無線傳感網(wǎng)研究生課程教學(xué)探討

張建輝 曾 虹

杭州電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 浙江杭州 310018

無線傳感網(wǎng)研究生課程教學(xué)探討

張建輝 曾 虹

杭州電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 浙江杭州 310018

分析高校研究生無線傳感器網(wǎng)教學(xué)中存在的問題，以理論教學(xué)為目的，結(jié)合實(shí)際實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的研制、開發(fā)與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，采用自制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)課題等教學(xué)方法。為改變研究生理論教學(xué)生澀、枯燥的現(xiàn)狀，突破傳統(tǒng)教學(xué)單向性模式，給出學(xué)生充分參與教學(xué)、主導(dǎo)部分教學(xué)的方法，推進(jìn)研究生應(yīng)用性課程無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的教學(xué)發(fā)展。

無線傳感器網(wǎng)；理論課程教學(xué)；自制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

物聯(lián)網(wǎng)作為新專業(yè)有新的建設(shè)和教學(xué)思想[2]。而無線傳感器網(wǎng)作為新興行業(yè)的新課程，其理論基礎(chǔ)要求高，應(yīng)用性也要強(qiáng)，因而給教學(xué)帶來新的挑戰(zhàn)。存在的主要問題有：

(1)教學(xué)內(nèi)容涉及廣與系統(tǒng)性教學(xué)的矛盾。無線傳感器網(wǎng)是一門應(yīng)用性和理論基礎(chǔ)要求都很強(qiáng)的課程。該課程所講述的網(wǎng)絡(luò)是一種集成創(chuàng)新型技術(shù)，同時(shí)理解和運(yùn)用好該技術(shù)需要一定理論基礎(chǔ)。它所涉及的內(nèi)容廣泛，需要多方面計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)理論知識(shí)，且涵蓋面廣，包括概率論、圖論、高等數(shù)學(xué)、隨機(jī)過程等。同時(shí)，它涉及單片機(jī)編程、電子線路、無線電發(fā)射等多方面硬件知識(shí)。而這門課程的傳授對(duì)象是研究生，研究生班的學(xué)生往往來自不同專業(yè)，讀研期間的主修專業(yè)也各不相同，而其導(dǎo)師所指導(dǎo)的研究方向更是千差萬別。因而，如何系統(tǒng)地講授這門課，同時(shí)又能滿足學(xué)生不同需求，將成為面臨的難題。

(2)理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的脫節(jié)。無線傳感器網(wǎng)是門全新課程，問題(1)中所述特點(diǎn)使得在理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)兩個(gè)方面的任務(wù)既各有特色又繁重，造成這兩方面的教學(xué)任務(wù)難以平衡。由于它是一門新課程，可以借鑒的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)并不多。而從橫向比較來看，類似應(yīng)用性很強(qiáng)的課程，其教學(xué)方法一般單一地偏向理論教學(xué)或?qū)嶒?yàn)教學(xué)。

(3)傳統(tǒng)單向性教學(xué)模式的不良影響。多年來，研究生教學(xué)模式一般都是單向性的，即教師教、學(xué)生學(xué)，缺乏真正的互動(dòng)，難以培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立思維，更難以激發(fā)其主動(dòng)性和創(chuàng)造性。從學(xué)生角度來看，這種教學(xué)模式從中學(xué)一直延續(xù)到研究生階段，沒有讓學(xué)生充分參與到教學(xué)中來，使得學(xué)生的學(xué)習(xí)效果無法保證，學(xué)習(xí)的興趣也不高。這種長期的被動(dòng)式參與教學(xué)，使得學(xué)生失去了主動(dòng)性、獨(dú)立性和主導(dǎo)性，形成了不良的學(xué)習(xí)和科研習(xí)慣，最終導(dǎo)致研究生創(chuàng)造性的缺失[5]。

2 改革方法

我們?cè)赟eminar[4]教學(xué)方法的基礎(chǔ)上，讓學(xué)生充分參與教學(xué)，體會(huì)完成科研任務(wù)的獨(dú)立性和自主性。總體改革方法是教師導(dǎo)引，學(xué)生參與學(xué)、教、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)全過程，形成單向教學(xué)向理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)互動(dòng)、學(xué)生參與轉(zhuǎn)變。在設(shè)計(jì)該方法時(shí)，要充分考慮到所在高校的歷史與優(yōu)勢(shì)，發(fā)揮其在電子電路設(shè)計(jì)、嵌入式編程等方面的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)與專業(yè)特色，觀察學(xué)院近幾年在無線傳感器網(wǎng)方面的發(fā)展速度，針對(duì)前一小節(jié)所提出的問題，給出相應(yīng)的教學(xué)改革方法。

