“無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)”課程項(xiàng)目化教學(xué)研究與探索

徐華軍

摘 要：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)之一，“無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)”課程內(nèi)容較為前沿，融合了無(wú)線通信技術(shù)、嵌入式技術(shù)、傳感器技術(shù)等，理論知識(shí)較為抽象，傳統(tǒng)的課程教學(xué)偏向基礎(chǔ)理論，忽視工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。文章結(jié)合筆者在課程教學(xué)改革實(shí)踐中的體會(huì)，闡述了適合高職教育的教學(xué)內(nèi)容調(diào)整、教學(xué)手段的應(yīng)用及相應(yīng)的考核體系的建立，希望拋磚引玉，對(duì)職業(yè)教育工作者有所啟示。

關(guān)鍵詞：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；教學(xué)改革；教學(xué)手段；教學(xué)內(nèi)容

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IoT）是指通過(guò)各種信息感知設(shè)備，如射頻識(shí)別（Radio Frequency Identification，RFID）、各種傳感器、全球定位系統(tǒng)（GPS）等，實(shí)時(shí)地對(duì)物理世界進(jìn)行信息的采集，并按照約定的協(xié)議，把物體與互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái)，達(dá)到信息的交換和通信，從而實(shí)現(xiàn)智能化地識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)，它是現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)的延伸。目前公認(rèn)的物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)可以分為3個(gè)層次：泛在化末端感知網(wǎng)絡(luò)、融合化網(wǎng)絡(luò)通信基礎(chǔ)設(shè)施與普適化應(yīng)用服務(wù)支撐體系，也就是感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層。其中感知層負(fù)責(zé)底層工作，感知真實(shí)世界的物理數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)上傳給物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，其關(guān)鍵技術(shù)是傳感器技術(shù)。

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算速度越來(lái)越快，網(wǎng)絡(luò)帶寬越來(lái)越寬，這時(shí)候制約信息鏈的瓶頸出現(xiàn)在了數(shù)據(jù)的獲取手段上。傳統(tǒng)的傳感器不具備數(shù)據(jù)處理能力，更不能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸與節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)。這時(shí)候無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)就應(yīng)運(yùn)而生。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks， WSN）是當(dāng)前研究的一個(gè)熱點(diǎn)領(lǐng)域。它是隨著嵌入式技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)、傳感器技術(shù)及分布式信息處理技術(shù)等的發(fā)展誕生的。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠通過(guò)各類微型化、集成化的傳感器，如MEMS傳感器，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)共同協(xié)作，完成對(duì)各種監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、采集和傳輸。數(shù)據(jù)以無(wú)線自組網(wǎng)、多跳路由的方式被傳送到用戶終端，從而實(shí)現(xiàn)物理世界、計(jì)算世界以及人類社會(huì)這三元世界的連通[1]。

“無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)”是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)的一門重要的專業(yè)核心課程。通過(guò)近些年來(lái)不斷教學(xué)改革實(shí)踐，我們從中發(fā)現(xiàn)了一些問(wèn)題。“無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)”是一門和應(yīng)用高度相關(guān)的課程，它本身的工程性和實(shí)踐性都很強(qiáng)，要能夠讓學(xué)生自行設(shè)計(jì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，并實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)等功能應(yīng)用，這就需要大量的實(shí)踐練習(xí)，加強(qiáng)動(dòng)手能力的培養(yǎng)。另一方面，它的理論又涉及各類復(fù)雜的算法，抽象枯燥不易理解，學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)普遍感到異常困難。針對(duì)教學(xué)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的這些問(wèn)題，我們認(rèn)真進(jìn)行了思考，不斷探索新的教學(xué)模式和改革教學(xué)方式。高等職業(yè)教育應(yīng)該淡化理論教學(xué)，強(qiáng)化實(shí)踐動(dòng)手的培養(yǎng)，根據(jù)高職教育的這種特點(diǎn)。我們加大了課程改革的力度，調(diào)整專業(yè)課程體系、精選課程內(nèi)容，設(shè)計(jì)課程任務(wù)。在“無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)”課程教學(xué)中，采取了“項(xiàng)目化、任務(wù)驅(qū)動(dòng)”的教學(xué)模式。筆者作為“無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)”課程改革建設(shè)的主要負(fù)責(zé)人，經(jīng)過(guò)在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)中長(zhǎng)期的教學(xué)實(shí)踐探索，總結(jié)了以下經(jīng)驗(yàn)，在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，取得了較好的教學(xué)效果。

1 課程特點(diǎn)

1.1 知識(shí)覆蓋面廣

該課程是多學(xué)科高度交叉融合的產(chǎn)物，既有嵌入式技術(shù)、又涉及無(wú)線通信技術(shù)及傳感網(wǎng)協(xié)議棧。涉及的內(nèi)容知識(shí)面較廣、有一定難度，并且發(fā)展更新很快。所以在高職當(dāng)中開設(shè)該課程具有一定的挑戰(zhàn)性。本課程相關(guān)的知識(shí)主要有：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)、IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)、ZigBee技術(shù)、物理層設(shè)計(jì)、nes C語(yǔ)言、Tiny OS操作系統(tǒng)、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議、無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步技術(shù)、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)管理與數(shù)據(jù)融合、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)及無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)開發(fā)環(huán)境等。

