基于ZigBee的無線傳感器網絡課程的講、演、練教學設計

楊建強+張其林

摘 要：針對應用型高校對學生應用能力培養的要求，分析物聯網工程專業無線傳感器網絡課程的教學內容和學時安排，根據演示和練習項目，提出一種以ZigBee技術為基礎的講、演、練教學設計方法。

關鍵詞：ZigBee；無線傳感器網絡；教學設計；Z-Stack

文章編號：1672-5913（2017）07-0073-04

中圖分類號：G642

0 引 言

無線傳感器網絡是物聯網工程專業的一門核心課程。目前，國內高校開設的這門課程具有內容多、難度大的特點[1]，并且重理論、輕實踐。從培養學生的應用能力出發，筆者選擇了典型的無線傳感器網絡技術ZigBee/Z-Stack技術作為該課程的主要教學內容。課程除了介紹無線傳感器網絡的基本概念（包括IEEE 802.15.4規范及ZigBee的相關概念）外，主要向學生講授ZigBee編程技術。ZigBee編程以C語言編程、單片機編程為基礎，但與一般的C語言編程或單片機編程不同。ZigBee編程是在某個ZigBee協議棧上的C語言編程，需要遵循相應的ZigBee協議棧的編程思想和編程方法。對初學者來說，ZigBee編程思想及編程方法是全新的，掌握它并不是一件容易的事，需要大量的實踐和練習。為此，在無線傳感器網絡這門課程的教學中，應該采用“講、演、練”相結合的教學方法，促進學生快速掌握ZigBee編程技術。具體來說，就是在每一次課上，教師首先介紹本次課的知識點，然后演示與本次知識點有關的項目，在演示過程中進一步闡述、解釋有關概念，最后學生練習剛剛演示的內容。除此之外，學生還需獨立完成幾個實驗項目，這也屬于學生練習的內容。

1 課程內容及學時安排

無線傳感器網絡的先修課程包括單片機原理及應用、傳感器原理及應用、計算機網絡等。因此，在設計無線傳感器網絡教學時，可以少考慮單片機、傳感器、網絡通信等內容，緊緊圍繞無線傳感器網絡的基本概念及ZigBee編程技術展開。無線傳感器網絡以ZigBee/Z-Stack編程技術為重點，采用由淺入深、循序漸進的方式安排教學內容。該課程共46學時，其中實驗18學時。表1給出了本課程的教學內容及學時安排。

知識單元（1）是本課程第一次課講授的內容，僅涉及無線傳感器網絡的基本概念，不涉及任何實際操練，因此沒有安排演示和練習項目。

Z-Stack中的任務（即事件處理程序）概念以及任務的管理和調度，是理解ZigBee/ Z-Stack工作原理、掌握Z-Stack編程技術的基礎和關鍵。學生必須理解這些內容，才能理解Z-Stack的流程，掌握Z-Stack項目開發技能。所以，知識單元（6）用了較多的學時，而6個實驗項目中的5個也都安排在此后進行。

另外，講、演通常是一體的，因此，表1中各知識單元中的講、演部分的學時分配并不是嚴格的，而是視實際情況，有時候講多一點，有時候演多一些。

2 演示及練習項目設計

表2列出了本課程的演示及練習項目。從知識單元（2）開始，表2中每一行的演示、練習項目分別與表1中的一個知識單元對應。也就是說，第一行的演示和練習項目對應于知識單元（2），第二行對應于知識單元（3），其他依次類推。

項目演示通常在講解相關概念后進行。演示一方面是進一步闡述相關概念的含義，另一方面是講解ZigBee編程技術規范和編程技巧。教師演示完畢，學生開始模仿練習。學生的練習項目，基本都在演示項目的基礎上修改而成——修改了演示項目中少量關鍵代碼。演示項目程序已事先準備好，可以直接編譯、鏈接和運行。

要掌握ZigBee編程技術，僅靠簡單模仿是不夠的。為此，筆者設計了6個ZigBee實驗項目，以鞏固所學的內容。本質上，它們也是學生練習的一部分，見表3。

以上實驗項目，項目①②基本上來自相應的演示或練習項目，目的是讓剛剛接觸Z-Stack編程的學生熟悉基本的Z-Stack編程思想及編程技巧。其他項目雖然與演示或練習項目有一定的關系，但需要學生進行一定的設計或者做較多的修改。這樣做是有原因的：ZigBee網絡的通信功能是由ZigBee協議棧軟件（比如Z-Stack）維護的，因此ZigBee項目中包含了大量的協議棧代碼，而不像單片機程序開發那樣只有用戶的代碼。所以，ZigBee項目的開發基本上都是在已有項目的基礎上進行的[3]。

為了促進學生深入理解和掌握Z-Stack編程思想及編程技術，筆者要求學生在實驗報告中給出各個實驗的實驗原理說明及重要代碼分析。

3 結 語

對國內許多高校來說，物聯網工程專業是一個比較新的專業，其課程及教學內容的設置正逐步走向合理。許多應用型高校選擇ZigBee技術作為無線傳感器網絡課程的教學內容，并積極探索合適的教學方法[4-6]，本文給出的教學設計也是一種探索。為了順利實施“講、演、練”相結合的教學方法，筆者把該課程的教學全部安排到實驗室進行。由于該課程以實踐教學為主，因此筆試考核的方式并不適用于該課程。筆者采用項目作業的方式作為期末考核方式。當然，學生的總成績是平時成績（包括實驗項目的完成情況）和期末成績的綜合。湖北文理學院的無線傳感器網絡課程已經連續開設兩屆，與前一屆學生相比，“講、演、練”相結合的新教學方法大大激發了學生的學習熱情，提高了學生的實踐動手能力，加深了學生對無線傳感器網絡和ZigBee相關概念的理解，教學質量明顯提高。

參考文獻：

[1] 吳迪， 朱金秀， 韓光潔， 等.“無線傳感器網絡”教學方法探索[J]. 電氣電子教學學報， 2014， 36（4）： 66-68.

[2] 姜仲， 劉丹. ZigBee技術與實訓教程： 基于CC2530的無線傳感網技術[M]. 北京： 清華大學出版社， 2015： 14.

[3] Texas Instruments Inc. Create new application for SmartRF05 + CC2530[EB/OL]. [2017-05-26].https：//wenku.baidu.com/view/cbcac2878762caaedd33d441.html.

[4] 陶為戈， 錢志文， 賈子彥. ZigBee無線傳感器網絡實驗教學體系研究與探索[J]. 實驗技術與管理，2012， 29（11）： 163-166.

[5] 丁明理， 李小兵， 李松澤. 基于ZigBee 的無線傳感器網絡教學平臺設計[J]. 實驗室科學， 2014， 17（6）： 71-74.

[6] 王超. 物聯網工程“Zigbee協議與編程”教學改革探討[J]. 吉林省經濟管理干部學院學報， 2016（3）： 62-63.

（編輯：孫怡銘）