夯實(shí)基礎(chǔ)知識(shí)，劃分學(xué)習(xí)小組。本課程選擇的教材清華大學(xué)出版社出版、孫利民等編著的《無線傳感器網(wǎng)絡(luò)》為主教材，以劍橋大學(xué)出版社出版的Xiangyang Li的專著"Wireless Ad Hoc and Sensor Networks: Theory and Applications"為輔助教材。在掌握無線傳感器網(wǎng)絡(luò)這門課程的基礎(chǔ)知識(shí)的同時(shí)，根據(jù)學(xué)生所學(xué)專業(yè)和研究方向，將他們分為兩大組：理論組和應(yīng)用組(如圖1所示)。對(duì)于理論組和應(yīng)用組分別布置不同的課外作業(yè)。為此，筆者從計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、體系結(jié)構(gòu)和應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域的一些最新國際頂級(jí)會(huì)議上，如SigComm，MobiCom，SenSys，InfoCom等，選擇理論和應(yīng)用兩類論文。其中，根據(jù)每名學(xué)生的指導(dǎo)教師對(duì)研究方向的要求，對(duì)所選論文進(jìn)行較細(xì)致的篩選。在所選出的論文中，學(xué)生可以根據(jù)自己的興趣進(jìn)行再選擇。當(dāng)然，學(xué)生也可以從指定的學(xué)術(shù)會(huì)議論文集中選擇論文。這是一個(gè)有限定的雙向選擇過程，所選論文包含諸多無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用案例和科研實(shí)例。這些論文作為課外作業(yè)讓學(xué)生自己去研讀，而教師會(huì)從兩個(gè)組中分別隨機(jī)抽取部分學(xué)生，分兩個(gè)階段，即理論階段和應(yīng)用階段，讓其上講臺(tái)宣講其所讀的論文。在宣講過程中，大家可以自由提問和討論，學(xué)生由此可以充分參與到教和學(xué)的兩個(gè)環(huán)節(jié)。課堂的自由討論，使得學(xué)生從傳統(tǒng)課程授課模式中的被動(dòng)聽課變?yōu)橹鲃?dòng)參與，提高了學(xué)生對(duì)該課程的學(xué)習(xí)和參與興趣。為保證效率，教師對(duì)宣講和討論的時(shí)間做了限定，在討論的過程中也會(huì)做一些導(dǎo)引。

在兩個(gè)階段(理論階段和應(yīng)用階段)開始之前，教師分別講授兩個(gè)階段的基礎(chǔ)知識(shí)，即理論基礎(chǔ)知識(shí)和應(yīng)用基礎(chǔ)知識(shí)。由于所涉及的內(nèi)容非常廣泛，講授一些入門知識(shí)，而對(duì)學(xué)生所要宣講論文的相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)要深入地講解。另外一個(gè)重要的組成部分是給學(xué)生講授獲取相關(guān)知識(shí)的技巧與途徑，例如如何使用圖書館資源及學(xué)術(shù)網(wǎng)站，如Google scholar，Citeseer等。

圖1 教學(xué)步驟圖

在上述過程中，理論組的學(xué)生偏重理解算法的原理，應(yīng)用組的學(xué)生偏重算法實(shí)現(xiàn)所需的硬件運(yùn)行原理和編程實(shí)現(xiàn)。筆者所在實(shí)驗(yàn)室的主要研究方向之一是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，依托這個(gè)實(shí)驗(yàn)室特點(diǎn)，在指導(dǎo)學(xué)生時(shí)采用TelosB傳感器節(jié)點(diǎn)，在TinyOS平臺(tái)上開發(fā)算法實(shí)現(xiàn)程序。

