課外創(chuàng)新實踐推動無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)課程教學(xué)的探索

金光 張騰 江先亮 朱家驊

摘要：無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是一門新興課程，本文在分析課程現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，提出將課外創(chuàng)新實踐引入課程教學(xué)，以學(xué)生為主導(dǎo)，讓學(xué)生利用所學(xué)知識參與科技作品的構(gòu)思、設(shè)計、實現(xiàn)和評估整個過程，從而培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用開發(fā)能力，同時將學(xué)生在該過程中完成的成果與學(xué)科競賽和知識產(chǎn)權(quán)申請對接，進(jìn)一步提升學(xué)生的科研積極性和綜合創(chuàng)新能力。教學(xué)實踐表明，該方案能較好地激發(fā)學(xué)生科研興趣和創(chuàng)新欲望，能切實提高學(xué)生的實踐能力、團(tuán)隊合作意識和工程素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù);課程教學(xué);創(chuàng)新實踐;能力培養(yǎng)

中圖分類號：G434? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? 論文編號：1674-2117（2020）08-0092-04

引言

隨著移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)和泛在網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域的各種創(chuàng)新應(yīng)用不斷涌現(xiàn)，無線局域網(wǎng)、蜂窩網(wǎng)絡(luò)、無線傳感網(wǎng)、車載自組織網(wǎng)和無線體域網(wǎng)等各種無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已深入人們的生產(chǎn)生活，其影響力和發(fā)展?jié)摿Σ粊営趥鹘y(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)。目前，各高校計算機(jī)類專業(yè)學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計選題、學(xué)科競賽的科技作品[1]以及學(xué)生科研項目等與無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的關(guān)系越來越密切，無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[2]逐漸成為一門實踐性和工程性較強(qiáng)的重要課程。因此，如何改進(jìn)該課程的教學(xué)現(xiàn)狀，使其和實際應(yīng)用需求對接[3]，從而更好地培養(yǎng)應(yīng)用型創(chuàng)新人才，已經(jīng)成為當(dāng)前本課程教學(xué)中需要考慮的首要問題。

無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)教學(xué)現(xiàn)狀

當(dāng)前，越來越多的新興應(yīng)用都依托于無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，如智能眼鏡和手表（無線體域網(wǎng)）、無人駕駛汽車（車載自組織網(wǎng)/無線傳感網(wǎng)/蜂窩網(wǎng)絡(luò)）、智能家居（無線局域網(wǎng)/無線傳感網(wǎng)）和增強(qiáng)現(xiàn)實（蜂窩網(wǎng)絡(luò)/無線局域網(wǎng)/無線個域網(wǎng)）等，無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)課程也在越來越多的學(xué)校得以開設(shè)，目前已達(dá)數(shù)百所。學(xué)生在學(xué)習(xí)這門課程時應(yīng)當(dāng)緊密結(jié)合實際需求，注重應(yīng)用創(chuàng)新，學(xué)以致用。然而，鑒于理論授課仍占據(jù)主流，大部分學(xué)生還是限于書本學(xué)習(xí)，并未通過該課程提高自身的實踐動手能力。究其原因，該課程的實驗環(huán)節(jié)開設(shè)率較低，未能將理論知識與實際應(yīng)用相銜接，無法培養(yǎng)學(xué)生解決實際問題的工程能力。筆者將當(dāng)前實驗環(huán)節(jié)的不足總結(jié)為以下幾個方面：

①虛擬實驗多，實測實驗少。因為硬件設(shè)備維護(hù)不便，成本較高，元器件升級速度快，導(dǎo)致實驗教學(xué)難以為學(xué)生提供完善的硬件環(huán)境。許多高校的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)課程實驗都通過各種仿真環(huán)境，如NS2[4]等來促進(jìn)學(xué)生對各種協(xié)議原理的理解。虛擬實驗固然方便，但它也會帶來很多弊端：實驗結(jié)果缺乏真實感，學(xué)生無法體驗實際動手的樂趣，無法經(jīng)歷真實環(huán)境中出現(xiàn)的問題，更無法針對這些問題深入探討和研究。

