课外创新实践推动无线网络技术课程教学的探索

    金光 张腾 江先亮 朱家骅

    

    

    

    摘要：无线网络技术是一门新兴课程，本文在分析课程现状的基础上，提出将课外创新实践引入课程教学，以学生为主导，让学生利用所学知识参与科技作品的构思、设计、实现和评估整个过程，从而培养学生的应用开发能力，同时将学生在该过程中完成的成果与学科竞赛和知识产权申请对接，进一步提升学生的科研积极性和综合创新能力。教学实践表明，该方案能较好地激发学生科研兴趣和创新欲望，能切实提高学生的实践能力、团队合作意识和工程素养。

    关键词：无线网络技术;课程教学;创新实践;能力培养

    中图分类号：G434? 文献标识码：A? 论文编号：1674-2117（2020）08-0092-04

    引言

    随着移动互联网、物联网和泛在网络等领域的各种创新应用不断涌现，无线局域网、蜂窝网络、无线传感网、车载自组织网和无线体域网等各种无线网络技术已深入人们的生产生活，其影响力和发展潜力不亚于传统互联网。目前，各高校计算机类专业学生的毕业设计选题、学科竞赛的科技作品[1]以及学生科研项目等与无线网络技术的关系越来越密切，无线网络技术[2]逐渐成为一门实践性和工程性较强的重要课程。因此，如何改进该课程的教学现状，使其和实际应用需求对接[3]，从而更好地培养应用型创新人才，已经成为当前本课程教学中需要考虑的首要问题。

    无线网络技术教学现状

    当前，越来越多的新兴应用都依托于无线网络技术，如智能眼镜和手表（无线体域网）、无人驾驶汽车（车载自组织网/无线传感网/蜂窝网络）、智能家居（无线局域网/无线传感网）和增强现实（蜂窝网络/无线局域网/无线个域网）等，无线网络技术课程也在越来越多的学校得以开设，目前已达数百所。学生在学习这门课程时应当紧密结合实际需求，注重应用创新，学以致用。然而，鉴于理论授课仍占据主流，大部分学生还是限于书本学习，并未通过该课程提高自身的实践动手能力。究其原因，该课程的实验环节开设率较低，未能将理论知识与实际应用相衔接，无法培养学生解决实际问题的工程能力。笔者将当前实验环节的不足总结为以下几个方面：

    ①虚拟实验多，实测实验少。因为硬件设备维护不便，成本较高，元器件升级速度快，导致实验教学难以为学生提供完善的硬件环境。许多高校的无线网络技术课程实验都通过各种仿真环境，如NS2[4]等来促进学生对各种协议原理的理解。虚拟实验固然方便，但它也会带來很多弊端：实验结果缺乏真实感，学生无法体验实际动手的乐趣，无法经历真实环境中出现的问题，更无法针对这些问题深入探讨和研究。

    ②基础实验为主，综合实验缺乏。当前的实验教学重点在于针对单个知识点，配备相应的实验来强化学生的理解。然而在实际场景中，一个应用系统往往包含多项技术。例如，一个典型的物联网系统一般由终端节点、网关、服务器和客户端等组成，仅依靠基础实验难以培养学生开发实际系统的能力。

    ③忽视学生的创造性培养。大部分实验的实验步骤过于死板，学生完全根据实验手册按部就班完成实验。这种方式虽然在一定程度上降低了实验难度，有助于基础较差的学生跟上进度，但也限制了学生的创造性和主动性。学生完成实验后即上交实验报告，不再深入挖掘这些技术的实际应用价值，因而难以体会科研乐趣。

    课外创新实践概述

    针对上述问题，结合本课程特点，笔者在教学过程中添加课外创新实践环节，突出学以致用，着重培养学生发现问题、解决问题的能力。在这个过程中，主要任务是建立该课程与实际工程应用之间的联系，提高学生对专业知识的综合运用能力，为科研和就业打下坚实的基础。在实践环节突出学生的主体地位，让其自主完成项目选题、需求分析、系统设计、开发与调试。培养学生正确分析和解决具体工程问题的能力，有助于创新型应用人才培养目标的实现。

    过程实施

    将课外创新实践引入到课程教学环节的实施过程分为以下几个方面。

    1.确定项目选题

    选题时，一方面应注重从实际需求出发，瞄准解决实际问题，另一方面也要难度适中，尽量体现本课程相关技术知识，并使学生能在指定时间内完成。选题还要充分考虑学生个体差异，在难易程度上要有层次性，以满足不同学生的需要。

    选题来源主要有两方面：①学生自主选题，学生可以根据实际遇到的问题，结合自身特长和兴趣，经与指导教师讨论确定选题。②教师推荐选题，教师可从科研项目或企业项目中选取合适题目，也可参考各类竞赛等进行命题。

    2.学生分组

    学生确定选题后，根据自愿原则结合各自特长和项目难度，分成多组。每组5～6人，并指定一人为组长。

    3.项目实施

    确定选题和分组后，由组长组织全组完成从需求分析到结题文档撰写的各项任务。整个过程以学生为主、教师为辅，让学生自我组织、自我管理，充分发挥主动性，培养学生独立分析问题、解决问题及团队协作的能力。

