空间信息与传感器网络课程建设实践探索

2014-07-02孟小亮边馥苓

测绘通报 2014年12期

关键词：空间信息测绘传感器

孟小亮，边馥苓

(武汉大学国际软件学院空间信息与数字技术系，湖北武汉 430079)

空间信息与传感器网络课程建设实践探索

孟小亮，边馥苓

(武汉大学国际软件学院空间信息与数字技术系，湖北武汉 430079)

我国以物联网、云计算和地理信息产业为代表的产业战略对高等院校的专业人才培养提出了新的要求。在新地理信息时代多学科交叉中的大测绘科学快速发展的趋势下，空间数据基础设施需要利用实时空间信息供给和传感器网络改进监测、控制、态势感知和决策制定。武汉大学在此背景下已经面向空间信息与数字技术专业开设了空间信息与传感器网络课程。本文在介绍课程建设意义与目标的基础上，详细阐述了课程内容、教学要求、参考资料和考核方法，最后总结了教学效果及存在的问题与建议。

空间信息；传感器网络；课程建设；教学内容；考核方法

一、引言

空间信息与数字技术专业2004年创始于武汉大学。目前，全国已有电子科技大学、西安电子科技大学、厦门理工学院、成都理工大学、山东农业大学、上海海洋大学、福建农林大学、河南工业大学和中国地质大学(武汉)等10所高校开设了此本科特设专业或本科专业方向的实验班，其主干学科为测绘科学、地理学和计算机科学与技术[1-4]，以上高等院校根据行业背景、地理位置、学科基础和师资情况分别制定了具有各自特色的培养目标和主要专业课程设置[2]。以武汉大学为例，在测绘行业背景下，结合其地理、资源环境、计算机、信息和管理等优秀学科基础和师资条件，建设了一套特色专业课程体系，其中为国内率先开设的专业课程包括：空间信息导论、数字工程的原理与方法[5]、空间信息移动服务、空间信息共享服务和空间信息与传感器网络等。其中，空间信息与传感器网络作为专业必修课，于2009年度被写入武汉大学空间信息与数字技术专业培养方案，前导课程为空间信息导论和物联网技术导论，2011年度第二学期正式向本科大三年级学生(含国防生)开课，目前已开课3学期。

空间信息与传感器网络课程是在我国物联网、云计算、3G/4G高速通信技术、测绘与地理信息技术快速发展的时代背景下开设的。以物联网、云计算和地理信息产业为代表的产业战略对高等院校培养的专业人才提出了新的需求。空间信息与数字技术专业应积极优化调整，探索多学科集成，以适应产业发展需求。多学科集成的一个趋势体现在测绘科学与计算机科学、信息科学、资源环境科学的集成，这种集成的重要目标之一在于利用具有智能传感器网络的空间数据基础设施，将空间信息通过空间信息服务，用最快捷的方法和最低的成本送给最需要的用户[6]，并实现空间信息的实时在线更新[7]，使空间信息为从科学研究、经济建设、国防安全、人民生活到和谐社会可持续发展的各行各业提供实时智能服务[8]。多学科集成还是培养具有合理的知识结构、灵敏的空间数字思维方式、卓越的技术、实践、管理、组织和应用能力的创新型复合型精英人才这一目标的关键所在[9]。这是空间信息与传感器网络课程的建设意义与目标。本文在课程内容与教学要求、教材与参考资料选择、课程考核方法等多方面进行了实践探索。

二、课程内容与教学要求

本课程总学时为54学时，3学分，课堂规模每学期学生70人左右。课程内容分为两部分，一部分是课堂理论教学，45学时；另一部分是课堂讨论，9学时。课堂内容与学时分配见表1。教学要求从低到高分为了解、掌握、熟悉和探索四个层次。

