課堂情景化教學方法的設計與實踐
——以“無線傳感器網絡”課程為例

潘志剛

（1.西安郵電大學 自動化學院，陜西 西安 710121；2.西安理工大學 信息與控制工程國家級實驗教學示范中心，陜西 西安 710048）

0 引 言

“無線傳感器網絡”是測控技術與儀器專業的一門重要專業課程，也是該專業以信息科學技術為特色重點發展的研究方向。課程圍繞傳感器技術、計算機技術、通信技術等先進技術來塑造學生的多元化能力，為學生從事測量與控制領域的科學研究和工程實踐夯實基礎。但原有的教學方法和設計對于學生來說比較單一，不能達到良好的教學效果[1-3]。本文以西安郵電大學測控技術與儀器專業的學生為對象，探索“無線傳感器網絡”課程的情景教學模式[4-6]，以更強代入感，讓學生親身體驗、知行合一，使學生的能力得到提高、境界有所升華[7]。

本文針對無線傳感器網絡課程進行情景化教學方法探索，并通過三個具體教學設計案例展示情景教學中師生、生生互動的教學過程，以此達到讓學生積極主動參與、合作共創的目的。

1 課程教學現狀

“無線傳感器網絡”集傳感器、計算機和通信等技術于一體，所涉及的知識面較廣[8-10]，而測控技術與儀器專業的學生在計算機網絡和通信技術方面的基礎相對薄弱，這就導致“無線傳感器網絡”課程建設充滿了挑戰性。教師通常會采用講授法，按照教材的章節安排教學內容，但這樣做需要注意兩個方面的問題：首先，對于教師來講，現有專門針對測控技術與儀器專業的無線傳感器網絡教材較少。教師在按照教材的章節安排教學內容的同時，需要根據本專業的教學進程總體安排和學生特點，理順現有教材各章節知識點的前后銜接關系，增補一些與課程相關的基礎知識；同時把握當前技術的發展方向，不斷更新教學內容，讓學生始終緊跟技術發展的步伐。這就要求教師具備廣泛的專業知識、扎實的專業基礎，這樣才能深入透徹地掌握無線傳感網絡的知識點，進行較高質量的教學。其次，對于學生來講，理論知識必然是枯燥的，如果教師采用灌輸式教學方法，勢必會造成學生學習興趣低下，注意力不能始終聚焦到課堂上，學習效果差。

除了講授法以外，教師還會采用“對比”啟發式教學方法。無線傳感器網絡的許多理論和技術都是在現有無線網絡通信協議和技術背景下，根據無線傳感器網絡節點的限制和組網的特點改進而來的。教師在進行教學設計時，首先要介紹現有無線通信協議和技術，然后讓學生判斷是否能夠直接應用到無線傳感器網絡，如果不能則要說明可以從哪些方面進行改進。教師要充分發揮引領作用，在課堂設計過程中要時常提出問題，并不斷追問，這樣學生的學習興趣才可能有所提高，主動性得到加強。雖然上述方法能夠在一定程度上緩解學生的學習困難，但學生的參與感仍不夠，所學知識始終在想象中構建，無法讓學生實際體驗協議和技術的實現過程，達不到良好的教學效果。盡管課內實驗環節能夠對學生參與少的不足有所彌補，但在有限的學時內還是不能涉及到所有的理論和技術。因此，授課教師不斷探索出一種高效的、能夠激發學生主動參與的課堂教學方式。

2 情景教學模式的構建

無線傳感器網絡是由大量傳感器節點組成，通過協作完成網絡覆蓋范圍內監測信息的探測、處理和傳輸，最終到達匯聚節點并轉發給用戶[5]。將課堂教學類比無線傳感器網絡，把學生當成大量的傳感器節點，把老師當成匯聚節點，如圖1所示。按照教學大綱，再結合巧妙的教學設計，就可以使整個課堂像無線傳感器網絡一樣運作起來?？菰锏穆酚蓞f議、介質訪問控制協議、關鍵技術等理論知識都可以情景化地在學生和教師之間完成理論演示。在互動過程中會出現各種意想不到的問題，同學們在解決問題的過程中，不僅會檢驗自己對已學知識的掌握程度，也會為后續知識的學習打下基礎。采用這種情景教學法，無疑可以讓每一個學生身臨其境，感受無線傳感器網絡的真實運作，能夠讓師生雙方都獲得進步和成就感。

圖1 無線傳感器網絡

3 教學設計案例

3.1 定向擴散路由協議

（1）定向擴散原理

匯聚節點通過興趣消息發出查詢任務，采用洪泛方式傳播興趣消息到整個區域內的傳感器節點。興趣消息在擴散的過程中也反向建立了路由路徑，與“興趣”匹配的節點通過路徑傳送數據到匯聚節點[6]。定向擴散路由機制可以分為周期性的興趣擴散、梯度建立以及路徑加強三個階段。

