空間信息與傳感器網(wǎng)絡課程建設實踐探索

孟小亮，邊馥苓

(武漢大學國際軟件學院空間信息與數(shù)字技術系，湖北 武漢 430079)

空間信息與傳感器網(wǎng)絡課程建設實踐探索

孟小亮，邊馥苓

(武漢大學國際軟件學院空間信息與數(shù)字技術系，湖北 武漢 430079)

我國以物聯(lián)網(wǎng)、云計算和地理信息產(chǎn)業(yè)為代表的產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略對高等院校的專業(yè)人才培養(yǎng)提出了新的要求。在新地理信息時代多學科交叉中的大測繪科學快速發(fā)展的趨勢下，空間數(shù)據(jù)基礎設施需要利用實時空間信息供給和傳感器網(wǎng)絡改進監(jiān)測、控制、態(tài)勢感知和決策制定。武漢大學在此背景下已經(jīng)面向空間信息與數(shù)字技術專業(yè)開設了空間信息與傳感器網(wǎng)絡課程。本文在介紹課程建設意義與目標的基礎上，詳細闡述了課程內容、教學要求、參考資料和考核方法，最后總結了教學效果及存在的問題與建議。

空間信息；傳感器網(wǎng)絡；課程建設；教學內容；考核方法

一、引 言

空間信息與數(shù)字技術專業(yè)2004年創(chuàng)始于武漢大學。目前，全國已有電子科技大學、西安電子科技大學、廈門理工學院、成都理工大學、山東農業(yè)大學、上海海洋大學、福建農林大學、河南工業(yè)大學和中國地質大學(武漢)等10所高校開設了此本科特設專業(yè)或本科專業(yè)方向的實驗班，其主干學科為測繪科學、地理學和計算機科學與技術[1-4]，以上高等院校根據(jù)行業(yè)背景、地理位置、學科基礎和師資情況分別制定了具有各自特色的培養(yǎng)目標和主要專業(yè)課程設置[2]。以武漢大學為例，在測繪行業(yè)背景下，結合其地理、資源環(huán)境、計算機、信息和管理等優(yōu)秀學科基礎和師資條件，建設了一套特色專業(yè)課程體系，其中為國內率先開設的專業(yè)課程包括：空間信息導論、數(shù)字工程的原理與方法[5]、空間信息移動服務、空間信息共享服務和空間信息與傳感器網(wǎng)絡等。其中，空間信息與傳感器網(wǎng)絡作為專業(yè)必修課，于2009年度被寫入武漢大學空間信息與數(shù)字技術專業(yè)培養(yǎng)方案，前導課程為空間信息導論和物聯(lián)網(wǎng)技術導論，2011年度第二學期正式向本科大三年級學生(含國防生)開課，目前已開課3學期。

空間信息與傳感器網(wǎng)絡課程是在我國物聯(lián)網(wǎng)、云計算、3G/4G高速通信技術、測繪與地理信息技術快速發(fā)展的時代背景下開設的。以物聯(lián)網(wǎng)、云計算和地理信息產(chǎn)業(yè)為代表的產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略對高等院校培養(yǎng)的專業(yè)人才提出了新的需求。空間信息與數(shù)字技術專業(yè)應積極優(yōu)化調整，探索多學科集成，以適應產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求。多學科集成的一個趨勢體現(xiàn)在測繪科學與計算機科學、信息科學、資源環(huán)境科學的集成，這種集成的重要目標之一在于利用具有智能傳感器網(wǎng)絡的空間數(shù)據(jù)基礎設施，將空間信息通過空間信息服務，用最快捷的方法和最低的成本送給最需要的用戶[6]，并實現(xiàn)空間信息的實時在線更新[7]，使空間信息為從科學研究、經(jīng)濟建設、國防安全、人民生活到和諧社會可持續(xù)發(fā)展的各行各業(yè)提供實時智能服務[8]。多學科集成還是培養(yǎng)具有合理的知識結構、靈敏的空間數(shù)字思維方式、卓越的技術、實踐、管理、組織和應用能力的創(chuàng)新型復合型精英人才這一目標的關鍵所在[9]。這是空間信息與傳感器網(wǎng)絡課程的建設意義與目標。本文在課程內容與教學要求、教材與參考資料選擇、課程考核方法等多方面進行了實踐探索。

二、課程內容與教學要求

本課程總學時為54學時，3學分，課堂規(guī)模每學期學生70人左右。課程內容分為兩部分，一部分是課堂理論教學，45學時；另一部分是課堂討論，9學時。課堂內容與學時分配見表1。教學要求從低到高分為了解、掌握、熟悉和探索四個層次。