1.2 理論抽象、實(shí)踐要求高

該課程的理論知識(shí)如：網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、無(wú)線傳感網(wǎng)路由協(xié)議、WSN節(jié)點(diǎn)定位、目標(biāo)跟蹤、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)融合、信息安全等，這些針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的理論知識(shí)由于涉及大量復(fù)雜的算法研究，超出了高職學(xué)生的認(rèn)知范圍，顯得抽象難懂。從歷年教學(xué)的反饋情況看，學(xué)習(xí)難度較大，不少學(xué)生在此失去學(xué)習(xí)信心，產(chǎn)生畏難情緒。另外，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的部署、節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)等，又要求學(xué)生具備較強(qiáng)的嵌入式開發(fā)實(shí)踐能力。因此，有必要針對(duì)高職學(xué)生的特點(diǎn)，合理取舍教學(xué)內(nèi)容，用心設(shè)計(jì)項(xiàng)目案例，側(cè)重學(xué)生動(dòng)手能力的培養(yǎng)。

1.3 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)

作為一門新興課程，“無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)”的標(biāo)準(zhǔn)有待統(tǒng)一。目前國(guó)內(nèi)高校基本上以ZigBee技術(shù)為主進(jìn)行講解。對(duì)于其他技術(shù)如藍(lán)牙、WiFi技術(shù)等則一帶而過(guò)。而ZigBee本身并不能完全等價(jià)于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。針對(duì)不同的應(yīng)用，要選取合適的無(wú)線通信技術(shù)。因此，有必要在課程中加入一些不同的無(wú)線通信技術(shù)，予以介紹。

1.4 教材缺乏

目前已有的相關(guān)書籍中，大多偏向于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)理論、算法研究、仿真等內(nèi)容，實(shí)踐性不夠，與高職學(xué)生的學(xué)習(xí)特點(diǎn)不相符合。理論和實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合是現(xiàn)在工學(xué)結(jié)合模式下高職教育的一大重點(diǎn)。為了讓學(xué)生能夠更好更快地理解和掌握專業(yè)知識(shí)，要在教學(xué)中引入具體項(xiàng)目使學(xué)生從單純的理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)中脫離出來(lái)。以各項(xiàng)目任務(wù)為單元設(shè)置課程，以任務(wù)為中心來(lái)選擇、組織課程內(nèi)容，并用完成工作任務(wù)為主要學(xué)習(xí)方式的職業(yè)教育課程模式[2]。

2 教學(xué)內(nèi)容

傳統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容偏向理論知識(shí)的講解，并按照知識(shí)的前后關(guān)聯(lián)性，內(nèi)容選取由淺入深，由點(diǎn)到面，邏輯性較強(qiáng)。課程理論和實(shí)踐項(xiàng)目往往分開，先有理論講解，再過(guò)渡到實(shí)踐應(yīng)用。這種傳統(tǒng)的教學(xué)體系比較成熟，但跟現(xiàn)代高職教育所倡導(dǎo)的教學(xué)理念有偏差。高職教育以培養(yǎng)高素質(zhì)技能型的應(yīng)用人才為目標(biāo)，因此，我們?cè)谖锫?lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)中大力開展了項(xiàng)目教學(xué)法。將“無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)”課程的教學(xué)內(nèi)容離散化，并有機(jī)地融入各個(gè)項(xiàng)目當(dāng)中。實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，伴隨項(xiàng)目的完成，學(xué)生往往會(huì)獲得一定的成就感，從而對(duì)學(xué)習(xí)本課程產(chǎn)生濃厚的興趣，學(xué)習(xí)效果有了顯著提高。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)涉及的相關(guān)知識(shí)很多，但職業(yè)教育的重點(diǎn)在應(yīng)用，淡化其理論教學(xué)。因此，我們?cè)谶x擇教學(xué)內(nèi)容時(shí)，盡量淡化了基礎(chǔ)理論的講解，著重講解如何通過(guò)軟硬件開發(fā)，構(gòu)建一個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。目前本課程基于TI公司所提供的ZigBee硬件平臺(tái)CC2530芯片、軟件平臺(tái)Z-Stack協(xié)議棧。通過(guò)一個(gè)個(gè)具體的實(shí)際項(xiàng)目，由淺入深，一步步帶領(lǐng)學(xué)生掌握如何構(gòu)建一個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。

目前教學(xué)重點(diǎn)在兩個(gè)方面：（1）CC2530嵌入式基礎(chǔ)編程，（2）Z-Stack協(xié)議棧開發(fā)。其中CC2530嵌入式基礎(chǔ)編程類似于單片機(jī)，包括GPIO、定時(shí)器、串行通信、模數(shù)轉(zhuǎn)換、系統(tǒng)時(shí)鐘、功耗模式等教學(xué)內(nèi)容。這一部分內(nèi)容對(duì)于已經(jīng)開設(shè)過(guò)單片機(jī)課程的同學(xué)，可以簡(jiǎn)單一帶而過(guò)。Z-Stack編程基于協(xié)議棧，必須了解協(xié)議棧的基本架構(gòu)，各層提供的API函數(shù)。要掌握基于Z-Stack協(xié)議棧的編程思想[3]。

