以“學-改-創”為核心理念的《無線傳感網絡》教學模式探討

彭維平，宋成，倪水平，王磊

《無線傳感網絡》是高等學校計算機相關專業，特別是物聯網工程專業的專業必修課程。作為物聯網最重要的基礎支撐技術之一，無線傳感器網絡作為一種新型的網絡技術得到了廣泛的關注。然而，在無線傳感網絡應用中，仍然存在較多需要解決的技術問題，包括無線傳感器網絡的基本傳輸技術、路由覆蓋和拓撲技術、無線傳感器網絡定位跟蹤與時間同步技術以及傳感器網絡安全等關鍵技術。因而，國內很多高校在研究生階段開設了該課程，這些關鍵技術均為物聯網相關方向研究生的研究熱點。

一 課程教學的目的及存在的問題

對于研究生階段開設本門課程，不同于本科階段的教學[1,2]，除了要求學生掌握無線網絡的基本傳輸技術、無線局域網、無線個人網、傳感器網絡等網絡技術及其基本原理之外，更重要的是要熟悉現有的各種協議和算法的設計思想，培養學生構造系統性的研究思路；學習不同的學者解決同一問題的不同思路和方法，開闊學生做科學研究的視野；學會運用其它領域的現代信息理論技術解決另一領域問題的新思路和新方法，培養學生的創新意識；為后續分析和研究這些網絡中存在的問題提供指導。

但目前來說，在面向研究生的課程教學中，傳統的面向本科教學的課程內容、教學方法等方面均存在不足，特別是在以下幾個方面。

1. 課程體系以技術應用為導向。

2. 研究生普遍動手能力較弱，理論與實踐脫節[3]。

3. 缺乏完善的各核心技術（路由、定位跟蹤與時間同步等關鍵技術）算法庫。

4. 自主學習資源少。

5. 學生的獨立創新能力有待提高。

因而，基于目前該門課程在教學實踐過程中存在的許多現實問題，本文提出一種以“學-改-創”為核心理念的《無線傳感網絡》教學改革模式，期望為更多的算法或協議設計類課程的教學提供一定的參考。

二 教學改革新模式

（一）建立合理的課程內容體系

本課程主要內容包括無線傳感器網絡跨層體系結構、基本傳輸技術、路由覆蓋和拓撲技術、無線傳感器網絡定位跟蹤與時間同步技術等關鍵技術。有別于本科階段的教學，其主要內容可規劃以下幾個方面。

1. 無線傳感網絡體系結構

主要內容包括無線傳感網絡基本概念、現狀和發展歷程；無線傳感網絡的體系結構、研究熱點、主要應用領域及相關案例。

2. 物理層和MAC層協議分析

主要內容包括基于競爭的信道接入協議類型及原理、基于固定分配及按需分配的信道接入技術。其中競爭型MAC協議：SMAC，TMAC，PMAC等；分配型 MAC協議：TDMA等。

3. 路由協議分析

主要內容包括能量感知路由協議、以數據為中心、分層路由協議、地理位置路由和基于Qos的路由協議。其中，能量感知路由協議包括基本能量感知路由和能量多徑路由；以數據為中心的路由協議包括Flooding協議、SPIN協議、DD協議等；分層路由協議包括LEACH協議 PEGASIS協議 TEEN協議等；地理位置路由包括GPSR協議、GEAR協議等；Qos路由包括SAR協議等。

4. 無線傳感網絡支撐技術——定位技術

主要內容包括基于測距的定位技術、無需測距的定位技術，以及典型定位系統。

現有無線傳感網絡的定位方法： Cricket定位系統、質心定位算法、TOA和TDOA定位方法、AOA定位算法、RSSI定位方法和DV-HOP定位方法等。

5. 無線傳感網絡支撐技術——時間同步技術

主要內容包括無線傳感網絡的時間同步技術的基本概念和原理，重點是發送者-接收者同步模式和接收者-接收者同步模式?，F有的時間同步協議包括：LTS協議、RBS協議、TPSN協議、DMTS協議、FTSP協議、HRTS協議和GCS協議等。

6. 無線傳感網絡支撐技術——數據融合技術

主要內容有多傳感器數據融合的作用、分類和主要方法。重點內容是基于貝葉斯的數據融合方法和基于神經網絡的數據融合方法。

（二）“學-改-創”為核心理念的課程教學方法

根據本門課程的性質和特征，我們擬采用“基礎知識加強學習，核心算法改進到提出創新”的教學模式，因而擬將教學內容分為四個組成部分：基礎理論部分，現有協議和算法的分析，協議和算法的改進嘗試以及學科前沿的新協議和算法的研讀。