1.课堂教学内容

1)课程绪论：使学生掌握空间信息与传感器网络的发展和基本框架体系。

2)相关技术概述：使学生熟悉空间信息与数字技术、射频识别、无线传感器网络和基于无线射频的主流定位技术等基本理论知识。这些理论知识是课程其他内容的基础和预备，使学生了解智慧城市、智慧交通、智慧医疗和智慧社区等智慧工程是空间信息、数字工程和传感器技术的有机结合，是以上技术的内涵催生出的更加丰富的外延应用。

表1 课程内容及学时分配表

3)传感器节点的定位机制与算法：使学生熟悉传感器节点定位的应用领域、定位技术的分类方法；掌握几种距离相关和距离无关的定位技术、节点位置计算的基本方法；了解定位算法的性能评价指标和国内外已研制的典型定位系统。

4)典型问题——跟踪运动目标：通过基于RFID和传感器网络的智慧交通和智慧物流实际应用情景分析[5，10]，使学生掌握传感器网络部署、设计需求、结构、工作过程和模拟工具，能够引入协作信号和信息处理方法将跟踪问题形式化，并给出求解单目标和多目标跟踪问题的解决办法。

5)三维无线传感器网络动态监测：使学生熟悉地下、水下和空中等实际三维传感器网络应用场景；掌握基本的三维空间模型和定位方法；了解虚拟现实对节点定位精度与实时性的要求。

6)基于地理位置信息的无线传感器网络路由：使学生熟悉无线传感器网络路由的功能、关键问题和分类，通过几种典型基于地理位置路由协议，使学生掌握通过获取各个节点的位置信息实现能量高效转发的方法，探索其他一些利用位置信息有效节省系统能耗的节能方案。

7)传感器节点位置隐私保护：使学生熟悉RFID系统和传感器网络中的位置隐私威胁具体包括哪些；了解一些位置隐私的保护方法和RFID系统与传感器网络中的主要位置隐私保护技术。

8)空间信息与传感器网络研究的未来展望：使学生了解和尝试探索传感器网络定位与跟踪服务、三维无线传感器网络复杂性、基于地理位置路由协议的研究扩展、传感器网络(sensor networks)与传感网(sensor web)概念辨析、人的自发式传感、物联网与云计算环境下的传感器网络等方面的研究现状与趋势。

2.课堂讨论内容

为了锻炼学生的语言表达能力、巩固课程知识点、提高教学效果和探索课堂教学改革，本课程安排了课堂讨论，并分为期中课堂讨论和期末课堂讨论两种形式。因为每学期课堂规模是学生为70人左右，所以规定学生按3～4人为一组，有利于分组管理和考核打分，同时也锻炼了学生的团队合作能力。

1)期中课堂讨论：①“教师10问”环节，采用小组抢答方式。②“学生提问”环节，采用师生互动方式。

2)期末课堂讨论：教师根据分组情况，布置讨论主题，每组分配一个主题，每组在期末课堂讨论前查找与本组主题相关的中英文文献资料，通过阅读，自拟报告题目并完成一份文献综述报告；每组选择一名代表在期末课堂讨论时上讲台对其讨论主题和文献综述报告做口头陈述；台下学生与教师向陈述小组提问，陈述小组进行回答；最后教师对讨论主题进行总结。

三、教材与参考资料选择

国内外多所院校都开设有传感器网络相关课程，并已有一些与信息处理技术相结合，如美国Standford大学开设的Information Processing for Sensor Networks和 Sunysb大学开设的 Algorithms for Wireless Sensor Networks等课程，但与空间信息相结合的实例参考较少，本课程只能在实践中探索。因为目前市面上没有一本涵盖本课程所有内容的专业教材，所以课堂教学时主要使用教师自编讲义，并辅助使用参考书，主要包括：Feng Zhao的《Wireless Sensor Networks： An Information Processing Approach》、边馥苓的《空间信息导论》和刘云浩的《物联网导论》。

