《无线传感器网络》课程特点、挑战和解决方案

郝洁

（南京航空航天大学计算机科学与技术学院，南京 211106）

《无线传感器网络》课程特点、挑战和解决方案

郝洁

（南京航空航天大学计算机科学与技术学院，南京 211106）

《无线传感器网络》是物联网专业的必修基础课程之一,为物联网的学习奠定基础。如何将无线传感器网络的知识和设计思想快速有效的进行传授成为亟待解决的问题。根据多年教学实践经验,结合无线传感器网络的课程特征和其带来的教学挑战,提出不同的解决方法以报告形式、互动方式、实验设计等设计一整套课程规划，以期实现无线传感器网络的教学新方法。

无线传感器网络；本科教学；物联网

0 引言

物联网专业相比于其他专业是一门新兴专业仍然处于探索阶段，同时还是一门交叉学科，涉及到计算机技术、通信技术、软件开发等多门专业知识。无线传感器网络作为物联网的基础技术之一，是具有重要教学意义的。同时无线传感器网络课程通常在大二或大三，在学生学习了高等数学、数据结构等基础课程后接触到的专业课，对转变学生学习思维、增强学生对物联网的理解、培养学生进行无线传感器网络乃至物联网设计开发的能力具有重要意义。因而,在此背景下,如何为本科生进行无线传感器网络教学并培养学生的设计开发思维和能力成为一个亟待解决的问题。

1 课程基本情况分析

经过笔者和学生的交流和实际教学情况,本文提出了无线传感器网络课程的特点和给教学带来的挑战。

交叉学科：《无线传感器网络》[1]是一门交叉课程，涉及到通信、传感器、算法等多门学科的知识。本课程和本专业其他课程的交互关系可以分为两个方面：一方面通过学习无线传感器网络可以巩固已学的其他学科知识、练习如何灵活使用已学到的学科知识；另一方面通过学习无线传感器网络为以后的更高层次的学习打好基础。本课程在整个物联网专业框架下可以和其他课程和谐统一、有机联系。

新兴和快速发展的特点：无线传感器网络是一门新兴技术。学术界和工业界对其研究处于各自为政的状态。例如其操作系统就有数十种之多，分别由不同的学校研究小组或公司开发完成。现在无线传感器网络的标准化尚未完成，无线传感器网络技术仍然在快速开发，无线传感器网络面向应用也使得每新出现新的应用都可能有心的协议和技术的出现。这些特点都给教学带来了挑战：教学内容要实时更新；相较于具体的技术细节，养成有效的思维方式更加重要（例如相较于熟记某一经典网络层协议的具体实现，针对不同的应用需求有能力设计出适合的协议这种思维能力更重要）；需要学生可以快速的理解和掌握新技术。

应用相关性强：无线传感器网络是一种应用相关性很强的课程，现在并没有一个标准化的知识框架，针对每一个模块设计也没有最优解的情况，每一个知识点或关键技术都会涉及相适应的应用场景。因此学习每个技术点或关键技术并不是关键，而如何在实际的应用场景下灵活使用知识点和关键技术才是教学的重点。

2 解决方法

本节将对以上每一个课程特点和给教学带来的挑战，分别提出相应的解决方法。

2.1 交叉学科

（1）强调与已有知识如何为本课程服务：在《无线传感器网络》中有些知识是学生在其他课程中学习过的，例如学生在算法中已经学习过如何找到最短路径。在进行本课程学习时，我们将重点讨论无线传感网中找到最短路径的具体实现、可能遇到的能耗问题等，让学生巩固并练习灵活适用已有知识。另外，在教学时，通常学生面对的是一些抽象的概念，可以通过类比的方法在将一些思路和其他学科中的例子甚至是现实生活联系起来。例如，传输层协议的不同功能，拥塞控制可以很直观的和交通堵塞联系起来，通过引导学生们联想交通堵塞的控制、缓解方法来设计无线传感器网络中拥塞控制、缓解的机制。这种方法可以让学生们可以快速的理解拥塞控制的概念和设计思路，还可以启发他们的设计思路。

