应用型本科无线传感器网络实践课程探讨

尚翠娟，赵生慧，杨军伟



应用型本科无线传感器网络实践课程探讨

尚翠娟，赵生慧，杨军伟

无线传感器网络广泛应用于生活的各个方面。论文结合应用型本科实践课程的特点和人才培养目标，介绍了无线传感器网络实践教学的基本理念、主要内容和实施过程。论文提出以兴趣为驱动、以应用为导向、以创新创业为目标的层次性教学体系，由此提升实践教学的课程质量和效果，达到人才培养的目标。该实践体系的研究和实施，对于应用型本科院校培养学生自主创新创业能力具有一定的借鉴作用。

无线传感器网络；应用型；实践课程

1 研究背景

随着国家从宏观上对高等教育进行分类指导，应用型教育引起学术界的关注,已成为人们讨论的热点问题。应用型本科院校的主要任务则在于实施应用性本科教育,培养大量符合地方经济与社会发展的需求创新人才[1-2]。因此,要围绕地方经济发展和社会发展的需要进行深入分析调研,调整专业或专业方向,以灵活实用的课程设置来培养具有多种技能的学生。培养应用型创新人才不能沿袭传统的课程体系,而需要构建充分反映社会需求,满足地方、行业对人才需求的应用性课程体系。

我校于2014年成为“安徽省地方应用型高水平大学”建设学校，对围绕本地的经济和社会发展，积极推动应用型专业和课程建设。我校物联网工程专业也立足于地方的发展需求，着力建立健全多层次多类型的课程体系和人才培养体系，加强物联网应用人才的培养。而实验教学是学校培养学生实践能力、科研能力等综合素质的重要环节，是应用型大学实施素质教育不可分割的重要内容。但在实际的学科建设和发展过程中发现，实践教学环节还存在很多不足之处[3]。在实验内容设置方面，基础性实验教学内容占绝大多数，而综合性、设计性和创新型实验很少或几乎没有。学生上课仅需按照教师制定的操作方法直接验证即可，后果是学生对实验内容缺乏全面理解和认识，没有了积极探索的兴趣。为了尽量弥补这些方面的不足，很多学校就教学内容、课程体系，以及人才培养模式等方面进行改革[4-5]，即从地方应用型的高等教育着手，改革实践教学内容和课程体系。

无线传感器网络是计算机网络、无线通讯、传感器应用和嵌入式设备等诸多课程综合在一起的交叉性学科。作为一门工程性、实践性很强的课程，“无线传感器网络”的实验教学必须有足够的开放性和灵活性[6]。其实验体系的设计面临较大挑战。文献[6]提出无线传感器网络实验教学应包括验证型实验和研究型实验，强调应根据课程进度循序渐进、有所侧重、内容完整，从最简单的程序开始，一步一步加强该程序的功能，直到达到网络功能完善的目标，满足低功耗、多跳路由的特征。文献[7]提出除了验证性实验和仿真型实验外，应增加设计型实验，强调激发学生的兴趣。部分学者结合院校的优势学科，也提出了具有专业特色的无线传感器网络实践教学体系，如文献[8]结合农业院校的特点，提出了具有农业特色的无线传感器网络实践项目。

上述研究对无线传感器网络实践课程的开设提供很好的基础和新的视角，具有一定的参考价值。尽管上述研究也提出了培养学生的兴趣和动手能力，但是在实践内容上并未有明显的体现。随着国家对学生应用能力的强调，实践课程不仅要求学生撑握课程知识，更希望学生具体创新创业能力，能够学以致用。本研究提出以兴趣为驱动、以应用为导向、以创新创业为目标，结合我校“地方应用型”的办法定位，对无线传感器网络课程的实践教学进行研究和探讨。本文主要就实践教学内容的设计以及教学过程的实施这两个方面进行介绍，并对重点实践内容进行深入剖析。

