基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的電子類專業(yè)教學(xué)方法研究

朱娟

【摘 要】針對無線傳感網(wǎng)絡(luò)課程多學(xué)科交叉的特點(diǎn)，結(jié)合國家應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)的需求，分析電子類專業(yè)教學(xué)中存在的問題，分別從教學(xué)內(nèi)容和方法上進(jìn)行了探討，提出項(xiàng)目式教學(xué)、分層式實(shí)踐教學(xué)的方法。

【關(guān)鍵詞】無線傳感網(wǎng)絡(luò) 項(xiàng)目式教學(xué) 分層式教學(xué)

【中圖分類號】G 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A

【文章編號】0450-9889（2016）03C-0143-02

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks，WSN）技術(shù)是當(dāng)下新興物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的熱門技術(shù)之一，和它相關(guān)的產(chǎn)品涉及我們生活中的各個(gè)領(lǐng)域，特別是汽車電子、智慧農(nóng)業(yè)、智能醫(yī)療、城市監(jiān)控等都與無線傳感網(wǎng)絡(luò)息息相關(guān)。正因如此，各大院校都將無線傳感網(wǎng)絡(luò)原理與實(shí)現(xiàn)作為電子工程、通信工程、物聯(lián)網(wǎng)工程等專業(yè)的主干課程。此課程是一個(gè)知識高度集成的前沿?zé)狳c(diǎn)研究領(lǐng)域，它涉及傳感器技術(shù)、通信原理、嵌入式技術(shù)、自動控制原理、無線通信原理等眾多學(xué)科的知識，主要講授了zigbee蜂窩網(wǎng)絡(luò)及無線移動網(wǎng)絡(luò)的基本傳輸技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及主流傳輸網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等。通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以初步了解現(xiàn)代傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，具備從事近距離無線通信系統(tǒng)開發(fā)的基本能力。

一、課程教學(xué)存在的問題

目前，大多數(shù)電子類專業(yè)無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)課程安排在第六、七學(xué)期，授課僅停留在理論教學(xué)階段，即使有的專業(yè)開過實(shí)驗(yàn)課程，也只是借鑒了已有的實(shí)驗(yàn)平臺，以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主。從近年的教學(xué)效果來看，該實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)并不適用于電子專業(yè)的學(xué)生，因?yàn)樗麄儾⒉荒芡ㄟ^實(shí)驗(yàn)得到的各種數(shù)據(jù)理解無線網(wǎng)絡(luò)建立及傳輸?shù)倪^程，長此以往，使其喪失學(xué)習(xí)興趣，此外還有許多因素也制約了該課程的教學(xué)。

缺乏適合電子類學(xué)生的教材

目前市場上關(guān)于無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的書籍大部分與計(jì)算機(jī)專業(yè)相關(guān)，大致包括如下幾部分內(nèi)容：無線自組織網(wǎng)絡(luò)原理、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)、路由協(xié)議、MAC 層協(xié)議、定位技術(shù)、時(shí)間同步技術(shù)、無線網(wǎng)安全等。以上內(nèi)容對于只接觸過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的電子類專業(yè)學(xué)生來說理解較為困難，因?yàn)殛P(guān)于網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)和通信協(xié)議的知識在電子專業(yè)課程中涉及較少，很多書籍大篇幅的在講此類的知識，讓學(xué)生望而生畏。

（二）缺乏統(tǒng)一的實(shí)驗(yàn)開發(fā)平臺

目前關(guān)于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建方案很多，為了在物聯(lián)網(wǎng)市場上爭得一席之地，很多廠商都推出了支持無線傳感網(wǎng)絡(luò)組建的硬件芯片和通信協(xié)議棧，針對不同的應(yīng)用需求可以使用不同的芯片和協(xié)議棧，這使得學(xué)生思維混亂，難以抉擇。

（三）課程安排不合理、銜接不緊密

本課程安排在第六或第七學(xué)期，學(xué)生處于大三下、大四上的階段，很多學(xué)生在此時(shí)都會選擇考研或忙于找工作，便無心靜心學(xué)習(xí)此課程。加之與此課程相關(guān)的前期課程計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)在第四學(xué)期開課，時(shí)間跨度較大，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)無線網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)時(shí)知識有遺忘，銜接不起來。

二、無線傳感網(wǎng)絡(luò)課程體系改革

基于zigbee技術(shù)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)，大致被分為三個(gè)層次，底層是用來感知數(shù)據(jù)的感知層，主要是傳感器等數(shù)據(jù)采集設(shè)備；第二層是數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)層，網(wǎng)絡(luò)層將建立在現(xiàn)有的移動通訊網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上，其主要功能是直接通過現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)或移動通信網(wǎng)（如GSM、T D -SCDMA）、無線接入網(wǎng)（WiMAX）、無線局域網(wǎng)（Wi-Fi）、衛(wèi)星網(wǎng)等基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，對來自感知層的信息進(jìn)行接入和傳輸；最上面是應(yīng)用層，利用經(jīng)過分析處理的感知數(shù)據(jù)，為用戶提供豐富的特定服務(wù)。電子類專業(yè)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)課程應(yīng)盡可能多的覆蓋本專業(yè)的知識，以本專業(yè)已開課程為基礎(chǔ)，充分利用已學(xué)知識進(jìn)行拓展和創(chuàng)新，由此制定了適用于電子類學(xué)生的無線傳感網(wǎng)絡(luò)課程體系，它分為基礎(chǔ)的低端課程、提高的高端課程和實(shí)訓(xùn)課程，具體課程體系架構(gòu)如表1所示。

