基于项目驱动的无线传感器网络教学模式

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摘 要： 无线传感器网络是一种新兴的信息通信技术,作为物联网的关键技术之一,其具有极广阔的应用前景.对于物联网工程及相关专业而言,如何在本科教学过程中实施此内容的教学面临较大的挑战.本文根据我校在本科学生开设无线传感器网络课程的教学实践,分析了该课程的教学难点,研究探讨了无线传感器网络的教学模式、教学安排和考核评分等问题,提出了面向应用的基于项目驱动的教学模式.

关 键 词 ： 无线传感器网络 项目教学法 教学模式 物联网

现代信息技术作为当今世界发展的重要驱动力,主要由计算机技术、通信技术、微/光电子技术、信息安全技术、智能技术和软件技术等组成.无线传感器网络恰如其分地将现代信息技术中的计算机网络技术、微电子技术、传感器技术及通信技术四者巧妙地融合在一起,实现了数据感知、数据采集和数据传输的真正统一,被认为是促进21世纪人类社会发展前进的重要技术之一[1].

无线传感器网络作为物联网的关键技术之一[2],无论是从物联网工程专业的角度出发,还是从无线传感器网络技术自身角度出发,在相关本科院校开设无线传感器网络课程都是相当必要的.国内许多院校大多将此课程作为只针对研究生开设的研究性课程,我校在2012年就为信息工程专业的本科学生开设了该课程.本文结合我校的物流特色,提出了面向物流应用、基于项目驱动的教学模式,并对该课程的教学模式进行了实践与探索.

1.课程教学难点

无线传感器网络的巨大应用价值已经引起了世界许多国家的军事部门、工业界和学术界的极大关注.美国自然科学基金委员会、美国国防部和各军事部门、美国英特尔公司等信息产业界巨头纷纷开始了无线传感器网络方面的工作,设立或启动了相应的行动计划.日本英国、意大利、巴西等国家均对无线传感器网络表现出了极大的兴趣,纷纷展开了研究工作.我国的无线传感器网络研究启动于世纪之交.1999年,无线传感器网络首次正式出现于中国科学院《知识创新工程试点领域方向研究》的信息与自动化领域研究报告中,是该领域提出的五个重大项目之一.目前,国内一些研究机构与高等院校已积极开展无线传感器网络的相关研究工作,主要有中科院软件所、中科院计算机研究所、清华大学、电子科技大学、哈尔滨工业大学、浙江大学、南京大学.从2002年开始,国家自然科学基金委员会就审批了和WSN相关的多个课题,在国家发展改革委员会的下一代互联网示范工程中,也部署了与WSN相关的课题.

无线传感器网络技术具有多学科高度交叉的特点,属于前沿课题,涉及知识面广、难度大、发展快,所以在本科生中开设无线传感器网络课程存在一定的困难,主要包括：

（1）课程属交叉学科,教学内容跨度大、难度高.

无线传感器网络作为当今信息领域新的研究热点,涉及多学科的研究领域,有非常多的关键技术有待发现和研究,因此课程教授的内容跨度非常大,主要包括传感器技术、硬件设计、网络协议、网络拓扑控制、网络安全、时间同步、数据融合、数据管理、无线通信技术、嵌入式操作系统、仿真开发技术和应用层技术等.如何在有限的课时内让学生掌握课程内容成为该课程的最大难点.同时,在普通本科院校开设无线传感器网络课程,不仅要求学生有相关的前期基础,而且要求学生具有较好的学习主动性与钻研能力.

（2）课程属前沿课程,教学内容不断更新变化.

与传统网络相比,无线传感器网络技术本身属于前沿技术,其相关技术、相关标准等仍不统一.国内外研究机构和产业机构仍对其展开研究,陆续有新硬件、新协议、新算法、新系统的提出.在教学过程中,教师要根据技术发展不断更新教学内容,让学生始终紧跟技术发展的步伐.

（3）无线传感器网络与应用密切相关.

不同的应用背景对传感器网络的要求不同,其硬件平台、软件系统和网络协议必然有很大差异.所以传感器网络不像传统网络一样有统一的通信协议平台.需要针对每一个具体应用来研究传感器网络技术并设计其软硬件平台及通信协议,这是无线传感器网络设计不同于传统网络的显著特征.在教学过程中,如何在不用应用背景下提取出共性问题,使学生在掌握共性问题的基础上针对具体应用找出差异,是教学的难点.

（4）实验教学难以开展.

无线传感器网络实验仿真平台、开发环境的多样化,给无线传感器网络课程的实验教学带来一定难度.如何选择实验平台,屏蔽平台的差异性,让学生在实验中同分理解消化理论教学的内容,不给学生造成思维的混乱,是教师实验教学的难点.

2.面向应用、基于项目驱动的教学模式

建构主义最早由著名的瑞士心理学家皮亚杰（J.Piaget）提出[3].基于建构主义的教学法要求,在学习过程中以学生为中心,教师扮演帮助者角色,利用情景、协作、会话等学习环境要素,充分发挥学生的主体性和创新精神,使学生有效实现对当前所学知识的意义建构.项目教学法就是在建构主义的指导下,以实际的工程项目为对象,先由教师对项目进行分解,并做适当的示范,然后让学生分组围绕各自的工程项目进行讨论、协作学习,最后以共同完成项目的情况评价学生是否达到教学目的的一种新的教学方法.

