“无线传感器网络”课程的教学实践与探索

摘要：无线传感器网络是物联网领域的三大关键技术之一。分析了在高校开设“无线传感器网络”课程的必要性，介绍了该课程特点及存在的问题，对于如何合理确定该课程的教学内容进行了实践与探索，并提出具有层次性的启发、调研、验证、创新四阶段教学法。

关键词：物联网；无线传感器网络；教学内容；教学方法

作者简介：吴迪（1980-），女，江苏徐州人，河海大学计算机与信息学院（常州），讲师；朱昌平（1956-），男，湖北荆门人，河海大学计算机与信息学院（常州），教授。（江苏?常州?213022）

基金项目：本文系河海大学常州校区青年科技基金项目的研究成果。

中图分类号：G642.0?????文献标识码：A?????文章编号：1007-0079（2012）20-0063-02

国务院总理于2009年8月在无锡提出“感知中国”的中心战略，并于2010年“两会”把物联网被写入“政府工作报告”，物联网被正式列为国家五大新兴战略性产业之一。同年，教育部下达了在中国高校设置物联网专业申报通知，首批批准开设物联网专业的有32所大学，河海大学（以下简称“我校”）是其中之一。

2005年，国际电信联盟（ITU）正式提出了物联网的概念。物联网简称IOT（Internet of Things），目前比较认可的定义是：[1-5]物联网是通过射频识别（RFID）技术、无线通信技术、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议把物品与网络连接起来，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。

一、“无线传感器网络”课程设置的必要性

物联网工程专业主要有三大支撑技术，分别是：无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）、RFID和云计算。其中，无线传感器网络作为物联网领域的关键技术之一，是新兴的下一代网络，被认为是21世纪最重要的技术之一。2003年2月，美国《技术评论》杂志把传感器网络列为对人类未来生活产生深远影响的十大新兴技术之榜首；2003年8月，美国《商业周刊》杂志在其“未来技术专版”中发表文章指出传感器网络是未来的四大高技术产业之一；美国《今日防务》杂志认为无线传感器网络的应用和发展将会引起军事技术革命和未来战争的变革；2004年，《IEEE Spectrum》杂志发表一期专集《传感器的国度》，论述了WSN的发展和可能的广泛应用。

我国也非常重视无线传感器网络的研究。从2002年开始，国家自然科学基金委员会已经审批了和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WSN相关的课题。传感器网络被明确列入我国的《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006－2020年）》。[6]因此，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的角度出发，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，应当引起重视。

“无线传感器网络”是一门在高校新开设的课程，我校在2010年就为电子信息工程专业的学生开设了“无线传感器网络”课程，对该课程的教学进行了一定的实践与探索，并取得了一定的经验。

二、课程特点及问题

无线传感器网络集传感器技术、嵌入式技术、无线通信以及分布式信息处理等技术于一体。无线传感器网络是由一组传感器以自组织方式构成的无线网络，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。[6]无线传感器网络的重要特征是大量微型节点的广泛分布，主要具有以下特点：节点众多；硬件资源及能量极端受限；自组织网络；以数据为中心；网络拓扑动态变化；与应用背景高度相关。无线传感器网络技术具有多学科高度交叉的特点，而且属于前沿课题，涉及的知识面广、难度大、发展快，所以在本科生中开设该课程具有一定的挑战性。

为本科生开设“无线传感器网络”课程，主要具有以下几方面的困难：

1.理论教学内容丰富、跨度大、难度大

该课程理论教学需要涵盖的内容主要有：硬件平台基础、nesC语言、TinyOS操作系统、路由协议、MAC协议、物理层设计、定位技术、时间同步技术、安全技术、数据管理与数据融合、IEEE 802.15.4标准、ZigBee标准、仿真平台、开发环境等。

2.对学生素质要求较高

在普通本科院校开设“无线传感器网络”课程，不仅要求学生基础知识扎实、知识面广，而且要求学生具有较好的学习主动性与专研能力，接受新知识、新技术的能力强。

3.无线传感器网络技术本身属于前沿技术，“无线传感器网络”作为一门新课程，师资力量缺乏

只有一些在这个领域科研起步较早的高校具备开设“无线传感器网络”课程的条件，但仍需着力培养一批无线传感器网络的骨干教师。

4.技术标准不统一、实验设备不完善，如何开设无线传感器网络实验课成为一个探索性课题

实验设备不成熟，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，不但容易给学生造成思维的混乱，也增加了教师备课的困难。

