從嵌入式的角度對“無線傳感器網(wǎng)絡(luò)”課程教學的思考

鄧賢君+易靈芝+王彥+黃智偉

作者簡介：鄧賢君（1981—），男，博士，講師，主要從事無線通信、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的教學和科研工作。摘要：基于在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)領(lǐng)域的研究及在嵌入式領(lǐng)域的研發(fā)和教學經(jīng)歷，本文作者從嵌入式的角度對“無線傳感器網(wǎng)絡(luò)”這門課程的教學模式進行了思考和探索。本文總結(jié)了“無線傳感器網(wǎng)絡(luò)”課程的特點，對這門課程的理論教學和實驗教學方法提出了一些自己獨特的建議。

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；嵌入式；教學方法

伴隨著半導體技術(shù)、微電子技術(shù)、通信技術(shù)、計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展，20世紀90年代末在美國發(fā)端了現(xiàn)代意義的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有著非常廣泛的應(yīng)用，無論是在國家安全還是在促進社會、經(jīng)濟發(fā)展方面均有著廣泛的應(yīng)用前景。

近年，“無線傳感器網(wǎng)絡(luò)”作為一門重要的專業(yè)課進入了國內(nèi)不少大學信息專業(yè)的課堂，大學生在本科階段、碩士階段就能接觸、了解、學習和掌握這門前沿學科，這對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究和教學將起到非常重要的促進作用。2000年以后，國內(nèi)大部分高校都開設(shè)了嵌入式系統(tǒng)相關(guān)的課程，包括單片機原理、DSP原理及應(yīng)用、ARM、FPGA、Linux嵌入式系統(tǒng)等，經(jīng)過十多年的發(fā)展，這些課程的教學積累了豐富的經(jīng)驗，對于嵌入式技術(shù)的推動起到了巨大的作用，也促進了嵌入式行業(yè)的快速發(fā)展。2005年以后，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）開始進入高校課堂，包括在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上發(fā)展而來的物聯(lián)網(wǎng)（IOT）也在2010年以后成為時代的新寵兒。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和物聯(lián)網(wǎng)作為新興技術(shù)，還有很多問題需要深入進行研究，在這種背景下，把這門課程引入高校的課堂，對教師的教學是一個巨大的挑戰(zhàn)。由于這是門新課程，因此對“無線傳感器網(wǎng)絡(luò)”課程的教學如何組織開展探討和研究具有非常重要的意義。

南華大學相關(guān)專業(yè)近年來也新開設(shè)了這門課，本文作者有著從事嵌入式技術(shù)產(chǎn)品研發(fā)和高校教學的經(jīng)歷和經(jīng)驗，同時結(jié)合作者所從事的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)主題的研究經(jīng)歷和在讀博單位所承擔的部分教學經(jīng)驗，本文擬從嵌入式的角度來談?wù)剬Α盁o線傳感器網(wǎng)絡(luò)”課程教學的一些思考和建議，以供參考。

一、“無線傳感器網(wǎng)絡(luò)”課程的特點無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由部署在感測區(qū)域內(nèi)的微型傳感器節(jié)點組成，并通過各種無線通信形成的多跳、自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有自組織性、分布式處理、協(xié)同通信等諸多優(yōu)點，近年來在環(huán)保、農(nóng)業(yè)、工業(yè)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。“無線傳感器網(wǎng)絡(luò)”這門課程的特點主要有如下三點：

（1）這是一門交叉性學科。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的課程內(nèi)容涉及面十分廣泛，是多學科交叉融合而發(fā)展起來的一門新興學科。這個特點對教師的教學提出了很高的要求，要求教師具備廣泛的專業(yè)知識、扎實的專業(yè)基礎(chǔ)。

（2）這是一門工程性、應(yīng)用性非常強的學科。這就決定了這門課除了課堂教學外，還需要依托實驗教學，要通過完善的實驗教學體系來使學生掌握和理解這門課程的精髓。

（3）這是一門還在飛速發(fā)展中的學科，還遠沒有達到成熟。要求教師在教學的同時，還需要不斷跟進學科前沿，了解研究動態(tài)，及時把最新的研究成果傳授給學生。

二、“無線傳感器網(wǎng)絡(luò)”課程的教學方法研究與探討基于“無線傳感器網(wǎng)絡(luò)”這門課程的以上三個顯著特點，本文接下來從理論教學和實驗教學兩個方面來談?wù)剬@門課程教學的一些建議。