传统教学中,老师占主导,学生在老师的指导下被动地学习和接受知识,且不加思考.要改变这种教学模式,学生可以在教师的帮助和引导下,围绕一个项目,在兴趣的驱动下,通过自主探索和互动协作学习,实现既定知识的学习.在本课程的教学过程中,项目教学法是教师设置物流应用的大背景,学生以物流应用中某一个具体环节作为一个完整项目而进行工作.学生以小组为单位,不同小组选择物流应用中的不同环节,将课程所授知识融入项目完成过程,通过小组间的互相合作,共同构成一个完整的大系统.每个学生根据自己选择的环节,将整个综合性大项目拆解成不同的功能模块,每个不同的功能模块均可对应教师所教授的课程内容.如在讲解时间同步技术时,教师可以针对不同项目背景提出相应的同步需求,使学生带着真实的任务探索学习.该项目过程不仅可以学习部分教学内容,具有一定的综合性,而且可以将教学内容的理论与实践结合在一起,激发学生的学习兴趣. 在项目教学法的模式中,为了提高学生的学习兴趣[4][5],要加强教学双方的互动,本文提出了具有层次性的阶段教学,将该课程的教学分成六个阶段,如下图所示.

图 层次性的阶段教学模式

（1）感知阶段.

由于该课程的理论知识涉及广泛,许多学生对该课程产生畏难情绪.为了激发学生的学习兴趣,教师在开课之初应以学生较为熟悉的家庭环境作为应用场景,通过智能家居系统,让学生通过感知无线传感器网络应用的魅力,激发学习兴趣,适当地缓解对这门课的畏难心理,树立学好这门课程的信心.

（2）启发阶段.

通过感知阶段的应用,教师更换无线传感器网络的应用场景,让学生从不同的应用场景中提取共性问题,引出本课程的教学内容.在课程内容的教授过程中,教师始终坚持面向应用、基于项目驱动的理念,让学生带着问题有目的地听课,深入浅出地在有限的课时内将知识点教给学生.学生可根据教师所授的内容,将需要完成的项目系统进行拆解分析,为项目的完成打下理论基础.

（3）调研阶段.

为加深学生对该课程的理解,发挥学生学习的主观能动性,要求学生课后查阅资料,对项目背景及项目完成涉及的知识难点进行调研,撰写调研报告并交流.此外,教师也可以根据课程和项目内容,增加学生互动交流的时间,并让学生走上讲台,选择相应的专题进行交流,如项目需求专题、硬件设计专题、网络协议专题、应用开发平台专题等.

（4）验证阶段.

为了加深学生对无线传感器网络理论知识的理解,教师应选择相应的实验平台进行简单的讲解,并安排相关的应用实验.教师不仅可以在教学过程中通过仿真实验验证理论教学的内容（比如通过定位仿真技术验证定位算法的效果）,还可以以单列学分的形式安排无线传感器网络的实验课.由于教学对象为本科学生,因此实验教学的重点应放在系统功能的验证、应用层的开发体会上,而不是底层开发.这样可以使学生在有限的教学时间内了解无线传感器网络的工作机制和原理,加深对抽象问题的理解,掌握无线传感器网络的基础知识.

（5）提升阶段.

提升阶段是为了发挥学生的主观能动性,突出学生的主体地位,激发学生的研究兴趣,对自己小组完成的项目进行展示说明,并将各个小组的项目进行整合,构建的物流应用系统.同时,让学生在已有的学习基础上,结合无线传感器网络技术的新发展,以讨论交流的方式针对自己或其他小组完成的项目提出相应的改进和完善意见及设计方案,培养学生的创新思维.

3.教学安排和考核

在教学过程中,教师要始终坚持面向应用、基于项目驱动的理念,循序渐进、深入浅出,力求全面且突出重点地合理分配课时.根据实际授课经验,精心设计无线传感器网络的课时,安排,同时考虑到理论课程的学时限制,对具体授课内容及学时的安排如下：无线传感器网络的概述,3学时；传感器的基本知识,3学时；传感器网络的通信与组网技术,8学时；传感器网络的支撑技术,8学时；传感器网络的应用开发基础,8学时；传感器网络的技术标准,8学时；传感器网络技术的应用,8学时；无线传感器网络实验,12学时；项目专题交流,6学时.

由于教育体系的原因,很大一部分学生仍以成绩提高为动力,因此,课程教学全过程中的考核评分环节依旧是很重要的.教师在课程的各个环节对学生成绩进行评估,如课堂的表现、课下作业完成情况、实验情况、小组项目完成情况和期末考试等.这种方式可以保证学生在教学过程中维持较高的学习热情.例如可以采用以下的评分方式：总成绩的20%是平时成绩,20%是实验成绩,20%是项目成绩,40%是期末考试的成绩.

4.结语

无线传感器网络技术作为当今科研领域的前沿课题颇具发展潜力,随着我国高校物联网工程专业的设立它逐步进入教学课堂.本文根据我校在本科阶段开设无线传感器网络课程的教学实践,分析了该课程的教学难点,研究与探讨了无线传感器网络的教学模式、教学安排和考核评分等问题,提出了面向应用的项目驱动教学模式,将教学过程划分为6个层次,并将上述理论用于教学实践.从教学实践效果看,该模式充分考虑了本科学生的知识水平,能够有效调动学生学习的积极性和主动性,深入浅出地将课程理论教学与实践相结合,注重学生的团队合作学习和探究学习,有助于培养学生的实践操作能力及科学研究、团结互助的品质,取得较好的教学效果.