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1、Zigbee协议与编程课程教学改革方案设计电气信息学院 王超Zigbee技术已经不在是大学某个特定专业的学习课程。它已从物联网专业扩展到通讯、电子等专业,而应用领域从工业自动化控制扩展到无线通讯设备、测量仪器仪表、家用电器等等。随着无线传感网络技术领域的不断扩展，教学的对象也跟随着改变，从大学本科、高职高专到中等职业教育，都在积极培养无线传感网络开发的智能型人才。由于应用型高校学生的基础知识较薄弱，接受能力偏低，对涉及知识面较广的Zigbee技术课程教学，提出了一个新的课题。在我校物联网专业zigbee课程的教学改革与实践过程中，有以下几点教学体会：第一选择适合本校学生知识基础的教材；第二改革
2、教学方法，合理安排教学内容；第三采用经济实用的方法，建立模拟实验平台。一、选择适合学生的教材zigbee技术是一门比较难学的课程，它包括了数字电路技术、模拟电路技术、传感器技术、通讯技术、计算机硬件接口技术、计算机软件编程技术、机械传动技术等等基础知识。而且，涉及zigbee技术的教科书也较多，从众多的教科书中选择适合本校学生学习zigbee技术基础知识的教材，就显得十分的重要。目前，大部分教材都是针对大学计算机及自动化专业编写的，也有为从事科研开发的工程技术人员深入研究zigbee应用技术而编写的，而中专层次的教材还是系统性、理论性过强，基础差的学生还是难以接受。当然，教材在论述zigbee
3、原理及应用技术的基本知识的深度和广度方面，是针对大多数学校zigbee教学的目标任务编写的，而每个学校安排学习的课时可能不一样，对不同专业的学生要求掌握zigbee技术的程度也不一样，这就需要确定一个培养目标，根据培养目标选择好“深浅适度”的教材。根据我们的教学经验，应用技术型高校的培养目标制订在初级目标较为合适，简述如下：掌握通用型zigbeeCC2530的基本结构（主要是zigbee的内部ROM和RAM及管脚功能和定义）；掌握zigbee的最小硬件设计系统（zigbee最少需要连接几个外围元件才能正常工作）；初步掌握zigbee的程序设计（利用C指令系统进行模仿性编程）。掌握了zigbee
4、以上三个方面的基础知识，学生基本上可以独立的承担zigbee系统的维护。 教学须要采用“以任务为中心”的教学模式来编排，对zigbee课程进行教学改革，特别适合现阶段的应用型高校的学生，教材特色：建立环境，创新体系，细节分析，白话风格，注重实效。二、“任务驱动”教学法理论基础 “任务驱动”是建立在建构主义和人本主义教学理论基础上的教学法。建构主义认为，学习是学生对知识的主动探索、主动发现和对所学知识意义的主动建构的过程。它强调该过程中学习者的经验和背景非常重要，这是因为知识来源于每个人的经验和理解。例如学生在学习或生活中遇到了实际问题，利用已有知识和教师的指导点拨使问题得以解决，学生同时构筑了
5、自己的知识框架。人本主义强调学生的自我完善，要求教学活动的重点放在学生的身上，尊重学生们的意愿和情感以及在学习过程中地位的主体性，主张学生掌握正确的学习方法，从而进行创造性的学习。按照建构主义和人本主义的教学理念，“任务驱动”教学法的实施过程主要包括以下环节 ： 情境创设：创设与当前学习主题相关的、尽可能真实的学习情境，引导学生带着真实的“任务”进入学习情境，激发学生联想，唤起学生原有认知结构中有关的知识、经验及表象，使学生利用有关知识与经验去“同化”或“顺应”所学的新知识； 任务确定：在创设的情境下，选择与当前学习主题密切相关的真实性事件或任务作为学习的中心内容，让学生面临一个需要立即去解决
6、的现实问题。问题（任务）的解决有可能使学生更主动、更广泛地激活原有知识和经验，来理解、分析并解决当前问题，通过问题的解决来建构知识； 自主/协作学习：布置好任务后，学生开始搜集、获取和加工相应的资料，并通过自主学习或协作学习的形式，找到解决问题的方法并完成任务，从而获取知识。学生在完成任务的过程中，教师主要发挥的是引导作用，向学生提供解决该问题的有关线索，如需要搜集哪一类资料以及从何处获取有关信息资料等，倡导学生之间的讨论和交流，通过不同观点的交锋，补充、修正和加深每个学生对当前问题的解决方案； 效果评价：对学习效果的评价主要包括两部分内容，一方面是对学生给出当前任务解决方案的过程和结果的评价
