科技创新背景下“无线传感器网络”教改初探

张虎林，袁仲云，禚 凯

（太原理工大学电子信息与光学工程学院 山西 太原 030024）

科技创新是推动现代社会发展的不竭动力。各个行业正在迅猛发展，积极运用新技术以提高工作效率和产品质量。在这个变革的潮流中，教育也不例外。教育事关个人成长，更关系到整个社会的进步与发展。因此，我们必须与时俱进，密切关注信息技术的进步[1]，通过不断优化教学方式来响应这场技术革新。习近平总书记曾强调，要把原始创新能力提升摆在更加突出的位置，努力实现更多“从0 到1”的突破。在这个推动创新的过程中，无线传感器网络技术脱颖而出，成为应用最广泛的技术之一。对于培养信息化人才来说，无线传感器网络技术是不可或缺的一环。无线传感器网络（Wireless Sensor Networks, WSN）是涉及计算机网络、通信技术、嵌入式系统等多个领域的交叉学科。该课程的教学内容包括无线传感器网络概述、硬件平台与传感器、网络体系结构和协议、安全与隐私保护、应用案例与实验，以及其未来发展与趋势[2]。通过学习该课程，学生可以全面了解无线传感器网络的基本技术和应用，为进一步深入研究或投身相关领域工作奠定坚实的基础。

1 无线传感器网络教学现状

1.1 教学内容枯燥

无线传感器网络教学涵盖基本的传感器网络理论，涉及传感器节点的工作原理、通信协议、能源管理、拓扑控制等基本概念。然而，这些理论概念相对抽象，对于初学者来说可能在理解和应用这些概念时感到困难[3]。此外，课程中使用了许多专业术语，对学生来说可能显得晦涩难懂，增加了对课程的理解难度。过分强调理论讲授也导致学生难以在脑海中建立起知识与现实应用之间的联系。缺乏足够的案例研究和现实应用示例使得学生难以提升学习兴趣和积极性，同时也难以认识到无线传感器网络在现实社会中的重要应用价值[4]。

1.2 实验存在局限

实验在无线传感器网络教学中扮演着至关重要的角色，但是由于实验设备成本较高，教学实践中经常借助仿真软件替代物理实验[5]。虚拟实验虽然在一定程度上减轻了经济负担和空间需求，但同时也带来了一些弊端。虚拟实验往往难以模拟真实器材的各种细节和特性，无法提供真实实验中的感官刺激和操作体验，这使得学生对实验结果的可信度和可靠性产生疑虑。虚拟实验的模拟范围受限，很难适应多变的实验环境和复杂的实验操作，因此，无法完全替代真实实验。此外，虚拟实验也限制了学生探究的深度，将学生的思考和探索局限在程序中，使得他们无法超越预定的操作范畴进行独立思考和探索，从而制约了他们应用所学、拓宽思路的能力。

1.3 考核方式单一

无线传感器网络课程考核方式相对单一，影响学生对学科的全面理解和实际应用能力的培养。传统的笔试方式无法全面评估学生的实际应用能力和解决实际问题的能力，可能导致学生过于注重死记硬背而忽略实际应用[6]。在课程设计演示环节，部分学生可能过于依赖团队中的其他成员，难以充分展现个人能力。完成实验后，学生在撰写实验报告时可能只注重报告的形式，而未对实验的基本原理和具体结果进行深入理解。这种单一的考核方式可能影响学生在实际应用中的表现和创新能力的培养。

因此，为了提高无线传感器网络教学的效果，激发学生的学习兴趣，使其更好地理解和应用所学的知识，融合科技创新，应当对现有的教学内容、实验资源以及考核方式进行全面改革。

2 科技创新背景下“无线传感器网络”的改革措施

2.1 理论教学结合应用导向

我们应该在继承传统教学方法的同时积极进行创新，注重将教学与实际案例相结合，推崇灵活的学习方式，以实现更佳的课程效果。例如，在教学中引入无线传感器网络在人体健康监测中的应用案例，让学生深刻理解课程内容的应用价值。首先，课程内容上应更加注重无线传感器网络在各种领域的具体应用，同时注重共性和特殊性的结合，要充分体现新兴领域的技术和热点问题。除了传统的通信协议、拓扑结构以外，还要引入流行的物联网、人工智能、数据安全等理论，形成有机的整体，加深学生对课程内容的理解。其次，身处于21 世纪，学生的学习习惯和方式也在不断改变，教师需要采用新的教学方法使课程更富趣味性和互动性。此外，实践是最有效的学习方法之一[7]，实验操作能让学生提高动手能力，更好地吸收知识点，培养他们解决问题的能力和团队合作精神。这可以通过实验课、项目课程或者专门的实践环节来实现。例如，将大学生创新训练项目融入课程体系，通过实践导向的教学方式，让学生在解决实际问题的过程中学到知识。由导师选定项目研究方向为微纳自驱动能源收集与传感，指导学生项目具体实施思路（具体内容见表1），与学生共同讨论和改进实验方案，监督实验的进行，指导学生进行论文和专利的修改。最后，定期与学生进行交流，了解他们对于课程的理解情况，提供额外的辅助和解释。有针对性地解决学生遇到的理解难点，提高学习效果，确保每个学生都能跟上课程的进度。

