新工科背景下無線傳感器網(wǎng)絡課程設計教學改革與實踐

何爾利，馬滿福，王昌龍，賈向東,3，王小牛，索國瑞

（1.西北師范大學 計算機科學與工程學院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省物聯(lián)網(wǎng)工程研究中心，甘肅 蘭州 730070；3.南京郵電大學 江蘇省無線通信重點實驗室，江蘇 南京 210003）

0 引言

從“復旦共識”“天大行動”到 “北京指南”，2017 年新工科建設在我國高教掀起了一場改革與研究的熱潮。新工科建設要求創(chuàng)新工程教育方式與手段，落實以學生為中心的理念，增強師生互動，改革教學方法和考核方式，形成以學習者為中心和面向產(chǎn)出的教學實踐模式[1-2]。物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)是典型的新工科專業(yè)，作為物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的一門專業(yè)核心課，無線傳感器網(wǎng)絡（Wireless Sensor Networks，WSN）課程涉及計算機、微電子、傳感器、網(wǎng)絡、通信、數(shù)據(jù)分析處理等諸多領域，是一門面向?qū)嶋H應用、交叉性強、跨度大、知識點涵蓋范圍廣的綜合型課程，實踐性較強[3-4]。目前在講授時大多以講述理論為主、實驗為輔的方式進行，實驗課只能完成一些簡單的基礎實驗和驗證性實驗，無法真正提高學生動手實踐能力和自主創(chuàng)新能力。在將系統(tǒng)能力培養(yǎng)作為教學改革重點的新工科背景下，為了加深學生對WSN 課程理論知識的理解，培養(yǎng)學生在無線傳感器網(wǎng)絡搭建、工程實踐和綜合系統(tǒng)運用方面的能力，激發(fā)學生對無線傳感器網(wǎng)絡進一步學習的興趣和激情，在無線傳感器網(wǎng)絡課程之后開設一門WSN 課程設計必修課。

1 WSN課程設計現(xiàn)狀

WSN 課程設計是在程序設計、移動應用開發(fā)、RFID 技術、現(xiàn)代通信原理、無線傳感網(wǎng)技術等課程后開設，目的是指導學生在理論學習的基礎上，通過課程設計使學生真正理解和掌握無線傳感網(wǎng)的相關理論，通過應用所學習的知識，解決實際無線組網(wǎng)問題，進而鍛煉學生的綜合系統(tǒng)設計能力和動手實踐能力。針對新工科建設的目標和物聯(lián)網(wǎng)人才的新需求，從實際教學效果和反饋來看，WSN 課程設計在以下幾個方面有待改進。

1.1 課程設計內(nèi)容陳舊，學生創(chuàng)新能力不足

給學生完成課程設計的題目2～3 年不變，大多數(shù)題目沒有結合實際應用貼近生產(chǎn)生活，綜合設計性和創(chuàng)新性體現(xiàn)不足，沒有將新技術融入進來，學生感覺缺乏挑戰(zhàn)性，學習興趣不高，不能發(fā)揮學生的主觀能動性，激發(fā)不出自主探求知識的潛能，導致動手能力和創(chuàng)新能力均不足。

1.2 設計過程指導不足，學生收獲不大

課程設計題目布置給學生后存在“放羊”的現(xiàn)象，設計過程指導、監(jiān)督不足，缺乏與學生的交流、討論，設計各階段的要求不具體，學生做個東西提交上來就算課程通過，學生對該門課程的收獲不大。

1.3 分組不合理，不重視團隊協(xié)作能力的培養(yǎng)

課程設計一般是由2～4 人分組完成，分組時學生間缺乏合理搭配，存在自由組合、同宿舍組合和關系好的組合現(xiàn)象，沒有形成搭配合理的團隊，每個人只負責自己的任務，不能發(fā)揮每個人的潛能和興趣點，團隊協(xié)作能力在整個設計過程沒有得到充分的培養(yǎng)。

1.4 完成的系統(tǒng)缺少數(shù)據(jù)分析環(huán)節(jié)

學生完成的系統(tǒng)多數(shù)情況下只是把采集到的數(shù)據(jù)存儲在本地數(shù)據(jù)庫或云端，能通過Web 端或移動端進行訪問、展示或控制，沒有對采集的數(shù)據(jù)進一步整理、分析和趨勢預測，缺少相應的提示。

1.5 考核方式單一

課程設計成績的評定只取決于最終課程設計的報告和平時的考勤，沒有將過程考核納入到成績評定中來。

2 WSN課程設計改革措施

2.1 擬定綜合性設計題目

課程設計的內(nèi)容應體現(xiàn)前期理論知識的綜合運用，既要考慮加深對理論部分知識的進一步理解，又能激發(fā)學生的學習興趣，解決實際問題，課程設計的題目尤為關鍵[5]。通過跟蹤、搜集最新的無線傳感網(wǎng)典型應用案例，特別是世界物聯(lián)網(wǎng)博覽會（無錫）每年發(fā)布的新應用成果、典型應用案例，以及重慶市每年發(fā)布的“重慶市十大物聯(lián)網(wǎng)應用案例”等[6]，結合學生的實際水平和實驗室現(xiàn)有條件，擬定出綜合性較強、與工程實踐結合緊密的題目供學生選擇，這樣的題目具有較好的實際應用價值，更能激發(fā)學生興趣。部分已實施題目和擬實施題目見表1。

