《無線傳感器網(wǎng)絡(luò)》課程教學(xué)探究

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1、?無線傳感器網(wǎng)絡(luò)?課程教學(xué)探究 摘要：根據(jù)?無線傳感器網(wǎng)絡(luò)?課程實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)，在課程的研究生教學(xué)階段改變了本科教育以講授知識(shí)點(diǎn)為主要手段的教學(xué)模式，而是采用以綜合性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為貫穿主線、以科學(xué)研究方法為教學(xué)手段的科研型教學(xué)模式。借助凌陽實(shí)驗(yàn)箱，建立了一個(gè)環(huán)環(huán)相扣、覆蓋課程主要內(nèi)容的實(shí)驗(yàn)體系，探索了復(fù)雜實(shí)驗(yàn)中多人分組實(shí)驗(yàn)的教學(xué)實(shí)施方法和效果評價(jià)方法，并對物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)建設(shè)中的WSN課程定位等問題進(jìn)行了有益探索。 關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；物聯(lián)網(wǎng)；研究型教學(xué)模式；實(shí)驗(yàn)體系設(shè)置 DOIDOI：10.11907/rjdk.161787 中圖分類號：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號：

2、16727800〔2021〕010018802 0引言 2021年，南京郵電大學(xué)在國內(nèi)首先興建了物聯(lián)網(wǎng)學(xué)院。學(xué)科成立之初，課程體系建設(shè)尚無先例可循。因此，如何建立具有物聯(lián)網(wǎng)學(xué)科特色的課程體系成為了每一個(gè)任課教師需要思考的問題。近年來，學(xué)界逐步明確了物聯(lián)網(wǎng)學(xué)科的“源科學(xué)〞是計(jì)算機(jī)科學(xué)【1】。將物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的課程建設(shè)大致分為兩局部：計(jì)算機(jī)學(xué)科的根底課程與表達(dá)專業(yè)特點(diǎn)的專業(yè)課程。專業(yè)課程主要包括：介紹物聯(lián)網(wǎng)根本概念的“物聯(lián)網(wǎng)導(dǎo)論〞、討論感知層知識(shí)與技術(shù)的“感知技術(shù)及應(yīng)用〞、討論物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中無線通信技術(shù)的“物聯(lián)網(wǎng)中的無線通信技術(shù)〞、介紹物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)與規(guī)劃方法的“物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)技

3、術(shù)〞和介紹物聯(lián)網(wǎng)信息平安個(gè)性技術(shù)的“物聯(lián)網(wǎng)平安技術(shù)〞等。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)〔WirelessSensorNetwork，WSN〕是物聯(lián)網(wǎng)底層重要的感知技術(shù)。作為重要的學(xué)科專業(yè)課程，其知識(shí)點(diǎn)從感知層硬件到應(yīng)用層平安技術(shù)，內(nèi)容多、難度大，表達(dá)了物聯(lián)網(wǎng)學(xué)科的交叉特色與前沿性。該課程在傳統(tǒng)的通信和自動(dòng)化控制專業(yè)早已形成完善的體系結(jié)構(gòu)，但是隨著物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的蓬勃開展，WSN技術(shù)開展很快，物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的WSN課程內(nèi)容要與上述兩個(gè)傳統(tǒng)專業(yè)的相關(guān)課程相區(qū)別，必須講授最新的熱點(diǎn)技術(shù)。 1課程現(xiàn)狀及存在的問題 〔1〕有限的課時(shí)設(shè)置與課程的豐富內(nèi)容不相匹配。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)容涵蓋廣泛，涉及計(jì)算機(jī)、通信、

4、數(shù)學(xué)、信息、電子等多個(gè)學(xué)科，同時(shí)它也是一門理論與實(shí)踐緊密結(jié)合的課程。從ZigBee、Wifi、藍(lán)牙到6LowPan，各種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的最新技術(shù)都能設(shè)計(jì)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，以加深學(xué)生對理論知識(shí)的理解。目前受到研究生課時(shí)的限制，一般學(xué)校該課程課時(shí)設(shè)置均為32課時(shí)，在如此有限的時(shí)間內(nèi)，如何有效講授知識(shí)點(diǎn)、培養(yǎng)研究生的科學(xué)思路和研究方法那么成為一個(gè)值得深入探討的問題。 〔2〕課程定位與教學(xué)特色問題。物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)本科階段已開設(shè)了同名課程，研究生階段的WSN課程如何與本科生課程相銜接，且在教學(xué)中突出物聯(lián)網(wǎng)交叉學(xué)科特色是課程建設(shè)中要解決的關(guān)鍵問題。 〔3〕研究生培養(yǎng)模式和授課方法問題。盧梭說過：“問