三、合理确定课程教学内容

无线传感器网络作为新兴的前沿研究热点领域，其课程的讲授需要综合无线通信、网络技术、传感器技术、嵌入式技术、信号处理、微机电系统、分布式信息处理等众多相关课程，如图1所示。

而且，无线传感器网络的每一个相关技术都有许多研究方向，下面以网络方面为例进行说明，如图2所示。[7]

从图2可以看出“无线传感器网络”课程涉及内容相当广泛，因此其理论授课需要合理安排教学次序、循序渐进、深入浅出。对于授课内容要有选择，力求全面且突出重点，对典型的机制、协议进行重点讲解，还要合理分配课时。

根据实际授课经验，对“无线传感器网络”的课时安排进行精心设计，同时考虑到理论课程的学时限制，对具体授课内容及学时安排如下：无线传感器网络的现状与发展，2学时；无线传感器网络路由协议，5学时；无线传感器网络MAC协议，4学时；无线传感器网络物理层设计，4学时；ZigBee标准，6学时；无线传感器网络时间同步技术，2学时；无线传感器网络节点定位技术，4学时；无线传感器网络容错设计技术，2学时；无线传感器网络安全设计技术，2学时；无线传感器网络服务质量保证，2学时；网络管理，2学时；无线传感器网络操作系统，4学时；无线传感器网络开发环境，2学时；专题交流，6学时。

四、教学方法

无线传感器网络本身技术复杂、内涵丰富，该课程的信息量大、概念多、难点多。鉴于“无线传感器网络”课程的特点，传统的教学方法并不合适，因此，需要灵活选择教学方法。笔者提出了具有层次性的阶段教学，并将该课程的教学分成四个阶段，如图3所示。

1.启发阶段，培养学生兴趣

由于无线传感器网络集无线通信、计算机网络、传感器应用、嵌入式、信号处理、微机电系统、分布式信息处理等技术于一体，导致许多学生对该课程产生畏难情绪。良好的开端是成功的一半，教师有必要在开课之初就对学生进行恰当地启发、引导，排除学生对这门课的畏难心理，帮助他们建立学好这门课程的信心。

2.调研阶段，撰写报告并交流

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，进行专题调研，撰写调研报告并交流。教师可以根据课程内容，重点选择如下专题进行交流：路由协议专题、MAC协议专题、物理层专题、ZigBee专题、定位技术专题、TinyOS专题等。

3.验证阶段

无线传感器网络的理论课程比较抽象，为了加深学生对无线传感器网络基本概念和主要技术的理解，需要安排实验环节。教师可以以单列学分的形式安排无线传感器网络基础实验课，让学生亲自动手进行实验操作，加深对抽象问题的理解，主要验证无线传感器网络的基本概念，帮助学生掌握无线传感器网络所用到的基础知识。

4.创新阶段

创新型教学主要是为了发挥学生的主观能动性，加强学生的主体地位，激发学生的潜能，让学生在前面学习的基础上，结合自己的兴趣特长，选择无线传感器网络技术的某一研究方向进行深入研究，提倡学生自己动手、自己设计，培养学生的创新思维。

五、总结

无线传感器网络技术作为当今科研领域的前沿课题本身颇具发展潜力，而且必将随着我国高校物联网工程专业的兴办而蓬勃发展。本文根据在我校开设“无线传感器网络”课程的教学实践，分析了该课程的重要性；指出开设“无线传感器网络”课程主要存在理论教学内容丰富、跨度大、难度大，对学生素质要求较高，师资力量缺乏，技术标准不统一、实验设备不完善等系列问题；研究与探讨了无线传感器网络的课程体系、课时安排等问题；提出具有层次性四阶段教学法启发阶段、调研阶段、验证阶段、创新阶段，并将上述理论用于教学实践，取得较好效果。

参考文献：

[1]ITU Internet Reports 2005:The Internet of Things9[R].2005.

[2]ATZORI L,IERA A,GIACOMO M.The internet of things:a survey[J].Computer Networks 2010,(54):2787-2805.

[3]朱晓荣,孙君,齐丽娜,等.物联网与泛在通信技术[M].北京:人民邮电出版社,2010.

[4]Internet of Things in 2020:Roadmap for the Future[R].2009.

[5]朱洪波,杨龙祥,于全.物联网的技术思想与应用策略研究[J].通信学报,2010,(11).

[6]吴迪.无线传感器网络路由协议的研究及改进[D].南京:河海大学,

2008.

[7]李晓维,徐勇军,任丰原.无线传感器网络技术[M].北京:北京理工大学出版社,2007.