《無線傳感器網絡》課程特點、挑戰和解決方案

郝潔

（南京航空航天大學計算機科學與技術學院，南京 211106）

《無線傳感器網絡》課程特點、挑戰和解決方案

郝潔

（南京航空航天大學計算機科學與技術學院，南京 211106）

《無線傳感器網絡》是物聯網專業的必修基礎課程之一,為物聯網的學習奠定基礎。如何將無線傳感器網絡的知識和設計思想快速有效的進行傳授成為亟待解決的問題。根據多年教學實踐經驗,結合無線傳感器網絡的課程特征和其帶來的教學挑戰,提出不同的解決方法以報告形式、互動方式、實驗設計等設計一整套課程規劃，以期實現無線傳感器網絡的教學新方法。

無線傳感器網絡；本科教學；物聯網

0 引言

物聯網專業相比于其他專業是一門新興專業仍然處于探索階段，同時還是一門交叉學科，涉及到計算機技術、通信技術、軟件開發等多門專業知識。無線傳感器網絡作為物聯網的基礎技術之一，是具有重要教學意義的。同時無線傳感器網絡課程通常在大二或大三，在學生學習了高等數學、數據結構等基礎課程后接觸到的專業課，對轉變學生學習思維、增強學生對物聯網的理解、培養學生進行無線傳感器網絡乃至物聯網設計開發的能力具有重要意義。因而,在此背景下,如何為本科生進行無線傳感器網絡教學并培養學生的設計開發思維和能力成為一個亟待解決的問題。

1 課程基本情況分析

經過筆者和學生的交流和實際教學情況,本文提出了無線傳感器網絡課程的特點和給教學帶來的挑戰。

交叉學科：《無線傳感器網絡》[1]是一門交叉課程，涉及到通信、傳感器、算法等多門學科的知識。本課程和本專業其他課程的交互關系可以分為兩個方面：一方面通過學習無線傳感器網絡可以鞏固已學的其他學科知識、練習如何靈活使用已學到的學科知識；另一方面通過學習無線傳感器網絡為以后的更高層次的學習打好基礎。本課程在整個物聯網專業框架下可以和其他課程和諧統一、有機聯系。

新興和快速發展的特點：無線傳感器網絡是一門新興技術。學術界和工業界對其研究處于各自為政的狀態。例如其操作系統就有數十種之多，分別由不同的學校研究小組或公司開發完成?，F在無線傳感器網絡的標準化尚未完成，無線傳感器網絡技術仍然在快速開發，無線傳感器網絡面向應用也使得每新出現新的應用都可能有心的協議和技術的出現。這些特點都給教學帶來了挑戰：教學內容要實時更新；相較于具體的技術細節，養成有效的思維方式更加重要（例如相較于熟記某一經典網絡層協議的具體實現，針對不同的應用需求有能力設計出適合的協議這種思維能力更重要）；需要學生可以快速的理解和掌握新技術。

應用相關性強：無線傳感器網絡是一種應用相關性很強的課程，現在并沒有一個標準化的知識框架，針對每一個模塊設計也沒有最優解的情況，每一個知識點或關鍵技術都會涉及相適應的應用場景。因此學習每個技術點或關鍵技術并不是關鍵，而如何在實際的應用場景下靈活使用知識點和關鍵技術才是教學的重點。

2 解決方法

本節將對以上每一個課程特點和給教學帶來的挑戰，分別提出相應的解決方法。

2.1 交叉學科

（1）強調與已有知識如何為本課程服務：在《無線傳感器網絡》中有些知識是學生在其他課程中學習過的，例如學生在算法中已經學習過如何找到最短路徑。在進行本課程學習時，我們將重點討論無線傳感網中找到最短路徑的具體實現、可能遇到的能耗問題等，讓學生鞏固并練習靈活適用已有知識。另外，在教學時，通常學生面對的是一些抽象的概念，可以通過類比的方法在將一些思路和其他學科中的例子甚至是現實生活聯系起來。例如，傳輸層協議的不同功能，擁塞控制可以很直觀的和交通堵塞聯系起來，通過引導學生們聯想交通堵塞的控制、緩解方法來設計無線傳感器網絡中擁塞控制、緩解的機制。這種方法可以讓學生們可以快速的理解擁塞控制的概念和設計思路，還可以啟發他們的設計思路。

