“无线传感器网络”课程项目化教学研究与探索

徐华军

摘 要：无线传感器网络技术是物联网的核心技术之一，“无线传感器网络”课程内容较为前沿，融合了无线通信技术、嵌入式技术、传感器技术等，理论知识较为抽象，传统的课程教学偏向基础理论，忽视工程实践能力和创新能力的培养。文章结合笔者在课程教学改革实践中的体会，阐述了适合高职教育的教学内容调整、教学手段的应用及相应的考核体系的建立，希望抛砖引玉，对职业教育工作者有所启示。

关键词：无线传感器网络；教学改革；教学手段；教学内容

物联网（Internet of Things，IoT）是指通过各种信息感知设备，如射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）、各种传感器、全球定位系统（GPS）等，实时地对物理世界进行信息的采集，并按照约定的协议，把物体与互联网连接起来，达到信息的交换和通信，从而实现智能化地识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络，它是现代互联网的延伸。目前公认的物联网体系结构可以分为3个层次：泛在化末端感知网络、融合化网络通信基础设施与普适化应用服务支撑体系，也就是感知层、网络层、应用层。其中感知层负责底层工作，感知真实世界的物理数据，并将数据上传给物联网网关，其关键技术是传感器技术。

随着信息技术的发展，计算速度越来越快，网络带宽越来越宽，这时候制约信息链的瓶颈出现在了数据的获取手段上。传统的传感器不具备数据处理能力，更不能实现数据的无线传输与节点组网。这时候无线传感器网络就应运而生。无线传感器网络（Wireless Sensor Networks， WSN）是当前研究的一个热点领域。它是随着嵌入式技术、无线通信技术、传感器技术及分布式信息处理技术等的发展诞生的。无线传感器网络能够通过各类微型化、集成化的传感器，如MEMS传感器，网络内共同协作，完成对各种监测对象的信息实时监测、采集和传输。数据以无线自组网、多跳路由的方式被传送到用户终端，从而实现物理世界、计算世界以及人类社会这三元世界的连通[1]。

“无线传感器网络”是物联网应用技术专业的一门重要的专业核心课程。通过近些年来不断教学改革实践，我们从中发现了一些问题。“无线传感器网络”是一门和应用高度相关的课程，它本身的工程性和实践性都很强，要能够让学生自行设计无线传感器网络节点，并实现组网等功能应用，这就需要大量的实践练习，加强动手能力的培养。另一方面，它的理论又涉及各类复杂的算法，抽象枯燥不易理解，学生在学习时普遍感到异常困难。针对教学过程中发现的这些问题，我们认真进行了思考，不断探索新的教学模式和改革教学方式。高等职业教育应该淡化理论教学，强化实践动手的培养，根据高职教育的这种特点。我们加大了课程改革的力度，调整专业课程体系、精选课程内容，设计课程任务。在“无线传感器网络”课程教学中，采取了“项目化、任务驱动”的教学模式。笔者作为“无线传感器网络”课程改革建设的主要负责人，经过在物联网應用技术专业中长期的教学实践探索，总结了以下经验，在实际教学过程中，取得了较好的教学效果。

1 课程特点

1.1 知识覆盖面广

该课程是多学科高度交叉融合的产物，既有嵌入式技术、又涉及无线通信技术及传感网协议栈。涉及的内容知识面较广、有一定难度，并且发展更新很快。所以在高职当中开设该课程具有一定的挑战性。本课程相关的知识主要有：无线传感器网络的体系结构、IEEE802.15.4标准、ZigBee技术、物理层设计、nes C语言、Tiny OS操作系统、无线传感器网络路由协议、无线传感器网络MAC协议、无线传感器节点定位技术、网络时间同步技术、无线传感器网络安全技术、无线传感器网络数据管理与数据融合、无线传感器网络仿真平台及无线传感器网络开发环境等。

1.2 理论抽象、实践要求高

该课程的理论知识如：网络拓扑结构、无线传感网路由协议、WSN节点定位、目标跟踪、网络数据融合、信息安全等，这些针对无线传感器网络的理论知识由于涉及大量复杂的算法研究，超出了高职学生的认知范围，显得抽象难懂。从历年教学的反馈情况看，学习难度较大，不少学生在此失去学习信心，产生畏难情绪。另外，对网络的部署、节点的设计等，又要求学生具备较强的嵌入式开发实践能力。因此，有必要针对高职学生的特点，合理取舍教学内容，用心设计项目案例，侧重学生动手能力的培养。

1.3 无线传感器网络技术没有统一标准

作为一门新兴课程，“无线传感器网络”的标准有待统一。目前国内高校基本上以ZigBee技术为主进行讲解。对于其他技术如蓝牙、WiFi技术等则一带而过。而ZigBee本身并不能完全等价于无线传感器网络。针对不同的应用，要选取合适的无线通信技术。因此，有必要在课程中加入一些不同的无线通信技术，予以介绍。

1.4 教材缺乏

目前已有的相关书籍中，大多偏向于无线传感器网络的基础理论、算法研究、仿真等内容，实践性不够，与高职学生的学习特点不相符合。理论和实践的有机结合是现在工学结合模式下高职教育的一大重点。为了让学生能够更好更快地理解和掌握专业知识，要在教学中引入具体项目使学生从单纯的理论教学和实践教学中脱离出来。以各项目任务为单元设置课程，以任务为中心来选择、组织课程内容，并用完成工作任务为主要学习方式的职业教育课程模式[2]。

