楊璽

摘 要： 無線傳感器網(wǎng)絡是一種新興的信息通信技術，作為物聯(lián)網(wǎng)的關鍵技術之一，其具有極廣闊的應用前景。對于物聯(lián)網(wǎng)工程及相關專業(yè)而言，如何在本科教學過程中實施此內容的教學面臨較大的挑戰(zhàn)。本文根據(jù)我校在本科學生開設無線傳感器網(wǎng)絡課程的教學實踐，分析了該課程的教學難點，研究探討了無線傳感器網(wǎng)絡的教學模式、教學安排和考核評分等問題，提出了面向應用的基于項目驅動的教學模式。

關鍵詞： 無線傳感器網(wǎng)絡 項目教學法 教學模式 物聯(lián)網(wǎng)

現(xiàn)代信息技術作為當今世界發(fā)展的重要驅動力，主要由計算機技術、通信技術、微/光電子技術、信息安全技術、智能技術和軟件技術等組成。無線傳感器網(wǎng)絡恰如其分地將現(xiàn)代信息技術中的計算機網(wǎng)絡技術、微電子技術、傳感器技術及通信技術四者巧妙地融合在一起，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)感知、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼嬲y(tǒng)一，被認為是促進21世紀人類社會發(fā)展前進的重要技術之一[1]。

無線傳感器網(wǎng)絡作為物聯(lián)網(wǎng)的關鍵技術之一[2]，無論是從物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的角度出發(fā)，還是從無線傳感器網(wǎng)絡技術自身角度出發(fā)，在相關本科院校開設無線傳感器網(wǎng)絡課程都是相當必要的。國內許多院校大多將此課程作為只針對研究生開設的研究性課程，我校在2012年就為信息工程專業(yè)的本科學生開設了該課程。本文結合我校的物流特色，提出了面向物流應用、基于項目驅動的教學模式，并對該課程的教學模式進行了實踐與探索。

1.課程教學難點

無線傳感器網(wǎng)絡的巨大應用價值已經引起了世界許多國家的軍事部門、工業(yè)界和學術界的極大關注。美國自然科學基金委員會、美國國防部和各軍事部門、美國英特爾公司等信息產業(yè)界巨頭紛紛開始了無線傳感器網(wǎng)絡方面的工作，設立或啟動了相應的行動計劃。日本英國、意大利、巴西等國家均對無線傳感器網(wǎng)絡表現(xiàn)出了極大的興趣，紛紛展開了研究工作。我國的無線傳感器網(wǎng)絡研究啟動于世紀之交。1999年，無線傳感器網(wǎng)絡首次正式出現(xiàn)于中國科學院《知識創(chuàng)新工程試點領域方向研究》的信息與自動化領域研究報告中，是該領域提出的五個重大項目之一。目前，國內一些研究機構與高等院校已積極開展無線傳感器網(wǎng)絡的相關研究工作，主要有中科院軟件所、中科院計算機研究所、清華大學、電子科技大學、哈爾濱工業(yè)大學、浙江大學、南京大學。從2002年開始，國家自然科學基金委員會就審批了和WSN相關的多個課題，在國家發(fā)展改革委員會的下一代互聯(lián)網(wǎng)示范工程中，也部署了與WSN相關的課題。

無線傳感器網(wǎng)絡技術具有多學科高度交叉的特點，屬于前沿課題，涉及知識面廣、難度大、發(fā)展快，所以在本科生中開設無線傳感器網(wǎng)絡課程存在一定的困難，主要包括：

（1）課程屬交叉學科，教學內容跨度大、難度高。

無線傳感器網(wǎng)絡作為當今信息領域新的研究熱點，涉及多學科的研究領域，有非常多的關鍵技術有待發(fā)現(xiàn)和研究，因此課程教授的內容跨度非常大，主要包括傳感器技術、硬件設計、網(wǎng)絡協(xié)議、網(wǎng)絡拓撲控制、網(wǎng)絡安全、時間同步、數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)管理、無線通信技術、嵌入式操作系統(tǒng)、仿真開發(fā)技術和應用層技術等。如何在有限的課時內讓學生掌握課程內容成為該課程的最大難點。同時，在普通本科院校開設無線傳感器網(wǎng)絡課程，不僅要求學生有相關的前期基礎，而且要求學生具有較好的學習主動性與鉆研能力。

（2）課程屬前沿課程，教學內容不斷更新變化。

與傳統(tǒng)網(wǎng)絡相比，無線傳感器網(wǎng)絡技術本身屬于前沿技術，其相關技術、相關標準等仍不統(tǒng)一。國內外研究機構和產業(yè)機構仍對其展開研究，陸續(xù)有新硬件、新協(xié)議、新算法、新系統(tǒng)的提出。在教學過程中，教師要根據(jù)技術發(fā)展不斷更新教學內容，讓學生始終緊跟技術發(fā)展的步伐。

