| 标题 | “新工科”背景下物联网工程专业《无线传感器网络与实践》课程建设探究 |
| 范文 | 田新志 陈晓范 申海杰 摘要：在“新工科”建设背景下，该文从《无线传感器网络与实践》课程的特点出发，对该课程的课程目标定位、课程标准的建设、课程教学内容的设计、课程教学资源的建设、课堂教学过程的设计以及师资队伍建设等方面进行了较为详细的探究。提出了基于CDIO理念与项目化、启发讨论式相结合的教学模，旨在使学生能更有效地学习课程内容，使教师能更好地把握教学内容，提高教学质量。 关键字：“新工科”；无线传感器网络；课程建设 中图分类号：G436 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）14-0152-03 为积极应对新一轮科技革命和产业变革，支持服务创新驱动发展，我国制定了一系列国家战略，自2017年2月以来，教育部积极推进新的建设工程，形成了“复旦共识”，“天大行动”和“北京指南”，并发表了《关于“新工科”研究与实践的通知》以及《关于促进新工程部门研究与实践的通知》，旨在探索引领全球工程教育的中国模式和经验，助力我国高等教育强国建设。[1]“新工科”人才的培养离不开高等院校[2]，2018年3月教育部办公厅印发《关于公布首批“新工科”研究与实践项目的通知》中认定612个项目为我国首批“新工科”研究与实践项目。而“新工科”这一概念，成为高等教育与大型科研机构讨论的中心议题。 而对于物联网来说，其本身就被称为继计算机、互联网之后世界信息产业的第三次浪潮，是信息领域的一次重大发展和变革，2009年8月，我国首次提出发展物联网。2010年3月，教育部下发《教育部办公厅关于战略性新兴产业相关专业申报和审批工作的通知》，我国高校开始创办物联网工程专业。2015年7月，国务院公布推动“互联网+”的步履指点定见，将进一步加速我国物联网的成长。 因此，物聯网工程专业不论是在“新工科”的背景下还是在同家的物联网战略中都占有举足轻重的地位，而无线传感器网络（Wireless Sensor Networks， WSN）技术在物联网工程实践中起着承上启下的作用，是关键技术之一。《无线传感器网络与实践》为物联网工程专业的主干课程，同时也是一些计算机、通信等专业研究生和本科生的选修课。 1 课程建设目标、标准及定位 1.1 课程建设目标 物联网工程专业是一个新兴专业，而物联网技术本身的特殊性，多学科融合、快速发展、应用广泛等特点，容易让专业建设进入迷茫误区。各大高校的物联网专业都没有先导经验，都是在摸索着前进。对于如何建设物联网专业以及将物联网专业建成什么样子也一直是当前高校物联网专业负责人研讨的热门话题。在“新工科”背景下，应用型本科院校的物联网专业的培养目标是要适合于“新工科”的要求。既要有扎实的理论功底，又要有很强的动手能力。《无线传感器网络与实践》作为物联网专业的主干课程在这一点上更应是如此，该课程的理论教学部分开设在大二第二学期，一般实践部分则开设在大四第一学期。在大二第二学期，学生已经学过一些物联网专业的基础知识，如《物联网导论》等。这时进行《无线传感器网络与实践》的理论学习是比较不错的选择。到了大四第一学期，学生们已经把物联网的大部分主干课程都学习完了，学生有了不错的理论知识体系，这时进行实践方面的学习理念有针对性，这样安排的目的主要是让学生把理论与实践相结合起来，实现学生职业能力的培养。 1.2 课程的建设标准及定位 如何确定课程的建设标准，一直以来出没有一个统一的说法，不同学校有不同的做法，但课程建设的标准无疑是课程建设的重中之重，一个富有成效的课程建设标准，在课程标准的制定之前，都要经过严密的安排、充分的调研。在“新工科”背景下及要求下，首先要了解本校物联网专业的培养目标、培养方式、培养方向、学校的师资情况、用于支撑教学的实验条件等一系列问题。其次要深入企业进行必要的调研，调研的目的是为将来学生毕业后的就业有一个比较清晰的方向把握，当然条件允许的话也可以与相关行业的技术人员直接参与课程标准的制定，认真收集行业的专业技术人员对课程标准的建设建议，力图做到课程建设标准能更好地贴近企业实际，以便培养出来的学生能够学以致用。