科技創新背景下“無線傳感器網絡”教改初探

張虎林，袁仲云，禚 凱

（太原理工大學電子信息與光學工程學院 山西 太原 030024）

科技創新是推動現代社會發展的不竭動力。各個行業正在迅猛發展，積極運用新技術以提高工作效率和產品質量。在這個變革的潮流中，教育也不例外。教育事關個人成長，更關系到整個社會的進步與發展。因此，我們必須與時俱進，密切關注信息技術的進步[1]，通過不斷優化教學方式來響應這場技術革新。習近平總書記曾強調，要把原始創新能力提升擺在更加突出的位置，努力實現更多“從0 到1”的突破。在這個推動創新的過程中，無線傳感器網絡技術脫穎而出，成為應用最廣泛的技術之一。對于培養信息化人才來說，無線傳感器網絡技術是不可或缺的一環。無線傳感器網絡（Wireless Sensor Networks, WSN）是涉及計算機網絡、通信技術、嵌入式系統等多個領域的交叉學科。該課程的教學內容包括無線傳感器網絡概述、硬件平臺與傳感器、網絡體系結構和協議、安全與隱私保護、應用案例與實驗，以及其未來發展與趨勢[2]。通過學習該課程，學生可以全面了解無線傳感器網絡的基本技術和應用，為進一步深入研究或投身相關領域工作奠定堅實的基礎。

1 無線傳感器網絡教學現狀

1.1 教學內容枯燥

無線傳感器網絡教學涵蓋基本的傳感器網絡理論，涉及傳感器節點的工作原理、通信協議、能源管理、拓撲控制等基本概念。然而，這些理論概念相對抽象，對于初學者來說可能在理解和應用這些概念時感到困難[3]。此外，課程中使用了許多專業術語，對學生來說可能顯得晦澀難懂，增加了對課程的理解難度。過分強調理論講授也導致學生難以在腦海中建立起知識與現實應用之間的聯系。缺乏足夠的案例研究和現實應用示例使得學生難以提升學習興趣和積極性，同時也難以認識到無線傳感器網絡在現實社會中的重要應用價值[4]。

1.2 實驗存在局限

實驗在無線傳感器網絡教學中扮演著至關重要的角色，但是由于實驗設備成本較高，教學實踐中經常借助仿真軟件替代物理實驗[5]。虛擬實驗雖然在一定程度上減輕了經濟負擔和空間需求，但同時也帶來了一些弊端。虛擬實驗往往難以模擬真實器材的各種細節和特性，無法提供真實實驗中的感官刺激和操作體驗，這使得學生對實驗結果的可信度和可靠性產生疑慮。虛擬實驗的模擬范圍受限，很難適應多變的實驗環境和復雜的實驗操作，因此，無法完全替代真實實驗。此外，虛擬實驗也限制了學生探究的深度，將學生的思考和探索局限在程序中，使得他們無法超越預定的操作范疇進行獨立思考和探索，從而制約了他們應用所學、拓寬思路的能力。

1.3 考核方式單一

無線傳感器網絡課程考核方式相對單一，影響學生對學科的全面理解和實際應用能力的培養。傳統的筆試方式無法全面評估學生的實際應用能力和解決實際問題的能力，可能導致學生過于注重死記硬背而忽略實際應用[6]。在課程設計演示環節，部分學生可能過于依賴團隊中的其他成員，難以充分展現個人能力。完成實驗后，學生在撰寫實驗報告時可能只注重報告的形式，而未對實驗的基本原理和具體結果進行深入理解。這種單一的考核方式可能影響學生在實際應用中的表現和創新能力的培養。

因此，為了提高無線傳感器網絡教學的效果，激發學生的學習興趣，使其更好地理解和應用所學的知識，融合科技創新，應當對現有的教學內容、實驗資源以及考核方式進行全面改革。

2 科技創新背景下“無線傳感器網絡”的改革措施

2.1 理論教學結合應用導向

我們應該在繼承傳統教學方法的同時積極進行創新，注重將教學與實際案例相結合，推崇靈活的學習方式，以實現更佳的課程效果。例如，在教學中引入無線傳感器網絡在人體健康監測中的應用案例，讓學生深刻理解課程內容的應用價值。首先，課程內容上應更加注重無線傳感器網絡在各種領域的具體應用，同時注重共性和特殊性的結合，要充分體現新興領域的技術和熱點問題。除了傳統的通信協議、拓撲結構以外，還要引入流行的物聯網、人工智能、數據安全等理論，形成有機的整體，加深學生對課程內容的理解。其次，身處于21 世紀，學生的學習習慣和方式也在不斷改變，教師需要采用新的教學方法使課程更富趣味性和互動性。此外，實踐是最有效的學習方法之一[7]，實驗操作能讓學生提高動手能力，更好地吸收知識點，培養他們解決問題的能力和團隊合作精神。這可以通過實驗課、項目課程或者專門的實踐環節來實現。例如，將大學生創新訓練項目融入課程體系，通過實踐導向的教學方式，讓學生在解決實際問題的過程中學到知識。由導師選定項目研究方向為微納自驅動能源收集與傳感，指導學生項目具體實施思路（具體內容見表1），與學生共同討論和改進實驗方案，監督實驗的進行，指導學生進行論文和專利的修改。最后，定期與學生進行交流，了解他們對于課程的理解情況，提供額外的輔助和解釋。有針對性地解決學生遇到的理解難點，提高學習效果，確保每個學生都能跟上課程的進度。

