“無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)”課程的教學(xué)實(shí)踐與探索

吳迪?朱昌平

摘要：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的三大關(guān)鍵技術(shù)之一。分析了在高校開設(shè)“無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)”課程的必要性，介紹了該課程特點(diǎn)及存在的問(wèn)題，對(duì)于如何合理確定該課程的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了實(shí)踐與探索，并提出具有層次性的啟發(fā)、調(diào)研、驗(yàn)證、創(chuàng)新四階段教學(xué)法。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；教學(xué)內(nèi)容；教學(xué)方法

作者簡(jiǎn)介：吳迪（1980-），女，江蘇徐州人，河海大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院（常州），講師；朱昌平（1956-），男，湖北荊門人，河海大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院（常州），教授。（江蘇?常州?213022）

基金項(xiàng)目：本文系河海大學(xué)常州校區(qū)青年科技基金項(xiàng)目的研究成果。

中圖分類號(hào)：G642.0?????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A?????文章編號(hào)：1007-0079（2012）20-0063-02

國(guó)務(wù)院總理溫家寶于2009年8月在無(wú)錫提出“感知中國(guó)”的中心戰(zhàn)略，并于2010年“兩會(huì)”把物聯(lián)網(wǎng)被寫入“政府工作報(bào)告”，物聯(lián)網(wǎng)被正式列為國(guó)家五大新興戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)之一。同年，教育部下達(dá)了在中國(guó)高校設(shè)置物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)申報(bào)通知，首批批準(zhǔn)開設(shè)物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的有32所大學(xué)，河海大學(xué)（以下簡(jiǎn)稱“我?！保┦瞧渲兄弧?/p>

2005年，國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）正式提出了物聯(lián)網(wǎng)的概念。物聯(lián)網(wǎng)簡(jiǎn)稱IOT（Internet ofThings），目前比較認(rèn)可的定義是：[1-5]物聯(lián)網(wǎng)是通過(guò)射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議把物品與網(wǎng)絡(luò)連接起來(lái)，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。

一、“無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)”課程設(shè)置的必要性

物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)主要有三大支撐技術(shù)，分別是：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）、RFID和云計(jì)算。其中，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一，是新興的下一代網(wǎng)絡(luò)，被認(rèn)為是21世紀(jì)最重要的技術(shù)之一。2003年2月，美國(guó)《技術(shù)評(píng)論》雜志把傳感器網(wǎng)絡(luò)列為對(duì)人類未來(lái)生活產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響的十大新興技術(shù)之榜首；2003年8月，美國(guó)《商業(yè)周刊》雜志在其“未來(lái)技術(shù)專版”中發(fā)表文章指出傳感器網(wǎng)絡(luò)是未來(lái)的四大高技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一；美國(guó)《今日防務(wù)》雜志認(rèn)為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用和發(fā)展將會(huì)引起軍事技術(shù)革命和未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)的變革；2004年，《IEEE Spectrum》雜志發(fā)表一期專集《傳感器的國(guó)度》，論述了WSN的發(fā)展和可能的廣泛應(yīng)用。

我國(guó)也非常重視無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究。從2002年開始，國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)已經(jīng)審批了和WSN相關(guān)的多個(gè)課題，在國(guó)家發(fā)展改革委員會(huì)的下一代互聯(lián)網(wǎng)示范工程中，也部署了WSN相關(guān)的課題。傳感器網(wǎng)絡(luò)被明確列入我國(guó)的《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006－2020年）》。[6]因此，無(wú)論是從物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的角度出發(fā)，還是從無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)自身的角度出發(fā)，在相關(guān)本科院校開設(shè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)課程都是相當(dāng)必要的，應(yīng)當(dāng)引起重視。

“無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)”是一門在高校新開設(shè)的課程，我校在2010年就為電子信息工程專業(yè)的學(xué)生開設(shè)了“無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)”課程，對(duì)該課程的教學(xué)進(jìn)行了一定的實(shí)踐與探索，并取得了一定的經(jīng)驗(yàn)。