由于沒有針對電子專業(yè)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)書籍，故可利用先修課程計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，zigbee論壇（網(wǎng)蜂科技）及TI公司相關(guān)資料來進(jìn)行教學(xué)。將無線傳感網(wǎng)絡(luò)作為計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程的延展和提高，把計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)知識與無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有效結(jié)合。為了保證教學(xué)內(nèi)容的針對性、銜接性，可從以下方面進(jìn)行調(diào)整：精簡計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的基本原理和概念，刪除陳舊的技術(shù)和協(xié)議；重點(diǎn)講解網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，并以zigbee無線網(wǎng)絡(luò)Z-STACK協(xié)議為模型，分析協(xié)議的工作原理。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)分層協(xié)議與Z-STACK協(xié)議的對應(yīng)關(guān)系如圖1所示；增加zigbee無線局域網(wǎng)組建方法和應(yīng)用實(shí)例，培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力、綜合運(yùn)用交叉學(xué)科知識的科技創(chuàng)新能力。

三、無線傳感網(wǎng)絡(luò)教學(xué)改革實(shí)踐

（一）采用項(xiàng)目式實(shí)踐教學(xué)

項(xiàng)目式教學(xué)法是將教學(xué)內(nèi)容的理論與實(shí)踐有機(jī)結(jié)合在一起的教學(xué)法，通過教師在研項(xiàng)目來引導(dǎo)學(xué)生思考，以項(xiàng)目任務(wù)為驅(qū)動，充分發(fā)揮學(xué)生的主動性和創(chuàng)造性，解決生活中的實(shí)際問題。在筆者主持的2013年襄陽市科技局項(xiàng)目“基于zigbee的漢江水環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)研究”中，首先組織學(xué)生進(jìn)行需求分析，通過走訪環(huán)境監(jiān)測部分，了解需要監(jiān)測的水質(zhì)參數(shù)為pH 值、溫度、溶解氧、電導(dǎo)率、濁度、氨氮濃度和氯化物濃度等，然后根據(jù)系統(tǒng)成本、精度要求等因素選擇合適的傳感器，并通過網(wǎng)上查閱資料了解各種傳感器的使用方法。其次引導(dǎo)學(xué)生制定合適的無線數(shù)據(jù)傳輸方案，將藍(lán)牙、紅外、GPRS等多種無線傳輸技術(shù)對比，選擇了基于CC2530的zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)方案，要求學(xué)生們著手學(xué)習(xí)CC2530芯片及zigbee Z-STACK協(xié)議棧，先掌握點(diǎn)對點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸，再掌握點(diǎn)對多點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸，循序漸進(jìn)，逐步提高。最后將整個(gè)系統(tǒng)整合，完成調(diào)試。

（二）采用分層式實(shí)踐教學(xué)

分層式教學(xué)又稱分組教學(xué)，教師根據(jù)學(xué)生的知識、能力水平和潛力傾向把學(xué)生科學(xué)地分成幾組水平相近的群體，使得各群體在教師恰當(dāng)?shù)姆謱硬呗院拖嗷プ饔弥械玫阶詈玫陌l(fā)展和提高。根據(jù)以上理念，教師可以根據(jù)學(xué)生對表1所示專業(yè)課程的掌握情況、能力水平和個(gè)人發(fā)展方向，將實(shí)驗(yàn)分為基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)、提高型實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)等，實(shí)踐環(huán)節(jié)的具體層次化設(shè)計(jì)如表2所示：

實(shí)踐表明，電子類專業(yè)無線傳感網(wǎng)絡(luò)教學(xué)方法有效激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新思維，增強(qiáng)了學(xué)生的專業(yè)技能，11級電子信息工程專業(yè)學(xué)生的“基于zigbee的溫濕光換氣環(huán)境遠(yuǎn)程智能控制系統(tǒng)”獲國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目立項(xiàng)，12級電子信息工程學(xué)生研發(fā)的“基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的智能農(nóng)業(yè)綜合管理平臺”獲湖北省“挑戰(zhàn)杯”三等獎。

“無線傳感網(wǎng)絡(luò)”作為新興的短距離無線通信技術(shù)，在各高校電子類專業(yè)的課程中占據(jù)著舉足輕重的地位，我們需不斷改進(jìn)教學(xué)內(nèi)容、豐富教學(xué)手段、創(chuàng)新實(shí)踐環(huán)節(jié)，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性和動手實(shí)踐能力，以實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)卓越工程師的目標(biāo)。

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