統(tǒng)分兼顧，學(xué)生自主。如圖1所示，在“理論(應(yīng)用)基礎(chǔ)知識(shí)”階段中，通過讓學(xué)生自己閱讀學(xué)術(shù)論文，讓兩個(gè)組的學(xué)生分別對(duì)某一方面的理論知識(shí)有了具體了解，對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的硬件原理也有了初步認(rèn)識(shí)。在緊接著的“理論(應(yīng)用)案例”階段中，從學(xué)生宣讀過的學(xué)術(shù)論文中挑選出幾篇經(jīng)典的論文，它們有算法設(shè)計(jì)及其性能的理論分析，又有實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證。為此，根據(jù)先前的理論組和應(yīng)用組劃分，以及所選經(jīng)典論文，進(jìn)一步將學(xué)生交叉分隊(duì)。一個(gè)分隊(duì)一般由5名學(xué)生組成：一名學(xué)生負(fù)責(zé)算法原理的解釋，兩名負(fù)責(zé)TinyOS編程和調(diào)試，一名負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集與硬件平臺(tái)搭建，最后一名負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)分隊(duì)整體工作并撰寫最終實(shí)驗(yàn)報(bào)告。實(shí)際教學(xué)過程中，每隊(duì)學(xué)生人數(shù)和任務(wù)分配可以視情況做適當(dāng)調(diào)整，例如，當(dāng)理論組學(xué)生人數(shù)較多時(shí)，在每隊(duì)中負(fù)責(zé)算法原理解釋的學(xué)生可以適當(dāng)增多。當(dāng)分隊(duì)組建好以后，分給每名學(xué)生的任務(wù)以課外作業(yè)的形式完成。每個(gè)分隊(duì)的進(jìn)度情況由該隊(duì)負(fù)責(zé)人以實(shí)驗(yàn)報(bào)告的形式按階段提交給教師。同時(shí)，在協(xié)調(diào)學(xué)生完成作業(yè)的過程中，教師應(yīng)逐個(gè)分析案例，這些案例中有涉及路由設(shè)計(jì)的，有涉及面向?qū)嶋H應(yīng)用數(shù)據(jù)采集的，也有涉及網(wǎng)絡(luò)時(shí)延分析的，案例涵蓋面廣，以解決課程內(nèi)容涉及廣的問題。

案例分析結(jié)束以后，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證或者仿真分析。在這個(gè)過程中，主要分以下幾個(gè)階段：實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及其實(shí)驗(yàn)報(bào)告的撰寫。在這些過程中，學(xué)生不僅充分參與，而且在有些過程中，學(xué)生還起到主導(dǎo)的作用。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建需要一定的科研經(jīng)費(fèi)支持，制作過程復(fù)雜，將在下文中闡述。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的教學(xué)中，由于實(shí)驗(yàn)條件限制，不一定都能搭建硬件平臺(tái)。另外，在教學(xué)中還發(fā)現(xiàn)，一個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)不能同時(shí)滿足多個(gè)分隊(duì)使用，而有些分隊(duì)的任務(wù)也不一定要在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行。為此，讓部分有一定C/C++語言編程基礎(chǔ)的學(xué)生使用一個(gè)專門的網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)—OMNeT++[3]。

OMNeT++是一個(gè)面向?qū)ο蟮碾x散時(shí)間模擬器，由土耳其布達(dá)佩斯技術(shù)大學(xué)的Andras Varga等人設(shè)計(jì)。其內(nèi)核源代碼完全開放，采用標(biāo)準(zhǔn)C++語言編寫，可以運(yùn)行于Linux，Windows等幾乎所有支持標(biāo)準(zhǔn)C++的系統(tǒng)平臺(tái)上。它采用了一種搭積木式的建模方式，可以應(yīng)用于任何離散事件系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)模擬和仿真，包括模擬通信網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)流，模擬通信協(xié)議的模型，排隊(duì)網(wǎng)絡(luò)，模擬多處理器和其他分布式系統(tǒng)。對(duì)于教學(xué)比較有利的是OMNeT++完全免費(fèi)，有很多現(xiàn)成的模塊、框架和范例，相關(guān)資源可從其官方網(wǎng)站[3]免費(fèi)下載。在教學(xué)過程中，部分學(xué)生使用該仿真軟件，完成了一些無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的案例，如消息洪泛案例仿真(如圖2所示)，目標(biāo)追蹤案例仿真(如圖3所示)。在圖2，3中，灰色點(diǎn)和白色點(diǎn)表示傳感器節(jié)點(diǎn)，灰點(diǎn)表示已經(jīng)接受到消息的節(jié)點(diǎn)；圖中間較大的點(diǎn)表示Sink節(jié)點(diǎn)；圖3左上角的黑色點(diǎn)表示目標(biāo)。

圖2 消息洪泛仿真截圖

圖3 目標(biāo)追蹤仿真截圖

自制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，自己設(shè)計(jì)完成實(shí)驗(yàn)，學(xué)生充分參與。需要實(shí)驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證的分隊(duì)參與設(shè)計(jì)與構(gòu)建了一個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)(如圖6所示)。該平臺(tái)高2米，寬4米，由200個(gè)自制TelosB節(jié)點(diǎn)(如圖4所示)、50個(gè)多接口Hub(如圖5所示)和一臺(tái)臺(tái)式機(jī)組成。2009和2010級(jí)部分研究生參與了該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與搭建。在該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上驗(yàn)證理論或應(yīng)用案例的每個(gè)分隊(duì)，都自行設(shè)計(jì)、開發(fā)、調(diào)試實(shí)驗(yàn)和相應(yīng)的TinyOS程序。根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)這門課程教學(xué)的需要，以及學(xué)生科研和興趣的選擇，先后設(shè)計(jì)了6個(gè)實(shí)驗(yàn)：時(shí)間同步、路由樹構(gòu)建、基于非時(shí)間同步的通信時(shí)間調(diào)度、消息洪泛、主被動(dòng)式追蹤、人物辨別。