2 教学内容

传统的教学内容偏向理论知识的讲解，并按照知识的前后关联性，内容选取由浅入深，由点到面，逻辑性较强。课程理论和实践项目往往分开，先有理论讲解，再过渡到实践应用。这种传统的教学体系比较成熟，但跟现代高职教育所倡导的教学理念有偏差。高职教育以培养高素质技能型的应用人才为目标，因此，我们在物联网应用技术专业中大力开展了项目教学法。将“无线传感器网络”课程的教学内容离散化，并有机地融入各个项目当中。实践发现，伴随项目的完成，学生往往会获得一定的成就感，从而对学习本课程产生浓厚的兴趣，学习效果有了显著提高。

无线传感器网络涉及的相关知识很多，但职业教育的重点在应用，淡化其理论教学。因此，我们在选择教学内容时，尽量淡化了基础理论的讲解，着重讲解如何通过软硬件开发，构建一个无线传感器网络。目前本课程基于TI公司所提供的ZigBee硬件平台CC2530芯片、软件平台Z-Stack协议栈。通过一个个具体的实际项目，由浅入深，一步步带领学生掌握如何构建一个无线传感器网网络。

目前教学重点在两个方面：（1）CC2530嵌入式基础编程，（2）Z-Stack协议栈开发。其中CC2530嵌入式基础编程类似于单片机，包括GPIO、定时器、串行通信、模数转换、系统时钟、功耗模式等教学内容。这一部分内容对于已经开设过单片机课程的同学，可以简單一带而过。Z-Stack编程基于协议栈，必须了解协议栈的基本架构，各层提供的API函数。要掌握基于Z-Stack协议栈的编程思想[3]。

为了使学生更快地掌握Z-Stack构建无线传感器网络的方法，我们针对Z-Sack应用，开发了六大任务项目，基本上已经涵盖了“无线传感器网络”的全部教学内容，完成了任务和相关教学知识点的深度融合（见表1）。

3 教学方法

传统的教学，我们把理论和实践分离，相关课程单独开设，知识点显得抽象而孤立，学生掌握效果也不太理想。鉴于“无线传感器网络”课程的特点，传统的教学方法并不合适，因此，需要灵活选择教学方法。笔者提出了具有层次性的阶段性教学，并将该课程的教学过程分成4个阶段。如图1所示。首先，教师讲课之前通过实物演示、视频展示等技术手段，对学生进行恰当地引导、启发，建立一种直观的认知，激发学生的学习兴趣。其次，“无线传感器网络”的理论课程比较抽象，为了加深学生对“无线传感器网络”基本概念和主要技术的理解，需要安排学生自主实践环节。在实践过程中，学生发现问题再反馈，进行理论的探讨，加深对抽象问题的理解，帮助学生掌握“无线传感器网络”所用到的基础知识。

这种任务驱动式的教学方式，将理论教学与实践教学有机地结合起来，脱离传统的教室，走进“教、学、做”一体的教学环境。更加强调学生的自主学习，而不是原先老师的单向讲解。教师从传统的讲授角色，转变为学习的指导者和旁观者。项目的设计也更加强调应用性和综合性。学生在实践过程中模拟实际项目的开发流程，以工程的理念来推进课程的进展。学生要能够发现问题、思考问题、分析问题并解决问题，所有这些都更加强调了学生的主体作用，有利于提高综合职业能力和实践创新能力[4]。

实践发现，学生学习的积极性与主动性都有所提高。学习更加具有了趣味性和实用性，带着明确的目的去学习，课堂效率大大提高了。

4 结语

“无线传感器网络”课程作为物联网应用技术专业的一门专业核心课程，其内容较为前沿，课程理论抽象、实践性强。为了提高教学效果，我们进行了很多有效的教学实践探索。通过合理选取课程教学内容、改进教学方法等手段，将传统的抽象概念变得形象生动，学生反应良好，教学效果明显，希望能对广大高等职业教育的同仁有所帮助。

[参考文献]

[1]王文光，刘士兴，谢武军.无线传感器网络概述[J].合肥工业大学学报（自然科学版），2010（9）：1416-1419.

[2]李晓维，徐勇军，任丰原.无线传感器网络技术[M].北京：北京理工大学出版社，2007.

[3]吴迪，朱昌平.“无线传感器网络”课程的教学实践与探索[J].中国电力教育，2012（20）：63-64.

[4]吴迪，朱金秀，范新南.无线传感器网络实践教程[M].北京：化学工业出版社，2014.

Abstract：Wireless sensor network technology is one of the core technologies of the Internet of Things. The content of the “Wireless Sensor Network” course is relatively advanced， integrating wireless communication technology， embedded technology， sensor technology， etc. The theoretical knowledge is more abstract， and the traditional course teaching biases the foundation. Theory， ignoring the cultivation of engineering practice ability and innovation ability. This paper combines the authors experience in the course teaching reform practice， expounds the adjustment of teaching content suitable for higher vocational education， the application of teaching methods and the establishment of corresponding evaluation system. I hope to inspire others and inspire the vocational education workers.

Key words：Wireless Sensor Network； teaching reform； teaching methods； teaching content