二、課程特點(diǎn)及問(wèn)題

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)集傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)、無(wú)線通信以及分布式信息處理等技術(shù)于一體。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由一組傳感器以自組織方式構(gòu)成的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對(duì)象的信息，并發(fā)送給觀察者。[6]無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要特征是大量微型節(jié)點(diǎn)的廣泛分布，主要具有以下特點(diǎn)：節(jié)點(diǎn)眾多；硬件資源及能量極端受限；自組織網(wǎng)絡(luò)；以數(shù)據(jù)為中心；網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)變化；與應(yīng)用背景高度相關(guān)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)具有多學(xué)科高度交叉的特點(diǎn)，而且屬于前沿課題，涉及的知識(shí)面廣、難度大、發(fā)展快，所以在本科生中開設(shè)該課程具有一定的挑戰(zhàn)性。

為本科生開設(shè)“無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)”課程，主要具有以下幾方面的困難：

1.理論教學(xué)內(nèi)容豐富、跨度大、難度大

該課程理論教學(xué)需要涵蓋的內(nèi)容主要有：硬件平臺(tái)基礎(chǔ)、nesC語(yǔ)言、TinyOS操作系統(tǒng)、路由協(xié)議、MAC協(xié)議、物理層設(shè)計(jì)、定位技術(shù)、時(shí)間同步技術(shù)、安全技術(shù)、數(shù)據(jù)管理與數(shù)據(jù)融合、IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)、ZigBee標(biāo)準(zhǔn)、仿真平臺(tái)、開發(fā)環(huán)境等。

2.對(duì)學(xué)生素質(zhì)要求較高

在普通本科院校開設(shè)“無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)”課程，不僅要求學(xué)生基礎(chǔ)知識(shí)扎實(shí)、知識(shí)面廣，而且要求學(xué)生具有較好的學(xué)習(xí)主動(dòng)性與專研能力，接受新知識(shí)、新技術(shù)的能力強(qiáng)。

3.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)本身屬于前沿技術(shù)，“無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)”作為一門新課程，師資力量缺乏

只有一些在這個(gè)領(lǐng)域科研起步較早的高校具備開設(shè)“無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)”課程的條件，但仍需著力培養(yǎng)一批無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的骨干教師。

4.技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、實(shí)驗(yàn)設(shè)備不完善，如何開設(shè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)課成為一個(gè)探索性課題

實(shí)驗(yàn)設(shè)備不成熟，仿真平臺(tái)、開發(fā)環(huán)境的多樣化，給“無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)”課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶來(lái)一定難度，不但容易給學(xué)生造成思維的混亂，也增加了教師備課的困難。

三、合理確定課程教學(xué)內(nèi)容

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為新興的前沿研究熱點(diǎn)領(lǐng)域，其課程的講授需要綜合無(wú)線通信、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)、信號(hào)處理、微機(jī)電系統(tǒng)、分布式信息處理等眾多相關(guān)課程，如圖1所示。

而且，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的每一個(gè)相關(guān)技術(shù)都有許多研究方向，下面以網(wǎng)絡(luò)方面為例進(jìn)行說(shuō)明，如圖2所示。[7]

從圖2可以看出“無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)”課程涉及內(nèi)容相當(dāng)廣泛，因此其理論授課需要合理安排教學(xué)次序、循序漸進(jìn)、深入淺出。對(duì)于授課內(nèi)容要有選擇，力求全面且突出重點(diǎn)，對(duì)典型的機(jī)制、協(xié)議進(jìn)行重點(diǎn)講解，還要合理分配課時(shí)。

根據(jù)實(shí)際授課經(jīng)驗(yàn)，對(duì)“無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)”的課時(shí)安排進(jìn)行精心設(shè)計(jì)，同時(shí)考慮到理論課程的學(xué)時(shí)限制，對(duì)具體授課內(nèi)容及學(xué)時(shí)安排如下：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)狀與發(fā)展，2學(xué)時(shí)；無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議，5學(xué)時(shí)；無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議，4學(xué)時(shí)；無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層設(shè)計(jì)，4學(xué)時(shí)；ZigBee標(biāo)準(zhǔn)，6學(xué)時(shí)；無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步技術(shù)，2學(xué)時(shí)；無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)，4學(xué)時(shí)；無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)容錯(cuò)設(shè)計(jì)技術(shù)，2學(xué)時(shí)；無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)計(jì)技術(shù)，2學(xué)時(shí)；無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量保證，2學(xué)時(shí)；網(wǎng)絡(luò)管理，2學(xué)時(shí)；無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)，4學(xué)時(shí)；無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)開發(fā)環(huán)境，2學(xué)時(shí)；專題交流，6學(xué)時(shí)。