2 实践教学内容的分层设计

本研究以我校物联网重点专业建设为依托，结合物联网相关的各类学科竞赛如安徽省物联网应用大赛、全国高校物联网应用创新大赛等，对无线传感器网络实践教学内容进行探讨和设计，主要引导学生自主性地进行创新性研究，锻炼实践动手能力。无线传感网实践课程主要面向我校物联网专业及其他信息类专业的二年级、三年级本科生，还有部分学习、动手能力较好的一年级新生，因此在教学内容方面，我们采用分层的设计方法，设计三套面向不同层次学生的实验教学内容，主要包括兴趣型、应用型和研创型，如表1所示。

表1 层次型实践教学体系

兴趣型实践教学选择较为简单、可快速上手的硬件，实践内容多以趣味性的小实验为主，实验目标是让学生了解较多的硬件芯片，并体会到实践出成果的成就感，激发学生进一步学习的兴趣；应用型实践教学需要配套基础理论教学，选择性能较好的硬件资源，实践项目以生活中的应用实例为主，强调实验项目的系统性、完整性和实用性，让学生明白“学以致用”；研创型实践教学需要深入无线传感器网络的理论知识，要探讨应用型实践教学中的技术性问题，强调学校中的实验和生活中的产业化之间的区别，把实验做的更深入、更实用。

2.1 兴趣型实践教学

在兴趣型实践教学中，我们不区分专业和年级的差异，只要有基本的计算机编程基础，都可以进行无线传感器网络兴趣型实验的实验培训。但每一个实验项目都要求学生能够移植和修改基本实验教学中所涉及到的功能程序。

无线传感器网络兴趣型实验教学一共开设五个实验项目，具体为：(1)开发环境的搭建和实验设备的熟悉；(2)各种传感器(温度、湿度、光照、红外线)节点的使用；(3)串行数据通信实验；(4)无线通信实验(蓝牙、XBee)；(5)综合性实验，学生组队完成，实现至少两个节点之间的无线通信，并通过串口将数据传输至电脑端。

实验一到实验四属于验证性实验，让学生了解并熟悉搭建无线传感器网络的一些常见硬件模块。实验五要求学生针对一些应用性的小场景完成各种硬件的综合使用，实验会给出一些固定的应用题目供学生选择，如智能小门铃、智能温控、智能灯控等，学生也可以自己设计一些创新性的实验题目。

兴趣型实验内容整体上难度较低，不需要深入掌握无线传感器网络理论知识的基础上，也可以完成实验所设定的内容。实验四相对来讲有一些难度，需要学生了解一些网络的基本知识、无线传输技术经及网络协议，学生才能更好地理解实验内容。实验五帮助学生认识专业知识在实际生活中的应用，进而激发学生的学习兴趣和创新能力。兴趣型实验采用了较为简单的Arduino开发套件，包含一块Arduino主开发板、若干各类的传感器和各类小配件，此外还配备了两款无线通信模块，即HC-05蓝牙主从一体模块和支持Zigbee协议的XBee模块。实验主要设备如图1所示。

图1 Arduino开发套件

2.2 应用型实践教学

通过兴趣型实践教学的学习，学生基本上对感知、无线通信、嵌入式编程有了感性的认识，并具备了使用多种硬件模块并进行软件编程的能力。但这些知识还没有系统、深入地触及无线传感器网络的基本理论，达不到无线传感器网络实践课程的培养目标。

应用型实践教学需要配套无线传感器网络的理论教学，理论教学的内容包括无线传感器网络的定义、硬件平台、软件平台、网络协议和主要应用等。理论教学希望可以帮助学生对无线传感器网络有较为系统的理解，从最开始直观的硬件操作上升到一定的理论程度，同时让学生了解无线传感网络中的无限可能，这种无限可能包括了各种硬件平台、各种软件平台和无所不在的应用。在应用型实践教学中，我们选用了GEN-0200B型号的传感器节点，该节点的处理器使用TI公司的MSP430F1611，射频模块为CC2420，集成了可见光传感器S1087和湿度传感器SHT11，并搭载TinyOS操作系统。在理论教学中的软件平台部分，以无线传感器网络操作系统TinyOS为主，介绍了无线传感器网络的操作系统，并重点讲解了nesC编程语言。本部分主要包括TinyOS的结构化概念和执行模型、nesC基本语法规则，以及应用nesC语言进行组件化编程的基本技术。

