新工科背景下傳感網原理及應用課程改革探索

◆陳慧玲 繆梅

0 前言

2017年2月20日，教育部發布《關于開展新工科研究與實踐的通知》（教高司函〔2017〕6號），其目的是深化工程教育改革，推進新工科建設與發展，建設工程教育強國，服務和支撐我國經濟轉型升級[1]。

物聯網專業是一個新興的專業。2010年3月，教育部號召“211”學校申報物聯網專業，8月份通過審批，2011年開始招生。物聯網作為教育部審批設置的高等學校戰略性新興產業，從專業設置之初就備受各界重視，并成為就業前景廣闊的熱門領域，主要就業于與物聯網相關的企業、行業，從事物聯網的通信架構、網絡協議和標準、無線傳感器、信息安全等的設計、開發、管理與維護，也可在高校或科研機構從事科研和教學工作。物聯網是個交叉學科，涉及通信技術、傳感技術、網絡技術以及RFID技術、嵌入式系統技術等多項知識。本科階段深入學習這些知識的難度很大，可從與物聯網有關的知識著手，找準專業方向、夯實基礎，同時增強實踐與應用能力。

傳感網原理及應用課程是物聯網本科專業的一門專業方向課程，涵蓋矩陣、概率論、網絡拓撲、結構優化、優化算法、傳感器檢測技術以及嵌入式控制等知識。有的院校亦把課程命名為“無線傳感網原理及應用”，兩者的教學內容總體一致，只是名稱不同。該課程的教學旨在使學生掌握無線傳感網絡的基礎理論知識，培養學生智能網絡、智能節點的基本開發能力，為物聯網及相關產業培養知識型、技能型、應用開發型專門人才。

傳感網原理及應用課程的理論性很強，同時，其理論與實踐的聯系也非常緊密。本課程的良好學習和實踐有助于掌握整個學科的主要內容，為直接走上工作崗位或者繼續深造夯實基礎。但是，傳感網原理及應用在教學實踐過程存在學習與應用脫節、理論與實踐分離、知識點相對孤立、與其他課程的銜接度不夠緊密、未能構建完整的知識體系等問題。基于上述問題，本文擬從課程設計、知識體系、教學資源、課堂教學以及實驗設計五個方面進行系統性的課程改革探索，激發學生學習的積極性和創新性，為培養具有創新意識和實踐能力的應用型物聯網專業人才提供參考。

1 研究現狀

自2011年傳感網原理及應用課程開設以來，各類高校對這一專業課程進行了多角度的研究與探索。2015年，吉林大學設計了“課程應用項目”環節，貫穿于整個課程教學的始終，以激發學生的興趣，增強教學效果，培養學生的應用能力。2016年，江蘇大學面向農業物聯網應用，以農業物聯網環境監測為例，探討行業應用為導向的無線傳感網課程教學，將抽象概念變得具體形象，加之與理論緊密配合的實踐鞏固教學，使教學效果得以顯著改善。2017年，天津科技大學將“互聯網+移動終端”應用到教學過程中，通過采用泛在學習、自主學習、類比實驗、實時交流、結合實例、以賽促學、以研促學等教學方法，提高學生的自主學習能力，實現知識的牢固掌握。2018年，東南大學提出構建一種全新的無線傳感網及其應用的教學實踐平臺的思路，以改變教師為中心、學生被動接受知識的傳統教學模式，從而實現以創新為導向、以應用為背景的創新實踐教學模式，將理論與實踐緊密結合，提升教學質量以及學生的實驗實訓水平和創新能力[2]。齊齊哈爾大學從調整與整合教學內容、改革理論與實踐教學環節、優化教學設計及方法等方面提高學生學習的興趣，培養學生實踐能力和分析解決問題的能力[3]。安徽師范大學探討了多元化的課程考核方案[4]。2019年，常州工學院從優化教學方法、深化校企合作、師資隊伍建設三個方面探討課程改革的具體措施，以期應用于以后的教學實踐。武漢工程大學針對課程教學的特點和現狀，引入CDIO工程教育模式，強調以學生的自主學習為主導，讓學生參與產品的構思、設計、實現和運作整個過程，從而培養學生對整個工程項目的理解和實施能力[5]。此外，內蒙古科技大學提出以提高實踐能力為目標的教學改革；重慶三峽學院和南陽理工學院分別面向新工科背景研究課程教學改革與實踐模式；南京郵電大學針對研究生階段的同名課程進行教學模式的改革探索，重新定義課程定位，改革傳統的教學方法；南京林業大學、山西大學以及西安工業大學等多所高校亦進行了教學改革研究。