1理論教學

首先，選一本好的教材。一本好的教材對于教師的備課、學生的預習與復習都是非常重要的。當前國內(nèi)已經(jīng)涌現(xiàn)出了一批無線傳感器網(wǎng)絡(luò)方面的教材，但是這些教材的質(zhì)量良莠不齊，所以教師在選擇教材上要慎之又慎。其次，教師在上課之前要積極認真?zhèn)湔n。當前國內(nèi)這門課程的師資很缺乏，很多上這門課的教師都沒有專門從事無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的經(jīng)歷，也沒有實際參與過這方面的項目開發(fā)，所以這就對教師的備課提出了很高的要求。如前所述，這門課程是多學科融合的交叉學科，要把這門課程所涉及的知識點講透徹、讓學生容易接受和理解，教師自己要先理解透徹，而要做到這一點是非常不容易的。教學內(nèi)容方面，個人認為需要在課堂上介紹無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本概念、發(fā)展歷程及主要支撐技術(shù)，如定位技術(shù)、同步技術(shù)、數(shù)據(jù)管理技術(shù)和服務(wù)質(zhì)量管理等。最后，為了上好這門課，教師需要時刻關(guān)注、跟蹤這門技術(shù)的發(fā)展動態(tài)，積極投入到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究中去。科研與教學相互促進，相輔相成，沒有科研的教學好比無源之水，對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)這類正在高速發(fā)展的學科，更是如此。

2實驗教學

實驗教學對于“無線傳感器網(wǎng)絡(luò)”這門工程性、實踐性很強的課程的教學成效起著重要作用。但是由于這是一門新興課程，實驗教學采用什么設(shè)備、如何組織、授課學時等，目前在開設(shè)這些課程的高校之間并沒有統(tǒng)一的意見。

（1）實驗教學設(shè)備方面：國內(nèi)現(xiàn)在有不少教學儀表公司都開發(fā)了針對高校學生學習無線傳感器網(wǎng)絡(luò)用的實驗箱系統(tǒng)，系統(tǒng)提供的實驗基本上包含了傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心技術(shù)知識點的訓練，而且價格方面也比較優(yōu)惠，性價比比較高。此外，授課教師或者團隊可以基于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的基本方法，利用已有的嵌入式實驗設(shè)備來“發(fā)明”傳感器網(wǎng)絡(luò)的新設(shè)備。保證這些設(shè)備能夠聯(lián)網(wǎng)，可以考慮將8位處理器如C8051和32位的處理器如ARM、DSP等進行結(jié)合，來搭建一個基本的實驗設(shè)計平臺，這樣做的優(yōu)點是可以充分利用已有的教學資源，激發(fā)教師和學生的創(chuàng)造力，同時又可以大大節(jié)省采購設(shè)備的成本，一舉兩得。

（2）實驗課組織方面：建議采用“從小到大、循序漸進”的方式，首先完成一個小規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)部署，以加強學生對實際部署場景的把握，然后循序漸進，從簡單的程序開始，一步步加強程序的復雜程度和功能，直到整個網(wǎng)絡(luò)功能完善，達到節(jié)能、運行生命周期長、有效完成某項應(yīng)用的目的。

（3）實驗教學方法方面：建議采用“基本+拓展”模式。在基礎(chǔ)階段，通過講解和引導，由學生親自組隊動手完成傳感器網(wǎng)絡(luò)的部署和測試，并且要求任務(wù)完成后，要提交正式的實驗報告，并在班上進行交流互動，通過整個環(huán)節(jié)來促進學生對課堂理論教學部分所講授的知識進行深入理解。拓展階段，采用“第二課堂”模式和電子設(shè)計大賽培訓模式，給學生一項具體任務(wù)及一些指標和一定的時間期限，讓學生充分發(fā)揮主觀能動性，自由組隊，自由發(fā)揮，努力完成任務(wù)。在任務(wù)完成后，教師和學生一起進行評測，總結(jié)經(jīng)驗和教訓，讓學生能對所學知識有更深入的理解和掌握。通過這種模式，能培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維和運用所學知識發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力。

本文作者結(jié)合自己在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的研究和教學經(jīng)歷，根據(jù)這門課程的特點，對這門課程如何進行理論教學和實驗教學進行了研究與探討，并提出了一些建議，這些建議對于高校教師如何進行“無線傳感器網(wǎng)絡(luò)”的教學具有一定的參考價值。

參考文獻：

孫利民.無線傳感器網(wǎng)絡(luò).北京：清華大學出版社，2005.

胡四泉，王志良.“無線傳感器網(wǎng)絡(luò)”課程實驗教學探討.中國電力教育，2010（31）.