应用型实践教学主要分为两部分内容，第一部分为基础实验，第二部分为应用项目实验。基础实验开设四个实验项目，具体如表2所示。需要特别指出的是实验四的内容是选修内容，这是考虑到部分学生有可能在学习本门课程前已经学习过高级应用编程，并可进行面向用户的应用开发。若不具备使用高级编程语言和数据库的能力，实验四将安排基于C#和MYSQL的简单应用系统开发实验，确保学生可以完成后续实验内容。

在学生熟悉了硬件平台和软件开发环境后，学生通过小组协作的方式开展应用项目实验。应用项目实验结合生活中的一些应用场景，设计一些创新型的实验项目，由3人小组共同完成。应用项目实验中有多项题目可供选择，如表2所示。这些题目涉及到智能农业、智能家居、智能电网、智能交通等多个领域，并和实际生活息息相关。应用实验项目不局限于这些题目，鼓励学生自己有更好的想法、更多的创新。

表2 应用型实践教学内容

通过应用型实践教学的训练，学生不仅加深了对理论知识的理解和掌握，也在实践过程中学会了如何运用理论知识解决实际问题，学生的主动思考能力、主动解决问题能力、团队协作能力都可以得到锻炼。

2.3 研创型实践教学

高校积极响应国家倡导的高校创新创业教育，因此实践教学课堂鼓励学生由创新向创业发展。应用型实践项目的开展，可以激发创业灵感。但是由创新向创业转变，将不可避免遇到一些作为学生可能不曾深入考虑的问题，如无线传感器网络中的节能问题、网络路由问题等。由于在实验环境中的实践项目并未真实模拟现实场景，很多问题都被忽略。如果将创新性实践项目向创业转变，则需要更为深入地去探讨实际应用中的技术性问题。

针对上述问题，研创型实践教学就无线传感器网络在工程实施中遇到的一些共性问题对学生进行指导。研创型实验教学一共开设四个实验项目，具体为：(1)WSN覆盖实验；(2)WSN路由协议实验；(3)WSN节能实验；(4)WSN安全技术实验。上述实验项目在应用型实验项目的基础上完成，采用相同的硬件平台和软件平台。

3 实践教学过程的实施

目前我院在重点建设物联网工程专业的过程中，购置了多套传感器设备，并构建了物联网实验室。实验室不仅为物联网工程专业的学生提供了实践课程的平台，也面向全院学生进行物联网创新创业的实践。实践教学的实施结合了我院开设的导论性课程、专业课程和各种实践环节，具体的实施情况如下。

兴趣性实践教学作为我院开设的“物联网导论”课程相配套的实验课程，5个实验项目， 16个学时。除此之外，我校在暑假期间开设小学期，兴趣性实践教学也作为特色实践课程，向全校开放。在兴趣性实践中，引导学生发现生活中可创新的地方，组织学生团队协作完成兴趣性实践教学中综合性实践项目。为鼓励学生的学习积极性和创新欲望，在课程结束时，由老师组织实践项目的答辩，并根据学生的项目完成、文档撰写和现场答辩情况，评选出优秀团队。一方面，根据学院规定给出相应奖励；另一方面，组织相应的学生团队参加各种物联网比赛，如安徽高校物联网应用创新大赛、全国高校物联网应用创新大赛等。