圖4 自制TelosB傳感器節(jié)

圖5 多接口Hub

圖6 200個(gè)節(jié)點(diǎn)組成的測(cè)試平臺(tái)

3 結(jié)束語

在整個(gè)教學(xué)過程中，總體教學(xué)思路是：從課程基礎(chǔ)知識(shí)開始，將學(xué)生分成兩類(理論類和應(yīng)用類)；根據(jù)學(xué)生的興趣和科研需要，有重點(diǎn)地講解具體的理論和應(yīng)用基礎(chǔ)知識(shí)；而后以國際頂級(jí)會(huì)議論文為素材，從具體案例著手，通過讓學(xué)生充分參與的方式誘導(dǎo)學(xué)生理解理論知識(shí)(如圖論、概率論、隨機(jī)過程等)是如何在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)這個(gè)應(yīng)用性技術(shù)中應(yīng)用的，也讓他們體驗(yàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的算法是如何在實(shí)際實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)的。整個(gè)過程從基礎(chǔ)理論知識(shí)細(xì)化到具體理論知識(shí)，再到具體案例分析，循序漸進(jìn)，有重點(diǎn)、系統(tǒng)性地講授了這門知識(shí)涉及面廣、結(jié)構(gòu)較為龐雜的應(yīng)用性課程。同時(shí)，在整個(gè)教學(xué)中，學(xué)生也從逐漸參與、充分參與到教和學(xué)中，到最后甚至在某些方面起到主導(dǎo)作用。新教學(xué)方法使得學(xué)生在研究生階段能夠體會(huì)從被動(dòng)地學(xué)到主動(dòng)地、獨(dú)立地完成一個(gè)完整的科研任務(wù)的轉(zhuǎn)變。這種轉(zhuǎn)變中蘊(yùn)含著主動(dòng)創(chuàng)新的種子，在長期的科研鍛煉中將會(huì)發(fā)芽結(jié)果。

[1] 李建中.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)專刊前言[J].軟件學(xué)報(bào),2007,18(05):1077-1079.

[2] 吳功宜.對(duì)物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)教學(xué)體系建設(shè)的思考[J].計(jì)算機(jī)教育,2010,21:26-28.

[3] OMNeT++ [N/OL].http://www.omnetpp.org/.

[4] 沈文捷,朱強(qiáng).Seminar教學(xué)法:研究生教學(xué)的新模式[J].學(xué)位與研究生教育,2002,8:43-47.

[5] 袁本濤,延建林.我國研究生創(chuàng)新能力現(xiàn)狀及其影響因素分析—基于三次研究生教育質(zhì)量調(diào)查的結(jié)果[J].北京大學(xué)教育評(píng)估,2009,2:12-20.

Discussion on education of the postgraduate course: wireless sensor networks

Zhang Jianhui, Zeng Hong
Hangzhou dianzi university, Hangzhou, 310018, China

This paper analyzed some appearing problems in teaching this course among postgraduate students, and designed a new way in theory teaching by designing and constructing test-bed, by designing and developing experiment items. Our new teaching way could change the unsmooth and bald status quo in unidirectionally teaching theoretical courses, and was a reference to promote the teaching development of postgraduate courses.

wireless wensor networks; teaching of theoretical course; self-developed test-bed; experiment item

無線傳感器網(wǎng)近年來成為IT領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1]。2009年8月，溫家寶總理提出盡快建立“感知中國”中心，促進(jìn)我國無線傳感器網(wǎng)技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。無線傳感器網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)核心，2010年7月20日，教育部向社會(huì)公布了2011年全國各高校140個(gè)本科新專業(yè)詳細(xì)名單，其中“物聯(lián)網(wǎng)工程”專業(yè)占據(jù)30個(gè)，高居榜首。無線傳感器網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)骨干課程之一，也是一門新課程。我們對(duì)該課程的教學(xué)方法作了些探索性的改革。

1 目前存在的問題

2011-11-17

張建輝，博士，講師。曾虹，碩士，講師。

2009年浙江省新世紀(jì)教改項(xiàng)目(編號(hào)：yb08029)；杭州電子科技大學(xué)高教研究課題(編號(hào)：SYZC1110)。