新工科背景下传感网原理及应用课程改革探索

◆陈慧玲 繆梅

0 前言

2017年2月20日，教育部发布《关于开展新工科研究与实践的通知》（教高司函〔2017〕6号），其目的是深化工程教育改革，推进新工科建设与发展，建设工程教育强国，服务和支撑我国经济转型升级[1]。

物联网专业是一个新兴的专业。2010年3月，教育部号召“211”学校申报物联网专业，8月份通过审批，2011年开始招生。物联网作为教育部审批设置的高等学校战略性新兴产业，从专业设置之初就备受各界重视，并成为就业前景广阔的热门领域，主要就业于与物联网相关的企业、行业，从事物联网的通信架构、网络协议和标准、无线传感器、信息安全等的设计、开发、管理与维护，也可在高校或科研机构从事科研和教学工作。物联网是个交叉学科，涉及通信技术、传感技术、网络技术以及RFID技术、嵌入式系统技术等多项知识。本科阶段深入学习这些知识的难度很大，可从与物联网有关的知识着手，找准专业方向、夯实基础，同时增强实践与应用能力。

传感网原理及应用课程是物联网本科专业的一门专业方向课程，涵盖矩阵、概率论、网络拓扑、结构优化、优化算法、传感器检测技术以及嵌入式控制等知识。有的院校亦把课程命名为“无线传感网原理及应用”，两者的教学内容总体一致，只是名称不同。该课程的教学旨在使学生掌握无线传感网络的基础理论知识，培养学生智能网络、智能节点的基本开发能力，为物联网及相关产业培养知识型、技能型、应用开发型专门人才。

传感网原理及应用课程的理论性很强，同时，其理论与实践的联系也非常紧密。本课程的良好学习和实践有助于掌握整个学科的主要内容，为直接走上工作岗位或者继续深造夯实基础。但是，传感网原理及应用在教学实践过程存在学习与应用脱节、理论与实践分离、知识点相对孤立、与其他课程的衔接度不够紧密、未能构建完整的知识体系等问题。基于上述问题，本文拟从课程设计、知识体系、教学资源、课堂教学以及实验设计五个方面进行系统性的课程改革探索，激发学生学习的积极性和创新性，为培养具有创新意识和实践能力的应用型物联网专业人才提供参考。

1 研究现状

自2011年传感网原理及应用课程开设以来，各类高校对这一专业课程进行了多角度的研究与探索。2015年，吉林大学设计了“课程应用项目”环节，贯穿于整个课程教学的始终，以激发学生的兴趣，增强教学效果，培养学生的应用能力。2016年，江苏大学面向农业物联网应用，以农业物联网环境监测为例，探讨行业应用为导向的无线传感网课程教学，将抽象概念变得具体形象，加之与理论紧密配合的实践巩固教学，使教学效果得以显著改善。2017年，天津科技大学将“互联网+移动终端”应用到教学过程中，通过采用泛在学习、自主学习、类比实验、实时交流、结合实例、以赛促学、以研促学等教学方法，提高学生的自主学习能力，实现知识的牢固掌握。2018年，东南大学提出构建一种全新的无线传感网及其应用的教学实践平台的思路，以改变教师为中心、学生被动接受知识的传统教学模式，从而实现以创新为导向、以应用为背景的创新实践教学模式，将理论与实践紧密结合，提升教学质量以及学生的实验实训水平和创新能力[2]。齐齐哈尔大学从调整与整合教学内容、改革理论与实践教学环节、优化教学设计及方法等方面提高学生学习的兴趣，培养学生实践能力和分析解决问题的能力[3]。安徽师范大学探讨了多元化的课程考核方案[4]。2019年，常州工学院从优化教学方法、深化校企合作、师资队伍建设三个方面探讨课程改革的具体措施，以期应用于以后的教学实践。武汉工程大学针对课程教学的特点和现状，引入CDIO工程教育模式，强调以学生的自主学习为主导，让学生参与产品的构思、设计、实现和运作整个过程，从而培养学生对整个工程项目的理解和实施能力[5]。此外，内蒙古科技大学提出以提高实践能力为目标的教学改革；重庆三峡学院和南阳理工学院分别面向新工科背景研究课程教学改革与实践模式；南京邮电大学针对研究生阶段的同名课程进行教学模式的改革探索，重新定义课程定位，改革传统的教学方法；南京林业大学、山西大学以及西安工业大学等多所高校亦进行了教学改革研究。

