2018年关于无线传感器网络课程实验教材建设

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摘要：无线传感器网络是物联网工程专业的重要专业课程。南京邮电大学物联网学院依据WSN课程特征和课时设置，一改本科教育以讲授知识点为主要手段的教学模式，为以综合性实验设计为贯穿主线，以科学研究+系统开发方法为教学手段的实践型教学模式。该文探讨了如何配合上述实践型教学模式建设其相应的实验教学体系，探讨了实验内容的设置和实验的具体实施评价方法。和以往以知识块来划分的实验教材不同，提出了若干实验系列，每个系列的实验均与课程知识点环环相扣，构成了一个课程知识点讲解与实验相辅相成的实验系列教材。

无线传感器网络Wireless Sensor Network（WSN）是物联网底层重要的感知技术，其知识点从感知层硬件技术到应用层安全技术，内容多，难度大，体现了物联网学科交叉特色和前沿性。作为物联网工程专业重要的学科专业课程，选课时颇受学生青睐。

WSN这门课程在全国几百所高校的物联网工程专业都有开设，其课程实践性强，但是在教学过程中也发现了一些比较突出的问题。具体表现在：（1）课程的定位与教学特色问题，如何与其他专业的同名课程相区别，突出物联网交叉学科特色是本门课程建设要解决的关键问题；（2）有限的课时设置和课程丰富的实验内容不相匹配；（3）学生培养模式和授课方法问题。高年级学生普遍对基础理论讲解感到倦怠，迫切希望加强自己的编程能力和动手实践的能力，再沿袭“满堂灌”的教学模式，授课效果较差。本着物联网工程专业注重培养应用型人才的理念，南京邮电大学物联网学院在2016到2017学年对WSN课程进行了教学改革，一改本科教育以讲授知识点为主要手段的教学模式为以综合性实验设计为贯穿主线，以科学研究方法为教学手段的实践型教学模式，取得了良好的教学改革效果[1]。

本文有针对性地为上述课程教学改革开发相应的实验教学教材，实际上，上述教学模式改革的难点在于建立与课程设置相适应的实验体系。这是因为（1）挑选合适的内容难，与课时设置相适应难；（2）现有的实验教材多是随实验箱提供的，以内容作为区分，内容丰富。（3）实验箱的实验都作为黑盒封装在一起，实验箱的物理连接和实际的物理连接不太一样，影响了学生的直观认识。而且因为实验箱价格昂贵，动辄几十万，一般很难做到一个学生一个实验箱，如果没有复杂多人实验的实验考核模式也会影响实验效果。

综合上述，为了为本学院的WSN教学方式改革配合，本文梳理了实验教材建设的建设思路，讨论了实验教材编写的主要内容，实验系列的建设方法，量身定做一个配套的实验教材。这个教材不同于其他以知识模块来划分内容的实验教材，是以实验系列来区分的。每个实验系列充分考虑到和教师课程核心知识点的导学对应，构成一个由简入深，由易到难，一环扣一环的实验系列，较大范围地覆盖课程的主要内容。

1 建设思路

1） 通过对现行无线传感器网络课程存在的不足进行反思、总结，深化认识这门课程的特点，重新界定有物联网学院特色的授课内容。将WSN的授课内容按知识点分割，梳理实验内容与知识点的对应关系，建立相应的实验体系。

2） 围绕核心知识点，设计实验教学系列，重构教学与实验方法。围绕一个需要研究解决的特定系统展开，重视从问题导入开始，并贯穿学习始终，让学生在寻找解决问题的方法中进行知识的学习与应用，而不是知识的简单套用，强调任务驱动，并注意设计实验系列。能够从浅入深，前期的验证型实验和简单实验为最后的综合性设计做准备，一步步指导学生将前继子实验组合成为总终的综合性实验，并注意任务的复杂性与综合化。

3） 本门课程实验教学的设计和实施应该是一个动态的过程。教师应该梳理核心知识点，根据教学内容设计实验，在实验中强化学生对知识点的掌握，激发学生的学习兴趣，提高他们的实际动手能力，再根据学生的反馈以及实际教学效果，不断调整实验内容、实验难度以及实验的教学方法，促进每一轮教学实践在内容和方法上不断丰富、改进和完善。