四、教學(xué)方法

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)本身技術(shù)復(fù)雜、內(nèi)涵豐富，該課程的信息量大、概念多、難點(diǎn)多。鑒于“無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)”課程的特點(diǎn)，傳統(tǒng)的教學(xué)方法并不合適，因此，需要靈活選擇教學(xué)方法。筆者提出了具有層次性的階段教學(xué)，并將該課程的教學(xué)分成四個(gè)階段，如圖3所示。

1.啟發(fā)階段，培養(yǎng)學(xué)生興趣

由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)集無(wú)線通信、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、傳感器應(yīng)用、嵌入式、信號(hào)處理、微機(jī)電系統(tǒng)、分布式信息處理等技術(shù)于一體，導(dǎo)致許多學(xué)生對(duì)該課程產(chǎn)生畏難情緒。良好的開端是成功的一半，教師有必要在開課之初就對(duì)學(xué)生進(jìn)行恰當(dāng)?shù)貑l(fā)、引導(dǎo)，排除學(xué)生對(duì)這門課的畏難心理，幫助他們建立學(xué)好這門課程的信心。

2.調(diào)研階段，撰寫報(bào)告并交流

為加深學(xué)生對(duì)該課程的理解，發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性，要求學(xué)生課后查閱資料，進(jìn)行專題調(diào)研，撰寫調(diào)研報(bào)告并交流。教師可以根據(jù)課程內(nèi)容，重點(diǎn)選擇如下專題進(jìn)行交流：路由協(xié)議專題、MAC協(xié)議專題、物理層專題、ZigBee專題、定位技術(shù)專題、TinyOS專題等。

3.驗(yàn)證階段

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的理論課程比較抽象，為了加深學(xué)生對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)基本概念和主要技術(shù)的理解，需要安排實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。教師可以以單列學(xué)分的形式安排無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課，讓學(xué)生親自動(dòng)手進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，加深對(duì)抽象問(wèn)題的理解，主要驗(yàn)證無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本概念，幫助學(xué)生掌握無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)所用到的基礎(chǔ)知識(shí)。

4.創(chuàng)新階段

創(chuàng)新型教學(xué)主要是為了發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，加強(qiáng)學(xué)生的主體地位，激發(fā)學(xué)生的潛能，讓學(xué)生在前面學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，結(jié)合自己的興趣特長(zhǎng)，選擇無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的某一研究方向進(jìn)行深入研究，提倡學(xué)生自己動(dòng)手、自己設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維。

五、總結(jié)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)作為當(dāng)今科研領(lǐng)域的前沿課題本身頗具發(fā)展?jié)摿?，而且必將隨著我國(guó)高校物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的興辦而蓬勃發(fā)展。本文根據(jù)在我校開設(shè)“無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)”課程的教學(xué)實(shí)踐，分析了該課程的重要性；指出開設(shè)“無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)”課程主要存在理論教學(xué)內(nèi)容豐富、跨度大、難度大，對(duì)學(xué)生素質(zhì)要求較高，師資力量缺乏，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、實(shí)驗(yàn)設(shè)備不完善等系列問(wèn)題；研究與探討了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的課程體系、課時(shí)安排等問(wèn)題；提出具有層次性四階段教學(xué)法啟發(fā)階段、調(diào)研階段、驗(yàn)證階段、創(chuàng)新階段，并將上述理論用于教學(xué)實(shí)踐，取得較好效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]ITU Internet Reports 2005:The Internet of Things9[R].2005.

[2]ATZORI L,IERA A,GIACOMO M.The internet of things:a survey[J].Computer Networks 2010,(54):2787-2805.

[3]朱曉榮,孫君,齊麗娜,等.物聯(lián)網(wǎng)與泛在通信技術(shù)[M].北京:人民郵電出版社,2010.

[4]Internet of Things in 2020:Roadmap for the Future[R].2009.

[5]朱洪波,楊龍祥,于全.物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)思想與應(yīng)用策略研究[J].通信學(xué)報(bào),2010,(11).

[6]吳迪.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的研究及改進(jìn)[D].南京:河海大學(xué),

2008.

[7]李曉維,徐勇軍,任豐原.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,2007.

（責(zé)任編輯：宋秀麗）