（2）强调与其他学科已有知识的不同：结合课程交叉学科的特点，也为了巩固学生的已学知识，教师在涉及到其他学科已学知识的时候首先提问学生已学知识，基于感知律［2］对教学效果的影响，通过对比无线传感网中的新知识和其他学科中的已学知识的不同来增强学生的学习效果，也让学生加深理解无线传感网的设计特点。例如在介绍传输层协议时，可以首先回顾计算机网络中的UDP和TCP协议，向学生提问UDP和TCP协议是否适用于无线传感网络，不仅温习了已有知识，也可以激发学生对新知识的思考，并通过对比加深对新知识的掌握。

2.2 新兴和快速发展的特点

（1）实时更新教学内容：教学内容中除了教材上的内容多增加一些前沿技术的介绍，例如定位部分也可以增加新颖的室内定位技术（基于指纹的定位方法、基于视觉传感器的定位等），能量管理部分也可以增加能量采集模块的介绍等。这些前沿技术的介绍要注意主要介绍基本思路，着眼于给学生展示其应用场景、发展现状、发展前景等，激发学生的兴趣和创造性。

（2）课堂报告：结合课程新兴和快速发展的特点，也为了培养学生快速学习新技术的能力，我们设计一个课程规划允许的课堂报告形式。教师拟定大概的话题方向、提供可供选择的新颖话题、鼓励学生自己发现新的报告话题。报告的题目涉及人工智能、交通、定位等领域相关的无线传感器网络的话题。报告形式为报告人报告和听众提问。团队由3-4人组成,各自分工一部分,分别讲述。最后教师以话题的深度／广度、话题的重要性和影响力、汇报技巧等为评分标准给出评估结果。

（3）训练搜索文献能力：为进行科学研究、了解新兴技术研究现状和最新发展状况，搜索文献收集信息的能力非常重要。教师会提供课程相关的资源网址、搜索引擎等，培养学生自己动手搜索文献、收集需要信息的能力。这不仅对本课程有所帮助，对以后的学习和工作都会有所裨益。

2.3 应用相关性强

（1）评价练习：结合课程应用相关性的特点，也为了培养学生的思辨能力，教师在介绍每个知识点的时候都会强调该知识点的适用范围，评价其优点和缺点。给学生示范思考的方式并要求学生在学习重要知识点后进行小型讨论对其评价，得到相对完善的评价结果，养成思辨习惯。教师会随机提问，并针对其评价结果进行引导式的修正。每节课会进行5次以上的小型讨论。

（2）模拟设计：结合课程应用相关性的特点，也为了培养学生的综合设计的能力，教师会给出假设应用场景，如火灾监测应用，让学生小组讨论如何设计无线传感器网络，并给出网络系统框架图，考察其思维能力和知识的综合掌握能力。

（3）和实验课程相结合：结合课程应用相关性的特点，也为了培养学生的实践能力，教师会结合实验课程，实验内容的选择和教学内容相结合，通过实验加深对教学内容的理解。

需要注意的是，以上解决方案并不是相互独立的，需要互相配合才能达到良好的效果。经过数周的教学，学生们已经养成了对教学知识点思考的习惯，并发展出了对无线传感网初步的设计思路，为以后的学习和工作奠定了基础。

3 结语

本文针对无线传感器网络课程,分析了课程的特点和带来的挑战，结合自身的教学经验分别提出了解决不同挑战、有效提升学生学习效果的教学方法。

[1]崔逊学,左从菊.无线传感器网络简明教程.北京：清华大学出版社，2015.

[2]谭顶良.高等教育心理学[M].南京：河海大学出版社，2009.

The Challenges of How to Teach Wireless Sensor Networks and Efficient Solutions

HAO Jie

（College of Computer Science and Technology,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 211106）

Wireless Sensor Networks is one of the fundamental courses for the Internet of Things major.The main concerns of this course include not only the basic knowledge of WSNs,but also the design discipline of WSNs according to practical applications.Analyzes the characteristics and challenges of the course,and then proposes efficient solutions which aim to help the students to grow their interest in their major and develop the concept of the network design.

Wireless Sensor Networks;Course;IoT

国家自然科学基金（No.BK20160807）

1007-1423（2017）35-0075-03

10.3969/j.issn.1007-1423.2017.35.016

郝洁（1988-），女，山东青州人，博士，研究方向为无线传感器网络

2016-12-01

2016-12-13