表1 大學生創新訓練項目研究內容

2.2 整合物理實驗與虛擬實驗，引入遠程實驗技術

為了提升實驗教學資源的水平，學校應著力定期更新實驗室設備，確保學生能夠緊跟行業最新技術的發展。物理實驗與虛擬實驗應相互補充，前者提供必要的實踐操作，后者則通過模擬擴展實驗的可能性。為此，學校需要建立多個性能層次的虛擬實驗平臺，并配置相應的高性能計算資源，以確保學生能夠順利進行復雜的實驗模擬。同時，建立實驗案例庫，使學生能夠選擇感興趣的實驗場景進行學習。鼓勵學生積極參與虛擬實驗場景的構建與開發，既增加了實驗的廣泛性和實用性，也能激發學生的創新意識。

引入遠程實驗技術是另一個關鍵舉措，通過互聯網遠程操控實驗設備，解決地域和設備限制問題，使學生能夠在全球范圍內參與實驗。同時，設計需要團隊合作的實驗項目，模擬實際工作環境，有助于培養學生的團隊協作和溝通能力。這樣的綜合舉措不僅提高了實驗的靈活性和多樣性，還促使學生更全面地掌握實驗原理，并在團隊合作中提高實際應用技能。

2.3 深掘無線傳感器網絡多領域應用

實踐是無線傳感器網絡教學改革中非常重要的一環，更是學生深化理解理論知識、掌握技術原理的有效途徑。為了進一步挖掘實驗的深度和拓展其廣度，我們將實驗內容進一步拓展至無線傳感器網絡在各個領域的具體應用案例[8]。以熱電水凝膠為例，我們不僅關注其在無源信息轉換中的應用，還將實驗焦點擴展至其在柔性可穿戴領域的潛在用途，如健康檢測、疾病診斷、運動識別等。通過涉足多個應用場景，學生能夠更全面地理解無線傳感器網絡的多樣化應用。

在實驗設計中，我們強調了熱電凝膠的協同優化機制，分析了制備工藝對凝膠熱電勢、電導率、熱導率、彈性模量等性能的影響。這不僅有助于學生深入理解材料性能的互相關聯性，還培養了他們在設計和優化新型傳感器時考慮多方面因素的能力。為了更細致地了解凝膠微觀形態和化學結構對性能的影響，我們進一步引入了有限元仿真和分子動力學模擬等高級技術手段。通過這些方法，學生將有機會深入研究凝膠單體、溶劑配比、交聯條件等因素對凝膠微觀結構的調控效果，從而更好地理解實驗背后的科學原理。此外，我們著重強調了實驗報告的編寫和反思，培養學生對實驗過程的全面理解和問題的批判性思考能力。通過這一步驟，學生不僅能夠得出實驗結果，還能夠對實驗中遇到的挑戰進行深入分析，為今后的研究和實踐提供有價值的經驗。為了提供更多實踐機會，我們建議放寬實驗室的開放時間，使學生有更多的自主學習和實踐的機會。這樣的自主學習時間可以讓學生更深入地探索感興趣的方向，豐富他們的實際操作經驗。

最后，我們鼓勵學生參與實際應用項目，例如與行業合作或參與科研團隊。這樣的實踐機會將幫助學生將理論知識更好地轉化為實際能力，培養他們在未來職業生涯中的創新思維和問題解決能力。通過這一系列擴充和深化的實踐環節，學生將更全面地了解無線傳感器網絡的應用領域和未來發展方向，為他們的職業發展奠定堅實的基礎。

2.4 豐富考核模式

教師可以采用多元化的考核方式，綜合利用筆試、編程作業、實驗報告、項目設計和答辯等形式，全面評估學生的知識水平和實際應用能力。將傳統的筆試成績占主導轉化為開放式的考評，按以下公式進行最終成績的核算：總成績=筆試成績×40%+編程作業×20%+實驗報告×10%+最終答辯×30%。引入實際案例，要求學生分析真實場景中傳感器網絡的應用，培養他們解決實際問題的能力。在項目設計中，可以采用團隊合作的方式，但也要結合對個人貢獻的評價，確保每個學生的個人能力得到充分考查。在考試和作業中引入一些開放性問題，鼓勵學生思考和創新，同時評價他們的綜合能力。通過這種多元化的考核方式，可以更全面地評估學生在無線傳感器網絡領域的理論水平和實際應用能力。

3 結語

在科技創新背景下，教育改革的目標是培養學生的創新能力，使其能夠適應科技的快速發展。科技創新涉及多學科的知識和技能，因此教育改革致力于促進學生跨學科學習，打破學科之間的壁壘，培養學生更全面、綜合的視野。通過項目和任務的實踐，培養學生解決實際問題的能力，推動教育體系朝著更為靈活、實踐導向且能夠滿足社會需求的方向發展。