何麗莉 胡成全 白洪濤

摘要：針對物聯(lián)網(wǎng)的核心課程——《無線傳感器網(wǎng)絡(luò)》課程開設(shè)時間較短、缺乏統(tǒng)一規(guī)范的問題，在筆者近年連續(xù)講授該門課程的基礎(chǔ)上，提出了課程所面臨的困難和挑戰(zhàn)，初步確定了該課程在本校計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的主要授課內(nèi)容和覆蓋范圍，設(shè)計了“課程應(yīng)用項目”環(huán)節(jié)，貫穿于整個課程教學(xué)的始終。課程實踐表明：課程應(yīng)用項目能夠增強學(xué)生的興趣、提升教學(xué)效果，有利于學(xué)生應(yīng)用能力的培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；應(yīng)用項目；物聯(lián)網(wǎng)工程

中圖分類號：G642.0 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）40-0170-02

一、引言

物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)是我國大力發(fā)展的重要戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一。為了加大該產(chǎn)業(yè)人才的培養(yǎng)力度，2010年教育部下發(fā)了《教育部辦公廳關(guān)于戰(zhàn)略性新興專業(yè)相關(guān)專業(yè)申報和審批工作的通知》。目前全國已有150余所高校開設(shè)了物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)[1]。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）是物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)之一，《無線傳感器網(wǎng)絡(luò)課程》不但被多數(shù)高校列入物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的核心課程，同時還被很多高校列入計算機、通信、電子等相關(guān)專業(yè)研究生和高年級本科生的選修課。吉林大學(xué)在2010年就開始為計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的高年級本科生開設(shè)《無線傳感器網(wǎng)絡(luò)》課程，對該課程的教學(xué)進行了一定的探索與實踐。

二、課程特點以及挑戰(zhàn)

《無線傳感器網(wǎng)絡(luò)》課程涉及計算機、微電子、傳感器、網(wǎng)絡(luò)、通信、信號處理等諸多領(lǐng)域，是一門交叉性高、跨度大的綜合型課程。從課程內(nèi)容的組織到課程實施與評價均給一線教師帶來很大挑戰(zhàn)，主要表現(xiàn)如下。

1.《無線傳感器網(wǎng)絡(luò)》連貫的系統(tǒng)講授，需要覆蓋從硬件到軟件，從單個感知節(jié)點到整個感知網(wǎng)絡(luò)，從感知層到應(yīng)用層，幫助學(xué)生建立起對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的整體認(rèn)知。而一般計算機專業(yè)學(xué)生的電子和通訊領(lǐng)域背景知識相對薄弱，這需要教師在課程的初期，從適當(dāng)?shù)慕嵌?，有選擇性的對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的底層相關(guān)內(nèi)容進行介紹。

2.《無線傳感器網(wǎng)絡(luò)》作為一門新課程，可供參考的本科教學(xué)資源不夠豐富。國外對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究起源于20世紀(jì)70年代，在90年代為學(xué)術(shù)界廣泛認(rèn)可，中國學(xué)術(shù)界在2000年前后也對該領(lǐng)域開展研究，并取得了一定的成果。然而教學(xué)工作是以實驗室研究的形式，只針對少數(shù)研究生、博士生等專業(yè)研究型人才開展。特別是在2009年以前，國內(nèi)只有少數(shù)幾本“無線傳感器網(wǎng)絡(luò)”相關(guān)中文圖書可供選擇[2-5]。這一現(xiàn)象在“物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)”開設(shè)以后得到了一定改善，但相比其他計算機專業(yè)傳統(tǒng)課程而言，教學(xué)資源仍然匱乏。

《無線傳感器網(wǎng)絡(luò)》課程實驗需要多種不同類型的實驗裝置、儀器和設(shè)備，以及多種不同的開發(fā)環(huán)境。較大實驗場地才能實現(xiàn)完整的效果。而市場上尚無系統(tǒng)、完整的滿足無線傳感器網(wǎng)絡(luò)教學(xué)實驗所有需要的實驗教學(xué)系統(tǒng)。此外由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自身的應(yīng)用相關(guān)性，也決定了很難形成一套大而全的滿足所有任課教師需要的教學(xué)器材。這需要教師在教學(xué)中根據(jù)各自的實際情況，挑選合適的教學(xué)工具輔助教學(xué)。

三、課程內(nèi)容與結(jié)構(gòu)

通過對當(dāng)時公開出版發(fā)行的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)圖書、教材以及國外課程網(wǎng)站[6-11]內(nèi)容的研究，確定面向計算機專業(yè)開設(shè)的《無線傳感器網(wǎng)絡(luò)》課程內(nèi)容組織如下。

