基于云計(jì)算的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)研究

聶萌瑤，王慶喜

（安陽(yáng)工學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)與信息工程學(xué)院，河南 安陽(yáng) 455000）

基于云計(jì)算的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)研究

聶萌瑤，王慶喜

（安陽(yáng)工學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)與信息工程學(xué)院，河南 安陽(yáng) 455000）

基于筆者對(duì)云計(jì)算的學(xué)習(xí)和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的教學(xué)經(jīng)歷，文章從云計(jì)算的角度對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)這門(mén)課程的教學(xué)模式進(jìn)行思考和探索，結(jié)合云計(jì)算的無(wú)線傳感網(wǎng)結(jié)構(gòu)，學(xué)生分組進(jìn)行設(shè)計(jì)模型，將理論與實(shí)踐緊密結(jié)合，進(jìn)而發(fā)散學(xué)生的思維。

云計(jì)算；無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；課程教學(xué)

伴隨著物聯(lián)網(wǎng)于2010年被正式列為我國(guó)五大新興戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)之一，同年我國(guó)教育部首次批準(zhǔn)在高校開(kāi)設(shè)物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)，2012年安陽(yáng)工學(xué)院經(jīng)批準(zhǔn)開(kāi)設(shè)了物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)。此外，云計(jì)算也作為一種新的趨勢(shì)出現(xiàn)在生活的各個(gè)方面，云物聯(lián)這個(gè)名詞也應(yīng)運(yùn)而生。云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)在互聯(lián)網(wǎng)中的關(guān)系是非常微妙的：云計(jì)算是實(shí)現(xiàn)物物相連的基礎(chǔ)，采用云計(jì)算的模式使物聯(lián)網(wǎng)中以兆計(jì)算的各種物品的及時(shí)動(dòng)態(tài)管理和智能分析成為可能。此外，云計(jì)算促進(jìn)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的相互融合，從而為智慧地球的構(gòu)建作了鋪墊[1]。

無(wú)線傳感網(wǎng)（Wireless Sensor Network，WSN）是物聯(lián)網(wǎng)不可或缺的一個(gè)組成部分，因此將云計(jì)算的一些相關(guān)知識(shí)引入“無(wú)線傳感網(wǎng)”課程，對(duì)學(xué)生而言具有十分重要的意義。本文針對(duì)以往本課程的實(shí)際教學(xué)情況，分析存在的問(wèn)題，結(jié)合云計(jì)算的角度，探討本課程的教學(xué)改革意見(jiàn)。

在教學(xué)的整個(gè)過(guò)程中，理論課采用的課本是[2]。由于課程難度大，因而讓學(xué)生用模擬軟件來(lái)完成對(duì)實(shí)踐課程，用到的模擬軟件是Cgwin等，模擬實(shí)驗(yàn)的方法使學(xué)生對(duì)無(wú)線傳感網(wǎng)有了更深層次的認(rèn)識(shí)。

1 無(wú)線傳感網(wǎng)課程的特點(diǎn)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的多跳自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，應(yīng)用廣泛，在高校中開(kāi)設(shè)的此課程，特點(diǎn)如下。

（1）課程涉及的知識(shí)面廣：不僅涉及無(wú)線傳感網(wǎng)的物理層、路由、MAC協(xié)議等一些理論性較抽象的知識(shí)，還包括WSN的仿真平臺(tái)以及開(kāi)發(fā)環(huán)境等實(shí)踐操作平臺(tái)。

（2）難度大：它是一門(mén)交叉性學(xué)科，包括傳感器技術(shù)，通信技術(shù)，嵌入式技術(shù)等，涉及的技術(shù)交叉性強(qiáng)，需要對(duì)每一類技術(shù)都熟悉。

（3）與應(yīng)用相關(guān)，發(fā)展迅速：與現(xiàn)實(shí)生活緊密相連，比如智能交通、智能家居，需要不斷與學(xué)科前沿跟進(jìn)，由于云計(jì)算是一種新型技術(shù)，它在技術(shù)層面與無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)有著密不可分的關(guān)聯(lián)。

2 課程的教學(xué)方法研究與探討

2.1 理論教學(xué)

首先，教材的選擇，目前的教材多種多樣，因而在確定教材前需要自己先找?guī)妆窘滩倪M(jìn)行比對(duì)，根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)以及同行的推薦，篩選出內(nèi)容講解通俗易懂且知識(shí)點(diǎn)全面的教材，另外，國(guó)內(nèi)對(duì)無(wú)線傳感網(wǎng)的研究還處于初級(jí)階段，可以借鑒國(guó)外的一些著作及論文，以便使教師用發(fā)展的眼光和專業(yè)的態(tài)度對(duì)待課程。

