“無線傳感器網絡”課程特點與教學方法改革探索

摘要：無線傳感器網絡是一種新興的信息通信技術，作為農業物聯網的關鍵技術之一，其具有極廣闊的應用前景。在傳統的“無線傳感器網絡”課程教學中，教師往往單純注重基本理論、基本方法和基本概念的描述，忽視將理論與實踐相結合，忽略對學生設計思維能力和創新能力的培養，對于農業電氣化與自動化專業而言，如何在本科及研究生教學過程中進行此內容的教學面臨較大的挑戰。根據河南科技大學開設“無線傳感器網絡”課程的教學實踐，分析了該課程的教學特點，研究探討了無線傳感器網絡的教學模式改革，激發學生的學習熱情，培養學生的創新能力。

關鍵詞：農業；無線傳感器網絡；課程特點；教學方法

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）23-0037-02

無線傳感器網絡是一種由大量低復雜度的傳感器節點通過自組織方式形成的無線網絡，每個網絡節點由傳感模塊、處理模塊、通信模塊和電源模塊組成，完成數據采集、數據收發、數據轉發三項基本功能。[1]從21世紀開始，美國和歐洲相繼啟動了許多關于無線傳感器網絡的研究計劃。特別是美國通過國家自然基金委、國防部等多種渠道投入巨資支持傳感器網絡技術的研究。在我國，無線傳感器網絡的研究也受到了重視，2006年政府將發展無線傳感器網絡列入了未來《國家中長期科學和技術發展規劃綱要》，對無線傳感器網絡的基礎理論和關鍵技術的研究進行了資助。作為新一代的傳感器網絡，無線傳感器網絡具有非常廣泛的應用前景，其發展和應用將會給人類的生活和生產的各個領域帶來深遠影響。

“無線傳感器網絡”是農業電氣化與自動化專業的專業選修課，它涉及到通信技術、計算機技術和傳感器技術等多種技術領域，其先修課程包括“信號與通信”“計算機網絡”“傳感器與檢測技術”等。通過對無線傳感器網絡的基本概念、基本方法和理論的學習，了解常見的微型傳感器，傳感器網絡的通信技術、支撐技術、應用開發基礎，傳感器網絡協議的技術標準，掌握無線傳感器網絡的結構、分析和設計方法，提高學生解決農業應用中實際問題的能力。盡管“無線傳感器網絡”是農業電氣化與自動化本科專業課程體系中重要的專業選修課程之一，但從督導評估和學生評教的反饋情況看，教學效果并不理想。筆者對該課程的特點和教學現狀進行分析，并對其教學方法改革進行一些有益的探索和嘗試。

一、課程的特點及要求

在農業監測應用領域，無線傳感器網絡具有得天獨厚的優勢：一方面，低功耗、微型化、高度集成、低價格的傳感器節點，可以密集部署，使實時監測作物的各種生長環境因素和傳遞控制信號成為現實；另一方面，與傳統有線傳輸方式相比，無線傳感器網絡具有無基礎設施（自組織）、精度高、靈活性強、可靠性好等優點，可以有效解決環境監控數據的采集、自組多跳的無線發送等問題。因此，無線傳感器網絡具有其他技術不可比擬的優勢。典型無線傳感器網絡架構主要包含4個層次：感知層、網絡層、中間件層、應用層。感知層包括傳感器節點等數據采集設備以及數據輸入網關前的無線傳感器網絡；網絡層主要負責網絡接入、網絡傳輸以及相應的管理與控制；中間件層提供通信服務、任務分析、任務調度、安全訪問、可靠性控制和信息服務能力；應用層解決信息處理與人機界面的問題。

農業無線傳感器網絡所處物理環境及網絡自身狀況與工業應用有本質區別，其主要特點有：

1.節點數量受限

農業無線傳感器網絡設備成本低、節點分散，布置面積大，節點間距離較遠。目前普通農作物收益并不高，投入成本有限，這些因素決定了無法密集布置傳感器節點。另外，大量鋪設傳感器節點還會對農業機械化作業形成較大的阻礙，給傳感器節點的維護帶來諸多不便，導致農業無線傳感器網絡維護成本過高。

2.要求傳輸距離遠，功耗低

農業無線傳感器網絡中各傳感器節點之間的距離往往會比較大，且一般無人維護。傳感器節點不僅要求傳輸距離遠，還要求功耗小，在低成本太陽能供電情況下實現長期不斷電的工作目的。

綜上所述，無線傳感器網絡是近年來得到迅速發展和普遍重視的新型網絡技術，它的出現和發展對農業領域產生了極其深刻的影響，具備廣闊的應用前景。[2]通過“無線傳感器網絡”課程的學習，要使學生掌握農業無線傳感器網絡的原理和實現方法，了解最新的科技動態，使其具備從事網絡設計開發的能力和正確解決實際工程問題的能力。

二、課程教學現狀

“無線傳感器網絡”課程的設置適用于農業電氣化與自動化本科及研究生專業，即在更廣闊的背景下融入了多學科的相關知識，同時也使得無線傳感器網絡滲透到更廣泛的應用領域當中，體現了各個學科相互交叉融合的特點。在傳統的“無線傳感器網絡”課程教學中，教師往往單純注重基本理論、基本方法和基本概念的描述，忽視將理論與實踐相結合，忽略對學生設計思維能力和創新能力的培養，教與學之間的信息單向流動。具體表現在以下幾個方面：

第一，無線傳感器網絡理論枯燥、應用性強，學生認知難度大。該課程涉及無線傳感器網絡關鍵技術的網絡部署、拓撲結構、路由協議、節點定位、目標跟蹤、擁塞控制、數據融合、網絡安全等方面，覆蓋面廣 ，對網絡通信、傳感器結合技術要求較高。從往年教學的反饋情況看，學生普遍感到該課程理論抽象，內容枯燥，缺少感性認識，學習難度大。因此，不少學生產生畏難情緒，學習積極性差。