表1 WSN 課程設計參考題目

以上題目基本都涉及數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡、Web 編程、Android 編程、單片機、嵌入式、傳感器等內(nèi)容，綜合性較強。題目每年至少更新50%，還可增加少部分學生根據(jù)自己的興趣選擇的自主命題。系統(tǒng)從需求分析、總體框架、硬件、軟件及通信數(shù)據(jù)格式等方面進行設計，完成代碼編寫、調(diào)試及運行等各個階段。

設計題目6 基于ZigBee 的家庭花卉護理系統(tǒng)，基本要求是采集家中花卉的土壤溫濕度和環(huán)境溫濕度，通過ZigBee 網(wǎng)絡上傳至服務器，外出時間長的人可通過手機查看家中花卉的相關數(shù)據(jù)和控制澆水。系統(tǒng)要能顯示實時數(shù)據(jù)、歷史曲線等。完成題目需要用到數(shù)據(jù)庫、ZigBee 組網(wǎng)、Android 開發(fā)、8051 單片機C 語言編程、網(wǎng)關設計及相關傳感器的使用等，系統(tǒng)總體設計結構框圖見圖1。

設計題目7 基于NB-IoT 的公共停車位預定系統(tǒng)，基本要求是能將停車場每個車位的占、空數(shù)據(jù)用傳感器采集后，通過NB-IoT 終端直接發(fā)送到IoT 管理平臺，要開車外出的人可提前通過Web 端、移動App 查找目的地附近停車場的空車位進行預訂。系統(tǒng)要能顯示不同停車場的車位布局圖、總車位及空車位數(shù)，具有預訂計時和按時計費功能。完成題目需要用到數(shù)據(jù)庫、中國電信IoT管理平臺、Android開發(fā)、微信公眾號開發(fā)、Web 編程、STM32 開發(fā)及地磁傳感器的使用等，系統(tǒng)總體設計結構框圖見圖2。

圖1 花卉護理設計框圖

2.2 分析設計案例引導學生創(chuàng)新

通過對WSN 典型應用案例的深入分析，引導學生發(fā)現(xiàn)創(chuàng)新點，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維。以設計題目6 為例，在分析智慧花盆、智能澆花系統(tǒng)的基礎上，通過討論、引導，學生覺得原來的系統(tǒng)是對水管進行控制，在家里用不方便還占空間，想到自帶水箱（小水瓶）的設計，還有人提出花卉不一定都在室內(nèi)，還可能放在室外或屋頂，終端節(jié)點的供電可通過太陽能來提供，進而提出增加太陽能板（迷你太陽能發(fā)電板）、夜間LED 補光等模塊。此外，還邀請參加比賽獲獎的高年級同學來分享、演示他們的作品，讓學生實景觀摩尋找創(chuàng)新點。隨著人工智能的廣泛應用，無線傳感網(wǎng)技術與 AI 相結合的案例越來越多，也在鼓勵和引導學生結合這兩種技術做一些應用創(chuàng)新[6]。

2.3 采用面向能力導向的分組機制

綜合性數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)需要幾個人合作完成，有硬件設計、軟件設計、通信數(shù)據(jù)格式設計及編程實現(xiàn)和設計報告的撰寫。通過分組合作不僅可以培養(yǎng)學生的團隊協(xié)作精神、溝通能力，還可以培養(yǎng)競爭意識。在2015級、2016 級的課程設計課上采用了面向能力導向的分組機制[7]，讓學生先寫出自己的優(yōu)勢和感興趣的方面，老師再結合前一學期上理論課每個學生的表現(xiàn)情況進行分組，避免了關系好、同宿舍組隊的情況。從整個設計過程看，這樣的分組較好地發(fā)掘?qū)W生了的學習潛能，學生在小組討論、設計答辯等環(huán)節(jié)的配合順暢、自然。

圖2 車位預訂設計框圖

2.4 加強設計過程指導

在課程設計開始的前幾節(jié)課，老師深入每一個組對該組所選的題目進行分析，講清楚題目所要實現(xiàn)的目標及功能。在設計過程中除了上課交流外，學生可以將設計的思路、改進方法、創(chuàng)新點和設計報告等放到網(wǎng)上供老師隨時查看，在線指導、討論。學院有Moodle 在線課程平臺，老師可上傳相關的資料、文獻供學生下載，學生可上傳設計文檔讓老師查看。2016 級的課程設計引入了雨課堂教學，老師按教學計劃發(fā)布信息，學生提交設計進度和階段成果，適時發(fā)布各組設計進度以督促進度慢的組，與學生討論、互動次數(shù)也有較大增加，可對一些共性問題匯總后做集中講解。另外，還結合了學校正在實施的“課堂教學延伸五個環(huán)節(jié)”（課前預習、平時作業(yè)、課外閱讀、課外討論、期中考試）中的討論環(huán)節(jié)，應用頭腦風暴的方式在小組內(nèi)、小組間相互啟發(fā)，學生針對討論中提到的問題，在系統(tǒng)的功能和細節(jié)上做進一步的改進，使設計出的系統(tǒng)是一個真正貼近實用的系統(tǒng)。

