高職“無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)”課程教學(xué)研究

王健

[摘要]“無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)”課程是高職院校物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)的核心課程，在專業(yè)人才培養(yǎng)方案中具有重要地位。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)涉及學(xué)科領(lǐng)域較多，課程的理論與實(shí)踐體系設(shè)計(jì)存在較大困難。文章從課程的理論教學(xué)、實(shí)訓(xùn)教學(xué)、實(shí)訓(xùn)平臺(tái)及教學(xué)方法等多個(gè)方面進(jìn)行了研究，以電路設(shè)計(jì)、程序設(shè)計(jì)、嵌入式開發(fā)等技能訓(xùn)練為抓手，積極拓展第二課堂，結(jié)合技能競賽、省市級(jí)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目，鍛煉了學(xué)生的能力，增強(qiáng)了學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)意識(shí)，達(dá)到了較好的教學(xué)效果。

[關(guān)鍵詞]無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；物聯(lián)網(wǎng)；課程改革；創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)

[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2017.02.233

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）是由大量傳感器通過無線通信方式構(gòu)成的多跳自組織網(wǎng)絡(luò)，目的是協(xié)作地采集、處理和傳輸網(wǎng)絡(luò)覆蓋地域內(nèi)感知對(duì)象的監(jiān)測信息，并報(bào)告給用戶。[1]“無線傳感器網(wǎng)絡(luò)”概念一經(jīng)提出就迅速成為學(xué)術(shù)研究熱點(diǎn)，并被美國《商業(yè)周刊》列為21世紀(jì)最有影響的技術(shù)之一。[2]隨著近年來國家對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的關(guān)注程度不斷提升，作為物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵支撐技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也逐漸升溫，《無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)》課程已成為高職院校物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)的核心課程。[3]

我國高校于2010年起開始開設(shè)物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)，紹興職業(yè)技術(shù)學(xué)院（下文簡稱“我?！保┯?2012年正式獲批開設(shè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)，當(dāng)年開始招生，規(guī)模為100人，屬于浙江省第一批開設(shè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)的高職高專院校。根據(jù)該校物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)人才培養(yǎng)方案規(guī)定，“無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)”課程是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)核心課程。作為一門新興課程，課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、實(shí)訓(xùn)設(shè)施、實(shí)驗(yàn)課程都處于不斷變化更新中，該校已連續(xù)四年開設(shè)了《無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)》課程，在此課程的內(nèi)容設(shè)置、實(shí)訓(xùn)設(shè)施選型、實(shí)驗(yàn)課程教授方面進(jìn)行了一些探索，特別是在拓展第二課堂、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)意識(shí)方面積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。

1 “無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)”課程特點(diǎn)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是集傳感器技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)、電子技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)和無線通信技術(shù)于一體的綜合信息處理系統(tǒng)，[4]具有廣泛的應(yīng)用前景，是計(jì)算機(jī)信息領(lǐng)域最活躍的研究熱點(diǎn)之一。課程涉及的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)種類、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)都是隨著技術(shù)進(jìn)步在不斷更新的，這就要求課程內(nèi)容須緊跟學(xué)術(shù)研究成果和行業(yè)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，課程內(nèi)容時(shí)效性較強(qiáng)。此外本課程較為注重工程實(shí)踐應(yīng)用，強(qiáng)調(diào)技能培養(yǎng)。

學(xué)科交叉是“無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)”課程最大的特點(diǎn)，也是其最大的難點(diǎn)。學(xué)科交叉使得此課程涉及的知識(shí)面較廣，不僅包括傳感器、硬件電路、軟件編程等基礎(chǔ)知識(shí)，也包含通信協(xié)議、軟件算法等前沿知識(shí)。此門課程的學(xué)習(xí)對(duì)學(xué)生素質(zhì)要求較高，高職高專學(xué)生學(xué)習(xí)此門課程具有較大的難度。

