農(nóng)業(yè)院?！盁o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)”課程特點(diǎn)與教學(xué)方法研究

馬國(guó)強(qiáng)++路寧++包蕊

摘 要：物聯(lián)網(wǎng)作為農(nóng)業(yè)院校的專(zhuān)業(yè)核心課程，“無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)”的教學(xué)改革已成為廣大教師的研究熱點(diǎn)。文章通過(guò)突出服務(wù)大農(nóng)業(yè)領(lǐng)域物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用，科學(xué)設(shè)置課程內(nèi)容，創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)內(nèi)容安排，改進(jìn)實(shí)踐教學(xué)效果，引入多元化考核。達(dá)到了提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)實(shí)際動(dòng)手能力和創(chuàng)新精神的目的，從而深化了對(duì)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)理論知識(shí)的理解。

關(guān)鍵詞：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；教學(xué)研究；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；物聯(lián)網(wǎng)

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2015）11-0-02

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)將人類(lèi)生存的物理世界網(wǎng)絡(luò)化、信息化，將分離的物理世界和信息空間互聯(lián)整合，代表了未來(lái)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢(shì)。IBM認(rèn)為，IT產(chǎn)業(yè)下一階段的任務(wù)就是把新一代IT技術(shù)充分運(yùn)用到各行各業(yè)中。具體來(lái)說(shuō)，物聯(lián)網(wǎng)就是把感應(yīng)器嵌入、配置到電網(wǎng)、鐵路、橋梁、隧道、公路、建筑、供水系統(tǒng)、大壩、油氣管道等設(shè)施中，并且被普遍連接，形成物聯(lián)網(wǎng)[1]。

2010年教育部下達(dá)了在我國(guó)高校設(shè)置物聯(lián)網(wǎng)專(zhuān)業(yè)的申報(bào)通知，首批批準(zhǔn)開(kāi)設(shè)物聯(lián)網(wǎng)專(zhuān)業(yè)的高校有32所。此后各類(lèi)高校開(kāi)設(shè)物聯(lián)網(wǎng)專(zhuān)業(yè)的熱情高漲。除綜合型高校和工科高校外，農(nóng)業(yè)院校也紛紛開(kāi)設(shè)物聯(lián)網(wǎng)工程專(zhuān)業(yè)。天津農(nóng)學(xué)院（下文簡(jiǎn)稱(chēng)“我?！保┯?013年正式獲批開(kāi)設(shè)“物聯(lián)網(wǎng)工程”本科專(zhuān)業(yè)，當(dāng)年開(kāi)始招生，規(guī)模為60人。

“無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)”是物聯(lián)網(wǎng)工程專(zhuān)業(yè)一門(mén)重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課。作為新設(shè)專(zhuān)業(yè)，對(duì)于這門(mén)課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)?nèi)容設(shè)置、實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式等，許多農(nóng)業(yè)院校都在摸索過(guò)程中。我校在2014年就為計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)（農(nóng)信方向）專(zhuān)業(yè)的學(xué)生開(kāi)設(shè)了“無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)”課程，對(duì)該課程的教學(xué)進(jìn)行了一定的實(shí)踐與探索，并積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。

1 課程教學(xué)現(xiàn)狀及問(wèn)題

“無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)”課程內(nèi)容十分豐富，集無(wú)線通信與網(wǎng)絡(luò)、嵌入式系統(tǒng)原理與技術(shù)、傳感器原理與技術(shù)于一體[3]，具有多學(xué)科高度交叉的特點(diǎn)，且均屬于前沿課題，涉及的知識(shí)面廣、內(nèi)容更新發(fā)展快，故在本科階段開(kāi)設(shè)該課程具有很大的挑戰(zhàn)性。主要表現(xiàn)在缺乏適合農(nóng)業(yè)院校本科生使用的教材，缺乏標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，缺乏科班出身的師資力量三方面。

1.1 缺乏適合農(nóng)業(yè)院校本科生使用的教材

自從在高校設(shè)置物聯(lián)網(wǎng)專(zhuān)業(yè)以來(lái)，各個(gè)高校和出版社都進(jìn)行了相關(guān)教材的編寫(xiě)。這些教材的理論部分都大致包括如下幾部分內(nèi)容：無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)原理、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)、路由協(xié)議、MAC層協(xié)議、定位技術(shù)、時(shí)間同步技術(shù)、無(wú)線網(wǎng)安全等。上述內(nèi)容多以簡(jiǎn)介和綜述的方式進(jìn)行表述，這對(duì)農(nóng)業(yè)院校的本科生來(lái)說(shuō)，理解起來(lái)較為困難。原因在于農(nóng)業(yè)院校的本科生工科基礎(chǔ)課開(kāi)設(shè)相對(duì)較少，因而農(nóng)業(yè)院校本科生在學(xué)習(xí)這方面內(nèi)容時(shí)略顯吃力。