2.5 應用多元化的綜合考核方式

課程設計的考核不能只看結果，要突出過程控制，對學生設計過程中動手能力和實際解決問題的能力進行評價。各小組設計的系統(tǒng)在設計報告提交之前要在班上進行演示、答辯，回答老師和學生的提問并由老師和其他小組的學生打分。演示的次序應該遵守自底向上的原則，從感知節(jié)點到網(wǎng)絡再到數(shù)據(jù)處理最后到管理軟件[8-9]。提的問題如數(shù)據(jù)的采集如何實現(xiàn)遠傳，用了哪些傳輸方式，對數(shù)據(jù)的處理方法有哪些，系統(tǒng)能應用在哪些場合等。WSN 課程設計最終的成績分布為在線交流（10%）、設計答辯（25%）、系統(tǒng)演示（35%）、創(chuàng)新點（10%）及設計報告（20%）。其中設計答辯、系統(tǒng)演示環(huán)節(jié)的分數(shù)是由老師打的分數(shù)和學生打的分數(shù)各占50%組成，設計報告每個小組提交一份，具體到小組內(nèi)每個學生的分數(shù)，還可按其負責模塊的工作量、難易程度及是否使用新技術等方面在分數(shù)上進一步區(qū)分。應用這種考核方式在第二次課程設計改革中，學生的競爭意識明顯增強，每組都在盡可能詳細地展示自己的作品以期得到高分。從結課學生的反饋看大多數(shù)學生都認可這種考核方式，對自己的最終得分是滿意的。

3 課程設計改革效果

學院的課程設計課程在三年級的春季學期開設，學科競賽大多在課程設計結束的暑假進行，以課程設計所做的系統(tǒng)為基礎，進行修改、增加創(chuàng)新，鼓勵學生參加相關學科競賽，通過省賽、國賽鍛煉來增加學生專業(yè)學習的興趣和系統(tǒng)設計能力。2018 年，“基于云平臺的城區(qū)停車誘導信息發(fā)布系統(tǒng)”獲得全國大學生物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新應用設計大賽西北賽區(qū)特等獎、全國總決賽一等獎，“基于二維碼的門禁系統(tǒng)”獲得創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)電子設計大賽西北賽區(qū)一等獎，“基于云平臺的智能家居系統(tǒng)”獲得全國大學生物聯(lián)網(wǎng)設計競賽西北賽區(qū)特等獎、全國總決賽三等獎；2019 年，“長租公寓環(huán)境監(jiān)測及在線預訂系統(tǒng)”“澆花神器——Mini植物精靈”獲得全國大學生嵌入式人工智能設計大賽西北賽區(qū)特等獎等。參加比賽的隊員由高年級和還未上WSN 課程的低年級搭配組成，通過改革發(fā)現(xiàn)當這些低年級的學生進入高年級學習時會帶動相當一部分人對該課程感興趣，進而準備參加比賽，以此形成良性循環(huán)，這種方式可以對低年級學生起到很好的帶、傳、宣作用。西北師范大學物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)WSN 課程設計開設情況見表2。

其中主動交流人次在2015 級、2016 級得到很大幅度的增長，除了課程設計改革外，還有一個原因是使用了在線教學平臺、微信群等在線交流工具，有些在課堂上發(fā)言少的學生在在線工具上交流還比較積極。參加比賽的人數(shù)在改革后得到了較大幅度的增長，省賽的漲幅從改革前最高的21%增加到了45%。在對2016 級學生的調(diào)研和學院組織的學生代表討論會上，學生對WSN課程設計的改革效果總體是肯定的，大多數(shù)學生都談到通過課程設計的動手實現(xiàn)，才真正觸摸和踏入了物聯(lián)網(wǎng)的大門，對物聯(lián)網(wǎng)應用有了更為深刻的理解。學生的評教分數(shù)從學校的教務系統(tǒng)可以看出改革后也有一定的提高。課程設計改革前后的增長情況見圖3。

表2 課程設計開設情況

圖3 課程設計改革前后的增長情況

4 結語

WSN 課程設計是理論課基礎性實驗的延伸，重在培養(yǎng)學生分析、解決實際問題的系統(tǒng)能力和動手實踐能力。結合新工科的標準，通過以上WSN 課程設計教學改革措施，不僅激發(fā)了學生對無線傳感器網(wǎng)絡的學習興趣，提高了學生理論聯(lián)系實際問題的能力，而且學生的團隊協(xié)作能力、創(chuàng)新能力也得到了一定的提高，取得了預期的教學效果，充分顯示了新措施在系統(tǒng)能力培養(yǎng)上的優(yōu)勢。長期堅持這些措施并持續(xù)改進完善，相信會達到課程設計開設的目的和本專業(yè)工程人才的培養(yǎng)目標。