（3）無線傳感器網(wǎng)絡與應用密切相關。

不同的應用背景對傳感器網(wǎng)絡的要求不同，其硬件平臺、軟件系統(tǒng)和網(wǎng)絡協(xié)議必然有很大差異。所以傳感器網(wǎng)絡不像傳統(tǒng)網(wǎng)絡一樣有統(tǒng)一的通信協(xié)議平臺。需要針對每一個具體應用來研究傳感器網(wǎng)絡技術并設計其軟硬件平臺及通信協(xié)議，這是無線傳感器網(wǎng)絡設計不同于傳統(tǒng)網(wǎng)絡的顯著特征。在教學過程中，如何在不用應用背景下提取出共性問題，使學生在掌握共性問題的基礎上針對具體應用找出差異，是教學的難點。

（4）實驗教學難以開展。

無線傳感器網(wǎng)絡實驗仿真平臺、開發(fā)環(huán)境的多樣化，給無線傳感器網(wǎng)絡課程的實驗教學帶來一定難度。如何選擇實驗平臺，屏蔽平臺的差異性，讓學生在實驗中同分理解消化理論教學的內容，不給學生造成思維的混亂，是教師實驗教學的難點。

2.面向應用、基于項目驅動的教學模式

建構主義最早由著名的瑞士心理學家皮亞杰（J.Piaget）提出[3]。基于建構主義的教學法要求，在學習過程中以學生為中心，教師扮演幫助者角色，利用情景、協(xié)作、會話等學習環(huán)境要素，充分發(fā)揮學生的主體性和創(chuàng)新精神，使學生有效實現(xiàn)對當前所學知識的意義建構。項目教學法就是在建構主義的指導下，以實際的工程項目為對象，先由教師對項目進行分解，并做適當?shù)氖痉?，然后讓學生分組圍繞各自的工程項目進行討論、協(xié)作學習，最后以共同完成項目的情況評價學生是否達到教學目的的一種新的教學方法。

傳統(tǒng)教學中，老師占主導，學生在老師的指導下被動地學習和接受知識，且不加思考。要改變這種教學模式，學生可以在教師的幫助和引導下，圍繞一個項目，在興趣的驅動下，通過自主探索和互動協(xié)作學習，實現(xiàn)既定知識的學習。在本課程的教學過程中，項目教學法是教師設置物流應用的大背景，學生以物流應用中某一個具體環(huán)節(jié)作為一個完整項目而進行工作。學生以小組為單位，不同小組選擇物流應用中的不同環(huán)節(jié)，將課程所授知識融入項目完成過程，通過小組間的互相合作，共同構成一個完整的大系統(tǒng)。每個學生根據(jù)自己選擇的環(huán)節(jié)，將整個綜合性大項目拆解成不同的功能模塊，每個不同的功能模塊均可對應教師所教授的課程內容。如在講解時間同步技術時，教師可以針對不同項目背景提出相應的同步需求，使學生帶著真實的任務探索學習。該項目過程不僅可以學習部分教學內容，具有一定的綜合性，而且可以將教學內容的理論與實踐結合在一起，激發(fā)學生的學習興趣。

在項目教學法的模式中，為了提高學生的學習興趣[4][5]，要加強教學雙方的互動，本文提出了具有層次性的階段教學，將該課程的教學分成六個階段，如下圖所示。

圖 層次性的階段教學模式

（1）感知階段。

由于該課程的理論知識涉及廣泛，許多學生對該課程產生畏難情緒。為了激發(fā)學生的學習興趣，教師在開課之初應以學生較為熟悉的家庭環(huán)境作為應用場景，通過智能家居系統(tǒng)，讓學生通過感知無線傳感器網(wǎng)絡應用的魅力，激發(fā)學習興趣，適當?shù)鼐徑鈱@門課的畏難心理，樹立學好這門課程的信心。

（2）啟發(fā)階段。

通過感知階段的應用，教師更換無線傳感器網(wǎng)絡的應用場景，讓學生從不同的應用場景中提取共性問題，引出本課程的教學內容。在課程內容的教授過程中，教師始終堅持面向應用、基于項目驅動的理念，讓學生帶著問題有目的地聽課，深入淺出地在有限的課時內將知識點教給學生。學生可根據(jù)教師所授的內容，將需要完成的項目系統(tǒng)進行拆解分析，為項目的完成打下理論基礎。