②基礎(chǔ)實驗為主，綜合實驗缺乏。當(dāng)前的實驗教學(xué)重點在于針對單個知識點，配備相應(yīng)的實驗來強(qiáng)化學(xué)生的理解。然而在實際場景中，一個應(yīng)用系統(tǒng)往往包含多項技術(shù)。例如，一個典型的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)一般由終端節(jié)點、網(wǎng)關(guān)、服務(wù)器和客戶端等組成，僅依靠基礎(chǔ)實驗難以培養(yǎng)學(xué)生開發(fā)實際系統(tǒng)的能力。

③忽視學(xué)生的創(chuàng)造性培養(yǎng)。大部分實驗的實驗步驟過于死板，學(xué)生完全根據(jù)實驗手冊按部就班完成實驗。這種方式雖然在一定程度上降低了實驗難度，有助于基礎(chǔ)較差的學(xué)生跟上進(jìn)度，但也限制了學(xué)生的創(chuàng)造性和主動性。學(xué)生完成實驗后即上交實驗報告，不再深入挖掘這些技術(shù)的實際應(yīng)用價值，因而難以體會科研樂趣。

課外創(chuàng)新實踐概述

針對上述問題，結(jié)合本課程特點，筆者在教學(xué)過程中添加課外創(chuàng)新實踐環(huán)節(jié)，突出學(xué)以致用，著重培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力。在這個過程中，主要任務(wù)是建立該課程與實際工程應(yīng)用之間的聯(lián)系，提高學(xué)生對專業(yè)知識的綜合運(yùn)用能力，為科研和就業(yè)打下堅實的基礎(chǔ)。在實踐環(huán)節(jié)突出學(xué)生的主體地位，讓其自主完成項目選題、需求分析、系統(tǒng)設(shè)計、開發(fā)與調(diào)試。培養(yǎng)學(xué)生正確分析和解決具體工程問題的能力，有助于創(chuàng)新型應(yīng)用人才培養(yǎng)目標(biāo)的實現(xiàn)。

過程實施

將課外創(chuàng)新實踐引入到課程教學(xué)環(huán)節(jié)的實施過程分為以下幾個方面。

1.確定項目選題

選題時，一方面應(yīng)注重從實際需求出發(fā)，瞄準(zhǔn)解決實際問題，另一方面也要難度適中，盡量體現(xiàn)本課程相關(guān)技術(shù)知識，并使學(xué)生能在指定時間內(nèi)完成。選題還要充分考慮學(xué)生個體差異，在難易程度上要有層次性，以滿足不同學(xué)生的需要。

選題來源主要有兩方面：①學(xué)生自主選題，學(xué)生可以根據(jù)實際遇到的問題，結(jié)合自身特長和興趣，經(jīng)與指導(dǎo)教師討論確定選題。②教師推薦選題，教師可從科研項目或企業(yè)項目中選取合適題目，也可參考各類競賽等進(jìn)行命題。

2.學(xué)生分組

學(xué)生確定選題后，根據(jù)自愿原則結(jié)合各自特長和項目難度，分成多組。每組5～6人，并指定一人為組長。

3.項目實施

確定選題和分組后，由組長組織全組完成從需求分析到結(jié)題文檔撰寫的各項任務(wù)。整個過程以學(xué)生為主、教師為輔，讓學(xué)生自我組織、自我管理，充分發(fā)揮主動性，培養(yǎng)學(xué)生獨立分析問題、解決問題及團(tuán)隊協(xié)作的能力。

項目實施主要分5個階段。

①需求分析階段。學(xué)生撰寫需求分析文檔，詳細(xì)說明要解決的問題以及要實現(xiàn)的目標(biāo)。

②項目設(shè)計階段。學(xué)生要完成技術(shù)上的實現(xiàn)方案，詳細(xì)說明要用到哪些技術(shù)、如何劃分模塊以及這些模塊如何組裝形成一個完整系統(tǒng)。