（2）情景教學設計

角色：匯聚節點、傳感器節點。

角色扮演：教師作為匯聚節點；學生作為傳感器節點，如圖2所示。

圖2 定向擴散原理情景設計

（3）模擬步驟如下：

（a）在興趣擴散階段，教師周期性地向鄰居同學廣播興趣消息，興趣消息包含任務類型、目標區域、數據發送速率、時間戳等參數。每個學生在紙上做一個興趣列表，包含發來該興趣消息的鄰居學生姓名、數據發送速率以及時間戳等信息，以建立該學生到老師傳遞數據的梯度關系。學生要根據收到的興趣消息更新興趣列表。

（b）教師按照興趣消息中的任務類型任意指定一名學生，讓他把自己想要傳遞的數據發送到梯度關系上的鄰居節點；由于該學生有可能從多個鄰居學生處收到興趣消息，所以該學生向多個鄰居學生發送數據，教師可能收到多個路徑的相同數據。數據傳遞路徑中間的學生在收到其他學生發來的轉發數據后，要先看自己的興趣列表里有沒有匹配的數據項，如果沒有，就丟棄數據；如果存在，則檢查是否發送過，發送過就丟棄，否則就向列表中的鄰居學生發送該信息。

（c）教師收到數據后，可以按照不同的標準進行路徑加強。

（4）控制變量：節點數量、信息的生存期、節點的通信距離、節點的分布。

3.2 基于分簇網絡的MAC協議

（1）基于分簇網絡的MAC協議原理

所有傳感器節點被固定劃分或自動形成多個簇，每個簇內有一個簇頭節點。簇頭節點負責為簇內所有傳感器節點分配時槽，收集和處理簇內傳感器節點發來的數據，并將數據發送給匯聚節點[3]。

（2）情景教學設計

角色：匯聚節點、簇頭節點和簇內傳感器節點。

角色扮演：匯聚節點由教師或班長扮演；對教室進行區域劃分，各區域內學生自動形成一個簇，并推舉一名學生作為簇頭節點，其他學生為簇內傳感器節點，如圖3所示。

圖3 基于分簇網絡的MAC協議情景設計

（3）模擬步驟如下：

（a）扮演簇頭的學生負責時間幀的劃分和安排，并與所有簇內同學通信。

（b）簇內學生有四種狀態，分別為感應、轉發、感應并轉發、非活動狀態。簇內學生根據狀態完成相應功能，并根據簇頭學生制定的時間幀安排與簇頭學生通信。

（4）控制變量：簇內節點數量、節點能量、拓撲結構。

3.3 距離向量-跳段DV-Hop定位技術

（1）DV-Hop定位技術原理

在距離向量定位機制中，未知節點首先計算與信標節點的最小跳數，然后估算平均每跳的距離，利用最小跳數乘以平均每跳距離，得到未知節點與信標節點之間的估計距離，再利用三邊測量法或極大似然估計法計算未知節點的坐標[3]。

（2）情景教學設計

角色：未知節點、信標節點和其他節點。

角色扮演：教師指定三個以上學生作為信標節點，在剩余學生中隨機選擇幾位學生作為未知節點，其余學生作為其他節點，如圖4所示。

圖4 DV-Hop定位技術原理情景設計

（4）模擬步驟如下：

（a）扮演信標節點的學生向鄰居學生發送其位置信息，包含跳數字段，初始為零。

（b）接收到信標信息的學生，要記錄到信標學生的最小跳數，忽略來自同一個信標學生發出的較大跳數的信息，然后將跳數值加1并轉發該消息。以此類推，班級所有學生都能記錄到每個信標學生的最小跳數。

（c）扮演信標節點的學生要根據步驟（b）的信息來計算平均每跳的實際距離，然后將帶有生存期的這條信息轉發出去。

（d）扮演未知節點的學生只記錄接收到的第一個平均每跳距離，并轉發給鄰居節點學生。

（e）未知節點的學生利用已有信息計算自身未知。

（4）控制變量：信標節點數量、信息的生存期、節點的通信距離、節點的分布。

4 結 語

通過在西安郵電大學測控技術與儀器專業的“無線傳感器網絡”課程中進行情景教學嘗試，提高了學生的學習興趣和專注力，激發了學生對問題進行深入思考的主動性，更加注重知識點之間的聯系。針對應用場景，能夠綜合考慮經濟、環境、安全、健康、法律等因素，深入利用關鍵技術，為設計優質的應用系統打下基礎，并能夠在設計中體現創新意識。