《無線傳感器網(wǎng)絡(luò)》課程特點(diǎn)、挑戰(zhàn)和解決方案

郝潔

（南京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，南京 211106）

《無線傳感器網(wǎng)絡(luò)》課程特點(diǎn)、挑戰(zhàn)和解決方案

郝潔

（南京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，南京 211106）

《無線傳感器網(wǎng)絡(luò)》是物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的必修基礎(chǔ)課程之一,為物聯(lián)網(wǎng)的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。如何將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的知識(shí)和設(shè)計(jì)思想快速有效的進(jìn)行傳授成為亟待解決的問題。根據(jù)多年教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的課程特征和其帶來的教學(xué)挑戰(zhàn),提出不同的解決方法以報(bào)告形式、互動(dòng)方式、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)等設(shè)計(jì)一整套課程規(guī)劃，以期實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的教學(xué)新方法。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；本科教學(xué)；物聯(lián)網(wǎng)

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)相比于其他專業(yè)是一門新興專業(yè)仍然處于探索階段，同時(shí)還是一門交叉學(xué)科，涉及到計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、軟件開發(fā)等多門專業(yè)知識(shí)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)技術(shù)之一，是具有重要教學(xué)意義的。同時(shí)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)課程通常在大二或大三，在學(xué)生學(xué)習(xí)了高等數(shù)學(xué)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等基礎(chǔ)課程后接觸到的專業(yè)課，對轉(zhuǎn)變學(xué)生學(xué)習(xí)思維、增強(qiáng)學(xué)生對物聯(lián)網(wǎng)的理解、培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)行無線傳感器網(wǎng)絡(luò)乃至物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)開發(fā)的能力具有重要意義。因而,在此背景下,如何為本科生進(jìn)行無線傳感器網(wǎng)絡(luò)教學(xué)并培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)開發(fā)思維和能力成為一個(gè)亟待解決的問題。

1 課程基本情況分析

經(jīng)過筆者和學(xué)生的交流和實(shí)際教學(xué)情況,本文提出了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)課程的特點(diǎn)和給教學(xué)帶來的挑戰(zhàn)。

交叉學(xué)科：《無線傳感器網(wǎng)絡(luò)》[1]是一門交叉課程，涉及到通信、傳感器、算法等多門學(xué)科的知識(shí)。本課程和本專業(yè)其他課程的交互關(guān)系可以分為兩個(gè)方面：一方面通過學(xué)習(xí)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以鞏固已學(xué)的其他學(xué)科知識(shí)、練習(xí)如何靈活使用已學(xué)到的學(xué)科知識(shí)；另一方面通過學(xué)習(xí)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為以后的更高層次的學(xué)習(xí)打好基礎(chǔ)。本課程在整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)框架下可以和其他課程和諧統(tǒng)一、有機(jī)聯(lián)系。

新興和快速發(fā)展的特點(diǎn)：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一門新興技術(shù)。學(xué)術(shù)界和工業(yè)界對其研究處于各自為政的狀態(tài)。例如其操作系統(tǒng)就有數(shù)十種之多，分別由不同的學(xué)校研究小組或公司開發(fā)完成。現(xiàn)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)化尚未完成，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)仍然在快速開發(fā)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)面向應(yīng)用也使得每新出現(xiàn)新的應(yīng)用都可能有心的協(xié)議和技術(shù)的出現(xiàn)。這些特點(diǎn)都給教學(xué)帶來了挑戰(zhàn)：教學(xué)內(nèi)容要實(shí)時(shí)更新；相較于具體的技術(shù)細(xì)節(jié)，養(yǎng)成有效的思維方式更加重要（例如相較于熟記某一經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議的具體實(shí)現(xiàn)，針對不同的應(yīng)用需求有能力設(shè)計(jì)出適合的協(xié)議這種思維能力更重要）；需要學(xué)生可以快速的理解和掌握新技術(shù)。