空间信息与传感器网络相关技术国内外发展速度较快，网页资料和期刊文献更能够及时地反映最新的理论和研究成果。建议使用以下方式定期查找文献：

1)中文文献数据库(以中国知网为例)主题搜索关键词建议为：(地理信息)或含(空间信息)并含(传感器网络)。

2)英文文献数据库(以 SCI/SSCI/A＆HCI为例)主题搜索关键词建议为：(Geographic)and(Spatial Information)and(Sensor Networks)。

四、课程考核方法

根据学校关于成绩考核办法的规定，结合课程具体实际情况，采用平时考核与期末考试相结合的考核方法。分数按百分制计算，具体方法如下：

1)平时考核，共计50分，由以下部分组成：

①上课考勤：学生无理由缺勤一次扣5分；无理由缺勤3次或以上则平时成绩按0分记。

② 课后作业(20分)：5次作业，每次4分。

③期中课堂讨论(10分)：对回答问题和课堂发言的学生依据表达能力打分，满分10分。

④期末课堂讨论(20分)：综合学生口头表达能力和文献综述报告质量进行评定，满分20分。

2)期末考试，采用闭卷形式，满分50分。

3)总成绩，即为平时成绩和期末成绩的总和，但如果学生期末考试卷面成绩不到55分，则总成绩仅以期末考试成绩计。

五、结束语

在课程结束后，学生会在教学系统中对课程和教师进行不记名评价，本课程在武汉大学教学系统中近三年课程评价的平均分为96.9分。学生评价在一定程度上反映了教学效果和存在的问题，总结如下：

1)课程教学效果与评价总结：学生认为在大三下学期开设本课程比较合适；课程作业难度和考试方式比较合适；讲义和参考书难易度适中。教学方法生动，开阔了视野、丰富了专业知识，通过课程学习可以掌握空间信息与传感器网络的基本理论内容和典型应用案例。

2)课程存在问题及建议：建议开设与本课程对应的实验课，并以室内传感器网络定位为实验案例进行系统架构和数据处理；建议根据教师自编讲义出版课程的教材。

综上，空间信息与传感器网络课程的开设达到了教学目的和教学大纲的要求，得到了学校和学生的认可。因为是新课程，课程建设需在实践探索中逐步完善。由于本课程紧跟空间信息技术和传感器网络技术发展动态，因此需不断充实课程内容。课程可推广至其他开设有空间信息与数字技术专业、物联网专业或其他空间信息相关专业的高等院校，作为高年级专业必修课或者选修课。

[1] 中华人民共和国教育部高等教育司.普通高等学校本科专业目录和专业介绍(2012年)[M].北京：高等教育出版社，2012：26.

[2] 吴学文，满旺，邬群勇.国内空间信息与数字技术专业培养方案的对比与分析[J].测绘通报，2013(5)：108-110.

[3] 张浩军，祝玉华，李滨.面向战略新兴产业建设特色信息专业—以河南工业大学空间信息与数字技术专业建设为例[J].计算机教育，2012(24)：37-40.

[4] 新浪教育.中国地质大学设优秀新生奖励计划新增三大专业[EB/OL].(2013-06-14)[2013-12-09].http：∥edu.sina.com.cn/gaokao/2013-06-14/1058384418.shtml.

[5] 沙宗尧，边馥苓.单源最短路径算法的图示教学设计与实践[J].测绘通报，2010(4)：58-61.

[6] 李德仁.多学科交叉中的大测绘科学[J].测绘学报，2007，36(4)：363-365.

[7] 李德仁，邵振峰.论新地理信息时代[J].中国科学F辑：信息科学，2009，39(6)：579-587.

[8] 李德仁，邵振峰.信息化测绘的本质是服务[J].测绘通报，2008(5)：1-4.

[9] 边馥苓.论我国地理信息产业、人才现状与存在问题[J].地理信息世界，2009(5)：29-34.

[10] 边馥苓，孟小亮.空间信息服务在RFID物流管理系统中的应用研究[J].地理信息世界，2009(3)：26-30.

Course Construction of Geospatial Information and Sensor Networks: Practice and Exploration

MENG Xiaoliang，BIAN Fuling