為了使學(xué)生更快地掌握Z(yǔ)-Stack構(gòu)建無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的方法，我們針對(duì)Z-Sack應(yīng)用，開發(fā)了六大任務(wù)項(xiàng)目，基本上已經(jīng)涵蓋了“無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)”的全部教學(xué)內(nèi)容，完成了任務(wù)和相關(guān)教學(xué)知識(shí)點(diǎn)的深度融合（見表1）。

3 教學(xué)方法

傳統(tǒng)的教學(xué)，我們把理論和實(shí)踐分離，相關(guān)課程單獨(dú)開設(shè)，知識(shí)點(diǎn)顯得抽象而孤立，學(xué)生掌握效果也不太理想。鑒于“無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)”課程的特點(diǎn)，傳統(tǒng)的教學(xué)方法并不合適，因此，需要靈活選擇教學(xué)方法。筆者提出了具有層次性的階段性教學(xué)，并將該課程的教學(xué)過(guò)程分成4個(gè)階段。如圖1所示。首先，教師講課之前通過(guò)實(shí)物演示、視頻展示等技術(shù)手段，對(duì)學(xué)生進(jìn)行恰當(dāng)?shù)匾龑?dǎo)、啟發(fā)，建立一種直觀的認(rèn)知，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。其次，“無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)”的理論課程比較抽象，為了加深學(xué)生對(duì)“無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)”基本概念和主要技術(shù)的理解，需要安排學(xué)生自主實(shí)踐環(huán)節(jié)。在實(shí)踐過(guò)程中，學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題再反饋，進(jìn)行理論的探討，加深對(duì)抽象問(wèn)題的理解，幫助學(xué)生掌握“無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)”所用到的基礎(chǔ)知識(shí)。

這種任務(wù)驅(qū)動(dòng)式的教學(xué)方式，將理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，脫離傳統(tǒng)的教室，走進(jìn)“教、學(xué)、做”一體的教學(xué)環(huán)境。更加強(qiáng)調(diào)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)，而不是原先老師的單向講解。教師從傳統(tǒng)的講授角色，轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)習(xí)的指導(dǎo)者和旁觀者。項(xiàng)目的設(shè)計(jì)也更加強(qiáng)調(diào)應(yīng)用性和綜合性。學(xué)生在實(shí)踐過(guò)程中模擬實(shí)際項(xiàng)目的開發(fā)流程，以工程的理念來(lái)推進(jìn)課程的進(jìn)展。學(xué)生要能夠發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、思考問(wèn)題、分析問(wèn)題并解決問(wèn)題，所有這些都更加強(qiáng)調(diào)了學(xué)生的主體作用，有利于提高綜合職業(yè)能力和實(shí)踐創(chuàng)新能力[4]。

實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性與主動(dòng)性都有所提高。學(xué)習(xí)更加具有了趣味性和實(shí)用性，帶著明確的目的去學(xué)習(xí)，課堂效率大大提高了。

4 結(jié)語(yǔ)

“無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)”課程作為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)的一門專業(yè)核心課程，其內(nèi)容較為前沿，課程理論抽象、實(shí)踐性強(qiáng)。為了提高教學(xué)效果，我們進(jìn)行了很多有效的教學(xué)實(shí)踐探索。通過(guò)合理選取課程教學(xué)內(nèi)容、改進(jìn)教學(xué)方法等手段，將傳統(tǒng)的抽象概念變得形象生動(dòng)，學(xué)生反應(yīng)良好，教學(xué)效果明顯，希望能對(duì)廣大高等職業(yè)教育的同仁有所幫助。

[參考文獻(xiàn)]

[1]王文光，劉士興，謝武軍.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010（9）：1416-1419.

[2]李曉維，徐勇軍，任豐原.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2007.

[3]吳迪，朱昌平.“無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)”課程的教學(xué)實(shí)踐與探索[J].中國(guó)電力教育，2012（20）：63-64.

[4]吳迪，朱金秀，范新南.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)踐教程[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2014.

Abstract：Wireless sensor network technology is one of the core technologies of the Internet of Things. The content of the “Wireless Sensor Network” course is relatively advanced， integrating wireless communication technology， embedded technology， sensor technology， etc. The theoretical knowledge is more abstract， and the traditional course teaching biases the foundation. Theory， ignoring the cultivation of engineering practice ability and innovation ability. This paper combines the authors experience in the course teaching reform practice， expounds the adjustment of teaching content suitable for higher vocational education， the application of teaching methods and the establishment of corresponding evaluation system. I hope to inspire others and inspire the vocational education workers.

Key words：Wireless Sensor Network； teaching reform； teaching methods； teaching content