5、題不在于告訴他〔學(xué)生〕一個(gè)真理，而在于教他〔學(xué)生〕怎樣發(fā)現(xiàn)真理。〞這正是近代研究生教育追求的研究性教學(xué)理念。本科階段學(xué)生第一次接觸WSN，因而該階段注重對知識(shí)點(diǎn)的講授。到了研究生階段，課程應(yīng)更多地教授學(xué)生科學(xué)研究的方法，幫助學(xué)生發(fā)現(xiàn)學(xué)科的前沿?zé)狳c(diǎn)，并指導(dǎo)他們開展深入研究。 綜上課程存在的缺乏，筆者在課程的研究生教學(xué)階段改變了本科以講授知識(shí)點(diǎn)為主要手段的教學(xué)模式，而采用以綜合性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為貫穿主線的研究型教學(xué)模式。通過實(shí)驗(yàn)為主導(dǎo)的方式，教師創(chuàng)設(shè)一種類似科學(xué)研究的情境，指導(dǎo)學(xué)生對熱點(diǎn)問題進(jìn)行研究，使學(xué)生在獨(dú)立、主動(dòng)的探索、思考、實(shí)踐過程中吸收與應(yīng)用知識(shí)，并解決問題。 2課程建設(shè)內(nèi)容

6、 2.1教材及實(shí)驗(yàn)內(nèi)容選擇與設(shè)計(jì) 課程選用了2本教材[23]，一本實(shí)驗(yàn)教程【4】。第一本教材是孫利民老師的經(jīng)典教材?無線傳感器網(wǎng)絡(luò)?，其內(nèi)容按網(wǎng)絡(luò)分層結(jié)構(gòu)講述了WSN的各個(gè)知識(shí)點(diǎn)。每章均可視作綜述風(fēng)格的科研論文，邏輯清晰，易于理解，用于培養(yǎng)學(xué)生的科研閱讀能力，但是缺乏有特色的熱點(diǎn)技術(shù)；第二本教材是國外的經(jīng)典教材，其書寫邏輯為面向問題的啟發(fā)式學(xué)習(xí)，每章討論一個(gè)WSN的支撐技術(shù)，如定位技術(shù)、同步技術(shù)、平安技術(shù)等，可用于啟發(fā)學(xué)生的科學(xué)思維，學(xué)習(xí)如何發(fā)現(xiàn)一個(gè)科學(xué)問題以及如何針對該問題進(jìn)行深入研究。實(shí)驗(yàn)教程選用凌陽科技公司開發(fā)的最新物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)課程，包含最新的WSN技術(shù)實(shí)驗(yàn)。其內(nèi)容從芯片根底實(shí)驗(yàn)到各

7、種熱點(diǎn)技術(shù)的實(shí)踐，包括ZigBee協(xié)議棧系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)、RFID根底實(shí)驗(yàn)、IPV6系列實(shí)驗(yàn)、嵌入式網(wǎng)關(guān)實(shí)驗(yàn)和控制實(shí)驗(yàn)等8大塊，但是缺乏綜合性實(shí)驗(yàn)。為此，學(xué)院又聯(lián)合凌陽科技公司開發(fā)了假設(shè)干綜合性實(shí)驗(yàn)，包括自習(xí)室節(jié)能控制系統(tǒng)、智慧安防報(bào)警系統(tǒng)、圖書管理系統(tǒng)、冷庫管理系統(tǒng)和智慧停車系統(tǒng)等。 針對每個(gè)知識(shí)單元的核心知識(shí)點(diǎn)，借助凌陽公司開發(fā)的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)箱【2】，參照學(xué)校已有的實(shí)驗(yàn)建設(shè)內(nèi)容[56]，有針對性地設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)體系，如圖1所示。共包含14個(gè)實(shí)驗(yàn)，其中前11個(gè)實(shí)驗(yàn)都是驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)，每學(xué)期再根據(jù)課程選修人數(shù)選擇假設(shè)干綜合性的設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)。其中，自習(xí)室節(jié)能控制系統(tǒng)、ZigBee拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)顯示系統(tǒng)和圖書管理系統(tǒng)

8、3個(gè)綜合實(shí)驗(yàn)貫穿學(xué)習(xí)始終，其它實(shí)驗(yàn)都是由教師演示完成。該實(shí)驗(yàn)體系使學(xué)生學(xué)習(xí)完理論知識(shí)后可以馬上進(jìn)入實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)對知識(shí)進(jìn)行穩(wěn)固。如果某些知識(shí)點(diǎn)對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)太過復(fù)雜，在有限的課程時(shí)間內(nèi)缺乏以完成，那么可設(shè)計(jì)相應(yīng)問題，讓學(xué)生在問題引導(dǎo)下自發(fā)進(jìn)行深入學(xué)習(xí)。 2.2研究型教學(xué)模式與評價(jià)方法探索 在課程的具體教學(xué)實(shí)施上，第一次上課教師即把學(xué)生分為小組，每個(gè)小組負(fù)責(zé)一個(gè)綜合性設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。以自習(xí)室節(jié)能控制系統(tǒng)為例，整個(gè)教學(xué)模式闡述如下：首先，教師介紹系統(tǒng)功能，將系統(tǒng)分為光照度檢測、人員檢查、數(shù)據(jù)處理和燈開關(guān)控制4局部。由于實(shí)驗(yàn)比較復(fù)雜，采用學(xué)生分組的形式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。每個(gè)局部由假設(shè)干學(xué)生負(fù)責(zé)，確保每個(gè)學(xué)生完成