2 实验内容设置

根据上述目标和建设思路，南京邮电大学物联网学院无线传感器网络课程组在广泛调研国内外公开出版发行的无线传感器网络相关图书教材以及多个国内实验箱实验的基础上，将无线传感器网络实验教材内容设计为12个系列，分别是：自习室节能控制系统、智能安防无线报警系统、门禁考勤系统、图书管理系统、药品管理系统、冷库环境监测系统、智能家电控制系统、智能工业模拟系统、火灾监测系统、洪水预警系统、智慧医疗服务系统和智慧管道系统。实验内容涵盖了目前操作性比较强的物联网各个应用，充分体现了无线传感器网络作为物联网感知层的各个重要技术，具有较强的实践意义。

2.1 实验系列设计

每个系列充分考虑到了知识的递进性，均含有4部分子实验内容：WSN基本芯片实验、WSN支撑技术、WSN组网技术、WSN各种高级应用。依据最终选择的综合性实验系统不同，每个系列配套的上述四个模块的子实验都不一样，都是最后的综合系统的一部分，或某个模块的核心技术，主旨是每个子实验与知识点授课相对应，整个实验内容环环相扣，由易到难，层层递进，为最后的综合系统做准备。以下以第一个自习室节能控制系统为例，具体阐述实验内容以及与知识点的对应关系。

自习室节能控制系统实时监控自习室里的人员分布情况和人员所在^域的光照强度，按照既定策略进行灯光控制以达到节能的效果。系统分为光照度检测子实验、人员检查子实验、灯开关控制子实验和数据处理子实验四个部分，前三部分传感器检测均涉及物理层、MAC层和网络层的关键技术，有一定的共通性，因此第一次课时为4课时，全面讲解涉及的关键技术，而其他两个检测实验则偏重学生自己动手，课时缩短为2课时。由于采用Zigbee技术进行组网，组网技术比较成熟，且有开源代码支持，组网功能嵌入在数据处理部分。系统体现了典型的物联网综合应用，涉及多种传感器的检测和数据采集，综合实践性非常强。每个子实验的实验课时安排和课程知识点的对应关系如表1所示。 2.2 实验具体实施办法

在课程的具体教学实施上，我们将整个教学模式以自习室节能控制系统作为例子有针对性地阐述如下。第一次课教师即把同学分为小组，每个小组均抽取上述12个课题中的一个，属于复杂多人实验。 先由老师介绍系统功能，并搭建系统框架，然后将系统分为如表1所示的五个部分。由于实验比较复杂，采用学生分组的形式进行实验。每组指定一名组长，每个部分由若干学生负责，确保每个学生完成其中的某些功能模块。完成实验的组可以获得本次实验的基本得分。其后的教学过程中，按表1实验所对应的课程知识点，紧扣该实验内容讲解课堂核心知识点，引导学生掌握系统工作原理，熟悉需要用到的设备，逐步经历需求分析、概要设计、细设计等系统开发的过程。

考虑到有限的课时，实验要由小组合作式学习等课外环节组成。到了一定阶段，每个模块都要形成子模块流程设计，然后进行阶段性学习成果展示和交流。进行系统联调，形成相关文档，最后每个实验都要进行实验总结，汇报系统设计和实现。

3 测评标准

本课程不再以考试成绩唯一的测评标准，而是考核学生接受新知识，自己深入了解知识，动手实践的综合能力。课程实验本质上是复杂多人实验，评估的时候要确保在一个小组里人人均参与项目设计，就需要建立合理的评估标准。实验得分占比分别为平时表现（20%）+软件设计、实现及演示（50%）+报告文档（30%）。平时表现是对每个学生的参与度，学习态度的一个评价。软件设计、实现及演示分别从团队合作精神、程序设计能力、软件设计合理性、软件功能实现情况和回答问题准确度五个方面评价整个实验的完成情况。报告文档分别从报告书写规范程度、内容翔实程度和文字表达熟练程度三方面评价学生对实验的总结情况。系统答辩时，每组需要选出一个代表，演示系统，讲解设计过程及系统亮点和难点技术，原则上其余组员的成绩不能高于这个组代表，每个组员均需要随机回答答辩老师提出的问题。如此分别对每组学生所做的实验给以综合评判，督促每个学生的参与，促进学生间的交流。

4 总结

秉承“课程精，实验强”的课程建设原则，面向物联网学科特色，本文把无线传感器网络实验设计成配合基础理论教学的一个由简入深，由易到难，一环扣一环的实验教学系列，较大范围地覆盖课程的主要内容。并探索了复杂实验中多人分组实验的教学实施方法和效果评价方法。使得学院WSN课程的教学一改“教师授课+ 学生复习”的传授式教学模式，为“教师导学+ 学生自学+ 合作研讨”的实践型教学模式，对课程教学做出了有益探索，夯实了教学基础。

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