7、，即所学知识的意义建构的评价，而更重要的一方面是对学生自主学习及协作学习能力的评价。三、“任务驱动”教学法理论基础 针对zigbee协议与编程课程的特点，我们实施了“任务驱动”实验教学法，通过布置难度循序渐进的实验任务，让学生在实验中发现问题，进行自主或协作学习，鼓励围绕实验内容的开放式讨论和研究，由教师从实验任务中提炼知识点，形成了“以任务为主线、学生为主体、教师为主导”的教学模式。下面详细介绍zigbee协议与编程“任务驱动”实验教学的各个环节。（一）教学情境创建及设置我们以教师正在从事的科研项目为基础和借鉴，创设了与无线传感器网络应用相关的、相对真实的学习情境。例如，我们创设的一个情境是
8、：学校为保证计算中心机房的安全正常工作，要对计算中心的机房环境进行实时远程监测，监测的对象包括机房的温、湿度、光照等参数。管理员需要在自己的监控终端看到各个监测点的温、湿度和光照的变化曲线；如果某个参数超过设定的阈值，需要向负责人的手机发送警示短信。在这样的情境下，学生可以回顾自己学习过的有关网络原理、网络规划、图形界面程序设计和数据库等方面的知识，对该情境进行分析和任务分解，在此基础上，教师进一步引导学生思考与无线传感器网络的节点选型、部署、路由协议、时间同步、数据融合等相关的问题，由旧知识引入新知识，激发学生的好奇心和学习兴趣。（二）明确教学任务基于创设的情境，我们设计了若干递进式任务，难
9、度循序渐进，每个任务的背后都隐含了相应的知识点。递进式任务可将教学难点分解、细化，使学生从简单的模块演习到复杂的系统搭建，层层深入，一方面不至于使学生一开始就受到挫败，另一方面使学生一直处于“心求通而未达，口欲言而未能”的不平衡状态，促进学生在此过程中自主学习、探索和创新。任务大纲和相应的知识点提炼如表1所示。采用目前最为流行的zigbee节点作为传感节点，zigbee节点上集成了温、湿度、光照传感器，可以满足环境监测的需求。 在实践教学中可提炼出无线传感器网络各个层次，包括物理层、MAC层、网络层及传输层的关键技术，以及时间同步、数据融合等支撑技术。并且新任务大多以旧任务为基础，在旧任务之上
10、拓展新的知识点，学生每次做任务时都可温故知新、触类旁通。例如：任务1-8是任务9的基础，任务9实际就是情境创设的终极任务。通过任务驱动、实验先行的方法，学生可以先认识表象，产生直观理解同时心存疑惑，再由教师引导学生自主或协作学习，最后教师凝练理论知识点，使得理论与实践更加紧密地结合，所学知识融会贯通。 （三）自主、协作学习学生组成3-4人的团队，按照表1的递进式任务进行分工协作。教师向学生提供解决任务问题的有关线索，如提供参考教材、TinyOS与z-stack编程指南、zigbee节点和关键芯片（MSP430、CC2530等）的参数手册，撰写研究报告可以查阅的数据库等。尤其倡导学生围绕任务进行
11、深入讨论，通过不同观点的交锋，补充、修正和加深每个学生对问题的理解，教师从旁给予一定的点评指导，学生在完成任务后总结经验教训。（四）效果评价课程以学生的任务完成质量、自主及协作学习效果和期末笔试成绩为多重指标进行考核。笔试成绩占30%，平时成绩占30%，任务完成评分各占40%。任务由3-4人的团队共同完成，每个团队需完成5次任务的实验报告和2份基于任务的研究报告，最终在课堂上进行10分钟答辩，接受教师和学生的提问。任务的评分由团队分和个人贡献分共同组成，团队分数由教师按照团队任务完成质量、团队研究报告及现场答辩的情况给出，个人贡献分由团队负责人按照组内成员的不同贡献给出。四、以往经验及展望经过
12、两年该课程的教学实践改革的探索，学生的学习积极性、动手能力、自主学习能力和团队协作能力都得到了提高。学生通过身体力行的实验将理论与实际联系起来，对无线传感器网络的工作原理有了全面深刻的认识。此外，我们在教学过程中也发现了一些问题并总结了一些经验。例如，不同学生的领悟能力和动手能力往往会有很大的差异，为了让每个学生都得到充分发挥，在任务分工上，教师应适当干预，并有意识地让学生轮岗，避免出现某一位成员包揽所有任务，其他成员蒙混过关的情况；在教学过程中，有少数学生表现出对任务的冷漠茫然，此时教师应重视对这些学生的情感激励，给予适当的帮助和表扬以树立学生的信心，避免学生在一开始遭遇挫败后对后续任务也提不起兴趣。未来，我们计划扩展更多类型的传感器，创设更多的教学情境，如对移动机器人的定位跟踪，对人体动作的识别等，吸引更多研究无线传感器网络的教师加入教学团队，利用科研反哺教学。