9、其中的某些功能模塊，并在之后的教學(xué)過程中對每局部進(jìn)行詳細(xì)討論，包括：設(shè)計(jì)要求、工作原理、需要用到的設(shè)備、表達(dá)的核心知識(shí)點(diǎn)等。因此，每個(gè)學(xué)生在學(xué)習(xí)開始都有一個(gè)任務(wù)和目標(biāo)，學(xué)生之間相互合作，完成實(shí)驗(yàn)的組可以獲得本次實(shí)驗(yàn)的根本得分。之后的每一次課，核心知識(shí)點(diǎn)的講授與相應(yīng)的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)都采用教師導(dǎo)學(xué)、學(xué)生自主學(xué)習(xí)的形式完成?？紤]到課時(shí)有限，實(shí)驗(yàn)還需要由小組合作學(xué)習(xí)等課外學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)組成。到了一定階段，每個(gè)模塊都要完成子模塊流程設(shè)計(jì)，如圖2所示的光照度檢測子模塊流程圖。然后進(jìn)行階段性學(xué)習(xí)成果展示和交流，并進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，形成相關(guān)文檔。最后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)總結(jié)，匯報(bào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方案。 每個(gè)實(shí)驗(yàn)都表達(dá)了對WSN知識(shí)的

10、綜合應(yīng)用與融匯貫穿。在設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)中，教師按照軟件工程的方法一步步指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行系統(tǒng)概要設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)直至系統(tǒng)調(diào)試完成。學(xué)生不但能學(xué)習(xí)到科學(xué)研究的思想和方法，而且具備了開發(fā)一個(gè)小型工程的經(jīng)驗(yàn)，提高了動(dòng)手能力。該方式改變了“教師授課+學(xué)生復(fù)習(xí)〞的傳授式教學(xué)模式，而是采用“教師導(dǎo)學(xué)+學(xué)生自學(xué)+合作研討〞的研究型教學(xué)模式，以到達(dá)培養(yǎng)應(yīng)用型人才的目標(biāo)。 3考核體系 課程考核采用平時(shí)成績和期末考核成績加權(quán)平均的方式。綜合實(shí)驗(yàn)成績占70%，期末的理論考核以開放式論文形式進(jìn)行，讓學(xué)生根據(jù)自己在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)的問題，以提出改進(jìn)方法等為題撰寫論文，分?jǐn)?shù)占總成績的30%。該考核更加偏向于考核學(xué)生在學(xué)習(xí)過程

11、中的參與、實(shí)踐能力。 實(shí)驗(yàn)成績考核學(xué)生平時(shí)的學(xué)習(xí)積極性以及動(dòng)手能力，緊扣3個(gè)綜合性實(shí)驗(yàn)的各個(gè)階段，取得一個(gè)階段性成果即得到相應(yīng)分?jǐn)?shù)。在實(shí)際實(shí)施過程中，師生都覺得該教學(xué)方式比傳統(tǒng)方式更能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和實(shí)際動(dòng)手能力。 4結(jié)語 本次物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的研究生WSN課程建設(shè)圍繞核心知識(shí)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)系列。實(shí)驗(yàn)圍繞一個(gè)需要研究解決的特定問題展開，讓學(xué)生在尋找解決方法的過程中進(jìn)行知識(shí)的學(xué)習(xí)與應(yīng)用，而不是對知識(shí)的簡單套用。強(qiáng)調(diào)任務(wù)驅(qū)動(dòng)，并注意任務(wù)的復(fù)雜性與綜合化。 應(yīng)當(dāng)注意的是，研究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)的設(shè)計(jì)與實(shí)施是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，教師應(yīng)周期性地梳理核心知識(shí)點(diǎn)，根據(jù)教學(xué)

12、內(nèi)容設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，并在實(shí)驗(yàn)中根據(jù)學(xué)生反響以及實(shí)際教學(xué)效果，不斷調(diào)整實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、難度以及實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，促進(jìn)每一輪教學(xué)實(shí)踐在內(nèi)容和方法上都不斷豐富、改進(jìn)和完善。 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)： 【1】吳功宜.對物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)教學(xué)體系的思考[J].計(jì)算機(jī)教育，2021〔21〕：2629. 【2】孫利民，李建中，陳渝，等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2021. 【3】HOLGERKARL，ANDREASWILLIG.Protocolsandarchitecturesforwirelesssensornetworks[M].Wiley，2021. 【4】物聯(lián)網(wǎng)多功能一體化教學(xué)科研平臺(tái)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書[EB/OL].[2021515]. ：// . 【5】孫玉昕.?無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)?課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究[J].軟件導(dǎo)刊，2021，14〔3〕：166167. 【6】吳迪，朱金秀，等.“無線傳感器網(wǎng)絡(luò)〞教學(xué)方法探索[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2021，36〔4〕：6668.