以“學(xué)-改-創(chuàng)”為核心理念的《無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)》教學(xué)模式探討

彭維平，宋成，倪水平，王磊

《無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)》是高等學(xué)校計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)，特別是物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的專業(yè)必修課程。作為物聯(lián)網(wǎng)最重要的基礎(chǔ)支撐技術(shù)之一，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一種新型的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)得到了廣泛的關(guān)注。然而，在無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，仍然存在較多需要解決的技術(shù)問(wèn)題，包括無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本傳輸技術(shù)、路由覆蓋和拓?fù)浼夹g(shù)、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位跟蹤與時(shí)間同步技術(shù)以及傳感器網(wǎng)絡(luò)安全等關(guān)鍵技術(shù)。因而，國(guó)內(nèi)很多高校在研究生階段開(kāi)設(shè)了該課程，這些關(guān)鍵技術(shù)均為物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)方向研究生的研究熱點(diǎn)。

一 課程教學(xué)的目的及存在的問(wèn)題

對(duì)于研究生階段開(kāi)設(shè)本門課程，不同于本科階段的教學(xué)[1,2]，除了要求學(xué)生掌握無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的基本傳輸技術(shù)、無(wú)線局域網(wǎng)、無(wú)線個(gè)人網(wǎng)、傳感器網(wǎng)絡(luò)等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及其基本原理之外，更重要的是要熟悉現(xiàn)有的各種協(xié)議和算法的設(shè)計(jì)思想，培養(yǎng)學(xué)生構(gòu)造系統(tǒng)性的研究思路；學(xué)習(xí)不同的學(xué)者解決同一問(wèn)題的不同思路和方法，開(kāi)闊學(xué)生做科學(xué)研究的視野；學(xué)會(huì)運(yùn)用其它領(lǐng)域的現(xiàn)代信息理論技術(shù)解決另一領(lǐng)域問(wèn)題的新思路和新方法，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)；為后續(xù)分析和研究這些網(wǎng)絡(luò)中存在的問(wèn)題提供指導(dǎo)。

但目前來(lái)說(shuō)，在面向研究生的課程教學(xué)中，傳統(tǒng)的面向本科教學(xué)的課程內(nèi)容、教學(xué)方法等方面均存在不足，特別是在以下幾個(gè)方面。

1. 課程體系以技術(shù)應(yīng)用為導(dǎo)向。

2. 研究生普遍動(dòng)手能力較弱，理論與實(shí)踐脫節(jié)[3]。

3. 缺乏完善的各核心技術(shù)（路由、定位跟蹤與時(shí)間同步等關(guān)鍵技術(shù)）算法庫(kù)。

4. 自主學(xué)習(xí)資源少。

5. 學(xué)生的獨(dú)立創(chuàng)新能力有待提高。

因而，基于目前該門課程在教學(xué)實(shí)踐過(guò)程中存在的許多現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，本文提出一種以“學(xué)-改-創(chuàng)”為核心理念的《無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)》教學(xué)改革模式，期望為更多的算法或協(xié)議設(shè)計(jì)類課程的教學(xué)提供一定的參考。

二 教學(xué)改革新模式

（一）建立合理的課程內(nèi)容體系

本課程主要內(nèi)容包括無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)跨層體系結(jié)構(gòu)、基本傳輸技術(shù)、路由覆蓋和拓?fù)浼夹g(shù)、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位跟蹤與時(shí)間同步技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)。有別于本科階段的教學(xué)，其主要內(nèi)容可規(guī)劃以下幾個(gè)方面。

1. 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

主要內(nèi)容包括無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)基本概念、現(xiàn)狀和發(fā)展歷程；無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)、研究熱點(diǎn)、主要應(yīng)用領(lǐng)域及相關(guān)案例。

2. 物理層和MAC層協(xié)議分析

主要內(nèi)容包括基于競(jìng)爭(zhēng)的信道接入?yún)f(xié)議類型及原理、基于固定分配及按需分配的信道接入技術(shù)。其中競(jìng)爭(zhēng)型MAC協(xié)議：SMAC，TMAC，PMAC等；分配型 MAC協(xié)議：TDMA等。

3. 路由協(xié)議分析

主要內(nèi)容包括能量感知路由協(xié)議、以數(shù)據(jù)為中心、分層路由協(xié)議、地理位置路由和基于Qos的路由協(xié)議。其中，能量感知路由協(xié)議包括基本能量感知路由和能量多徑路由；以數(shù)據(jù)為中心的路由協(xié)議包括Flooding協(xié)議、SPIN協(xié)議、DD協(xié)議等；分層路由協(xié)議包括LEACH協(xié)議 PEGASIS協(xié)議 TEEN協(xié)議等；地理位置路由包括GPSR協(xié)議、GEAR協(xié)議等；Qos路由包括SAR協(xié)議等。

4. 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)支撐技術(shù)——定位技術(shù)