中国知网公开的相关研究论文过百篇，研究的内容包括课程建设、教学模式、实践教学以及考核方式等，涉及的院校包括综合大学、专门学院、高等职业技术学院、高等专科学校等，部分研究成果已经得到实践应用。但是，传感网原理及应用在课程建设方面尚存在以下几个方面的不足：

1）课程设计方面，未能充分考虑不同类型学生的不同需求；

2）知识体系方面，理论知识与实际应用之间的衔接度不够紧密；

3）教学资源方面，直接相关的微课、慕课资源较少；

4）课堂教学方面，理论教学与实践教学在时空方面相对分离；

5）实验设计方面，各知识点相对孤立，未能构成一个完整的体系。

综合以上课程现状，本项目拟从课程设计、课堂教学、实践教学以及考核方式等方面对传感网原理及应用课程进行系统研究，建设跨课程的微课库，建立丰富课程资源，进一步根据学生的就业需求进行有针对性的实践内容设计，力求实现理论知识与实际应用的无缝对接。

2 教学改革内容与实施方案

针对学生就业类型的多样化，本项目拟研究不同学生需求之间的差异，在教学实施、实践内容、考核侧重点，尤其是平时成绩方面进行针对性优化，以适应大众、小众等不同类型学生的个性化需求。

差异化课程设计 面向不同的职业规划或者就业需求，在教学设计、实践内容、考核侧重点，尤其是平时成绩的考查方面进行针对性优化，使之富有弹性，并具有较强的可扩展性。

实施安全监督检查，是现阶段企业安全管理的主要手段，通过组织有效的监督检查工作，可以第一时间发现问题和隐患并组织整改，以降低事故事件出现的概率，同时，通过分析发现企业存在的普遍性问题进行集中整改，可以提高企业的整体安全性。

师范专业为主的高等院校中，物联网专业的学生对自己未来的职业规划存在较大的差异。通过问卷调查和毕业生的就业情况统计发现，通常约30%的学生毕业后致力于从事教师行业，30%左右的学生进入IT或者相关行业，30%～35%的学生考研深造，尚有个别学生目标不太明确或者打算考公务员等。面向不同职业诉求的学生，拟在教学实践中采取分门别类的方法，具体实施方式如表1所示。

表1 差异化的课程设计

1）针对A类学生。A类学生毕业后拟从事小学教育，他们主要是基于师范院校大环境，考取中小学教师的事业编制，以后所从事的专业不一定与所学专业相关，大多学生会考虑语文、数学、英语等基础学科，一部分学生会考虑美术、音乐、体育和科学等学科，但相对小众。对于拟从事教学的这类学生的培养，在教学过程中除了掌握必备的基础知识之外，更注重培养师德、师范以及讲、说等组织一堂课的能力。具体实施方式：拟在理论教学环节，选择知识性、方法性等较为典型的内容，设计准备一堂课环节，指导学生梳理知识点、查阅文献、组织课件、策划互动以及设计教学语言等，从多个角度培养学生组织一堂课的能力。在平时成绩的考核方面，也以准备一堂课为题材，从课堂准备以及完成的成熟度等方面进行评分。

2）针对B类学生。B类学生毕业后拟从事IT行业，他们多数是对计算机或者物联网专业有较为浓厚的兴趣，或者对该朝阳产业有较大的期许，打算在该行业有所建树。对于此类学生，在教学实践过程中将更加注重其专业知识的培养。在实践教学环节，拟通过定制或研发实践平台，或者与企业联合培养等方式，设计应用性、综合性强，更加贴合实际应用的实训项目，培养该类学生直面挫折，实际动手解决具体问题的能力。在平时成绩的考核方面，从实训项目完成的态度、各个模块实现的成熟度、与小组成员的配合度等方面进行综合测评。

3）针对C类学生。C类学生毕业后拟考研继续深造。据调研本专业近四年的学生考研数据，每个班级每年至少1/3的学生进行考研继续深造，他们往往认为普通本科学历并不能满足当前的就业环境，抑或高考的时候发挥失常，没有考取自己理想的本科院校，想通过考研来提升自己的学历资质，以便将来能获取更好的发展机会。对于此类学生，注重培养探索未知的能力，面对全然未知的问题，从总体方案、软硬件设计以及系统优化方面，均进行有针对性的指导。在平时成绩的考核方面，从态度、团队成员的配合以及问题的完成度等方面进行综合测评。