應(yīng)用相關(guān)性強(qiáng)：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種應(yīng)用相關(guān)性很強(qiáng)的課程，現(xiàn)在并沒有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的知識(shí)框架，針對每一個(gè)模塊設(shè)計(jì)也沒有最優(yōu)解的情況，每一個(gè)知識(shí)點(diǎn)或關(guān)鍵技術(shù)都會(huì)涉及相適應(yīng)的應(yīng)用場景。因此學(xué)習(xí)每個(gè)技術(shù)點(diǎn)或關(guān)鍵技術(shù)并不是關(guān)鍵，而如何在實(shí)際的應(yīng)用場景下靈活使用知識(shí)點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)才是教學(xué)的重點(diǎn)。

2 解決方法

本節(jié)將對以上每一個(gè)課程特點(diǎn)和給教學(xué)帶來的挑戰(zhàn)，分別提出相應(yīng)的解決方法。

2.1 交叉學(xué)科

（1）強(qiáng)調(diào)與已有知識(shí)如何為本課程服務(wù)：在《無線傳感器網(wǎng)絡(luò)》中有些知識(shí)是學(xué)生在其他課程中學(xué)習(xí)過的，例如學(xué)生在算法中已經(jīng)學(xué)習(xí)過如何找到最短路徑。在進(jìn)行本課程學(xué)習(xí)時(shí)，我們將重點(diǎn)討論無線傳感網(wǎng)中找到最短路徑的具體實(shí)現(xiàn)、可能遇到的能耗問題等，讓學(xué)生鞏固并練習(xí)靈活適用已有知識(shí)。另外，在教學(xué)時(shí)，通常學(xué)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(xué)科中的例子甚至是現(xiàn)實(shí)生活聯(lián)系起來。例如，傳輸層協(xié)議的不同功能，擁塞控制可以很直觀的和交通堵塞聯(lián)系起來，通過引導(dǎo)學(xué)生們聯(lián)想交通堵塞的控制、緩解方法來設(shè)計(jì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中擁塞控制、緩解的機(jī)制。這種方法可以讓學(xué)生們可以快速的理解擁塞控制的概念和設(shè)計(jì)思路，還可以啟發(fā)他們的設(shè)計(jì)思路。

（2）強(qiáng)調(diào)與其他學(xué)科已有知識(shí)的不同：結(jié)合課程交叉學(xué)科的特點(diǎn)，也為了鞏固學(xué)生的已學(xué)知識(shí)，教師在涉及到其他學(xué)科已學(xué)知識(shí)的時(shí)候首先提問學(xué)生已學(xué)知識(shí)，基于感知律［2］對教學(xué)效果的影響，通過對比無線傳感網(wǎng)中的新知識(shí)和其他學(xué)科中的已學(xué)知識(shí)的不同來增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，也讓學(xué)生加深理解無線傳感網(wǎng)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)。例如在介紹傳輸層協(xié)議時(shí)，可以首先回顧計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的UDP和TCP協(xié)議，向?qū)W生提問UDP和TCP協(xié)議是否適用于無線傳感網(wǎng)絡(luò)，不僅溫習(xí)了已有知識(shí)，也可以激發(fā)學(xué)生對新知識(shí)的思考，并通過對比加深對新知識(shí)的掌握。

2.2 新興和快速發(fā)展的特點(diǎn)

（1）實(shí)時(shí)更新教學(xué)內(nèi)容：教學(xué)內(nèi)容中除了教材上的內(nèi)容多增加一些前沿技術(shù)的介紹，例如定位部分也可以增加新穎的室內(nèi)定位技術(shù)（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(shù)的介紹要注意主要介紹基本思路，著眼于給學(xué)生展示其應(yīng)用場景、發(fā)展現(xiàn)狀、發(fā)展前景等，激發(fā)學(xué)生的興趣和創(chuàng)造性。

