基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)教學(xué)模式探索

楊璽

摘 要： 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種新興的信息通信技術(shù)，作為物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，其具有極廣闊的應(yīng)用前景。對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)工程及相關(guān)專業(yè)而言，如何在本科教學(xué)過程中實(shí)施此內(nèi)容的教學(xué)面臨較大的挑戰(zhàn)。本文根據(jù)我校在本科學(xué)生開設(shè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)課程的教學(xué)實(shí)踐，分析了該課程的教學(xué)難點(diǎn)，研究探討了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的教學(xué)模式、教學(xué)安排和考核評(píng)分等問題，提出了面向應(yīng)用的基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的教學(xué)模式。

關(guān)鍵詞： 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) 項(xiàng)目教學(xué)法 教學(xué)模式 物聯(lián)網(wǎng)

現(xiàn)代信息技術(shù)作為當(dāng)今世界發(fā)展的重要驅(qū)動(dòng)力，主要由計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、微/光電子技術(shù)、信息安全技術(shù)、智能技術(shù)和軟件技術(shù)等組成。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)恰如其分地將現(xiàn)代信息技術(shù)中的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、微電子技術(shù)、傳感器技術(shù)及通信技術(shù)四者巧妙地融合在一起，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)感知、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼嬲y(tǒng)一，被認(rèn)為是促進(jìn)21世紀(jì)人類社會(huì)發(fā)展前進(jìn)的重要技術(shù)之一[1]。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一[2]，無(wú)論是從物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的角度出發(fā)，還是從無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)自身角度出發(fā)，在相關(guān)本科院校開設(shè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)課程都是相當(dāng)必要的。國(guó)內(nèi)許多院校大多將此課程作為只針對(duì)研究生開設(shè)的研究性課程，我校在2012年就為信息工程專業(yè)的本科學(xué)生開設(shè)了該課程。本文結(jié)合我校的物流特色，提出了面向物流應(yīng)用、基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的教學(xué)模式，并對(duì)該課程的教學(xué)模式進(jìn)行了實(shí)踐與探索。

1.課程教學(xué)難點(diǎn)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的巨大應(yīng)用價(jià)值已經(jīng)引起了世界許多國(guó)家的軍事部門、工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的極大關(guān)注。美國(guó)自然科學(xué)基金委員會(huì)、美國(guó)國(guó)防部和各軍事部門、美國(guó)英特爾公司等信息產(chǎn)業(yè)界巨頭紛紛開始了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)方面的工作，設(shè)立或啟動(dòng)了相應(yīng)的行動(dòng)計(jì)劃。日本英國(guó)、意大利、巴西等國(guó)家均對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)表現(xiàn)出了極大的興趣，紛紛展開了研究工作。我國(guó)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究啟動(dòng)于世紀(jì)之交。1999年，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)首次正式出現(xiàn)于中國(guó)科學(xué)院《知識(shí)創(chuàng)新工程試點(diǎn)領(lǐng)域方向研究》的信息與自動(dòng)化領(lǐng)域研究報(bào)告中，是該領(lǐng)域提出的五個(gè)重大項(xiàng)目之一。目前，國(guó)內(nèi)一些研究機(jī)構(gòu)與高等院校已積極開展無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)研究工作，主要有中科院軟件所、中科院計(jì)算機(jī)研究所、清華大學(xué)、電子科技大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、浙江大學(xué)、南京大學(xué)。從2002年開始，國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)就審批了和WSN相關(guān)的多個(gè)課題，在國(guó)家發(fā)展改革委員會(huì)的下一代互聯(lián)網(wǎng)示范工程中，也部署了與WSN相關(guān)的課題。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)具有多學(xué)科高度交叉的特點(diǎn)，屬于前沿課題，涉及知識(shí)面廣、難度大、發(fā)展快，所以在本科生中開設(shè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)課程存在一定的困難，主要包括：