    项目实施主要分5个阶段。

    ①需求分析阶段。学生撰写需求分析文档，详细说明要解决的问题以及要实现的目标。

    ②项目设计阶段。学生要完成技术上的实现方案，详细说明要用到哪些技术、如何划分模块以及这些模块如何组装形成一个完整系统。

    ③项目实现阶段。小组成员根据分工，完成硬件制作和软件代码的编写。

    ④集成和测试阶段。学生在各模块完成的基础上进行系统组装和测试，包括模块测试和整体联调。

    ⑤项目验收阶段。学生撰写完成用户手册、结题报告和答辩材料等文档，准备项目结题。

    整个项目实施过程均在课后完成，学生在实施过程中应及时与教师和同学讨论，解决所遇问题。

    4.项目提交和展示

    小组在规定时间内，完成需求分析说明书、项目设计说明书、进度安排说明书、模块开发说明书和用户手册等文档和源代码的提交。之后，教师组织各小组进行项目演示和答辩。教师根据完成和答辩情况给出建议和下一步安排。

    5.结果与过程并重的考核方式

    考核指标主要包括应用场景新颖性、技术难度、系统完成质量以及文档规范性等方面。科学合理的考核方式能够较好地反映项目完成情况，并激发学生的创新思维和意识。虽然一些项目选题富有创意并体现了较多工作量，但由于技术难度较高，最后并未实现预期目标，因此过程考核必不可少。

    6.对接学科竞赛和知识产权申报

    考虑到学科竞赛在教学质量评估中的重要性越来越突出，各高校都把学科竞赛作为教学工作的重要部分，并投入了大量人力和资源。但不少学生由于平时缺乏积累，竞赛时临时组队，仓促上阵，竞赛效果并不理想。

    而在课程的课外创新实践过程中，不少学生都能完成较有创意的作品。作品不但解决了实际问题，而且在技术运用上也较有新意，扩展完善后，就能用于自命题类学科竞赛。因此可以鼓励学生在课外创新实践基础上，发表科技论文、申请软件著作权和专利等，从而为参加物联网竞赛、挑战杯大赛、“互联网+”创新创业竞赛等打下坚实基础。

    项目案例展示

    无线网络技术课程在开展课外创新实践的过程中，产生了多个代表性的学生科研项目，下面列举两个案例。

    1.无人船

    由于现有的水质监测站、浮标等水质监测方式存在位置固定和人工成本较高等问题，考虑利用低功耗广域物联网（LoRa[5]）等新一代无线网络技术，利用Arduino[6]、树莓派[7]等开源软硬件，设计开发了一种水质监测无人船系统，可实现对湖泊和河道等狭窄水域的日常监测和跟踪巡检。

    该系统简要原理图与实物图如图1和图2所示。无人船以Arduino和树莓派作为主控板，采集水质监测传感器数据，通过LoRaWAN将数据发给LoRa网关，网关再通过TCP/IP协议将数据上传至云端服务器，客户端则可通过APP等形式查看数据。

    该项目以本科生为主完成，已在核心期刊发表论文1篇，获批软件著作权1项，并在全国大学生物联网大赛获奖。在这个过程中，学生不但掌握了应用新兴物联网协议，更体会了一个完整应用系统从客户端到服务器端再到网關和终端节点的整体实现方案。

    2.智能购物车

    随着商业中心等公共场所对服务机器人的需求日益增加，为解决人们购物时寻找商品和需要推车等问题，使用ROS（Robot Operating System[8]及多种无线网络技术，结合激光雷达等传感器设备，设计实现了集地图构建、自动避障、自动跟随、导航以及自动结账等功能为一体的智能购物车系统。

    系统原理图和实物图如上页图3和图4所示，智能购物车基于主流的ROS平台，搭载多传感器设备，将采集的环境数据上传给云端，构建地图。用户通过手机客户端将指令发给智能购物车，完成商场导购、顾客跟随、结账及优惠信息推送等功能。

    该项目以本科生为主完成，已在核心期刊发表论文1篇，获批软件著作权2项，并获“互联网+”大学生创新创业大赛省银奖1项。

    由此可见，课外创新实践较好地弥补了本课程传统课堂讲授单调，实验内容零散、缺乏整体性的不足。通过项目形式，学生从基本的课程内容出发，拓展了知识面，体验了技术和工程开发过程，其创新能力、自我学习能力和动手实践能力都明显提高。

    总结

    考虑到无线网络技术具有很强的实践性，笔者通过在课程中引入课外创新实践环节，激发学生自主创新和学以致用能力，并以项目选题到最终结项的整个周期为载体，从各个环节的实践来锻炼学生主动探索、独立思考和动手实践的能力，培养了学生理论联系实际的思维和团结协作的精神。同时，课外创新实践也提升了学生的就业竞争力，与社会需求接轨，拓展了顺应产业发展的工程教育思路。

    参考文献：

    [1]魏维，刘双虎，邹茂扬，等.以研究能力培养为导向的课程教学改革与实践[J].计算机教育，2018（04）：47-50.

    [2]金光，江先亮.无线网络技术教程（第3版）[M].北京：清华大学出版社，2017.

    [3]张延红，王海洲，万忠，等.面向岗位需求的“计算机网络”课程改革[J].中国信息技术教育，2018（08）：70-72.

    [4]柯志亨.NS2仿真实验[M].北京：电子工业出版社，2009.

    [5]https：//lora-alliance.org/，2019.

    [6]https：//www.arduino.cc/，2019.

    [7]https：//www.raspberrypi.org/，2019.

    [8]Christopher Crick，Graylin Jay，Sarah Osentoski，etc.ROS and Rosbridge：roboticists out of the loop[EB/OL].https：//dl.acm.org/doi/10.1145/2157689.2157846.

    作者简介：金光（1972—），男，教授，主要研究方向为无线网络与物联网。

    基金项目：浙江省高等教育教学改革研究项目（JG20180070），宁波大学研究生优秀示范课程项目。