应用型实践教学作为我院开设的“无线传感器网络”课程相对应的实践课程，第一部分基础实验，18个学时。基础性实验人手一套实验设备，对学生的实验过程、实验完成情况进行考核。第二部分应用项目实验安排在课程结束后，以课程设计的形式开展，为期一周，1个学分。应用项目实验要求学生组队完成，小组选题后指定一名指导老师进行辅导。一周后，所有小组应提交相应的可执行的源程序和文档报告，并以答辩的形式向所有指导教师报告所做主要工作。各项内容所占最终考核成绩的百分比如下：过程考核成绩占总成绩的20%；系统完成占总成绩的30%；文档占总成绩的30%；现场答辩占总成绩的20% 。

研创性实践教学以学年设计的形式开展，为期2周，2个学分。研创性实验同样要求学生组队完成，考核方式与应用性实验类似。但在研创性实验一方面要求学生在技术上更深入，另一方面要求学生考虑创新创业的可行性。

目前，学生对该实践教学的评价普遍较好，认为该教学实践能提高学科知识的学习能力、分析问题和解决问题的能力，以及团队成员沟通交流的能力。同时鼓励学生参加各种学科竞赛，部分作品在物联网应用相关竞赛中取得了不错的成绩。其中智能厨房监测系统完成了厨房环境数据和用户的厨房行为数据，如气体浓度、用户进出厨房的次数、用水情况等数据的采集， 并实现了实时分析数据、有害气体警报的功能，系统截图如图2所示。

图2 智能厨房监测系统

4 总结

对于地方性应用型高等院校而言，培养学生的自主创新创业能力、服务于地方是一项重要任务。顺应物联网技术的高速发展及在生活方面的广泛应用，本文以滁州学院物联网工程重点专业建设为依托，以专业课程综合实训为参考，结合我校多个优势学科资源，开设不同层次的实验子项目，供不同专业、不同年级的学生选择，训练学生运用熟练掌握的专业知识去分析实际生活中的应用问题，同时从技术层面上提出问题解决方案的能力，培养信息类专业的学生了解、掌握和应用物联网领域知识的能力，以及相关专业学生应用计算思维解决综合性专业领域问题的能力，有利于学生从整体上掌握知识，促进学生创新能力的发展。实践证明，该课程提高了学生的实践动力能力，改变了传统的实践教学模式，实现了从验证式教学模式向应用创新型教学模式的过渡，对培养学生的创新创业能力有非常重要的意义。

[1] 潘懋元,车如山.略论应用型本科院校的定位[J].高等教育研究,2009(5):35-38.

[2] 陈小虎,杨祥.新型应用型本科院校发展的14个基本问题[J].中国大学教学,2013(1):17-22.

[3] 陈林,肖国生.实验教学在应用型本科高校中的重要作用[J].实验科学与技术,2015(6):125-127.

[4] 欧阳津,申秀民,赵云岭,等．改革实验教学模式培养创新性人才[J]．中国大学教学，2008(2):79-80．

[5] 付庆玖，韩振．高等教育创新性实验教学体系的探讨[J]．实验室研究与探索，2009，28(6):14-16．

[6] 胡四泉,王志良.无线传感器网络”课程实验教学探讨[J].中国电力教育,2013(31):110-111.

[7] 朱晓荣.《无线传感器网络》课程实验教学研究[J].科技视界,2013(35):141.

[8] 马国强，路宁，包蕊.农业院校“无线传感器网络”课程特点与教学方法研究[J].物联网技术,2015(11):107-108.

责任编辑：李应青

G642

A

1673-1794(2016)05-0128-04

尚翠娟，滁州学院计算机与信息工程学院助教，硕士；赵生慧，滁州学院计算机与信息工程学院教授；杨军伟，滁州供电公司(安徽 滁州 239000)。

安徽省教育厅省级质量工程项目：物联网工程特色专业(2014tszy031)；网络工程虚拟仿真实验教学中心(2014xnzx020)；滁州学院质量工程项目：物联网工程实践教学中心(2014sfzx01)；面向老人健康照护的无线传感器网络实践项目设计(2015jyy007)

2016-05-14