第二，教材針對性差，傳統教學模式存在弊端。目前，多數無線傳感器網絡教材普遍存在注重理論、輕視應用的問題，致使內容艱深枯燥，還有一些教材概念模糊不清，令學生難以理解。基于上述原因，亟需對教材進行革新，以便為學生提供優秀的學習資源。另外，在教學模式方面，教學依然主要依靠課堂講解，這種單純的理論分析缺乏參與思考的積極性，致使教學效果不佳，必須采用多種方法對教學模式進行改革。

第三，實驗環節薄弱。該課程是一門實踐性和應用性非常強的課程，其實驗環節在教學過程中起著重要的作用，通過實驗不僅能使學生加深對網絡技術原理的理解，更能直接增強學生的實踐應用能力。而目前實驗課偏重學生對無線網絡接口芯片的功能驗證，缺乏設計型和創新性的實驗項目，抑制了學生的創新欲望，導致該課程實驗教學環節較為薄弱，學生動手能力和創新能力不足。

第四，課程考核方式單一。考核方式對學生的學習積極性有重要的影響。目前，該課程的考核方式側重考核基礎理論，往往使學生忽視平時動手能力、實踐能力和思考能力的培養，從而出現“高分低能”的現象。鑒于這種現象，亟需改變課程考核方式，對學生的學習效果做出準確和客觀的評價。

三、課程教學方法改革

隨著我國高等教育教學改革的深化，高等院校越來越重視對學生創新意識和創造能力的培養，同時也對教師的課堂教學方式提出了新的挑戰。[3，4]轉變傳統教學觀念、改革創新教學方法、著力提高學生科學素質和科研能力是當前教學改革的趨勢和關鍵，也是人才培養的必然要求。[5]

1.案例教學法

在教學過程中，使用實際案例作為教學材料，通過對案例進行分析，引導學生理解掌握專業知識進而提高技能。教師在授課過程中，為了讓學生直接接觸到實際工程問題，應該引入一些具有代表性、有實用價值的案例，結合實際應用講解相關技術及應用方式，激發學生興趣，培養學生自主學習的習慣，激勵學生對問題進行深入的鉆研和思考，最終發現創造的秘訣。例如，要求學生應用CC2431芯片對溫室無線傳感器網絡節點進行設計，滿足無線傳感器網絡節點設計時外形小、集成度高、功耗低、速度快、成本低的要求，并將其作為平時考核。該系統涉及傳感器、微處理器、無線通信、電源、TinyOS操作系統等多個內容，學生需要熟悉芯片和路由協議才能設計出最終的作品。因此，學生學習課程內容時會時刻把學習內容和任務制作聯系起來，帶著問題聽課，從實現任務的目標出發學習課堂知識，取得事半功倍的效果。

2.任務驅動式教學法

以具體農業環境監測任務為教學活動的主線，在問題動機的驅動下，讓學生積極主動地通過探索和學習，完成既定任務，培養學生解決問題的能力。在實驗教學中，為每個教學單元設置了一個明確的任務需要完成，以充分調動學生的學習積極性，并在完成任務的整個過程中實現應用能力的培養。教學中要采用適當的方式，給學生以心理上的鼓舞，使學生的思維更加活躍，探索熱情更加高漲。以“網絡數據壓縮”為例，將該內容任務設計為溫室多傳感器節點數據處理，任務提出后，引導學生對該任務進行分析討論.教師對學生的討論結果進行補充、修正，并引導出為實現該任務所需要的相關理論知識。通過教師指導、講解的方式為完成該任務，提出一種溫室無線傳感器網絡數據壓縮方案，網絡按輪運行，每輪中利用均值聚類算法將節點按監測數據相似性劃分到相同的區域，每個數據相同區只允許聚類有效性指標值最高的節點傳輸數據，其余節點暫時休眠，以達到壓縮發送數據量、降低能耗的目的。

3.課題教學法

鼓勵學生設計相關實驗，深化課堂教學內容，積極引導學生參與教師相關課題的研究，以課題研究的方式培養學生獨立的科研能力，在課題研究的過程中要注重發揮學生的作用，讓學生參加到調研、研討、報告的寫作等實際問題當中。積極支持學生自發性的科研活動，充分發揮教師的引導作用，為學生創造良好的創新環境。

四、結論

“無線傳感器網絡”課程理論性和實踐性強，通過改進課堂教學方法，將抽象概念變得形象生動，豐富了教學手段，提高了教學效果，激發了學生的學習興趣和熱情，也提高教師對科研工具的應用能力；充分發揮學生的主觀能動性和動手實踐能力，不僅鞏固了所學到的專業知識，也提高了應用能力和科研能力。學生反映良好，教學效果明顯。對于該課程教學方法改革更深層次的研究和探索仍在不斷進行中，今后將繼續在教學上進行創新改革，以適應新時期高等院校創新人才培養的需要。

參考文獻：

[1]王文光，劉士興，謝武軍.無線傳感器網絡概述[J].合肥工業大學學報：自然科學版，2010，33（9）.

[2]趙迎新，徐平平，夏桂斌，等.基于無線傳感器網絡的教學實驗平臺設計[J].電氣電子教學學報，2008，30（5）.

[3]王海波，孫青竹.提高實驗教學質量的探索與實踐[J].實驗技術與管理，2011，28（7）.

[4]張建偉，陳琦.從認知主義到建構主義[J].北京師范大學學報（社會科學版），1996，（4）.

[5]王鵬，商慶華.關于激發學生積極性與培養創新能力的研究與實踐[J].中國電力教育，2008，（19）.

（責任編輯：王意琴）