当然学校还可以让学生到企业进行现场教学，把课堂搬到企业或聘请资深的行业人员来学校任教交流的方式来开展课程教学活动，进行工学结合校企合作，让学生在更多的机会接触到工程实际，亲身体会物联网的神奇之处。《无线传感器网络与实践》课程强调的是理论与实践相结合，可以采用CDIO理念与项目化教学相结合的形式，CDIO[6]整合构思（conceive）、设计（design）、实现（implement）以及动作（operate）的过程，从最初的产品研发进行到生命周期，并以此为载体，实行有效的关联，让学生边学做，获取工程能力，为学生未来职业生涯的发展打下良好的基础。 2 教学内容设计 2.1 基础理论教学 无线传感器网络（Wireless Sensor Network， WSN）是由大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络，以协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内被感知对象的信息，并最终把这些信息发送给网络的所有者。 在“新工科”背景下，以突出专业特色方向与导向，建立《无线传感器网络与实践》基础理论教学内容的设计。 基础理论教学是以无线传感器网络的体系结构来设计的主要包括4部分[4]：无线传感器网络基础知识、无线传感器网络组网技术、无线传感器网络支撑技术和无线传感器网络应用。 无线传感器网络基础知识部分的教学内容设计中，主要介绍无线传感器网络的基本概念，发展历程、应用情况及关键技术等； 无线传感器网络组网技术部分，主要讲解无线传感器网络的底层技术，即物理层中的信道编码、信号调制技术；媒体访问控制层的标准及相应的介质访问控制协议等；网络层中的路由选择协议和传输层中的信息的传输控制协议等； 无线传感器网络支撑技术部分，是在充分了解了无线传感器网络的低层协议技术的基础上进一步讨论学习有关无线传感器网络中的时间同步技术、传感器节点定位技术、以及信息数据的融合技术等，为无线传感器网络的应用奠定基础。 无线传感器网络应用部分，无线传感器网络建立的目的就是应用，在这一部分将主要讨论学习无线传感器网络在实际生产生活中的应用。 2.2实践教学内容 理论与实践相结合才能在人才的培养上做到全方位的训练学生理论理解能力和实际工程应用能力。 1）课内实验 课内实验的设计主要目的是为了让学生尽快把所学知识融会贯通，为了让学生能更加直观的认识无线传感器网络，加深对理论知识的理解，课内实验以验证性实验为主，比如：点对点/广播通信实验、RSSI采集实验、基于Zstack协议实验中的网络拓扑实验等。同时再配套一些与应用有关的综合性实验，如：多点自组织组网实验、信息广播/组播实验以及Zigbee串口应用实验等。通过这些实验，可让学生对《无线传感器网络与实践》有一个比较清晰的认识，为后面的综合课程设计打下基础。 2）综合课程设计 《无线传感器网络与实践》的综合课程设计与工程实践的紧密相关的，是课内实验基础上的深入与拓展。对于综合课程设计教学可以把课程设计成6-8个综合工程应用案例，如：智能家居系统、楼宇安防信息采集系统、森林火灾监测系统、洪水监测系统、远程医疗服务系统、智慧交通系统、智慧管道系统等。然后将学生按3-5人分组，每个组完成一个案例。每个工程案例配1-2名教师（其中要求至少有一名教师具有实际工程经验）进行指导。通过综合课程设计提升学生综合工程实践能力、团结协作能力。 3 教材及教学资源建设 要想上好一堂高质量的课，优秀的教材与丰富的教学资源是必不可少的，《无线传感器网络与实践》的教材与教学资源的建设是保障课程目标的基础 《无线传感器网络与实践》课程能选教材从目前所了解的情况看局限性很大，一般很少能同时满足理论教学与实践教学，如清华大学出版社出版珠《无线传感器网络技术原理》侧重于理论，而实际的工程应用只是作为简单介绍，并没有就具体的实现过程进行说明。《无线传感器网络与实践》课程是一门理论与实践并重的课程，按照课程目标是为了融合所学知识以企业实际工程案例为背景，以项目化教学的形式来达到。