中國知網公開的相關研究論文過百篇，研究的內容包括課程建設、教學模式、實踐教學以及考核方式等，涉及的院校包括綜合大學、專門學院、高等職業技術學院、高等專科學校等，部分研究成果已經得到實踐應用。但是，傳感網原理及應用在課程建設方面尚存在以下幾個方面的不足：

1）課程設計方面，未能充分考慮不同類型學生的不同需求；

2）知識體系方面，理論知識與實際應用之間的銜接度不夠緊密；

3）教學資源方面，直接相關的微課、慕課資源較少；

4）課堂教學方面，理論教學與實踐教學在時空方面相對分離；

5）實驗設計方面，各知識點相對孤立，未能構成一個完整的體系。

綜合以上課程現狀，本項目擬從課程設計、課堂教學、實踐教學以及考核方式等方面對傳感網原理及應用課程進行系統研究，建設跨課程的微課庫，建立豐富課程資源，進一步根據學生的就業需求進行有針對性的實踐內容設計，力求實現理論知識與實際應用的無縫對接。

2 教學改革內容與實施方案

針對學生就業類型的多樣化，本項目擬研究不同學生需求之間的差異，在教學實施、實踐內容、考核側重點，尤其是平時成績方面進行針對性優化，以適應大眾、小眾等不同類型學生的個性化需求。

差異化課程設計 面向不同的職業規劃或者就業需求，在教學設計、實踐內容、考核側重點，尤其是平時成績的考查方面進行針對性優化，使之富有彈性，并具有較強的可擴展性。

實施安全監督檢查，是現階段企業安全管理的主要手段，通過組織有效的監督檢查工作，可以第一時間發現問題和隱患并組織整改，以降低事故事件出現的概率，同時，通過分析發現企業存在的普遍性問題進行集中整改，可以提高企業的整體安全性。

師范專業為主的高等院校中，物聯網專業的學生對自己未來的職業規劃存在較大的差異。通過問卷調查和畢業生的就業情況統計發現，通常約30%的學生畢業后致力于從事教師行業，30%左右的學生進入IT或者相關行業，30%～35%的學生考研深造，尚有個別學生目標不太明確或者打算考公務員等。面向不同職業訴求的學生，擬在教學實踐中采取分門別類的方法，具體實施方式如表1所示。

表1 差異化的課程設計

1）針對A類學生。A類學生畢業后擬從事小學教育，他們主要是基于師范院校大環境，考取中小學教師的事業編制，以后所從事的專業不一定與所學專業相關，大多學生會考慮語文、數學、英語等基礎學科，一部分學生會考慮美術、音樂、體育和科學等學科，但相對小眾。對于擬從事教學的這類學生的培養，在教學過程中除了掌握必備的基礎知識之外，更注重培養師德、師范以及講、說等組織一堂課的能力。具體實施方式：擬在理論教學環節，選擇知識性、方法性等較為典型的內容，設計準備一堂課環節，指導學生梳理知識點、查閱文獻、組織課件、策劃互動以及設計教學語言等，從多個角度培養學生組織一堂課的能力。在平時成績的考核方面，也以準備一堂課為題材，從課堂準備以及完成的成熟度等方面進行評分。

2）針對B類學生。B類學生畢業后擬從事IT行業，他們多數是對計算機或者物聯網專業有較為濃厚的興趣，或者對該朝陽產業有較大的期許，打算在該行業有所建樹。對于此類學生，在教學實踐過程中將更加注重其專業知識的培養。在實踐教學環節，擬通過定制或研發實踐平臺，或者與企業聯合培養等方式，設計應用性、綜合性強，更加貼合實際應用的實訓項目，培養該類學生直面挫折，實際動手解決具體問題的能力。在平時成績的考核方面，從實訓項目完成的態度、各個模塊實現的成熟度、與小組成員的配合度等方面進行綜合測評。

3）針對C類學生。C類學生畢業后擬考研繼續深造。據調研本專業近四年的學生考研數據，每個班級每年至少1/3的學生進行考研繼續深造，他們往往認為普通本科學歷并不能滿足當前的就業環境，抑或高考的時候發揮失常，沒有考取自己理想的本科院校，想通過考研來提升自己的學歷資質，以便將來能獲取更好的發展機會。對于此類學生，注重培養探索未知的能力，面對全然未知的問題，從總體方案、軟硬件設計以及系統優化方面，均進行有針對性的指導。在平時成績的考核方面，從態度、團隊成員的配合以及問題的完成度等方面進行綜合測評。