2 課程實(shí)施存在的問題

2.1 教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)難度大

根據(jù)紹興職業(yè)技術(shù)學(xué)院物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)人才培養(yǎng)方案規(guī)定，“無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)”課程在第三學(xué)期開設(shè)，一周4課時(shí)，共64課時(shí)，課程容量有限。但是此課程的理論和實(shí)踐內(nèi)容多，理論內(nèi)容包括：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)知識(shí)、協(xié)議規(guī)范、傳感器檢測技術(shù)、射頻識(shí)別技術(shù)、通信技術(shù)、定位技術(shù)、時(shí)間同步技術(shù)、安全技術(shù)、數(shù)據(jù)管理與數(shù)據(jù)融合等；實(shí)踐內(nèi)容包括：傳感器識(shí)別應(yīng)用、傳感器驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)、C語言編程、ZigBee組網(wǎng)、WI-FI通信、Bluetooth通信等。高難度、多種類、大跨度的知識(shí)體系讓課程教學(xué)內(nèi)容成為一個(gè)難點(diǎn)。如何在有限的課程容量中設(shè)置最合適的內(nèi)容，是此課程成功的基礎(chǔ)。

2.2 學(xué)生素質(zhì)要求高

該課程涉及的理論知識(shí)較為深入且實(shí)踐項(xiàng)目均要求學(xué)生能夠綜合應(yīng)用傳感器、電子電路、軟件編程等方面知識(shí)。該課程的授課對(duì)象是紹興職業(yè)技術(shù)學(xué)院大二學(xué)生，雖然在學(xué)習(xí)此課程之前，學(xué)生學(xué)過“C語言程序設(shè)計(jì)”“電子技術(shù)基礎(chǔ)”“物聯(lián)網(wǎng)導(dǎo)論”等課程，但是學(xué)生缺乏綜合項(xiàng)目的實(shí)踐鍛煉。該課程的學(xué)習(xí)對(duì)學(xué)生提出了一定的挑戰(zhàn)。

2.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)化程度低

由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展時(shí)間較短，發(fā)展還不成熟。配套的實(shí)訓(xùn)設(shè)施雖然種類較多，但產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，且標(biāo)準(zhǔn)化程度較低，不利于學(xué)生的技能培養(yǎng)。市場上物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品也同樣沒有嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，各廠商均使用獨(dú)立的協(xié)議，產(chǎn)品的通用性較差，在一定程度上會(huì)造成教師授課方向偏差。

3 改善課程教學(xué)的措施方法

3.1 合理設(shè)置教學(xué)內(nèi)容

課程組在制定“無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)”課程標(biāo)準(zhǔn)時(shí)發(fā)現(xiàn)此課程內(nèi)容豐富，具有較強(qiáng)的工程性和實(shí)踐性，合理有效的實(shí)訓(xùn)設(shè)置是授課質(zhì)量的關(guān)鍵。所以在課程標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置中要求學(xué)生在掌握無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)、通信協(xié)議等理論知識(shí)的基礎(chǔ)上，著重掌握常用傳感器的使用、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)開發(fā)、無線傳感器組網(wǎng)及通信等實(shí)踐知識(shí)，最終鍛煉學(xué)生電路設(shè)計(jì)、程序設(shè)計(jì)、嵌入式開發(fā)等技能。同時(shí)，在培養(yǎng)學(xué)生的過程中，結(jié)合校園文化，讓學(xué)生樹立起團(tuán)隊(duì)合作、愛崗敬業(yè)意識(shí)。

通過調(diào)研多個(gè)企業(yè)和兄弟院校，發(fā)現(xiàn)目前公司主流產(chǎn)品和實(shí)訓(xùn)設(shè)備的通信方式主要有ZigBee網(wǎng)絡(luò)、WI-FI、Bluetooth等幾種方式，其中ZigBee網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用最多，WI-FI次之。所以在實(shí)訓(xùn)設(shè)置時(shí)，側(cè)重ZigBee節(jié)點(diǎn)開發(fā)、ZigBee組網(wǎng)通信等內(nèi)容，讓市場需求在一定程度上體現(xiàn)在課程內(nèi)容設(shè)置中。

結(jié)合以往授課經(jīng)驗(yàn)以及課程自身特點(diǎn)，對(duì)“無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)”課程授課內(nèi)容和學(xué)時(shí)進(jìn)行了精心安排，采用精簡理論+項(xiàng)目式實(shí)訓(xùn)教學(xué)方法，由簡到難、循序漸進(jìn)，既照顧到了學(xué)生基礎(chǔ)薄弱的情況，又保持了知識(shí)結(jié)構(gòu)的完整性。具體授課安排如下表所示。