目前大多数的教材都是由没有多少实际工程经验的高校教师编制而成的。要想提高教学质量，教材的编写还是离不开行业的资深技术人员的支持，现在比较好的做法是教材的编写由经验丰富的高校教师与行业的资深工程技术共同来完成教材编写。这样既可以发挥行业资深工程技术人员的实践优势，又可以发挥高校教师在理论教学方面的特长。 而优秀的教学资源除了教材以外，还有很多其他方面的东西，大学教育与中小学基础教育不同，学生除了完成正常的课堂学习以外，更多的是课后的自主学习。《无线传感器网络与实践》的课内教学不足以满足课程的要求，因此学生的课后学习也很重要。对于《无线传感器网络与实践》来说，给学生提供的应该是大量的网络教学资源，而网络资源的建设则要投入大量的人力与物力，如建设课程网站，学生在课后可以在网站上进行自由学习，学生可以在线与教师进行交流等。网站上也会有一些教学视频、课程资料及案例资源等信息。 4 课堂教学设计 上好一堂课，课堂的教学设计怎么做，是每位教师都会碰到的问题，也是最不好解决的问题，不同的课有不同的特点。《无线传感器网络与实践》既有理论又有实践，而目前对学生来说，纯理论的学习太过于枯燥。如何在课堂上调动学生的学习积极性，不让学生在上课期间都被手机、平板等电子产品给吸收过去呢？在这里提出一种基于CDIO理念的理论课程教学方法，CDIO的理念让学生充分融入课堂教学中，解决在理论教学过程中学生感到枯燥无聊的问题，通过CDIO理念培养学生发现问题、分析问题以及解决问题的能力。而对于实践教学环节来说则采用案例教学、项目化、启发讨论式等方式，利用优秀案例的实现把理论知识融入实践当中。 5 师资队伍建设 没有哪位教师能独自一人把《无线传感器与实践》这门课程建设起来，好的课程体系需要有优秀的师资队伍。《无线传感器网络与实践》也是最近几年才兴新起的课程，大部分的教师经验都不是很足，再加上该课程内容涉及知识面广，内容也较新，且其技術更新换代频率快，对实际工程的要求也较高。这些特点也就决定了师资队伍是一支年轻而又有活力的队伍，这对青年教师来说也是有不小压力的。现在的高校教师中，有行业工作经验的寥寥无几，那么大多数的做法就是让这些有意向在这一方面发展的教师到行业培训一段时间，再回学校承担教学任务。基于以上种种原因，作者认为高校物联网工程的教学团队的建设已经迫在眉睫了。但是师资队伍的建设也不是一朝一夕的事情，那么现阶段比较可行的一条捷径便是校企合作，并且是深度合作。让教师学生到企业中去，企业的资深技术人员到学校来。 6 结语 《无线传感器网络与实践》课程的建设是一项比较复杂的系统工程，该课程理论与实践并重，其教学内容跨度大、理论性与实践性强的特点给教师讲授、学生学习带来了双重挑战，而清晰的课程目标、精准的课程定位、合理的教学内容安排、丰富的教学资源、良好的课堂教学设计和优秀的师资队伍是上好该课程的基础。本文在“新工科”背景下对以上几个方面的问题进行了较为详细的探究。但是，《无线传感器网络与实践》作为一门综合性课程，除以上这些之外，教师还可以根据学生具体情况，进行有针对性的教学，其目的就是为提高学综合能力。 参考文献： [1] 何谓“新工科”，https：//baike.baidu.com/item/新工科/20597803？fr=aladdin [2] 陶铭，曲超，洪小宇.“新工科”背景下物联网工程专业人才培养方案探索[J].现代计算机，2017（7）39-43. [3]国务院关于积极推进“互联网+”行动的指导意见，http：//www.gov.cn/zhengce/content/2015-07/04/content_10002.htm [4] 余华平，刘波涛，刘鹏，等.物联网工程专业《无线传感器网络》课程教材建设探究[J].软件导刊，2017（5）210-212. [5]余琽，赵健，黄传河，等.物联网工程专业建设与实践教学研究[J].计算机教育，2013，8（15）：94-97. [6] 刘焱.基于CDIO理念的物联网工程专业人才培养与课程体系建设[J].才智——创新教育，2016. |
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