（3）調研階段。

為加深學生對該課程的理解，發(fā)揮學生學習的主觀能動性，要求學生課后查閱資料，對項目背景及項目完成涉及的知識難點進行調研，撰寫調研報告并交流。此外，教師也可以根據(jù)課程和項目內容，增加學生互動交流的時間，并讓學生走上講臺，選擇相應的專題進行交流，如項目需求專題、硬件設計專題、網(wǎng)絡協(xié)議專題、應用開發(fā)平臺專題等。

（4）驗證階段。

為了加深學生對無線傳感器網(wǎng)絡理論知識的理解，教師應選擇相應的實驗平臺進行簡單的講解，并安排相關的應用實驗。教師不僅可以在教學過程中通過仿真實驗驗證理論教學的內容（比如通過定位仿真技術驗證定位算法的效果），還可以以單列學分的形式安排無線傳感器網(wǎng)絡的實驗課。由于教學對象為本科學生，因此實驗教學的重點應放在系統(tǒng)功能的驗證、應用層的開發(fā)體會上，而不是底層開發(fā)。這樣可以使學生在有限的教學時間內了解無線傳感器網(wǎng)絡的工作機制和原理，加深對抽象問題的理解，掌握無線傳感器網(wǎng)絡的基礎知識。

（5）提升階段。

提升階段是為了發(fā)揮學生的主觀能動性，突出學生的主體地位，激發(fā)學生的研究興趣，對自己小組完成的項目進行展示說明，并將各個小組的項目進行整合，構建的物流應用系統(tǒng)。同時，讓學生在已有的學習基礎上，結合無線傳感器網(wǎng)絡技術的新發(fā)展，以討論交流的方式針對自己或其他小組完成的項目提出相應的改進和完善意見及設計方案，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維。

3.教學安排和考核

在教學過程中，教師要始終堅持面向應用、基于項目驅動的理念，循序漸進、深入淺出，力求全面且突出重點地合理分配課時。根據(jù)實際授課經驗，精心設計無線傳感器網(wǎng)絡的課時，安排，同時考慮到理論課程的學時限制，對具體授課內容及學時的安排如下：無線傳感器網(wǎng)絡的概述，3學時；傳感器的基本知識，3學時；傳感器網(wǎng)絡的通信與組網(wǎng)技術，8學時；傳感器網(wǎng)絡的支撐技術，8學時；傳感器網(wǎng)絡的應用開發(fā)基礎，8學時；傳感器網(wǎng)絡的技術標準，8學時；傳感器網(wǎng)絡技術的應用，8學時；無線傳感器網(wǎng)絡實驗，12學時；項目專題交流，6學時。

由于教育體系的原因，很大一部分學生仍以成績提高為動力，因此，課程教學全過程中的考核評分環(huán)節(jié)依舊是很重要的。教師在課程的各個環(huán)節(jié)對學生成績進行評估，如課堂的表現(xiàn)、課下作業(yè)完成情況、實驗情況、小組項目完成情況和期末考試等。這種方式可以保證學生在教學過程中維持較高的學習熱情。例如可以采用以下的評分方式：總成績的20%是平時成績，20%是實驗成績，20%是項目成績，40%是期末考試的成績。

4.結語

無線傳感器網(wǎng)絡技術作為當今科研領域的前沿課題頗具發(fā)展?jié)摿?，隨著我國高校物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的設立它逐步進入教學課堂。本文根據(jù)我校在本科階段開設無線傳感器網(wǎng)絡課程的教學實踐，分析了該課程的教學難點，研究與探討了無線傳感器網(wǎng)絡的教學模式、教學安排和考核評分等問題，提出了面向應用的項目驅動教學模式，將教學過程劃分為6個層次，并將上述理論用于教學實踐。從教學實踐效果看，該模式充分考慮了本科學生的知識水平，能夠有效調動學生學習的積極性和主動性，深入淺出地將課程理論教學與實踐相結合，注重學生的團隊合作學習和探究學習，有助于培養(yǎng)學生的實踐操作能力及科學研究、團結互助的品質，取得較好的教學效果。

參考文獻：

[1]李曉維，徐勇軍，任豐原.無線傳感器網(wǎng)絡技術[M].北京： 北京理工大學出版社，2007.

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

[3]張建偉，陳琦.從認知主義到建構主義[J].北京師范大學學報（社會科學版），1996，（4）：21-28.

[4]王鵬，商慶華.關于激發(fā)學生積極性與培養(yǎng)創(chuàng)新能力的研究與實踐[J].中國電力教育，2008（19）：81-82.

[5]趙建華，李克東.協(xié)作學習及協(xié)作學習模式[J].中國電化教育，2000，（10）.

基金項目：北京市教育委員會專業(yè)建設——一體化教學體系建設項目（PXM2012_014214_000062）資助。