4）针对D类学生。每个班级有个别学生打算报考公务员，亦有极个别的学生对未来尚没有明确的规划，但是基本明确这一部分学生毕业后不想再从事本专业方面的工作。针对此类学生，在教学实践中投入更多的关注，通过提问等方式进行知识的引导，主要强调他们对基础知识的把握能力。在实践环节，建议他们积极投入兴趣组，配合其他学生完成相应的实践项目。在平时成绩的考查环节，以鼓励为主，从配合的态度以及投入的精力等方面进行综合测评。

WSN实践平台设计 为了实现梯度化教学，拟开发一种能够服务于不同应用的WSN实践平台，结构框图如图1所示。WSN实践平台包括传感器节点、汇聚节点以及应用节点三大模块。其中，传感器节点模块主要由一个采集底板和一个ZigBee模块构成，并且根据需要可以增加传感器扩展板。传感器节点在无线ZigBee传感器网络系统既可用作普通传感器节点，也可用作无线ZigBee网络中的路由节点。传感器节点主要实现温度、湿度、流量、距离、电磁噪声、位移、速度以及振动等信息的采集和数据传输功能。传感器将采集到的温度、流量等信息通过ZigBee无线模块的射频部分发送给路由节点或者网关。

图1 WSN实践平台结构框图

实践平台的上层应用为用户提供了多种可选择的WSN接入方式，诸如采用Mobile通过4G的方式接入，也可以利用PC/便携设备通过有线或者Wi-Fi的方式接入。面向不同的应用，用户可以采取不同的接入方式，与不同的传感器节点进行交互。

实践教学设计 针对四类不同职业规划的学生，基于WSN实践平台拟设计梯度化的实践教学方案。

1）针对A类学生。考虑到A类学生的小学教育目标，在实践教学环节并不强调专业性的设计，而是针对某一类应用项目，请学生从教学目标、教学内容、教学方法以及教学步骤等方面设计一堂课，并建立教案和课件等教学文件；进一步地，对设计的一堂课予以实施，最后由受众对象和教师共同给予评估和考核。

2）针对B类学生。B类学生有非常明确的专业导向，并且对专业知识也有较高的追求目标，尤其是关注完整地设计一个小型的应用系统，希望能够熟练掌握整个设计流程，把握各个关键环节，并能提高实际动手能力。在实践教学环节，根据学生的需求，设计较为明确的应用任务n；进一步地，引导学生从易到难，从最小系统到最大系统逐步推进，进行完整的课程设计，使学生明确设计流程，掌握设计方法，熟练使用开发工具。在此基础上，培养学生面对问题，通过检索数据库、查阅文献等多种手段，分析问题和解决问题的能力。

3）针对C类学生。C类学生和B类学生一样，也有较为明确的专业导向，但是相对于B类学生来说，他们往往更加关注整个学科的关键技术、未来的发展前景以及学科之间的交叉问题，从而想探索自己在该领域的研究兴趣和重点。在实践教学环节，针对某一类应用任务，提出覆盖性、连通性、网络生命期、干扰和竞争以及网络延迟等性能指标，提出优化需求，在此基础上，引导学生对网络系统进行优化，通过查阅文献、系统仿真等设计优化方案，提出优化算法，进一步进行优化设计。针对此类学生的实践实施，教师务必做好引领，同时培养学生通过关键词查阅相关文献的能力，以及基于文献资料和仿真实验数据提出优化方案的能力。

4）针对D类学生。由于D类学生和A类学生类似，没有明确的专业导向，甚至于对未来的职业也没有较为清晰的规划，对于设计型的应用实践明显动力不足。所以，在实践教学环节鼓励学生积极参与B类或C类学生的设计任务，协调好他们在项目组中的角色，把握好他们的诉求，通过教学的不断推进，根据他们的思想动向以及理解能力动态地调整实践方案。

3 结语

传感网原理及应用课程在大三上学期进行教学实践，这个阶段，学生的思想已经相对稳定，进行个性化的教学实践是可行的。但是，外界的影响或者学习过程中遇到的困难挫折可能会对学生的思想造成影响，所以，在具体的教学实施过程中要及时掌握学生的思想动向，了解他们的需求以及实际能力，做好动态的调整和科学的规划。