（2）強調與其他學科已有知識的不同：結合課程交叉學科的特點，也為了鞏固學生的已學知識，教師在涉及到其他學科已學知識的時候首先提問學生已學知識，基于感知律［2］對教學效果的影響，通過對比無線傳感網中的新知識和其他學科中的已學知識的不同來增強學生的學習效果，也讓學生加深理解無線傳感網的設計特點。例如在介紹傳輸層協議時，可以首先回顧計算機網絡中的UDP和TCP協議，向學生提問UDP和TCP協議是否適用于無線傳感網絡，不僅溫習了已有知識，也可以激發學生對新知識的思考，并通過對比加深對新知識的掌握。

2.2 新興和快速發展的特點

（1）實時更新教學內容：教學內容中除了教材上的內容多增加一些前沿技術的介紹，例如定位部分也可以增加新穎的室內定位技術（基于指紋的定位方法、基于視覺傳感器的定位等），能量管理部分也可以增加能量采集模塊的介紹等。這些前沿技術的介紹要注意主要介紹基本思路，著眼于給學生展示其應用場景、發展現狀、發展前景等，激發學生的興趣和創造性。

（2）課堂報告：結合課程新興和快速發展的特點，也為了培養學生快速學習新技術的能力，我們設計一個課程規劃允許的課堂報告形式。教師擬定大概的話題方向、提供可供選擇的新穎話題、鼓勵學生自己發現新的報告話題。報告的題目涉及人工智能、交通、定位等領域相關的無線傳感器網絡的話題。報告形式為報告人報告和聽眾提問。團隊由3-4人組成,各自分工一部分,分別講述。最后教師以話題的深度／廣度、話題的重要性和影響力、匯報技巧等為評分標準給出評估結果。

（3）訓練搜索文獻能力：為進行科學研究、了解新興技術研究現狀和最新發展狀況，搜索文獻收集信息的能力非常重要。教師會提供課程相關的資源網址、搜索引擎等，培養學生自己動手搜索文獻、收集需要信息的能力。這不僅對本課程有所幫助，對以后的學習和工作都會有所裨益。

2.3 應用相關性強

（1）評價練習：結合課程應用相關性的特點，也為了培養學生的思辨能力，教師在介紹每個知識點的時候都會強調該知識點的適用范圍，評價其優點和缺點。給學生示范思考的方式并要求學生在學習重要知識點后進行小型討論對其評價，得到相對完善的評價結果，養成思辨習慣。教師會隨機提問，并針對其評價結果進行引導式的修正。每節課會進行5次以上的小型討論。

（2）模擬設計：結合課程應用相關性的特點，也為了培養學生的綜合設計的能力，教師會給出假設應用場景，如火災監測應用，讓學生小組討論如何設計無線傳感器網絡，并給出網絡系統框架圖，考察其思維能力和知識的綜合掌握能力。

（3）和實驗課程相結合：結合課程應用相關性的特點，也為了培養學生的實踐能力，教師會結合實驗課程，實驗內容的選擇和教學內容相結合，通過實驗加深對教學內容的理解。

需要注意的是，以上解決方案并不是相互獨立的，需要互相配合才能達到良好的效果。經過數周的教學，學生們已經養成了對教學知識點思考的習慣，并發展出了對無線傳感網初步的設計思路，為以后的學習和工作奠定了基礎。

3 結語

本文針對無線傳感器網絡課程,分析了課程的特點和帶來的挑戰，結合自身的教學經驗分別提出了解決不同挑戰、有效提升學生學習效果的教學方法。

[1]崔遜學,左從菊.無線傳感器網絡簡明教程.北京：清華大學出版社，2015.

[2]譚頂良.高等教育心理學[M].南京：河海大學出版社，2009.

The Challenges of How to Teach Wireless Sensor Networks and Efficient Solutions

HAO Jie

（College of Computer Science and Technology,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 211106）

Wireless Sensor Networks is one of the fundamental courses for the Internet of Things major.The main concerns of this course include not only the basic knowledge of WSNs,but also the design discipline of WSNs according to practical applications.Analyzes the characteristics and challenges of the course,and then proposes efficient solutions which aim to help the students to grow their interest in their major and develop the concept of the network design.

Wireless Sensor Networks;Course;IoT

國家自然科學基金（No.BK20160807）

1007-1423（2017）35-0075-03

10.3969/j.issn.1007-1423.2017.35.016

郝潔（1988-），女，山東青州人，博士，研究方向為無線傳感器網絡

2016-12-01

2016-12-13