（1）課程屬交叉學(xué)科，教學(xué)內(nèi)容跨度大、難度高。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為當(dāng)今信息領(lǐng)域新的研究熱點(diǎn)，涉及多學(xué)科的研究領(lǐng)域，有非常多的關(guān)鍵技術(shù)有待發(fā)現(xiàn)和研究，因此課程教授的內(nèi)容跨度非常大，主要包括傳感器技術(shù)、硬件設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂啤⒕W(wǎng)絡(luò)安全、時(shí)間同步、數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)管理、無(wú)線通信技術(shù)、嵌入式操作系統(tǒng)、仿真開發(fā)技術(shù)和應(yīng)用層技術(shù)等。如何在有限的課時(shí)內(nèi)讓學(xué)生掌握課程內(nèi)容成為該課程的最大難點(diǎn)。同時(shí)，在普通本科院校開設(shè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)課程，不僅要求學(xué)生有相關(guān)的前期基礎(chǔ)，而且要求學(xué)生具有較好的學(xué)習(xí)主動(dòng)性與鉆研能力。

（2）課程屬前沿課程，教學(xué)內(nèi)容不斷更新變化。

與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)相比，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)本身屬于前沿技術(shù)，其相關(guān)技術(shù)、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)等仍不統(tǒng)一。國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)機(jī)構(gòu)仍對(duì)其展開研究，陸續(xù)有新硬件、新協(xié)議、新算法、新系統(tǒng)的提出。在教學(xué)過程中，教師要根據(jù)技術(shù)發(fā)展不斷更新教學(xué)內(nèi)容，讓學(xué)生始終緊跟技術(shù)發(fā)展的步伐。

（3）無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與應(yīng)用密切相關(guān)。

不同的應(yīng)用背景對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的要求不同，其硬件平臺(tái)、軟件系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議必然有很大差異。所以傳感器網(wǎng)絡(luò)不像傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)一樣有統(tǒng)一的通信協(xié)議平臺(tái)。需要針對(duì)每一個(gè)具體應(yīng)用來(lái)研究傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)并設(shè)計(jì)其軟硬件平臺(tái)及通信協(xié)議，這是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)不同于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的顯著特征。在教學(xué)過程中，如何在不用應(yīng)用背景下提取出共性問題，使學(xué)生在掌握共性問題的基礎(chǔ)上針對(duì)具體應(yīng)用找出差異，是教學(xué)的難點(diǎn)。

（4）實(shí)驗(yàn)教學(xué)難以開展。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)、開發(fā)環(huán)境的多樣化，給無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶來(lái)一定難度。如何選擇實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，屏蔽平臺(tái)的差異性，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中同分理解消化理論教學(xué)的內(nèi)容，不給學(xué)生造成思維的混亂，是教師實(shí)驗(yàn)教學(xué)的難點(diǎn)。

2.面向應(yīng)用、基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的教學(xué)模式

建構(gòu)主義最早由著名的瑞士心理學(xué)家皮亞杰（J.Piaget）提出[3]?；诮?gòu)主義的教學(xué)法要求，在學(xué)習(xí)過程中以學(xué)生為中心，教師扮演幫助者角色，利用情景、協(xié)作、會(huì)話等學(xué)習(xí)環(huán)境要素，充分發(fā)揮學(xué)生的主體性和創(chuàng)新精神，使學(xué)生有效實(shí)現(xiàn)對(duì)當(dāng)前所學(xué)知識(shí)的意義建構(gòu)。項(xiàng)目教學(xué)法就是在建構(gòu)主義的指導(dǎo)下，以實(shí)際的工程項(xiàng)目為對(duì)象，先由教師對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行分解，并做適當(dāng)?shù)氖痉?，然后讓學(xué)生分組圍繞各自的工程項(xiàng)目進(jìn)行討論、協(xié)作學(xué)習(xí)，最后以共同完成項(xiàng)目的情況評(píng)價(jià)學(xué)生是否達(dá)到教學(xué)目的的一種新的教學(xué)方法。