主要內(nèi)容包括基于測(cè)距的定位技術(shù)、無(wú)需測(cè)距的定位技術(shù)，以及典型定位系統(tǒng)。

現(xiàn)有無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的定位方法： Cricket定位系統(tǒng)、質(zhì)心定位算法、TOA和TDOA定位方法、AOA定位算法、RSSI定位方法和DV-HOP定位方法等。

5. 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)支撐技術(shù)——時(shí)間同步技術(shù)

主要內(nèi)容包括無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步技術(shù)的基本概念和原理，重點(diǎn)是發(fā)送者-接收者同步模式和接收者-接收者同步模式?，F(xiàn)有的時(shí)間同步協(xié)議包括：LTS協(xié)議、RBS協(xié)議、TPSN協(xié)議、DMTS協(xié)議、FTSP協(xié)議、HRTS協(xié)議和GCS協(xié)議等。

6. 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)支撐技術(shù)——數(shù)據(jù)融合技術(shù)

主要內(nèi)容有多傳感器數(shù)據(jù)融合的作用、分類和主要方法。重點(diǎn)內(nèi)容是基于貝葉斯的數(shù)據(jù)融合方法和基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)融合方法。

（二）“學(xué)-改-創(chuàng)”為核心理念的課程教學(xué)方法

根據(jù)本門課程的性質(zhì)和特征，我們擬采用“基礎(chǔ)知識(shí)加強(qiáng)學(xué)習(xí)，核心算法改進(jìn)到提出創(chuàng)新”的教學(xué)模式，因而擬將教學(xué)內(nèi)容分為四個(gè)組成部分：基礎(chǔ)理論部分，現(xiàn)有協(xié)議和算法的分析，協(xié)議和算法的改進(jìn)嘗試以及學(xué)科前沿的新協(xié)議和算法的研讀。

1. 基礎(chǔ)理論部分的學(xué)習(xí)

重點(diǎn)是讓學(xué)生了解WSN的的發(fā)展過(guò)程以及WSN 的現(xiàn)狀；理解WSN的體系結(jié)構(gòu)，了解WSN的應(yīng)用前景；掌握計(jì)WSN的基本概念、組成；掌握物理層、MAC層和網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計(jì)的主要技術(shù)原理；了解通信信道的概念及其劃分，CSMA/CA以及隨機(jī)退避防沖突機(jī)制；理解并掌握無(wú)線傳感器的路由技術(shù)、時(shí)間同步技術(shù)、定位技術(shù)、數(shù)據(jù)融合技術(shù)以及安全相關(guān)的基本概念和原理。該部分內(nèi)容主要以教師講授為主。

2. 現(xiàn)有協(xié)議和算法的分析、實(shí)現(xiàn)和仿真

通過(guò)對(duì)已有典型算法和協(xié)議的講解和分析，讓學(xué)生對(duì)MAC層的介質(zhì)訪問(wèn)控制機(jī)制和防沖突機(jī)制、路由協(xié)議、時(shí)間同步協(xié)議、定位算法、數(shù)據(jù)融合算法等有深入的理解，掌握這些算法的設(shè)計(jì)思想以及優(yōu)缺點(diǎn)；然后對(duì)學(xué)生進(jìn)行分組，為每個(gè)小組分配不同的算法實(shí)現(xiàn)和仿真測(cè)試任務(wù)，最后每個(gè)小組進(jìn)行算法設(shè)計(jì)和仿真測(cè)試的匯報(bào)和講解，以此達(dá)到共同學(xué)習(xí)的目的。該部分內(nèi)容主要以討論和學(xué)生實(shí)踐為主，教師講授為輔。

3. 現(xiàn)有協(xié)議和算法的改進(jìn)

通過(guò)第二階段的學(xué)習(xí)和算法仿真測(cè)試，充分分析每個(gè)算法的優(yōu)缺點(diǎn)，要求根據(jù)現(xiàn)有協(xié)議和算法，提出創(chuàng)新性的改進(jìn)措施和方案，并將設(shè)計(jì)的方案通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)，并和現(xiàn)有相關(guān)協(xié)議進(jìn)行比較，得到仿真的比較結(jié)果，最后向老師和所有同學(xué)做講解。以此，不僅要求學(xué)生能夠?qū)f(xié)議和算法能真正掌握好，而且能夠有所創(chuàng)新，提出自己的新觀點(diǎn)、新方法。該部分內(nèi)容擬以學(xué)生自主創(chuàng)新實(shí)踐為主，課堂討論為輔。

4. 最新協(xié)議和算法的研讀、提出新的設(shè)計(jì)思想

主講教師將課題組在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的最近研究成果和論文設(shè)計(jì)思想傳授給學(xué)生，并將國(guó)內(nèi)外該領(lǐng)域其他專家學(xué)者最新發(fā)表的研究論文提供給學(xué)生學(xué)習(xí)和討論，緊跟學(xué)術(shù)前沿，以此來(lái)拓展學(xué)生的知識(shí)面和深度，并且做一些創(chuàng)新性的研究。該部分由主講教師和學(xué)生共同完成。

（三）“成果導(dǎo)向”的實(shí)踐性教學(xué)設(shè)計(jì)