1. 基礎理論部分的學習

重點是讓學生了解WSN的的發展過程以及WSN 的現狀；理解WSN的體系結構，了解WSN的應用前景；掌握計WSN的基本概念、組成；掌握物理層、MAC層和網絡層設計的主要技術原理；了解通信信道的概念及其劃分，CSMA/CA以及隨機退避防沖突機制；理解并掌握無線傳感器的路由技術、時間同步技術、定位技術、數據融合技術以及安全相關的基本概念和原理。該部分內容主要以教師講授為主。

2. 現有協議和算法的分析、實現和仿真

通過對已有典型算法和協議的講解和分析，讓學生對MAC層的介質訪問控制機制和防沖突機制、路由協議、時間同步協議、定位算法、數據融合算法等有深入的理解，掌握這些算法的設計思想以及優缺點；然后對學生進行分組，為每個小組分配不同的算法實現和仿真測試任務，最后每個小組進行算法設計和仿真測試的匯報和講解，以此達到共同學習的目的。該部分內容主要以討論和學生實踐為主，教師講授為輔。

3. 現有協議和算法的改進

通過第二階段的學習和算法仿真測試，充分分析每個算法的優缺點，要求根據現有協議和算法，提出創新性的改進措施和方案，并將設計的方案通過仿真實驗，并和現有相關協議進行比較，得到仿真的比較結果，最后向老師和所有同學做講解。以此，不僅要求學生能夠對協議和算法能真正掌握好，而且能夠有所創新，提出自己的新觀點、新方法。該部分內容擬以學生自主創新實踐為主，課堂討論為輔。

4. 最新協議和算法的研讀、提出新的設計思想

主講教師將課題組在無線傳感器網絡領域的最近研究成果和論文設計思想傳授給學生，并將國內外該領域其他專家學者最新發表的研究論文提供給學生學習和討論，緊跟學術前沿，以此來拓展學生的知識面和深度，并且做一些創新性的研究。該部分由主講教師和學生共同完成。

（三）“成果導向”的實踐性教學設計

實踐性教學的目的是調動學生的學習積極性和能動性，理論與實踐相結合，使學生真正掌握無線傳感網絡的基本理論和技術，進一步提高其分析問題、解決問題和理論創新的能力，培養學生形成良好的科研方法與獲取知識的能力。

1. 加深對無線傳感器網絡基礎理論和基本知識的理解，掌握無線傳感器網絡的理論和技術。對學生進行分組，為每個小組分配不同的算法實現和仿真測試任務，最后每個小組進行算法設計和仿真測試的匯報和講解，以此達到共同學習的目的。

2. 充分體現“教師指導下的以學生為中心”的教學模式。以學生為認知主體，著力培養學生良好的科研方法。除了每個小組進行已有算法的設計和仿真測試的匯報和講解之外，要求學生能根據現有協議和算法，提出創新性的改進措施和方案，并將設計的方案通過仿真實驗，并和現有相關協議進行比較，得到仿真的比較結果，最后向老師和所有同學做講解。以此，不僅要求學生能夠對協議和算法能真正掌握好，而且能夠有所創新，提出自己的新觀點、新方法。

三 重點難點

本課程教學的重點和難點在于我們擬采用的循序漸進的教學模式，是否能將基礎理論、現有協議和算法的分析、協議和算法的改進嘗試以及學科前沿的新協議和算法的研讀四個教學組成部分，以小組教學為主要形式，采用討論式教學模式，通過分析各種支撐技術采用的協議、算法，并通過和實驗驗證相結合，讓學生實際動手，真正從理論到實踐，從而達到較好的教學效果。

其中，基礎理論部分的學習重點是讓學生了解WSN的的發展過程以及掌握無線傳感器的路由技術、時間同步技術、定位技術、數據融合技術以及安全相關的基本概念和原理。在此基礎上，進入第二階段現有協議和算法的分析、實現和仿真部分，還需要構造完善的各核心技術算法庫，由于研究生普遍動手能力較弱，因而其動手能力還需進一步增強，更好地突出教學內容多元化和學生實際能力的培養。

另外，在第三階段現有協議和算法的改進部分中，對研究生提出了更高的要求。本部分以學生自主創新實踐為主，課堂討論為輔，需要研究生通過第二階段的學習和算法仿真測試，充分分析每個算法的優缺點，提出創新性的改進措施和方案，并將設計的方案通過仿真實驗，并和現有相關協議進行比較，得到仿真的比較結果。

四 結語

研究生階段更注重創新意識的培養，課程學習不在于學習技術，更重要的是學習做科研的思路和方法。以 “學-改-創”為核心理念的課程教學模式，采用“基礎知識加強學習，核心算法實現改進到嘗試提出創新”的教學新方法，結合“成果導向”的實踐性教學設計思想， 能較好地鍛煉學生掌握科研方法，培養學生構造系統性 的研究思路，開闊學生做科學研究的視野，學會運用其它領域的現代信息理論技術解決另一領域問題的新思路和新方法，培養學生的創新意識。