1.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述。主要講述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的歷史、主要的應(yīng)用領(lǐng)域、開發(fā)平臺，以及當(dāng)前這些平臺的限制。

2.建立無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。討論網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)、時間同步、定位、路由算法等。

3.數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理。主要介紹數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理方面的內(nèi)容。

4.實例研究。結(jié)合工業(yè)界和學(xué)術(shù)界在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域最新的研究進展開展討論。

5.應(yīng)用項目。學(xué)生展示根據(jù)他們的興趣而設(shè)計的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用項目。展示的次序應(yīng)該遵守自底向上的原則，從感知節(jié)點到網(wǎng)絡(luò)再到數(shù)據(jù)處理最后到管理軟件，形成完整的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)認(rèn)知。

具體的內(nèi)容與學(xué)時安排如下：

四、課程應(yīng)用項目

課程應(yīng)用項目是對學(xué)生考核的重要單元。在課程開始階段，一旦學(xué)生掌握了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基本概念、特征和網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，就鼓勵并幫助學(xué)生找到他們感興趣的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可應(yīng)用領(lǐng)域。應(yīng)用領(lǐng)域的選擇可以很寬泛，但在熟悉的領(lǐng)域中，學(xué)生更容易發(fā)現(xiàn)合適的問題。例如圍繞“無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在校園中的應(yīng)用”這個領(lǐng)域選題的學(xué)生，更容易發(fā)現(xiàn)“教室長明燈”這樣的問題，并確定“基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的教室照明管理”這樣適宜的題目。隨著課程的開展，學(xué)生可以不斷完善其關(guān)注的項目，通過設(shè)計合適的傳感器、MAC協(xié)議、路由協(xié)議，并在該應(yīng)用情境下，探討定位、同步、安全等技術(shù)的可應(yīng)用性。在課程的最后階段，學(xué)生提交并展示完整的項目設(shè)計。

以項目的形式，從具體的問題出發(fā)引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)，能夠從創(chuàng)新能力和工程實踐能力兩方面培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用能力。創(chuàng)新能力培養(yǎng)體現(xiàn)在發(fā)揮想象力，根據(jù)實際應(yīng)用的需求，提出新的解決問題的思路和方案的能力。工程實踐能力培養(yǎng)表現(xiàn)在運用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的概念和原理，設(shè)計適應(yīng)社會需求的技術(shù)方案，論證方案的可行性，發(fā)現(xiàn)并排除故障問題的能力。2～3人組成一組，組員之間分工合作完成項目并進行報告展示，更從交流溝通、團隊合作兩方面培養(yǎng)學(xué)生的能力。

《無線傳感器網(wǎng)絡(luò)》課程是一門系統(tǒng)性很強的課程，其教學(xué)內(nèi)容跨度大給學(xué)生的學(xué)習(xí)帶來了挑戰(zhàn)。從實際問題出發(fā)，以應(yīng)用項目貫穿學(xué)習(xí)過程，能夠增強學(xué)生的興趣，提升教學(xué)效果，有利于學(xué)生應(yīng)用能力的培養(yǎng)。在條件允許時，還可以在課程內(nèi)增加驗證型實驗、設(shè)計型實驗，進一步提高學(xué)生無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)開發(fā)與實踐的能力。

參考文獻：

[1]余琽，趙健，黃傳河，等.物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)建設(shè)與實踐教學(xué)研究[J].計算機教育，2013，8（15）：94-97.

[2]孫利民，李建中，陳瑜，等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[3]宋文.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.

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

[5][德]卡勒，等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與體系結(jié)構(gòu)[M].邱天爽，等，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2007.

[6]Stanford University，USA，CS321/CS428：Information Processing for Sensor Networks. website：http：//graphics.stanford.edu/courses/cs321

[7]UC Berkeley，USA，CS294-1 Deeply Embedded Network Systems. website：http：//www.cs.berkeley.edu/culler/cs294-

f03/

[8]The OHIO State University，USA，CSE788：Introduction to Wireless SensorNetworks.website：http：//www.cse.ohio-state.edu/anish/788-12.html

[9]The University of Iowa，USA，22c196：Sensor Networks，website：http：//weblog.cs.uiowa.edu/22c196s10/Syllabus

[10]Yale University，USA，EENG 460a / CPSC 436a / ENAS 960 Networked Embedded Systems and Sensor Networks，website：http：//www.eng.yale.edu/enalab/courses/eeng460a/

[11]Lahore University of Management Sciences，Pakistan，CS-579：Wireless Sensor Networks，website：http：//suraj.lums.edu.pk/muneeb/course/index.html