表1 大学生创新训练项目研究内容

2.2 整合物理实验与虚拟实验，引入远程实验技术

为了提升实验教学资源的水平，学校应着力定期更新实验室设备，确保学生能够紧跟行业最新技术的发展。物理实验与虚拟实验应相互补充，前者提供必要的实践操作，后者则通过模拟扩展实验的可能性。为此，学校需要建立多个性能层次的虚拟实验平台，并配置相应的高性能计算资源，以确保学生能够顺利进行复杂的实验模拟。同时，建立实验案例库，使学生能够选择感兴趣的实验场景进行学习。鼓励学生积极参与虚拟实验场景的构建与开发，既增加了实验的广泛性和实用性，也能激发学生的创新意识。

引入远程实验技术是另一个关键举措，通过互联网远程操控实验设备，解决地域和设备限制问题，使学生能够在全球范围内参与实验。同时，设计需要团队合作的实验项目，模拟实际工作环境，有助于培养学生的团队协作和沟通能力。这样的综合举措不仅提高了实验的灵活性和多样性，还促使学生更全面地掌握实验原理，并在团队合作中提高实际应用技能。

2.3 深掘无线传感器网络多领域应用

实践是无线传感器网络教学改革中非常重要的一环，更是学生深化理解理论知识、掌握技术原理的有效途径。为了进一步挖掘实验的深度和拓展其广度，我们将实验内容进一步拓展至无线传感器网络在各个领域的具体应用案例[8]。以热电水凝胶为例，我们不仅关注其在无源信息转换中的应用，还将实验焦点扩展至其在柔性可穿戴领域的潜在用途，如健康检测、疾病诊断、运动识别等。通过涉足多个应用场景，学生能够更全面地理解无线传感器网络的多样化应用。

在实验设计中，我们强调了热电凝胶的协同优化机制，分析了制备工艺对凝胶热电势、电导率、热导率、弹性模量等性能的影响。这不仅有助于学生深入理解材料性能的互相关联性，还培养了他们在设计和优化新型传感器时考虑多方面因素的能力。为了更细致地了解凝胶微观形态和化学结构对性能的影响，我们进一步引入了有限元仿真和分子动力学模拟等高级技术手段。通过这些方法，学生将有机会深入研究凝胶单体、溶剂配比、交联条件等因素对凝胶微观结构的调控效果，从而更好地理解实验背后的科学原理。此外，我们着重强调了实验报告的编写和反思，培养学生对实验过程的全面理解和问题的批判性思考能力。通过这一步骤，学生不仅能够得出实验结果，还能够对实验中遇到的挑战进行深入分析，为今后的研究和实践提供有价值的经验。为了提供更多实践机会，我们建议放宽实验室的开放时间，使学生有更多的自主学习和实践的机会。这样的自主学习时间可以让学生更深入地探索感兴趣的方向，丰富他们的实际操作经验。

最后，我们鼓励学生参与实际应用项目，例如与行业合作或参与科研团队。这样的实践机会将帮助学生将理论知识更好地转化为实际能力，培养他们在未来职业生涯中的创新思维和问题解决能力。通过这一系列扩充和深化的实践环节，学生将更全面地了解无线传感器网络的应用领域和未来发展方向，为他们的职业发展奠定坚实的基础。

2.4 丰富考核模式

教师可以采用多元化的考核方式，综合利用笔试、编程作业、实验报告、项目设计和答辩等形式，全面评估学生的知识水平和实际应用能力。将传统的笔试成绩占主导转化为开放式的考评，按以下公式进行最终成绩的核算：总成绩=笔试成绩×40%+编程作业×20%+实验报告×10%+最终答辩×30%。引入实际案例，要求学生分析真实场景中传感器网络的应用，培养他们解决实际问题的能力。在项目设计中，可以采用团队合作的方式，但也要结合对个人贡献的评价，确保每个学生的个人能力得到充分考查。在考试和作业中引入一些开放性问题，鼓励学生思考和创新，同时评价他们的综合能力。通过这种多元化的考核方式，可以更全面地评估学生在无线传感器网络领域的理论水平和实际应用能力。

3 结语

在科技创新背景下，教育改革的目标是培养学生的创新能力，使其能够适应科技的快速发展。科技创新涉及多学科的知识和技能，因此教育改革致力于促进学生跨学科学习，打破学科之间的壁垒，培养学生更全面、综合的视野。通过项目和任务的实践，培养学生解决实际问题的能力，推动教育体系朝着更为灵活、实践导向且能够满足社会需求的方向发展。