（2）課堂報(bào)告：結(jié)合課程新興和快速發(fā)展的特點(diǎn)，也為了培養(yǎng)學(xué)生快速學(xué)習(xí)新技術(shù)的能力，我們設(shè)計(jì)一個(gè)課程規(guī)劃允許的課堂報(bào)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(lì)學(xué)生自己發(fā)現(xiàn)新的報(bào)告話題。報(bào)告的題目涉及人工智能、交通、定位等領(lǐng)域相關(guān)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的話題。報(bào)告形式為報(bào)告人報(bào)告和聽眾提問。團(tuán)隊(duì)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(bào)技巧等為評分標(biāo)準(zhǔn)給出評估結(jié)果。

（3）訓(xùn)練搜索文獻(xiàn)能力：為進(jìn)行科學(xué)研究、了解新興技術(shù)研究現(xiàn)狀和最新發(fā)展?fàn)顩r，搜索文獻(xiàn)收集信息的能力非常重要。教師會(huì)提供課程相關(guān)的資源網(wǎng)址、搜索引擎等，培養(yǎng)學(xué)生自己動(dòng)手搜索文獻(xiàn)、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(xué)習(xí)和工作都會(huì)有所裨益。

2.3 應(yīng)用相關(guān)性強(qiáng)

（1）評價(jià)練習(xí)：結(jié)合課程應(yīng)用相關(guān)性的特點(diǎn)，也為了培養(yǎng)學(xué)生的思辨能力，教師在介紹每個(gè)知識(shí)點(diǎn)的時(shí)候都會(huì)強(qiáng)調(diào)該知識(shí)點(diǎn)的適用范圍，評價(jià)其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。給學(xué)生示范思考的方式并要求學(xué)生在學(xué)習(xí)重要知識(shí)點(diǎn)后進(jìn)行小型討論對其評價(jià)，得到相對完善的評價(jià)結(jié)果，養(yǎng)成思辨習(xí)慣。教師會(huì)隨機(jī)提問，并針對其評價(jià)結(jié)果進(jìn)行引導(dǎo)式的修正。每節(jié)課會(huì)進(jìn)行5次以上的小型討論。

（2）模擬設(shè)計(jì)：結(jié)合課程應(yīng)用相關(guān)性的特點(diǎn)，也為了培養(yǎng)學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)的能力，教師會(huì)給出假設(shè)應(yīng)用場景，如火災(zāi)監(jiān)測應(yīng)用，讓學(xué)生小組討論如何設(shè)計(jì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，并給出網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)框架圖，考察其思維能力和知識(shí)的綜合掌握能力。

（3）和實(shí)驗(yàn)課程相結(jié)合：結(jié)合課程應(yīng)用相關(guān)性的特點(diǎn)，也為了培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力，教師會(huì)結(jié)合實(shí)驗(yàn)課程，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的選擇和教學(xué)內(nèi)容相結(jié)合，通過實(shí)驗(yàn)加深對教學(xué)內(nèi)容的理解。

需要注意的是，以上解決方案并不是相互獨(dú)立的，需要互相配合才能達(dá)到良好的效果。經(jīng)過數(shù)周的教學(xué)，學(xué)生們已經(jīng)養(yǎng)成了對教學(xué)知識(shí)點(diǎn)思考的習(xí)慣，并發(fā)展出了對無線傳感網(wǎng)初步的設(shè)計(jì)思路，為以后的學(xué)習(xí)和工作奠定了基礎(chǔ)。

3 結(jié)語

本文針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)課程,分析了課程的特點(diǎn)和帶來的挑戰(zhàn)，結(jié)合自身的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)分別提出了解決不同挑戰(zhàn)、有效提升學(xué)生學(xué)習(xí)效果的教學(xué)方法。

[1]崔遜學(xué),左從菊.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)簡明教程.北京：清華大學(xué)出版社，2015.

[2]譚頂良.高等教育心理學(xué)[M].南京：河海大學(xué)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(xué)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?yàn)闊o線傳感器網(wǎng)絡(luò)

2016-12-01

2016-12-13