1.課堂教學內容

1)課程緒論：使學生掌握空間信息與傳感器網(wǎng)絡的發(fā)展和基本框架體系。

2)相關技術概述：使學生熟悉空間信息與數(shù)字技術、射頻識別、無線傳感器網(wǎng)絡和基于無線射頻的主流定位技術等基本理論知識。這些理論知識是課程其他內容的基礎和預備，使學生了解智慧城市、智慧交通、智慧醫(yī)療和智慧社區(qū)等智慧工程是空間信息、數(shù)字工程和傳感器技術的有機結合，是以上技術的內涵催生出的更加豐富的外延應用。

表1 課程內容及學時分配表

3)傳感器節(jié)點的定位機制與算法：使學生熟悉傳感器節(jié)點定位的應用領域、定位技術的分類方法；掌握幾種距離相關和距離無關的定位技術、節(jié)點位置計算的基本方法；了解定位算法的性能評價指標和國內外已研制的典型定位系統(tǒng)。

4)典型問題——跟蹤運動目標：通過基于RFID和傳感器網(wǎng)絡的智慧交通和智慧物流實際應用情景分析[5，10]，使學生掌握傳感器網(wǎng)絡部署、設計需求、結構、工作過程和模擬工具，能夠引入?yún)f(xié)作信號和信息處理方法將跟蹤問題形式化，并給出求解單目標和多目標跟蹤問題的解決辦法。

5)三維無線傳感器網(wǎng)絡動態(tài)監(jiān)測：使學生熟悉地下、水下和空中等實際三維傳感器網(wǎng)絡應用場景；掌握基本的三維空間模型和定位方法；了解虛擬現(xiàn)實對節(jié)點定位精度與實時性的要求。

6)基于地理位置信息的無線傳感器網(wǎng)絡路由：使學生熟悉無線傳感器網(wǎng)絡路由的功能、關鍵問題和分類，通過幾種典型基于地理位置路由協(xié)議，使學生掌握通過獲取各個節(jié)點的位置信息實現(xiàn)能量高效轉發(fā)的方法，探索其他一些利用位置信息有效節(jié)省系統(tǒng)能耗的節(jié)能方案。

7)傳感器節(jié)點位置隱私保護：使學生熟悉RFID系統(tǒng)和傳感器網(wǎng)絡中的位置隱私威脅具體包括哪些；了解一些位置隱私的保護方法和RFID系統(tǒng)與傳感器網(wǎng)絡中的主要位置隱私保護技術。

8)空間信息與傳感器網(wǎng)絡研究的未來展望：使學生了解和嘗試探索傳感器網(wǎng)絡定位與跟蹤服務、三維無線傳感器網(wǎng)絡復雜性、基于地理位置路由協(xié)議的研究擴展、傳感器網(wǎng)絡(sensor networks)與傳感網(wǎng)(sensor web)概念辨析、人的自發(fā)式傳感、物聯(lián)網(wǎng)與云計算環(huán)境下的傳感器網(wǎng)絡等方面的研究現(xiàn)狀與趨勢。

2.課堂討論內容

為了鍛煉學生的語言表達能力、鞏固課程知識點、提高教學效果和探索課堂教學改革，本課程安排了課堂討論，并分為期中課堂討論和期末課堂討論兩種形式。因為每學期課堂規(guī)模是學生為70人左右，所以規(guī)定學生按3～4人為一組，有利于分組管理和考核打分，同時也鍛煉了學生的團隊合作能力。

1)期中課堂討論：①“教師10問”環(huán)節(jié)，采用小組搶答方式。②“學生提問”環(huán)節(jié)，采用師生互動方式。

2)期末課堂討論：教師根據(jù)分組情況，布置討論主題，每組分配一個主題，每組在期末課堂討論前查找與本組主題相關的中英文文獻資料，通過閱讀，自擬報告題目并完成一份文獻綜述報告；每組選擇一名代表在期末課堂討論時上講臺對其討論主題和文獻綜述報告做口頭陳述；臺下學生與教師向陳述小組提問，陳述小組進行回答；最后教師對討論主題進行總結。

三、教材與參考資料選擇

國內外多所院校都開設有傳感器網(wǎng)絡相關課程，并已有一些與信息處理技術相結合，如美國Standford大學開設的Information Processing for Sensor Networks和 Sunysb大學開設的 Algorithms for Wireless Sensor Networks等課程，但與空間信息相結合的實例參考較少，本課程只能在實踐中探索。因為目前市面上沒有一本涵蓋本課程所有內容的專業(yè)教材，所以課堂教學時主要使用教師自編講義，并輔助使用參考書，主要包括：Feng Zhao的《Wireless Sensor Networks： An Information Processing Approach》、邊馥苓的《空間信息導論》和劉云浩的《物聯(lián)網(wǎng)導論》。

空間信息與傳感器網(wǎng)絡相關技術國內外發(fā)展速度較快，網(wǎng)頁資料和期刊文獻更能夠及時地反映最新的理論和研究成果。建議使用以下方式定期查找文獻：