1.2 缺乏標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的實(shí)驗(yàn)設(shè)備

隨著近幾年“物聯(lián)網(wǎng)”概念熱度快速提升，各種生產(chǎn)“物聯(lián)網(wǎng)”實(shí)驗(yàn)設(shè)備的公司和廠家紛紛成立。各種仿真平臺(tái)、開(kāi)發(fā)環(huán)境五花八門(mén)[4]。比如有的使用CC2430芯片作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，有的使用CC2530芯片作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)等。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、開(kāi)發(fā)環(huán)境的多樣化，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，實(shí)驗(yàn)設(shè)備不完善給“無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)”課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶來(lái)一定難度。容易給學(xué)生造成思維的混亂，也增加了教師備課的困難。因而急需一套統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一項(xiàng)目、統(tǒng)一實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、統(tǒng)一開(kāi)發(fā)環(huán)境的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。

1.3 缺乏科班出身的師資力量

師資力量明顯缺乏，尤其在農(nóng)業(yè)院校，工科師資本來(lái)就相對(duì)薄弱。需著力培養(yǎng)一批無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的骨干教師。

2 結(jié)合農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，合理確定教學(xué)內(nèi)容

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)主要是指通過(guò)無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，使用無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)采集環(huán)境信息，進(jìn)而構(gòu)成監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，及時(shí)準(zhǔn)確地確定環(huán)境條件和參數(shù)變化，將傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)以人力為中心、依賴(lài)孤立機(jī)械的生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)向以信息和軟件為依托，大量使用各種自動(dòng)化、智能化、遠(yuǎn)程控制的生產(chǎn)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)或自動(dòng)監(jiān)控的精細(xì)生產(chǎn)模式。

2.1 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的主要應(yīng)用

我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，地域遼闊，自然災(zāi)害頻發(fā)，氣候復(fù)雜多變，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)用于解決“三農(nóng)”問(wèn)題是一個(gè)很好的發(fā)展機(jī)遇。物聯(lián)網(wǎng)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用包括：監(jiān)視農(nóng)作物灌溉情況、畜禽的環(huán)境狀況、土壤氣候變更以及大面積的地表檢測(cè)，收集溫度、風(fēng)力、濕度、大氣、降雨量、土壤水分、土壤pH值等，從而進(jìn)行科學(xué)預(yù)測(cè)，幫助農(nóng)民減災(zāi)、抗災(zāi)，進(jìn)行科學(xué)種植，進(jìn)而提高農(nóng)業(yè)的綜合效益。

2.2 教學(xué)內(nèi)容與課時(shí)分配

我?！盁o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)”課程面向“物聯(lián)網(wǎng)工程”專(zhuān)業(yè)本科開(kāi)設(shè)，開(kāi)課學(xué)期為二年級(jí)第二學(xué)期，總共32學(xué)時(shí)，其中課堂講授24學(xué)時(shí)、實(shí)驗(yàn)課8學(xué)時(shí)。先修課程包括“計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)”、“C++程序設(shè)計(jì)”等。如何利用有限的課時(shí)使學(xué)生掌握農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)最核心、最需要的傳感網(wǎng)知識(shí)，是我們改革課程內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)?nèi)容的目標(biāo)和方向。

為了適應(yīng)本科生的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)專(zhuān)業(yè)知識(shí)體系的建立、突出農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)知識(shí)和能力需求，盡量涉及到種植業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)、水產(chǎn)、大田作物、溫室種植等各個(gè)領(lǐng)域的監(jiān)測(cè)需求，課堂講授內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)?nèi)容如表1所列。

3 創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)安排，引入多元化考評(píng)方式

“無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)”是門(mén)理論與技術(shù)并重、對(duì)嵌入式編程實(shí)踐能力要求很強(qiáng)的課程。單憑8學(xué)時(shí)（4次）實(shí)驗(yàn)課，難以達(dá)到預(yù)期效果。為此，我們改變傳統(tǒng)的課堂教學(xué)模式，將以往的教師講授為主、學(xué)生被動(dòng)接受，改為學(xué)生自己動(dòng)腦、教師啟發(fā)指導(dǎo)的教學(xué)模式。強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)課教學(xué)環(huán)節(jié)，著重培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力、獨(dú)立思考能力、創(chuàng)新能力，培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)合作精神[5]。

