后根據實驗課任務編寫程序并下載調試。每個大實驗又分解為幾個基本任務和一個創新任務。以無線傳感網組網實驗為例，分為兩個基本任務和一個創新任務，任務內容及要求如下：

基本任務：參照頻分復用思想，利用射頻芯片本身的頻道，實現一對三星形拓撲通信網構建；分析無線芯片數據包構造，利用信息數據長度，實現一對三星形拓撲通信網構建。

創新任務：利用以上兩種思路的一種，組建一個網狀網絡，由兩個一對三星形拓撲網絡構成。

2.學生動手實踐

實驗課是學生動手實踐的主要平臺，學生在實驗課上根據老師布置的任務和講解自己動手實踐。老師要跟蹤學生實踐過程中的問題，及時給予解決，并啟發全班同學一起思考，不積累問題，引導學生不斷完善，優化方案。同時電路板學生也可以帶走，利用課余時間繼續專研。

3.組織學生比賽

當學生完成所有基礎實驗后，最后的大作業提交以現場比賽打分的形式進行。對于各個組的設計結果，優點要肯定，不足之處也要給出建議。學生在這個環節，成就感往往能得到極大的滿足。正好以此為契機，鼓勵通過本課程學習已對物聯網產生興趣的學生參加更高層次的校級、省級比賽，不斷提升自身能力。

五、教學效果

1.課堂和實驗課教學效果

通過教學設計和教學實踐，學生在課堂上積極主動地進行思考和回答問題，對學習充滿了興趣，能夠在教師的引導下主動思考問題，主動上網查閱資料。在實驗課上，多數同學不僅能迅速地完成布置的實驗項目，而且互相之間討論熱烈，并積極地和老師交流。有些同學則更為深入，不滿足于當前的實驗結果，而是更深入地研究芯片性能，提出了若干創意和想法，并不斷測試與優化。事實證明，這些小組最后的大作業完成得非常出色。

2.大作業反饋教學效果

從交上來的25份大作業看，學生在設計上充分發揮了主觀能動性，界面及通信協議設計多樣化，如有的利用界面圖形設計軟件在一塊單色液晶上設計出動畫效果以顯示通信結果，有的移植成熟的有線通信協議，如Modbus協議編寫程序，在此協議下系統運行穩定可靠。學生在查閱資料完成大作業的過程中不僅鞏固了課堂和教材上的內容，還自發加入了網絡中新流行的界面設計思想或一些工業化的通信協議設計方法。

總之，學生在學習過程中發揮了主體作用，提高了自身硬件調試能力和軟件編程能力。

參考文獻：

[1]李佩杰，李濱，陳碧云.電氣工程及其自動化專業“程序設計”課程的教改探索[J].中國電力教育，2014，(4):89-90.

[2]吳功宜.對物聯網工程專業教學體系建設的思考[J].計算機教育，2010，(21):26-29.

[3]張秋菊，李麗芬，宋曉華.“教—學—做—賽”一體化模式在單片機教學中的應用[J].中國電力教育，2014，(4):89-90.

[4]馬忠梅，孫娟，李奇.物聯網工程專業課程體系與實踐探討[J].單片機與嵌入式系統應用，2011，(10):1-4.

（責任編輯：王祝萍）