實(shí)踐性教學(xué)的目的是調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和能動(dòng)性，理論與實(shí)踐相結(jié)合，使學(xué)生真正掌握無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的基本理論和技術(shù)，進(jìn)一步提高其分析問(wèn)題、解決問(wèn)題和理論創(chuàng)新的能力，培養(yǎng)學(xué)生形成良好的科研方法與獲取知識(shí)的能力。

1. 加深對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)理論和基本知識(shí)的理解，掌握無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的理論和技術(shù)。對(duì)學(xué)生進(jìn)行分組，為每個(gè)小組分配不同的算法實(shí)現(xiàn)和仿真測(cè)試任務(wù)，最后每個(gè)小組進(jìn)行算法設(shè)計(jì)和仿真測(cè)試的匯報(bào)和講解，以此達(dá)到共同學(xué)習(xí)的目的。

2. 充分體現(xiàn)“教師指導(dǎo)下的以學(xué)生為中心”的教學(xué)模式。以學(xué)生為認(rèn)知主體，著力培養(yǎng)學(xué)生良好的科研方法。除了每個(gè)小組進(jìn)行已有算法的設(shè)計(jì)和仿真測(cè)試的匯報(bào)和講解之外，要求學(xué)生能根據(jù)現(xiàn)有協(xié)議和算法，提出創(chuàng)新性的改進(jìn)措施和方案，并將設(shè)計(jì)的方案通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)，并和現(xiàn)有相關(guān)協(xié)議進(jìn)行比較，得到仿真的比較結(jié)果，最后向老師和所有同學(xué)做講解。以此，不僅要求學(xué)生能夠?qū)f(xié)議和算法能真正掌握好，而且能夠有所創(chuàng)新，提出自己的新觀點(diǎn)、新方法。

三 重點(diǎn)難點(diǎn)

本課程教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)在于我們擬采用的循序漸進(jìn)的教學(xué)模式，是否能將基礎(chǔ)理論、現(xiàn)有協(xié)議和算法的分析、協(xié)議和算法的改進(jìn)嘗試以及學(xué)科前沿的新協(xié)議和算法的研讀四個(gè)教學(xué)組成部分，以小組教學(xué)為主要形式，采用討論式教學(xué)模式，通過(guò)分析各種支撐技術(shù)采用的協(xié)議、算法，并通過(guò)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合，讓學(xué)生實(shí)際動(dòng)手，真正從理論到實(shí)踐，從而達(dá)到較好的教學(xué)效果。

其中，基礎(chǔ)理論部分的學(xué)習(xí)重點(diǎn)是讓學(xué)生了解WSN的的發(fā)展過(guò)程以及掌握無(wú)線傳感器的路由技術(shù)、時(shí)間同步技術(shù)、定位技術(shù)、數(shù)據(jù)融合技術(shù)以及安全相關(guān)的基本概念和原理。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)入第二階段現(xiàn)有協(xié)議和算法的分析、實(shí)現(xiàn)和仿真部分，還需要構(gòu)造完善的各核心技術(shù)算法庫(kù)，由于研究生普遍動(dòng)手能力較弱，因而其動(dòng)手能力還需進(jìn)一步增強(qiáng)，更好地突出教學(xué)內(nèi)容多元化和學(xué)生實(shí)際能力的培養(yǎng)。

另外，在第三階段現(xiàn)有協(xié)議和算法的改進(jìn)部分中，對(duì)研究生提出了更高的要求。本部分以學(xué)生自主創(chuàng)新實(shí)踐為主，課堂討論為輔，需要研究生通過(guò)第二階段的學(xué)習(xí)和算法仿真測(cè)試，充分分析每個(gè)算法的優(yōu)缺點(diǎn)，提出創(chuàng)新性的改進(jìn)措施和方案，并將設(shè)計(jì)的方案通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)，并和現(xiàn)有相關(guān)協(xié)議進(jìn)行比較，得到仿真的比較結(jié)果。

四 結(jié)語(yǔ)

研究生階段更注重創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)，課程學(xué)習(xí)不在于學(xué)習(xí)技術(shù)，更重要的是學(xué)習(xí)做科研的思路和方法。以 “學(xué)-改-創(chuàng)”為核心理念的課程教學(xué)模式，采用“基礎(chǔ)知識(shí)加強(qiáng)學(xué)習(xí)，核心算法實(shí)現(xiàn)改進(jìn)到嘗試提出創(chuàng)新”的教學(xué)新方法，結(jié)合“成果導(dǎo)向”的實(shí)踐性教學(xué)設(shè)計(jì)思想， 能較好地鍛煉學(xué)生掌握科研方法，培養(yǎng)學(xué)生構(gòu)造系統(tǒng)性 的研究思路，開(kāi)闊學(xué)生做科學(xué)研究的視野，學(xué)會(huì)運(yùn)用其它領(lǐng)域的現(xiàn)代信息理論技術(shù)解決另一領(lǐng)域問(wèn)題的新思路和新方法，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。