3.2 搭建創(chuàng)新實(shí)訓(xùn)平臺(tái)

本校無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)訓(xùn)室選用華育物聯(lián)網(wǎng)綜合實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)訓(xùn)學(xué)習(xí)，此實(shí)驗(yàn)箱包含ZigBee模塊、WI-FI模塊、Bluetooth模塊、RFID模塊以及一個(gè)嵌入式網(wǎng)關(guān)，并配備多種傳感器模塊，具有較強(qiáng)的功能。特別是在ZigBee組網(wǎng)實(shí)驗(yàn)方面具有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，能夠讓學(xué)生較直觀地看到實(shí)驗(yàn)結(jié)果和ZigBee網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，能夠適應(yīng)課程中ZigBee基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和組網(wǎng)實(shí)驗(yàn)。但是由于實(shí)驗(yàn)箱屬于定制產(chǎn)品，體積較大，且各模塊功能有一定限制，單獨(dú)使用不方便，不能滿足課程后續(xù)的綜合創(chuàng)新項(xiàng)目應(yīng)用。因此，課程組設(shè)計(jì)了一款基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)板，開發(fā)板體積小、功能全，非常適用于獨(dú)立項(xiàng)目應(yīng)用和部署。實(shí)驗(yàn)箱與獨(dú)立開發(fā)板的配合使用，能夠完全滿足學(xué)生課內(nèi)課外學(xué)習(xí)的需求，效果較好。

3.3 拓展第二課堂

“無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)”課程內(nèi)容較多，加之課堂容量有限，拓展第二課堂勢(shì)在必行。第二課堂的作用主要是讓學(xué)有余力或創(chuàng)造性思維較強(qiáng)的同學(xué)能夠通過第二課堂實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新探索。課程組將學(xué)有余力或有興趣的同學(xué)吸收到物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)工作室，鼓勵(lì)學(xué)生參與省市級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目申請(qǐng)和省市級(jí)技能競賽。兩年來，共有30多名學(xué)生加入了物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)工作室，學(xué)生共申請(qǐng)省級(jí)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目一項(xiàng)、市級(jí)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目兩項(xiàng)、校級(jí)綜合項(xiàng)目兩項(xiàng)，并獲得省級(jí)競賽二等獎(jiǎng)一項(xiàng)、三等獎(jiǎng)一項(xiàng)、市級(jí)獎(jiǎng)項(xiàng)若干。通過開設(shè)第二課堂，學(xué)生各方面能力得到顯著提升，創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)意識(shí)明顯增強(qiáng)。

3.4 完善考核方式，注重實(shí)踐培養(yǎng)

“無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)”課程傳統(tǒng)考核方式由平時(shí)成績和期末成績兩部分組成，其中平時(shí)成績占40%，期末考核占60%，平時(shí)成績包括實(shí)訓(xùn)動(dòng)手能力以及上課表現(xiàn)情況。為了增強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)意識(shí)，課程組將競賽獲獎(jiǎng)、項(xiàng)目申請(qǐng)納入課程考核中，開展學(xué)分置換。如果學(xué)生參與競賽并獲得省三等獎(jiǎng)以上獎(jiǎng)勵(lì)或者成功申請(qǐng)省級(jí)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目，可以申請(qǐng)課程免考，這一舉措大大調(diào)動(dòng)了學(xué)生參與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目和技能競賽的積極性。

4 結(jié) 論

“無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)”課程作為高職院校物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)的核心課程，具有較強(qiáng)的工程性和實(shí)踐性。課程組結(jié)合市場需求及學(xué)生基礎(chǔ)對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了重組，采用精簡理論+項(xiàng)目式實(shí)訓(xùn)教學(xué)方法，改善了教學(xué)效果。并積極開設(shè)第二課堂，引導(dǎo)學(xué)生參與技能競賽和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)學(xué)以致用，培養(yǎng)了學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)意識(shí)。文章提出的思路符合國家關(guān)于深化高等學(xué)校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革的政策，與國家高職教育人才培養(yǎng)目標(biāo)相吻合，并為創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育在專業(yè)核心課程中的實(shí)踐提供了參考。

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