其次，在文獻(xiàn)[3]中提出的基于云計(jì)算的無(wú)線傳感網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)，這種新穎的概念是學(xué)生學(xué)習(xí)的一個(gè)脈絡(luò)。在WSN中有3種類型的節(jié)點(diǎn): 傳感器節(jié)點(diǎn)、管理節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)。而在基于云計(jì)算的WSN體系結(jié)構(gòu)中有一組特殊的節(jié)點(diǎn)—云節(jié)點(diǎn)[3]，它們處在WSN區(qū)域中，這些云節(jié)點(diǎn)比WSN中的傳感器節(jié)點(diǎn)具有更豐富的資源和功能，一方面，它們可以與除自己外的傳感器節(jié)點(diǎn)相互通信，并且能夠收集附近傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，又被稱為匯聚節(jié)點(diǎn)，另一方面，這些節(jié)點(diǎn)構(gòu)成云，是云的一部分；傳感器節(jié)點(diǎn)將感知到的數(shù)據(jù)以多跳的方式發(fā)送到某一個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)，匯聚點(diǎn)再將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到云中。把數(shù)據(jù)發(fā)往同一個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)的傳感器構(gòu)成一個(gè)組，這種組為分區(qū)（zone）。對(duì)每一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，整個(gè)云就是一個(gè)虛擬匯聚節(jié)點(diǎn)（Virtual Sink，VS）。在學(xué)習(xí)的過(guò)程中，讓學(xué)生充分理解基于云計(jì)算的WSN體系結(jié)構(gòu)，并把它融合到新模型中，這是學(xué)習(xí)無(wú)線傳感網(wǎng)課程的一個(gè)新思路。

2.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)

基于以上的想法，不是使用傳統(tǒng)的“教師教學(xué)生學(xué)”的方法，而是讓學(xué)生充分參與其中，以學(xué)生為主導(dǎo)，讓他們選擇與無(wú)線傳感網(wǎng)有關(guān)的課題，結(jié)合云計(jì)算的WSN體系結(jié)構(gòu)，以小組為單位設(shè)計(jì)新的無(wú)線傳感網(wǎng)模型，并選派一人或多人在課堂上與大家共同分享各自的模型。此方法主要有7個(gè)環(huán)節(jié)：

（1）基礎(chǔ)理論學(xué)習(xí)；（2）分析云計(jì)算的WSN結(jié)構(gòu)；（3）篩選無(wú)線傳感網(wǎng)模型；（4）以小組為單位完成新課題的設(shè)計(jì)；（5）展示或演示新課題；（6）討論新課題，啟發(fā)對(duì)于云計(jì)算以及WSN的學(xué)習(xí)思路；（7）撰寫(xiě)總結(jié)報(bào)告。

在這7個(gè)步驟中，是環(huán)環(huán)相扣的，具體的流程如下：

一是理論課的學(xué)習(xí)。理論課的學(xué)習(xí)是一個(gè)枯燥的過(guò)程，因而在授課的過(guò)程中必須找一些具體的實(shí)例在課堂上展示，通過(guò)案例教學(xué)來(lái)激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)無(wú)線傳感網(wǎng)基礎(chǔ)理論的學(xué)習(xí)。比如無(wú)線傳感網(wǎng)路由協(xié)議這一部分內(nèi)容非常抽象，但是可以類比在學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用，去除學(xué)生對(duì)無(wú)線傳感網(wǎng)的恐懼心理。除此之外，對(duì)于無(wú)線傳感網(wǎng)的編程語(yǔ)言及模擬軟件的軟件也是基礎(chǔ)學(xué)習(xí)的過(guò)程，要求學(xué)生能夠熟練掌握，為設(shè)計(jì)新課題做好鋪墊。

二是分析云計(jì)算的無(wú)線傳感網(wǎng)結(jié)構(gòu)。由于云計(jì)算本身就是一個(gè)抽象的概念，因而必須理解它的結(jié)構(gòu)，讓學(xué)生參考有關(guān)云計(jì)算最新的文獻(xiàn)及書(shū)籍，并結(jié)合無(wú)線傳感網(wǎng)進(jìn)行思考。

三是選擇合適的無(wú)線傳感網(wǎng)模型。篩選的原則是簡(jiǎn)單，易懂且成熟的小型無(wú)線傳感網(wǎng)模型，比如智能家居、智能大棚等這些成熟的模型。