3.1 全天候開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室

由于實(shí)驗(yàn)課時(shí)有限，僅僅靠實(shí)驗(yàn)課達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生熟練掌握傳感器網(wǎng)絡(luò)編程的目標(biāo)是不現(xiàn)實(shí)的。為此，我們的“農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)工程”實(shí)驗(yàn)室，作為“物聯(lián)網(wǎng)工程”專(zhuān)業(yè)面向?qū)W生開(kāi)放的指定實(shí)驗(yàn)室，充分利用實(shí)驗(yàn)室的空閑時(shí)間，為學(xué)生提供實(shí)際鍛煉動(dòng)手能力的硬件條件，營(yíng)造良好的自主實(shí)踐環(huán)境，并由專(zhuān)門(mén)的實(shí)驗(yàn)教師進(jìn)行指導(dǎo)和答疑。

3.2 基于項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)

以課程項(xiàng)目設(shè)計(jì)為紐帶，鍛煉學(xué)生的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)能力。每3-4名學(xué)生組成一個(gè)小組，實(shí)行組長(zhǎng)負(fù)責(zé)制。小組成員共同討論提出項(xiàng)目方案和具體實(shí)施步驟，并進(jìn)行人員分工。在項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中，每個(gè)小組成員一方面獨(dú)立完成自己分工的任務(wù)，另一方面還需與小組其他成員進(jìn)行溝通交流、協(xié)作一致完成項(xiàng)目整體功能。在課程設(shè)計(jì)結(jié)束時(shí)，每組撰寫(xiě)詳細(xì)的課程設(shè)計(jì)報(bào)告和總結(jié)報(bào)告。

3.3 鼓勵(lì)師生參加技能競(jìng)賽

從我國(guó)目前開(kāi)展的各級(jí)各類(lèi)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用創(chuàng)新設(shè)計(jì)比賽的技術(shù)層面來(lái)看，更注重本行業(yè)發(fā)展的前沿技術(shù)[6]。廣泛開(kāi)展大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目和大學(xué)生創(chuàng)業(yè)大賽項(xiàng)目[7]。

通過(guò)鼓勵(lì)師生參加天津市教委、中國(guó)電子學(xué)會(huì)、教育部等各級(jí)各類(lèi)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用創(chuàng)新與設(shè)計(jì)比賽，鍛煉了隊(duì)伍、開(kāi)闊了視野。近三年來(lái)，獲得市級(jí)競(jìng)賽三等獎(jiǎng)兩項(xiàng)、二等獎(jiǎng)一項(xiàng)，參與國(guó)家級(jí)競(jìng)賽一項(xiàng)。

3.4 多元化考評(píng)模式

具體來(lái)說(shuō)，期末考試采用閉卷筆試方式，主要測(cè)試?yán)碚撝R(shí)掌握的熟練程度、對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解能力等，分值占總成績(jī)的50%；實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)能力占總成績(jī)的30%，主要對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)過(guò)程中動(dòng)手能力和實(shí)際解決問(wèn)題的能力進(jìn)行評(píng)價(jià)；開(kāi)發(fā)文檔撰寫(xiě)和協(xié)作能力評(píng)價(jià)占總成績(jī)的20%。

4 結(jié) 語(yǔ)

農(nóng)業(yè)院校的“物聯(lián)網(wǎng)工程”專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)的學(xué)生，能力重點(diǎn)側(cè)重于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)際應(yīng)用，以適應(yīng)我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展迫切需要的物聯(lián)網(wǎng)專(zhuān)門(mén)人才。

“無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)”作為農(nóng)業(yè)院校物聯(lián)網(wǎng)專(zhuān)業(yè)的重點(diǎn)課程，實(shí)踐性很強(qiáng)。我們通過(guò)改進(jìn)課堂教學(xué)內(nèi)容、豐富教學(xué)手段、創(chuàng)新實(shí)踐環(huán)節(jié)，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性和動(dòng)手實(shí)踐能力，改善了教學(xué)效果，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情，使學(xué)生不僅鞏固了所學(xué)到的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，同時(shí)提高了應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力。

參考文獻(xiàn)

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