楊建強(qiáng)+張其林

摘 要：針對應(yīng)用型高校對學(xué)生應(yīng)用能力培養(yǎng)的要求，分析物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)課程的教學(xué)內(nèi)容和學(xué)時安排，根據(jù)演示和練習(xí)項目，提出一種以ZigBee技術(shù)為基礎(chǔ)的講、演、練教學(xué)設(shè)計方法。

關(guān)鍵詞：ZigBee；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；教學(xué)設(shè)計；Z-Stack

文章編號：1672-5913（2017）07-0073-04

中圖分類號：G642

0 引 言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的一門核心課程。目前，國內(nèi)高校開設(shè)的這門課程具有內(nèi)容多、難度大的特點(diǎn)[1]，并且重理論、輕實踐。從培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用能力出發(fā)，筆者選擇了典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)ZigBee/Z-Stack技術(shù)作為該課程的主要教學(xué)內(nèi)容。課程除了介紹無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本概念（包括IEEE 802.15.4規(guī)范及ZigBee的相關(guān)概念）外，主要向?qū)W生講授ZigBee編程技術(shù)。ZigBee編程以C語言編程、單片機(jī)編程為基礎(chǔ)，但與一般的C語言編程或單片機(jī)編程不同。ZigBee編程是在某個ZigBee協(xié)議棧上的C語言編程，需要遵循相應(yīng)的ZigBee協(xié)議棧的編程思想和編程方法。對初學(xué)者來說，ZigBee編程思想及編程方法是全新的，掌握它并不是一件容易的事，需要大量的實踐和練習(xí)。為此，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)這門課程的教學(xué)中，應(yīng)該采用“講、演、練”相結(jié)合的教學(xué)方法，促進(jìn)學(xué)生快速掌握ZigBee編程技術(shù)。具體來說，就是在每一次課上，教師首先介紹本次課的知識點(diǎn)，然后演示與本次知識點(diǎn)有關(guān)的項目，在演示過程中進(jìn)一步闡述、解釋有關(guān)概念，最后學(xué)生練習(xí)剛剛演示的內(nèi)容。除此之外，學(xué)生還需獨(dú)立完成幾個實驗項目，這也屬于學(xué)生練習(xí)的內(nèi)容。

1 課程內(nèi)容及學(xué)時安排

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的先修課程包括單片機(jī)原理及應(yīng)用、傳感器原理及應(yīng)用、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等。因此，在設(shè)計無線傳感器網(wǎng)絡(luò)教學(xué)時，可以少考慮單片機(jī)、傳感器、網(wǎng)絡(luò)通信等內(nèi)容，緊緊圍繞無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本概念及ZigBee編程技術(shù)展開。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)以ZigBee/Z-Stack編程技術(shù)為重點(diǎn)，采用由淺入深、循序漸進(jìn)的方式安排教學(xué)內(nèi)容。該課程共46學(xué)時，其中實驗18學(xué)時。表1給出了本課程的教學(xué)內(nèi)容及學(xué)時安排。

知識單元（1）是本課程第一次課講授的內(nèi)容，僅涉及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本概念，不涉及任何實際操練，因此沒有安排演示和練習(xí)項目。

Z-Stack中的任務(wù)（即事件處理程序）概念以及任務(wù)的管理和調(diào)度，是理解ZigBee/ Z-Stack工作原理、掌握Z-Stack編程技術(shù)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。學(xué)生必須理解這些內(nèi)容，才能理解Z-Stack的流程，掌握Z-Stack項目開發(fā)技能。所以，知識單元（6）用了較多的學(xué)時，而6個實驗項目中的5個也都安排在此后進(jìn)行。

另外，講、演通常是一體的，因此，表1中各知識單元中的講、演部分的學(xué)時分配并不是嚴(yán)格的，而是視實際情況，有時候講多一點(diǎn)，有時候演多一些。

2 演示及練習(xí)項目設(shè)計

表2列出了本課程的演示及練習(xí)項目。從知識單元（2）開始，表2中每一行的演示、練習(xí)項目分別與表1中的一個知識單元對應(yīng)。也就是說，第一行的演示和練習(xí)項目對應(yīng)于知識單元（2），第二行對應(yīng)于知識單元（3），其他依次類推。

項目演示通常在講解相關(guān)概念后進(jìn)行。演示一方面是進(jìn)一步闡述相關(guān)概念的含義，另一方面是講解ZigBee編程技術(shù)規(guī)范和編程技巧。教師演示完畢，學(xué)生開始模仿練習(xí)。學(xué)生的練習(xí)項目，基本都在演示項目的基礎(chǔ)上修改而成——修改了演示項目中少量關(guān)鍵代碼。演示項目程序已事先準(zhǔn)備好，可以直接編譯、鏈接和運(yùn)行。

要掌握ZigBee編程技術(shù)，僅靠簡單模仿是不夠的。為此，筆者設(shè)計了6個ZigBee實驗項目，以鞏固所學(xué)的內(nèi)容。本質(zhì)上，它們也是學(xué)生練習(xí)的一部分，見表3。

以上實驗項目，項目①②基本上來自相應(yīng)的演示或練習(xí)項目，目的是讓剛剛接觸Z-Stack編程的學(xué)生熟悉基本的Z-Stack編程思想及編程技巧。其他項目雖然與演示或練習(xí)項目有一定的關(guān)系，但需要學(xué)生進(jìn)行一定的設(shè)計或者做較多的修改。這樣做是有原因的：ZigBee網(wǎng)絡(luò)的通信功能是由ZigBee協(xié)議棧軟件（比如Z-Stack）維護(hù)的，因此ZigBee項目中包含了大量的協(xié)議棧代碼，而不像單片機(jī)程序開發(fā)那樣只有用戶的代碼。所以，ZigBee項目的開發(fā)基本上都是在已有項目的基礎(chǔ)上進(jìn)行的[3]。

為了促進(jìn)學(xué)生深入理解和掌握Z-Stack編程思想及編程技術(shù)，筆者要求學(xué)生在實驗報告中給出各個實驗的實驗原理說明及重要代碼分析。

3 結(jié) 語

對國內(nèi)許多高校來說，物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)是一個比較新的專業(yè)，其課程及教學(xué)內(nèi)容的設(shè)置正逐步走向合理。許多應(yīng)用型高校選擇ZigBee技術(shù)作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)課程的教學(xué)內(nèi)容，并積極探索合適的教學(xué)方法[4-6]，本文給出的教學(xué)設(shè)計也是一種探索。為了順利實施“講、演、練”相結(jié)合的教學(xué)方法，筆者把該課程的教學(xué)全部安排到實驗室進(jìn)行。由于該課程以實踐教學(xué)為主，因此筆試考核的方式并不適用于該課程。筆者采用項目作業(yè)的方式作為期末考核方式。當(dāng)然，學(xué)生的總成績是平時成績（包括實驗項目的完成情況）和期末成績的綜合。湖北文理學(xué)院的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)課程已經(jīng)連續(xù)開設(shè)兩屆，與前一屆學(xué)生相比，“講、演、練”相結(jié)合的新教學(xué)方法大大激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，提高了學(xué)生的實踐動手能力，加深了學(xué)生對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和ZigBee相關(guān)概念的理解，教學(xué)質(zhì)量明顯提高。

參考文獻(xiàn)：

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（編輯：孫怡銘）