计算机专业《无线传感器网络》课程教学研究

何丽莉 胡成全 白洪涛

摘要：针对物联网的核心课程——《无线传感器网络》课程开设时间较短、缺乏统一规范的问题，在笔者近年连续讲授该门课程的基础上，提出了课程所面临的困难和挑战，初步确定了该课程在本校计算机科学与技术学院物联网工程专业的主要授课内容和覆盖范围，设计了“课程应用项目”环节，贯穿于整个课程教学的始终。课程实践表明：课程应用项目能够增强学生的兴趣、提升教学效果，有利于学生应用能力的培养。

关键词：无线传感器网络；应用项目；物联网工程

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）40-0170-02

一、引言

物联网产业是我国大力发展的重要战略性新兴产业之一。为了加大该产业人才的培养力度，2010年教育部下发了《教育部办公厅关于战略性新兴专业相关专业申报和审批工作的通知》。目前全国已有150余所高校开设了物联网工程专业[1]。无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是物联网的核心技术之一，《无线传感器网络课程》不但被多数高校列入物联网工程专业的核心课程，同时还被很多高校列入计算机、通信、电子等相关专业研究生和高年级本科生的选修课。吉林大学在2010年就开始为计算机科学与技术专业的高年级本科生开设《无线传感器网络》课程，对该课程的教学进行了一定的探索与实践。

二、课程特点以及挑战

《无线传感器网络》课程涉及计算机、微电子、传感器、网络、通信、信号处理等诸多领域，是一门交叉性高、跨度大的综合型课程。从课程内容的组织到课程实施与评价均给一线教师带来很大挑战，主要表现如下。

1.《无线传感器网络》连贯的系统讲授，需要覆盖从硬件到软件，从单个感知节点到整个感知网络，从感知层到应用层，帮助学生建立起对于无线传感器网络系统的整体认知。而一般计算机专业学生的电子和通讯领域背景知识相对薄弱，这需要教师在课程的初期，从适当的角度，有选择性的对无线传感器网络的底层相关内容进行介绍。

2.《无线传感器网络》作为一门新课程，可供参考的本科教学资源不够丰富。国外对于无线传感器网络技术的研究起源于20世纪70年代，在90年代为学术界广泛认可，中国学术界在2000年前后也对该领域开展研究，并取得了一定的成果。然而教学工作是以实验室研究的形式，只针对少数研究生、博士生等专业研究型人才开展。特别是在2009年以前，国内只有少数几本“无线传感器网络”相关中文图书可供选择[2-5]。这一现象在“物联网工程专业”开设以后得到了一定改善，但相比其他计算机专业传统课程而言，教学资源仍然匮乏。

《无线传感器网络》课程实验需要多种不同类型的实验装置、仪器和设备，以及多种不同的开发环境。较大实验场地才能实现完整的效果。而市场上尚无系统、完整的满足无线传感器网络教学实验所有需要的实验教学系统。此外由于无线传感器网络自身的应用相关性，也决定了很难形成一套大而全的满足所有任课教师需要的教学器材。这需要教师在教学中根据各自的实际情况，挑选合适的教学工具辅助教学。

三、课程内容与结构

通过对当时公开出版发行的无线传感器网络相关图书、教材以及国外课程网站[6-11]内容的研究，确定面向计算机专业开设的《无线传感器网络》课程内容组织如下。

1.无线传感器网络概述。主要讲述无线传感器网络的历史、主要的应用领域、开发平台，以及当前这些平台的限制。

2.建立无线传感器网络。讨论网络体系结构、标准、时间同步、定位、路由算法等。

3.数据采集和数据处理。主要介绍数据采集和数据处理方面的内容。

4.实例研究。结合工业界和学术界在无线传感器网络领域最新的研究进展开展讨论。

5.应用项目。学生展示根据他们的兴趣而设计的无线传感器网络应用项目。展示的次序应该遵守自底向上的原则，从感知节点到网络再到数据处理最后到管理软件，形成完整的无线传感器网络应用系统认知。

具体的内容与学时安排如下：

四、课程应用项目

课程应用项目是对学生考核的重要单元。在课程开始阶段，一旦学生掌握了无线传感器网络基本概念、特征和网络体系结构，就鼓励并帮助学生找到他们感兴趣的无线传感器网络可应用领域。应用领域的选择可以很宽泛，但在熟悉的领域中，学生更容易发现合适的问题。例如围绕“无线传感器网络在校园中的应用”这个领域选题的学生，更容易发现“教室长明灯”这样的问题，并确定“基于无线传感器网络的教室照明管理”这样适宜的题目。随着课程的开展，学生可以不断完善其关注的项目，通过设计合适的传感器、MAC协议、路由协议，并在该应用情境下，探讨定位、同步、安全等技术的可应用性。在课程的最后阶段，学生提交并展示完整的项目设计。

以项目的形式，从具体的问题出发引导学生学习，能够从创新能力和工程实践能力两方面培养学生的应用能力。创新能力培养体现在发挥想象力，根据实际应用的需求，提出新的解决问题的思路和方案的能力。工程实践能力培养表现在运用无线传感器网络系统的概念和原理，设计适应社会需求的技术方案，论证方案的可行性，发现并排除故障问题的能力。2～3人组成一组，组员之间分工合作完成项目并进行报告展示，更从交流沟通、团队合作两方面培养学生的能力。

《无线传感器网络》课程是一门系统性很强的课程，其教学内容跨度大给学生的学习带来了挑战。从实际问题出发，以应用项目贯穿学习过程，能够增强学生的兴趣，提升教学效果，有利于学生应用能力的培养。在条件允许时，还可以在课程内增加验证型实验、设计型实验，进一步提高学生无线传感器网络系统开发与实践的能力。

参考文献：

[1]余琽，赵健，黄传河，等.物联网工程专业建设与实践教学研究[J].计算机教育，2013，8（15）：94-97.

[2]孙利民，李建中，陈瑜，等.无线传感器网络[M].北京：清华大学出版社，2005.

[3]宋文.无线传感器网络技术与应用[M].北京：电子工业出版社，2007.

[4]李晓维，徐勇军，任丰原.无线传感器网络技术[M].北京理工大学出版社，2007.

[5][德]卡勒，等.无线传感器网络协议与体系结构[M].邱天爽，等，译.北京：电子工业出版社，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