4）針對D類學生。每個班級有個別學生打算報考公務員，亦有極個別的學生對未來尚沒有明確的規劃，但是基本明確這一部分學生畢業后不想再從事本專業方面的工作。針對此類學生，在教學實踐中投入更多的關注，通過提問等方式進行知識的引導，主要強調他們對基礎知識的把握能力。在實踐環節，建議他們積極投入興趣組，配合其他學生完成相應的實踐項目。在平時成績的考查環節，以鼓勵為主，從配合的態度以及投入的精力等方面進行綜合測評。

WSN實踐平臺設計 為了實現梯度化教學，擬開發一種能夠服務于不同應用的WSN實踐平臺，結構框圖如圖1所示。WSN實踐平臺包括傳感器節點、匯聚節點以及應用節點三大模塊。其中，傳感器節點模塊主要由一個采集底板和一個ZigBee模塊構成，并且根據需要可以增加傳感器擴展板。傳感器節點在無線ZigBee傳感器網絡系統既可用作普通傳感器節點，也可用作無線ZigBee網絡中的路由節點。傳感器節點主要實現溫度、濕度、流量、距離、電磁噪聲、位移、速度以及振動等信息的采集和數據傳輸功能。傳感器將采集到的溫度、流量等信息通過ZigBee無線模塊的射頻部分發送給路由節點或者網關。

圖1 WSN實踐平臺結構框圖

實踐平臺的上層應用為用戶提供了多種可選擇的WSN接入方式，諸如采用Mobile通過4G的方式接入，也可以利用PC/便攜設備通過有線或者Wi-Fi的方式接入。面向不同的應用，用戶可以采取不同的接入方式，與不同的傳感器節點進行交互。

實踐教學設計 針對四類不同職業規劃的學生，基于WSN實踐平臺擬設計梯度化的實踐教學方案。

1）針對A類學生。考慮到A類學生的小學教育目標，在實踐教學環節并不強調專業性的設計，而是針對某一類應用項目，請學生從教學目標、教學內容、教學方法以及教學步驟等方面設計一堂課，并建立教案和課件等教學文件；進一步地，對設計的一堂課予以實施，最后由受眾對象和教師共同給予評估和考核。

2）針對B類學生。B類學生有非常明確的專業導向，并且對專業知識也有較高的追求目標，尤其是關注完整地設計一個小型的應用系統，希望能夠熟練掌握整個設計流程，把握各個關鍵環節，并能提高實際動手能力。在實踐教學環節，根據學生的需求，設計較為明確的應用任務n；進一步地，引導學生從易到難，從最小系統到最大系統逐步推進，進行完整的課程設計，使學生明確設計流程，掌握設計方法，熟練使用開發工具。在此基礎上，培養學生面對問題，通過檢索數據庫、查閱文獻等多種手段，分析問題和解決問題的能力。

3）針對C類學生。C類學生和B類學生一樣，也有較為明確的專業導向，但是相對于B類學生來說，他們往往更加關注整個學科的關鍵技術、未來的發展前景以及學科之間的交叉問題，從而想探索自己在該領域的研究興趣和重點。在實踐教學環節，針對某一類應用任務，提出覆蓋性、連通性、網絡生命期、干擾和競爭以及網絡延遲等性能指標，提出優化需求，在此基礎上，引導學生對網絡系統進行優化，通過查閱文獻、系統仿真等設計優化方案，提出優化算法，進一步進行優化設計。針對此類學生的實踐實施，教師務必做好引領，同時培養學生通過關鍵詞查閱相關文獻的能力，以及基于文獻資料和仿真實驗數據提出優化方案的能力。

4）針對D類學生。由于D類學生和A類學生類似，沒有明確的專業導向，甚至于對未來的職業也沒有較為清晰的規劃，對于設計型的應用實踐明顯動力不足。所以，在實踐教學環節鼓勵學生積極參與B類或C類學生的設計任務，協調好他們在項目組中的角色，把握好他們的訴求，通過教學的不斷推進，根據他們的思想動向以及理解能力動態地調整實踐方案。

3 結語

傳感網原理及應用課程在大三上學期進行教學實踐，這個階段，學生的思想已經相對穩定，進行個性化的教學實踐是可行的。但是，外界的影響或者學習過程中遇到的困難挫折可能會對學生的思想造成影響，所以，在具體的教學實施過程中要及時掌握學生的思想動向，了解他們的需求以及實際能力，做好動態的調整和科學的規劃。