1)中文文獻數(shù)據(jù)庫(以中國知網(wǎng)為例)主題搜索關鍵詞建議為：(地理信息)或含(空間信息)并含(傳感器網(wǎng)絡)。

2)英文文獻數(shù)據(jù)庫(以 SCI/SSCI/A＆HCI為例)主題搜索關鍵詞建議為：(Geographic)and(Spatial Information)and(Sensor Networks)。

四、課程考核方法

根據(jù)學校關于成績考核辦法的規(guī)定，結合課程具體實際情況，采用平時考核與期末考試相結合的考核方法。分數(shù)按百分制計算，具體方法如下：

1)平時考核，共計50分，由以下部分組成：

①上課考勤：學生無理由缺勤一次扣5分；無理由缺勤3次或以上則平時成績按0分記。

② 課后作業(yè)(20分)：5次作業(yè)，每次4分。

③期中課堂討論(10分)：對回答問題和課堂發(fā)言的學生依據(jù)表達能力打分，滿分10分。

④期末課堂討論(20分)：綜合學生口頭表達能力和文獻綜述報告質量進行評定，滿分20分。

2)期末考試，采用閉卷形式，滿分50分。

3)總成績，即為平時成績和期末成績的總和，但如果學生期末考試卷面成績不到55分，則總成績僅以期末考試成績計。

五、結束語

在課程結束后，學生會在教學系統(tǒng)中對課程和教師進行不記名評價，本課程在武漢大學教學系統(tǒng)中近三年課程評價的平均分為96.9分。學生評價在一定程度上反映了教學效果和存在的問題，總結如下：

1)課程教學效果與評價總結：學生認為在大三下學期開設本課程比較合適；課程作業(yè)難度和考試方式比較合適；講義和參考書難易度適中。教學方法生動，開闊了視野、豐富了專業(yè)知識，通過課程學習可以掌握空間信息與傳感器網(wǎng)絡的基本理論內容和典型應用案例。

2)課程存在問題及建議：建議開設與本課程對應的實驗課，并以室內傳感器網(wǎng)絡定位為實驗案例進行系統(tǒng)架構和數(shù)據(jù)處理；建議根據(jù)教師自編講義出版課程的教材。

綜上，空間信息與傳感器網(wǎng)絡課程的開設達到了教學目的和教學大綱的要求，得到了學校和學生的認可。因為是新課程，課程建設需在實踐探索中逐步完善。由于本課程緊跟空間信息技術和傳感器網(wǎng)絡技術發(fā)展動態(tài)，因此需不斷充實課程內容。課程可推廣至其他開設有空間信息與數(shù)字技術專業(yè)、物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)或其他空間信息相關專業(yè)的高等院校，作為高年級專業(yè)必修課或者選修課。

[1] 中華人民共和國教育部高等教育司.普通高等學校本科專業(yè)目錄和專業(yè)介紹(2012年)[M].北京：高等教育出版社，2012：26.

[2] 吳學文，滿旺，鄔群勇.國內空間信息與數(shù)字技術專業(yè)培養(yǎng)方案的對比與分析[J].測繪通報，2013(5)：108-110.

[3] 張浩軍，祝玉華，李濱.面向戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè) 建設特色信息專業(yè)—以河南工業(yè)大學空間信息與數(shù)字技術專業(yè)建設為例[J].計算機教育，2012(24)：37-40.

[4] 新浪教育.中國地質大學設優(yōu)秀新生獎勵計劃新增三大專業(yè)[EB/OL].(2013-06-14)[2013-12-09].http：∥edu.sina.com.cn/gaokao/2013-06-14/1058384418.shtml.

[5] 沙宗堯，邊馥苓.單源最短路徑算法的圖示教學設計與實踐[J].測繪通報，2010(4)：58-61.

[6] 李德仁.多學科交叉中的大測繪科學[J].測繪學報，2007，36(4)：363-365.

[7] 李德仁，邵振峰.論新地理信息時代[J].中國科學F輯：信息科學，2009，39(6)：579-587.

[8] 李德仁，邵振峰.信息化測繪的本質是服務[J].測繪通報，2008(5)：1-4.

[9] 邊馥苓.論我國地理信息產(chǎn)業(yè)、人才現(xiàn)狀與存在問題[J].地理信息世界，2009(5)：29-34.

[10] 邊馥苓，孟小亮.空間信息服務在RFID物流管理系統(tǒng)中的應用研究[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

G64

B

0494-0911(2014)12-0122-03

孟小亮，邊馥苓.空間信息與傳感器網(wǎng)絡課程建設實踐探索[J].測繪通報，2014(12)：122-124.

10.13474/j.cnki.11-2246.2014. 0415

2013-12-16

湖北省高等學校省級教學研究項目(2011023)；武漢大學自主科研項目(2042014kf0086)；武漢大學教學改革研究項目(2014054)

孟小亮(1981—)，男，遼寧營口人，博士，副教授，主要從事空間信息科學與傳感器網(wǎng)絡的教學和科研工作。