③項目實現(xiàn)階段。小組成員根據(jù)分工，完成硬件制作和軟件代碼的編寫。

④集成和測試階段。學(xué)生在各模塊完成的基礎(chǔ)上進(jìn)行系統(tǒng)組裝和測試，包括模塊測試和整體聯(lián)調(diào)。

⑤項目驗收階段。學(xué)生撰寫完成用戶手冊、結(jié)題報告和答辯材料等文檔，準(zhǔn)備項目結(jié)題。

整個項目實施過程均在課后完成，學(xué)生在實施過程中應(yīng)及時與教師和同學(xué)討論，解決所遇問題。

4.項目提交和展示

小組在規(guī)定時間內(nèi)，完成需求分析說明書、項目設(shè)計說明書、進(jìn)度安排說明書、模塊開發(fā)說明書和用戶手冊等文檔和源代碼的提交。之后，教師組織各小組進(jìn)行項目演示和答辯。教師根據(jù)完成和答辯情況給出建議和下一步安排。

5.結(jié)果與過程并重的考核方式

考核指標(biāo)主要包括應(yīng)用場景新穎性、技術(shù)難度、系統(tǒng)完成質(zhì)量以及文檔規(guī)范性等方面。科學(xué)合理的考核方式能夠較好地反映項目完成情況，并激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維和意識。雖然一些項目選題富有創(chuàng)意并體現(xiàn)了較多工作量，但由于技術(shù)難度較高，最后并未實現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)，因此過程考核必不可少。

6.對接學(xué)科競賽和知識產(chǎn)權(quán)申報

考慮到學(xué)科競賽在教學(xué)質(zhì)量評估中的重要性越來越突出，各高校都把學(xué)科競賽作為教學(xué)工作的重要部分，并投入了大量人力和資源。但不少學(xué)生由于平時缺乏積累，競賽時臨時組隊，倉促上陣，競賽效果并不理想。

而在課程的課外創(chuàng)新實踐過程中，不少學(xué)生都能完成較有創(chuàng)意的作品。作品不但解決了實際問題，而且在技術(shù)運(yùn)用上也較有新意，擴(kuò)展完善后，就能用于自命題類學(xué)科競賽。因此可以鼓勵學(xué)生在課外創(chuàng)新實踐基礎(chǔ)上，發(fā)表科技論文、申請軟件著作權(quán)和專利等，從而為參加物聯(lián)網(wǎng)競賽、挑戰(zhàn)杯大賽、“互聯(lián)網(wǎng)+”創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)競賽等打下堅實基礎(chǔ)。

項目案例展示

無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)課程在開展課外創(chuàng)新實踐的過程中，產(chǎn)生了多個代表性的學(xué)生科研項目，下面列舉兩個案例。

1.無人船

由于現(xiàn)有的水質(zhì)監(jiān)測站、浮標(biāo)等水質(zhì)監(jiān)測方式存在位置固定和人工成本較高等問題，考慮利用低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng)（LoRa[5]）等新一代無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，利用Arduino[6]、樹莓派[7]等開源軟硬件，設(shè)計開發(fā)了一種水質(zhì)監(jiān)測無人船系統(tǒng)，可實現(xiàn)對湖泊和河道等狹窄水域的日常監(jiān)測和跟蹤巡檢。

該系統(tǒng)簡要原理圖與實物圖如圖1和圖2所示。無人船以Arduino和樹莓派作為主控板，采集水質(zhì)監(jiān)測傳感器數(shù)據(jù)，通過LoRaWAN將數(shù)據(jù)發(fā)給LoRa網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)再通過TCP/IP協(xié)議將數(shù)據(jù)上傳至云端服務(wù)器，客戶端則可通過APP等形式查看數(shù)據(jù)。

