“無線網絡和移動計算”課程教學實踐探索

摘要：“無線網絡和移動計算”是一門重要的研究生學位課程。文章給出課程的定位目標，提出“師生在課堂上共同發明移動互聯網”的教學理念，從教學體系、課堂教學、教科結合、課程項目、教材建設等方面闡述教學實踐探索，以期培養具有創新思維和創新能力的研究型人才。

關鍵詞：無線網線；移動計算；教學實踐；教材建設

隨著無線與移動通信技術的不斷進步，社會已逐漸進入了無線移動互聯網時代，各個領域對無線網絡與移動計算技術的人才需求不斷增加。為滿足這種需求，近年來國內多所高等院校相繼開設了移動計算、無線移動互聯網等相關專業課程。

清華大學是最早開設此類課程的大學之一，于2006年就面向信息學院研究生開設“無線網絡和移動計算”課程，課堂規模限定在60人以內。課程至今已開設9期，約400余名研究生選修了該課程。為培養創新型高層次研究人才，在課程教學實踐過程中，我們堅持以科研促教學，注重培養學生的創新思維和創新能力，提出“師生在課堂上共同發明移動互聯網”的教學理念，并不斷優化教學內容和教學體系，積極探索啟發式和研究式教學方法，取得了較好的教學效果，獲得選課學生的廣泛好評。該課程在清華大學課程教學評估中多次被評為優秀，并于2012年入選為清華大學研究生精品課程。

1 課程定位及目標

1.1 課程定位

清華大學開設的網絡相關課程已經形成相對完善體系，為了取得更好的教學效果，我們遵循“本科打基礎、碩士重能力、博士出創新”的多層次培養理念，將本科、碩士和博士的計算機網絡系列課程教學內容有機結合，同時突出各自的培養重點，以實現不同層次的人才培養目標。

基于這種多層次的培養理念，在計算機網絡方向相關本科課程和研究生課程設置的基礎上，“無線網絡和移動計算”課程重點定位于偏向研究性質的提高課程，因此要求該課程不僅要深入剖析無線網絡體系結構和經典協議，而且要在傳授具體知識的同時，著重引導學生學習無線移動網絡的研究方法，并鼓勵學生在該領域進行大膽創新。

1.2 課程目標

基于研究性提高課程的定位，本課程的教學目標是：通過課程學習，要求學生不僅要了解無線網絡的基本知識和研究方向，同時還需要在一定程度上把握無線網絡和移動計算的研究熱點和發展趨勢，為將米進一步從事該領域的研究打下基礎。具體目標如下：

（I）在掌握計算機網絡原理的基礎上，深入學習無線網絡體系結構、協議和基本設計思想；

（2）初步掌握無線網絡和移動計算領域中的國內外最新研究成果，分析該領域的研究熱點問題；

（3）以無線網絡和移動計算領域為切入點，進行一定的研究創新和論文寫作訓練，探討并初步掌握科學研究的基本方法。

2 課程教學實踐

2.1 優化課程教學體系

作為研究生課程，應當充分注重教學內容的先進性和新穎性，同時需要考慮不同層次、不同基礎學生的差異性，考慮不同學生的接受能力和興趣關注點。經過多年的教學實踐，初步形成了學時安排合理、內容新穎有趣、兼顧學生差異性的模塊化教學體系，如表1所示

除課堂教學外，教師在課下還定期與同學們交流討論，注重因材施教，針對不同學生的特點，引導他們充分發揮所長。例如，有的學生擅長技術創新，有的擅長實驗分析，有的擅長工程開發，有的對市場調查感興趣，等等。針對不同的學生，給出不同的課程項目（如表2所示），在項目目標和難度加以區別，并根據學生各自所長，逐一給出不同的建議和指導，使每個學生都能高質量地完成課程項目，實現學生的差異性培養。

2.2 注重創新思維啟發

作為一門面向研究生的專業基礎課，其目標不僅是學習知識，更重要的是研究方法和創新思維的學習。本課程從“人們發現了移動計算，還是發明了移動計算”的問題人手，采用啟發式教學方法，引導學生逐步去“發明移動互聯網”

