基于无线传感网络的电子类专业教学方法研究

【摘 要】针对无线传感网络课程多学科交叉的特点，结合国家应用型人才培养目标的需求，分析电子类专业教学中存在的问题，分别从教学内容和方法上进行了探讨，提出项目式教学、分层式实践教学的方法。

【关键词】无线传感网络 项目式教学 分层式教学

【中图分类号】G 【文献标识码】A

【文章编号】0450-9889（2016）03C-0143-02

无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN）技术是当下新兴物联网产业的热门技术之一，和它相关的产品涉及我们生活中的各个领域，特别是汽车电子、智慧农业、智能医疗、城市监控等都与无线传感网络息息相关。正因如此，各大院校都将无线传感网络原理与实现作为电子工程、通信工程、物联网工程等专业的主干课程。此课程是一个知识高度集成的前沿热点研究领域，它涉及传感器技术、通信原理、嵌入式技术、自动控制原理、无线通信原理等众多学科的知识，主要讲授了zigbee蜂窝网络及无线移动网络的基本传输技术、网络架构及主流传输网络协议等。通过本课程的学习，学生可以初步了解现代传感网络技术，具备从事近距离无线通信系统开发的基本能力。

一、课程教学存在的问题

目前，大多数电子类专业无线传感网络技术课程安排在第六、七学期，授课仅停留在理论教学阶段，即使有的专业开过实验课程，也只是借鉴了已有的实验平台，以验证性实验为主。从近年的教学效果来看，该实验教学系统并不适用于电子专业的学生，因为他们并不能通过实验得到的各种数据理解无线网络建立及传输的过程，长此以往，使其丧失学习兴趣，此外还有许多因素也制约了该课程的教学。

缺乏适合电子类学生的教材

目前市场上关于无线传感网络技术的书籍大部分与计算机专业相关，大致包括如下几部分内容：无线自组织网络原理、无线传感器网络体系结构、路由协议、MAC 层协议、定位技术、时间同步技术、无线网安全等。以上内容对于只接触过计算机网络的电子类专业学生来说理解较为困难，因为关于网络体系结构和通信协议的知识在电子专业课程中涉及较少，很多书籍大篇幅的在讲此类的知识，让学生望而生畏。

（二）缺乏统一的实验开发平台

目前关于无线传感网络的构建方案很多，为了在物联网市场上争得一席之地，很多厂商都推出了支持无线传感网络组建的硬件芯片和通信协议栈，针对不同的应用需求可以使用不同的芯片和协议栈，这使得学生思维混乱，难以抉择。

（三）课程安排不合理、衔接不紧密

本课程安排在第六或第七学期，学生处于大三下、大四上的阶段，很多学生在此时都会选择考研或忙于找工作，便无心静心学习此课程。加之与此课程相关的前期课程计算机网络在第四学期开课，时间跨度较大，导致学生学习无线网络体系结构时知识有遗忘，衔接不起来。

二、无线传感网络课程体系改革

基于zigbee技术的无线传感网络，大致被分为三个层次，底层是用来感知数据的感知层，主要是传感器等数据采集设备；第二层是数据传输的网络层，网络层将建立在现有的移动通讯网和互联网基础上，其主要功能是直接通过现有的互联网或移动通信网（如GSM、T D -SCDMA）、无线接入网（WiMAX）、无线局域网（Wi-Fi）、卫星网等基础网络设施，对来自感知层的信息进行接入和传输；最上面是应用层，利用经过分析处理的感知数据，为用户提供丰富的特定服务。电子类专业的无线传感网络课程应尽可能多的覆盖本专业的知识，以本专业已开课程为基础，充分利用已学知识进行拓展和创新，由此制定了适用于电子类学生的无线传感网络课程体系，它分为基础的低端课程、提高的高端课程和实训课程，具体课程体系架构如表1所示。

由于没有针对电子专业的无线传感网络书籍，故可利用先修课程计算机网络，zigbee论坛（网蜂科技）及TI公司相关资料来进行教学。将无线传感网络作为计算机网络课程的延展和提高，把计算机网络知识与无线传感网络技术有效结合。为了保证教学内容的针对性、衔接性，可从以下方面进行调整：精简计算机网络的基本原理和概念，删除陈旧的技术和协议；重点讲解网络体系结构及网络协议，并以zigbee无线网络Z-STACK协议为模型，分析协议的工作原理。计算机网络分层协议与Z-STACK协议的对应关系如图1所示；增加zigbee无线局域网组建方法和应用实例，培养学生的工程实践能力、综合运用交叉学科知识的科技创新能力。

三、无线传感网络教学改革实践

（一）采用项目式实践教学

项目式教学法是将教学内容的理论与实践有机结合在一起的教学法，通过教师在研项目来引导学生思考，以项目任务为驱动，充分发挥学生的主动性和创造性，解决生活中的实际问题。在笔者主持的2013年襄阳市科技局项目“基于zigbee的汉江水环境监控系统研究”中，首先组织学生进行需求分析，通过走访环境监测部分，了解需要监测的水质参数为pH 值、温度、溶解氧、电导率、浊度、氨氮浓度和氯化物浓度等，然后根据系统成本、精度要求等因素选择合适的传感器，并通过网上查阅资料了解各种传感器的使用方法。其次引导学生制定合适的无线数据传输方案，将蓝牙、红外、GPRS等多种无线传输技术对比，选择了基于CC2530的zigbee无线传感网络方案，要求学生们着手学习CC2530芯片及zigbee Z-STACK协议栈，先掌握点对点的数据传输，再掌握点对多点的数据传输，循序渐进，逐步提高。最后将整个系统整合，完成调试。

（二）采用分层式实践教学

分层式教学又称分组教学，教师根据学生的知识、能力水平和潜力倾向把学生科学地分成几组水平相近的群体，使得各群体在教师恰当的分层策略和相互作用中得到最好的发展和提高。根据以上理念，教师可以根据学生对表1所示专业课程的掌握情况、能力水平和个人发展方向，将实验分为基础型实验、提高型实验、创新型实验等，实践环节的具体层次化设计如表2所示：

大学生创新创业训练项目立项，12级电子信息工程学生研发的“基于无线传感网络的智能农业综合管理平台”获湖北省“挑战杯”三等奖。

“无线传感网络”作为新兴的短距离无线通信技术，在各高校电子类专业的课程中占据着举足轻重的地位，我们需不断改进教学内容、丰富教学手段、创新实践环节，充分发挥学生的主观能动性和动手实践能力，以实现培养卓越工程师的目标。

【参考文献】

[1]刘涛，钱良，王新兵等.无线传感器网络实验教学方法实践与探讨[J].电气电子教学学报，2015（2）

[2]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）

[3]朱金秀，韩光洁，朱川等.物联网工程专业课程体系的研究与探索[J].中国电力教育，2012（16）

[4]李翠萍，张伟，赵春澎.分层教学在医学生物化学分子生物学实验教学中的应用[J].科教导刊，2015（9）

[5]宋军，王一雄，徐锋.无限传感网背景下的信息类专业实践教学层次化设计[J].计算机教育，2014（24）

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