該項目以本科生為主完成，已在核心期刊發(fā)表論文1篇，獲批軟件著作權(quán)1項，并在全國大學(xué)生物聯(lián)網(wǎng)大賽獲獎。在這個過程中，學(xué)生不但掌握了應(yīng)用新興物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，更體會了一個完整應(yīng)用系統(tǒng)從客戶端到服務(wù)器端再到網(wǎng)關(guān)和終端節(jié)點的整體實現(xiàn)方案。

2.智能購物車

隨著商業(yè)中心等公共場所對服務(wù)機(jī)器人的需求日益增加，為解決人們購物時尋找商品和需要推車等問題，使用ROS（Robot Operating System[8]及多種無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，結(jié)合激光雷達(dá)等傳感器設(shè)備，設(shè)計實現(xiàn)了集地圖構(gòu)建、自動避障、自動跟隨、導(dǎo)航以及自動結(jié)賬等功能為一體的智能購物車系統(tǒng)。

系統(tǒng)原理圖和實物圖如上頁圖3和圖4所示，智能購物車基于主流的ROS平臺，搭載多傳感器設(shè)備，將采集的環(huán)境數(shù)據(jù)上傳給云端，構(gòu)建地圖。用戶通過手機(jī)客戶端將指令發(fā)給智能購物車，完成商場導(dǎo)購、顧客跟隨、結(jié)賬及優(yōu)惠信息推送等功能。

該項目以本科生為主完成，已在核心期刊發(fā)表論文1篇，獲批軟件著作權(quán)2項，并獲“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽省銀獎1項。

由此可見，課外創(chuàng)新實踐較好地彌補(bǔ)了本課程傳統(tǒng)課堂講授單調(diào)，實驗內(nèi)容零散、缺乏整體性的不足。通過項目形式，學(xué)生從基本的課程內(nèi)容出發(fā)，拓展了知識面，體驗了技術(shù)和工程開發(fā)過程，其創(chuàng)新能力、自我學(xué)習(xí)能力和動手實踐能力都明顯提高。

總結(jié)

考慮到無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)具有很強(qiáng)的實踐性，筆者通過在課程中引入課外創(chuàng)新實踐環(huán)節(jié)，激發(fā)學(xué)生自主創(chuàng)新和學(xué)以致用能力，并以項目選題到最終結(jié)項的整個周期為載體，從各個環(huán)節(jié)的實踐來鍛煉學(xué)生主動探索、獨立思考和動手實踐的能力，培養(yǎng)了學(xué)生理論聯(lián)系實際的思維和團(tuán)結(jié)協(xié)作的精神。同時，課外創(chuàng)新實踐也提升了學(xué)生的就業(yè)競爭力，與社會需求接軌，拓展了順應(yīng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的工程教育思路。

參考文獻(xiàn)：

[1]魏維，劉雙虎，鄒茂揚(yáng)，等.以研究能力培養(yǎng)為導(dǎo)向的課程教學(xué)改革與實踐[J].計算機(jī)教育，2018（04）：47-50.

[2]金光，江先亮.無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)教程（第3版）[M].北京：清華大學(xué)出版社，2017.

[3]張延紅，王海洲，萬忠，等.面向崗位需求的“計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)”課程改革[J].中國信息技術(shù)教育，2018（08）：70-72.

[4]柯志亨.NS2仿真實驗[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[5]https：//lora-alliance.org/，2019.

[6]https：//www.arduino.cc/，2019.

[7]https：//www.raspberrypi.org/，2019.

[8]Christopher Crick，Graylin Jay，Sarah Osentoski，etc.ROS and Rosbridge：roboticists out of the loop[EB/OL].https：//dl.acm.org/doi/10.1145/2157689.2157846.

作者簡介：金光（1972—），男，教授，主要研究方向為無線網(wǎng)絡(luò)與物聯(lián)網(wǎng)。

基金項目：浙江省高等教育教學(xué)改革研究項目（JG20180070），寧波大學(xué)研究生優(yōu)秀示范課程項目。