對于課程中的核心技術和協議等重點內容，始終采用“師生共同去發明”的思路去講解、分析和探討。首先闡述當時的技術背景，與學生一起深入分析技術問題，在此基礎上啟發學生提出各種可能的解決方案，并逐一分析每一種方案的可行性或優缺點，最終與學生一起“發明”無線網絡和移動計算中的核心技術例如，在講授AdHoc網絡路由協議時，首先讓學生思考AdHoc與GSM、WLAN等移動/無線網絡有什么本質區別？能否將傳統的路由協議移植到AdHoc網絡中？然后，根據AdHoc網絡特點，分析相應路由協議設計面臨的一些挑戰（如拓撲動態變化、全分布式結構、節點資源受限等）；最后，引導學生逐一去解決這些挑戰，設計相應AdHoc路由協議。具體做法是從最基本的Flooding方式人手，逐步分析引出DSR協議的設計思想，并循序漸進地與學生一起去解決協議設計中路由失效恢復、包轉發碰撞、路由廣播風暴等問題，讓學生明白為什么協議優化時要采用Route Caching、Location Aided Routing、QueryLocalization等技術，進一步地掌握如何通過隨機等待、位置/距離感知等方式來減少廣播風暴。采用類似的以問題為引導，通過深入淺出、逐步分析的方式，與學生一起去“發明”AODV、OLSR、DSDV、ZRP等其他典型AdHoc路由協議。從學生的課堂表現和課后討論看，這種“師生在課堂上共同發明移動互聯網”教學理念的貫徹實施達到了很好的教學效果。當學生遇到各種技術問題時，他們不再是急于去學習現有的解決方案，而更多的是去思考自己如何創新、如何去解決相應的技術難題，創新思維也由此得到了有效提高。

2.3 堅持教學與科研相結合

課程力求教學與研究緊密結合，堅持知識經驗“從研究中來”，結合筆者研究經歷和優秀學生案例，引導學生“到研究中去”，著力提高其研究能力，在授學生以“魚”的同時授之以“漁”。

一方面，注重課程內容的先進性和新穎性，根據領域最新研究成果，不斷更新教學內容，每年更新授課內容約為25%。筆者緊密跟蹤ACMMobicom等無線網絡和移動計算領域頂級會議，將本領域最新研究進展補充到課堂教學中，同時還將自己最新取得的研究成果轉化為教學內容，如近年來在Wi-Fi環境下數據傳輸能耗建模、性能感知的蜂窩移動設備節能優化、需求感知的WLAN負載平衡方法、高效的移動云存儲同步設計等方面的研究成果。另外，還注重產業發展情況，在課堂中增加業界最新發展動態介紹，使學生了解現實生活中的移動互聯網發展狀況，進一步激發他們學習和研究的興趣。

另一方而，筆者結合多年研究經歷和優秀學牛案例，提煉并與學生分享研究經驗。教學過程中，在介紹最新研究成果的同時，注重將科學研究方法滲透到教學的知識點中，與學生分享如何做科研，如何去提出問題、分析問題和解決問題。此外，還邀請有一定研究成果的優秀學長來講述他們的研究成長經歷，分享在研究過程中遇到的各種問題、走過的“彎路”以及解決問題的方式和方法，讓同學們在交流中獲得第一手的研究經驗，引導同學積極參與到科學研究中去。

從近幾年選課學生的研究成果看，堅持教學科研緊密結合，把研究式教學方法貫穿到整個教學過程中，對培養學生研究興趣、提高研究能力和積累研究經驗起到了十分重要的作用，達到了“學生愜意，教師滿意”的教學效果。

2.4 加強課程項目指導

課程項目是指學生分組完成一個小型綜合研究項目，是培養學生創新思維和提高學生研究能力的重要環節。課前，我們會根據移動互聯網領域當前的研究熱點（如移動設備能耗優化、移動汁算遷移、移動云存儲、移動定位與位置隱私保護、智能可穿戴技術、新型移動應用、移動電子商務與移動支付等），給出一些前沿課題（參見表2），并精選部分文獻資料供學生選題參考，同時積極鼓勵學生結合自己的研究興趣自選研究題目。考慮到選課學生多為剛入學的研一學生，大都沒有研究創新經驗，因此我們特別在課程項目選題上強調不宜過“大”，但一定要“新”。

