基于無線傳感網絡的電子類專業教學方法研究

朱娟

【摘 要】針對無線傳感網絡課程多學科交叉的特點，結合國家應用型人才培養目標的需求，分析電子類專業教學中存在的問題，分別從教學內容和方法上進行了探討，提出項目式教學、分層式實踐教學的方法。

【關鍵詞】無線傳感網絡 項目式教學 分層式教學

【中圖分類號】G 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2016）03C-0143-02

無線傳感器網絡（Wireless Sensor Networks，WSN）技術是當下新興物聯網產業的熱門技術之一，和它相關的產品涉及我們生活中的各個領域，特別是汽車電子、智慧農業、智能醫療、城市監控等都與無線傳感網絡息息相關。正因如此，各大院校都將無線傳感網絡原理與實現作為電子工程、通信工程、物聯網工程等專業的主干課程。此課程是一個知識高度集成的前沿熱點研究領域，它涉及傳感器技術、通信原理、嵌入式技術、自動控制原理、無線通信原理等眾多學科的知識，主要講授了zigbee蜂窩網絡及無線移動網絡的基本傳輸技術、網絡架構及主流傳輸網絡協議等。通過本課程的學習，學生可以初步了解現代傳感網絡技術，具備從事近距離無線通信系統開發的基本能力。

一、課程教學存在的問題

目前，大多數電子類專業無線傳感網絡技術課程安排在第六、七學期，授課僅停留在理論教學階段，即使有的專業開過實驗課程，也只是借鑒了已有的實驗平臺，以驗證性實驗為主。從近年的教學效果來看，該實驗教學系統并不適用于電子專業的學生，因為他們并不能通過實驗得到的各種數據理解無線網絡建立及傳輸的過程，長此以往，使其喪失學習興趣，此外還有許多因素也制約了該課程的教學。

缺乏適合電子類學生的教材

目前市場上關于無線傳感網絡技術的書籍大部分與計算機專業相關，大致包括如下幾部分內容：無線自組織網絡原理、無線傳感器網絡體系結構、路由協議、MAC 層協議、定位技術、時間同步技術、無線網安全等。以上內容對于只接觸過計算機網絡的電子類專業學生來說理解較為困難，因為關于網絡體系結構和通信協議的知識在電子專業課程中涉及較少，很多書籍大篇幅的在講此類的知識，讓學生望而生畏。

（二）缺乏統一的實驗開發平臺

目前關于無線傳感網絡的構建方案很多，為了在物聯網市場上爭得一席之地，很多廠商都推出了支持無線傳感網絡組建的硬件芯片和通信協議棧，針對不同的應用需求可以使用不同的芯片和協議棧，這使得學生思維混亂，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期，學生處于大三下、大四上的階段，很多學生在此時都會選擇考研或忙于找工作，便無心靜心學習此課程。加之與此課程相關的前期課程計算機網絡在第四學期開課，時間跨度較大，導致學生學習無線網絡體系結構時知識有遺忘，銜接不起來。

二、無線傳感網絡課程體系改革

基于zigbee技術的無線傳感網絡，大致被分為三個層次，底層是用來感知數據的感知層，主要是傳感器等數據采集設備；第二層是數據傳輸的網絡層，網絡層將建立在現有的移動通訊網和互聯網基礎上，其主要功能是直接通過現有的互聯網或移動通信網（如GSM、T D -SCDMA）、無線接入網（WiMAX）、無線局域網（Wi-Fi）、衛星網等基礎網絡設施，對來自感知層的信息進行接入和傳輸；最上面是應用層，利用經過分析處理的感知數據，為用戶提供豐富的特定服務。電子類專業的無線傳感網絡課程應盡可能多的覆蓋本專業的知識，以本專業已開課程為基礎，充分利用已學知識進行拓展和創新，由此制定了適用于電子類學生的無線傳感網絡課程體系，它分為基礎的低端課程、提高的高端課程和實訓課程，具體課程體系架構如表1所示。

由于沒有針對電子專業的無線傳感網絡書籍，故可利用先修課程計算機網絡，zigbee論壇（網蜂科技）及TI公司相關資料來進行教學。將無線傳感網絡作為計算機網絡課程的延展和提高，把計算機網絡知識與無線傳感網絡技術有效結合。為了保證教學內容的針對性、銜接性，可從以下方面進行調整：精簡計算機網絡的基本原理和概念，刪除陳舊的技術和協議；重點講解網絡體系結構及網絡協議，并以zigbee無線網絡Z-STACK協議為模型，分析協議的工作原理。計算機網絡分層協議與Z-STACK協議的對應關系如圖1所示；增加zigbee無線局域網組建方法和應用實例，培養學生的工程實踐能力、綜合運用交叉學科知識的科技創新能力。

三、無線傳感網絡教學改革實踐

（一）采用項目式實踐教學

項目式教學法是將教學內容的理論與實踐有機結合在一起的教學法，通過教師在研項目來引導學生思考，以項目任務為驅動，充分發揮學生的主動性和創造性，解決生活中的實際問題。在筆者主持的2013年襄陽市科技局項目“基于zigbee的漢江水環境監控系統研究”中，首先組織學生進行需求分析，通過走訪環境監測部分，了解需要監測的水質參數為pH 值、溫度、溶解氧、電導率、濁度、氨氮濃度和氯化物濃度等，然后根據系統成本、精度要求等因素選擇合適的傳感器，并通過網上查閱資料了解各種傳感器的使用方法。其次引導學生制定合適的無線數據傳輸方案，將藍牙、紅外、GPRS等多種無線傳輸技術對比，選擇了基于CC2530的zigbee無線傳感網絡方案，要求學生們著手學習CC2530芯片及zigbee Z-STACK協議棧，先掌握點對點的數據傳輸，再掌握點對多點的數據傳輸，循序漸進，逐步提高。最后將整個系統整合，完成調試。

（二）采用分層式實踐教學

分層式教學又稱分組教學，教師根據學生的知識、能力水平和潛力傾向把學生科學地分成幾組水平相近的群體，使得各群體在教師恰當的分層策略和相互作用中得到最好的發展和提高。根據以上理念，教師可以根據學生對表1所示專業課程的掌握情況、能力水平和個人發展方向，將實驗分為基礎型實驗、提高型實驗、創新型實驗等，實踐環節的具體層次化設計如表2所示：

實踐表明，電子類專業無線傳感網絡教學方法有效激發了學生的創新思維，增強了學生的專業技能，11級電子信息工程專業學生的“基于zigbee的溫濕光換氣環境遠程智能控制系統”獲國家級大學生創新創業訓練項目立項，12級電子信息工程學生研發的“基于無線傳感網絡的智能農業綜合管理平臺”獲湖北省“挑戰杯”三等獎。

“無線傳感網絡”作為新興的短距離無線通信技術，在各高校電子類專業的課程中占據著舉足輕重的地位，我們需不斷改進教學內容、豐富教學手段、創新實踐環節，充分發揮學生的主觀能動性和動手實踐能力，以實現培養卓越工程師的目標。

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