四是以小組為單位完成新課題的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)方案的過(guò)程是學(xué)習(xí)過(guò)程中最重要的部分，這也決定了學(xué)生在學(xué)習(xí)這門(mén)課程的效果。小組確定好課題后，首先明確整個(gè)課題的方案，接著可以細(xì)化小組成員的具體任務(wù)，由小組成員獨(dú)立完成各自的分工，這樣有利于培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力，小組成員完成后再進(jìn)行討論，形成本小組設(shè)計(jì)的模型。

五是演示方案。設(shè)計(jì)完成后是具體的實(shí)踐環(huán)節(jié)，因?yàn)槊總€(gè)小組內(nèi)成員的程度有區(qū)分，因而可以給他們?cè)O(shè)定不同的標(biāo)準(zhǔn)，如若不能完成整個(gè)環(huán)境的搭建演示過(guò)程，可以選派一人講解整個(gè)新課題的設(shè)計(jì)思路，如若可以完成具體的實(shí)驗(yàn)過(guò)程及演示，可以讓小組每個(gè)成員闡述所做工作的具體過(guò)程，以及設(shè)計(jì)實(shí)踐過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，包括解決問(wèn)題的具體過(guò)程。

六是討論各小組提出的課題。通過(guò)“找問(wèn)題”和評(píng)測(cè)的方法，讓每個(gè)小組都參與到其他小組的課題中，發(fā)現(xiàn)其他小組的優(yōu)缺點(diǎn)，進(jìn)而加深學(xué)習(xí)無(wú)線傳感網(wǎng)的深度，這樣也可以總結(jié)設(shè)計(jì)過(guò)程中的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)。

七是通過(guò)撰寫(xiě)小組總結(jié)報(bào)告。這使學(xué)生從系統(tǒng)的角度重新理解基于云計(jì)算的WSN，進(jìn)而以創(chuàng)新的思路去學(xué)習(xí)其他相關(guān)課程。這種模式能讓學(xué)生對(duì)知識(shí)有更深入的理解和認(rèn)識(shí)，使學(xué)生從發(fā)展的角度提出問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題。

3 結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)筆者的研究和教學(xué)經(jīng)歷，從云計(jì)算的角度對(duì)無(wú)線傳感網(wǎng)的課程教學(xué)進(jìn)行探索，從課程特點(diǎn)出發(fā)，分析了理論和實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中的思路，這樣的教學(xué)過(guò)程不僅使學(xué)生掌握了本課程的一些知識(shí)，而且明顯提高了學(xué)生的自學(xué)能力，這些思路對(duì)于高校教師教學(xué)具有一定的借鑒價(jià)值。

[1]馬濤.基于云計(jì)算的高校網(wǎng)絡(luò)教育平臺(tái)探究[D].長(zhǎng)春：長(zhǎng)春師范學(xué)院，2012.

[2]曹軍委.基于云計(jì)算的教學(xué)資源共享體系的研究與實(shí)現(xiàn)[D].淮南：安徽理工大學(xué)，2012.

[3]李志強(qiáng).云計(jì)算教育服務(wù)平臺(tái)模型分析和應(yīng)用研究[D].廣州：廣東技術(shù)師范學(xué)院，2013.

[4]賈俊婷.云計(jì)算綜述及云計(jì)算在通信行業(yè)的應(yīng)用[D].呼和浩特：內(nèi)蒙古大學(xué)，2014.

[5]陳思瑜.云計(jì)算平臺(tái)在教學(xué)中的應(yīng)用分析與研究[D].上海：上海師范大學(xué)，2012.

Research on wireless sensor network course teaching based on cloud computing

Nie Mengyao, Wang Qingxi
（Computer Science and Information Engineering School of Anyang Institute of Technology, Anyang 455000, China）

Based on the author’s study of cloud computing and the teaching experience wireless sensor network, this paper explored the teaching mode of the course of wireless sensor network from the perspective of cloud computing. Combing with the wireless sensor network structure of cloud computing, students are divided into two parts to design the mode, which combines theory with practice, and then divergent thinking of students.

cloud computing; wireless sensor network ; course teaching

安陽(yáng)工學(xué)院2016年高等教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目；項(xiàng)目名稱：計(jì)算機(jī)應(yīng)用人才培養(yǎng)保障機(jī)制研究；項(xiàng)目編號(hào)：AGJ2016037。

聶萌瑤（1989— ），女，河南濟(jì)源，碩士，助教；研究方向：智能計(jì)算，云計(jì)算。