在課程項日研究過程中，筆者經常與學生討淪交流，引導學生要打破常規，采用逆向思維來提出新觀點和新方法。對于初步取得創新思路的學生，積極鼓勵他們在課堂上將創新思路與大家分享，同時鼓勵其他學生積極參與討論，提出不同的看法和意見，引導大家一起幫助做報告的同學完善創新思路，改進技術方案，使臺上臺下的學生都得到啟發，都受益匪淺。對于創新思路小明確的學生，組織有經驗的同學與其一起討淪，引導他們從不同角度來分析問題，用小同方法米嘗試解決問題，使其盡快提出創新思路

與此同時，積極邀請學生參與到實驗室的研究工作中來，為學生的研究提供相應軟硬件支持和研究環境保障，安排實驗室經驗豐富的學長對其研究進行一對一的指導，有針對性地幫助他們解決研究過程中遇到的問題和困惑，使學生的課程項目研究能夠順利開展，力促做出更好的研究成果。同時，鼓勵學生及時將課程項目研究成果進行總結，開展學術論文創作，爭取發表到國內外重要會議和期刊上。

從近幾年的課程作業反饋看，不少學生的課程項目取得了較好的成果，特別足一些旁聽學生和工程碩士生，盡管他們專業不對口、基礎相對弱，但也都在各自的選題卜.做出了一些創新性的探索，其中多名學生的研究成果還發表于IEEEINFOCOM等知名國際會議和國內一級學報上。

3 課程教材建設

教材在人才培養中起著基礎性作用，不僅體現教學理念、教學內容和教學要求，而且對培養學生科學思維習慣和創新能力具有十分重要的作用。因此，我們注重加強教材建沒，編著了兩部內容新穎、前瞻性強、具有大量應用實例的教學參考書，為研究式課程教學和創新人才培養提供了有力支撐。

針對移動計算的興起而國內缺乏相關教材的現狀，我們收集整理了大量學術會議淪文、發明專利和業界研究技術報告，結合作行多年的研究成果，撰寫了《無線移動互聯網：原理、技術與應用》。該書全面、系統、深入地介紹無線移動互聯網的相關知識，并力圖培養學生的獨立研究能力，使得學生能夠在較短時問內掌握移動互聯網的基本原理和關鍵技術，了解學術界和產業界的最新研究進展。同時，通過大量應用實例增強學生的感性認識，達到學以致用的目的。書中的每一章都從基本原理出發，結合實例介紹基本協議原理及其運行機制和關鍵技術，然后分析學術界在該問題上的最新研究進展以及產業界的最新應用，最后展望該技術的未來研究方向。該書具有入門要求低、內容涵蓋廣且實用性強的特點，在學生中取得了良好的反響，被評為“十二五”普通高等教育本科國家級規劃教材，已被北京郵電大學、西安郵電大學、東北大學、清華大學等40余所高等院校使用。

與此同時，為加強學生移動互聯網的實際應用編程訓練，筆者專門聯系了中國通信標準化協會移動互聯網技術委員會副主席以及中國電信移動互聯網的主要技術負責人，共同編寫了《移動互聯網技術基礎與開發案例》。該教材堅持理論聯系實際，從移動互聯網基礎技術人手，循序漸進地引導學生如何去設計出一款具有吸引力的移動互聯網應用。教材分為技術基礎篇和開發實例篇兩大部分。-卜篇分析了移動互聯網的特點及其對商業和技術領域的影響，對移動互聯網技術體系架構進行系統闡述并分層解析，內容涵蓋終端、平臺、網絡三大領域，使學生能夠全面了解移動互聯網主流技術的發展現狀和趨勢。下篇則從應用開發者的實際需求出發，由淺入深，從創意到商用，指導學生嘗試移動應用設計開發的全過程。筆者基于多年開發經驗，特別精選出移動瓦聯網中的熱門應用案例，介紹系統設計、開發環境，剖析開發中的技術難點，進行詳盡的代碼示例，引導學生在該領域進行編程和創新。

4 結語

課程教學實踐是一個不斷總結和反復提高的過程。在后續的教學實踐過程中，我們將進一步強化“在課堂上發明移動互聯網”的教學理念，積極引導學生從問題分析人手，去“發明”移動互聯網的經典關鍵技術；將繼續堅持科研與教學的緊密結合，加強科研成果向教學內容的轉化，實時補充和優化教學內容，使學生能夠及時了解移動互聯網的當前發展現狀和最新研究熱點；將進一步加大課程實踐教學力度，著力在培養學生研究能力上下功夫，通過邀請專家講學、組織討論交流、分享研究經驗、開展項目研究等方式，提高學生的創新意識和創新能力。