傳統(tǒng)教學(xué)中，老師占主導(dǎo)，學(xué)生在老師的指導(dǎo)下被動(dòng)地學(xué)習(xí)和接受知識(shí)，且不加思考。要改變這種教學(xué)模式，學(xué)生可以在教師的幫助和引導(dǎo)下，圍繞一個(gè)項(xiàng)目，在興趣的驅(qū)動(dòng)下，通過自主探索和互動(dòng)協(xié)作學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)既定知識(shí)的學(xué)習(xí)。在本課程的教學(xué)過程中，項(xiàng)目教學(xué)法是教師設(shè)置物流應(yīng)用的大背景，學(xué)生以物流應(yīng)用中某一個(gè)具體環(huán)節(jié)作為一個(gè)完整項(xiàng)目而進(jìn)行工作。學(xué)生以小組為單位，不同小組選擇物流應(yīng)用中的不同環(huán)節(jié)，將課程所授知識(shí)融入項(xiàng)目完成過程，通過小組間的互相合作，共同構(gòu)成一個(gè)完整的大系統(tǒng)。每個(gè)學(xué)生根據(jù)自己選擇的環(huán)節(jié)，將整個(gè)綜合性大項(xiàng)目拆解成不同的功能模塊，每個(gè)不同的功能模塊均可對(duì)應(yīng)教師所教授的課程內(nèi)容。如在講解時(shí)間同步技術(shù)時(shí)，教師可以針對(duì)不同項(xiàng)目背景提出相應(yīng)的同步需求，使學(xué)生帶著真實(shí)的任務(wù)探索學(xué)習(xí)。該項(xiàng)目過程不僅可以學(xué)習(xí)部分教學(xué)內(nèi)容，具有一定的綜合性，而且可以將教學(xué)內(nèi)容的理論與實(shí)踐結(jié)合在一起，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

在項(xiàng)目教學(xué)法的模式中，為了提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣[4][5]，要加強(qiáng)教學(xué)雙方的互動(dòng)，本文提出了具有層次性的階段教學(xué)，將該課程的教學(xué)分成六個(gè)階段，如下圖所示。

圖 層次性的階段教學(xué)模式

（1）感知階段。

由于該課程的理論知識(shí)涉及廣泛，許多學(xué)生對(duì)該課程產(chǎn)生畏難情緒。為了激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，教師在開課之初應(yīng)以學(xué)生較為熟悉的家庭環(huán)境作為應(yīng)用場(chǎng)景，通過智能家居系統(tǒng)，讓學(xué)生通過感知無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的魅力，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，適當(dāng)?shù)鼐徑鈱?duì)這門課的畏難心理，樹立學(xué)好這門課程的信心。

（2）啟發(fā)階段。

通過感知階段的應(yīng)用，教師更換無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用場(chǎng)景，讓學(xué)生從不同的應(yīng)用場(chǎng)景中提取共性問題，引出本課程的教學(xué)內(nèi)容。在課程內(nèi)容的教授過程中，教師始終堅(jiān)持面向應(yīng)用、基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的理念，讓學(xué)生帶著問題有目的地聽課，深入淺出地在有限的課時(shí)內(nèi)將知識(shí)點(diǎn)教給學(xué)生。學(xué)生可根據(jù)教師所授的內(nèi)容，將需要完成的項(xiàng)目系統(tǒng)進(jìn)行拆解分析，為項(xiàng)目的完成打下理論基礎(chǔ)。

（3）調(diào)研階段。

為加深學(xué)生對(duì)該課程的理解，發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性，要求學(xué)生課后查閱資料，對(duì)項(xiàng)目背景及項(xiàng)目完成涉及的知識(shí)難點(diǎn)進(jìn)行調(diào)研，撰寫調(diào)研報(bào)告并交流。此外，教師也可以根據(jù)課程和項(xiàng)目?jī)?nèi)容，增加學(xué)生互動(dòng)交流的時(shí)間，并讓學(xué)生走上講臺(tái)，選擇相應(yīng)的專題進(jìn)行交流，如項(xiàng)目需求專題、硬件設(shè)計(jì)專題、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議專題、應(yīng)用開發(fā)平臺(tái)專題等。

（4）驗(yàn)證階段。

為了加深學(xué)生對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)理論知識(shí)的理解，教師應(yīng)選擇相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行簡(jiǎn)單的講解，并安排相關(guān)的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)。教師不僅可以在教學(xué)過程中通過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證理論教學(xué)的內(nèi)容（比如通過定位仿真技術(shù)驗(yàn)證定位算法的效果），還可以以單列學(xué)分的形式安排無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)驗(yàn)課。由于教學(xué)對(duì)象為本科學(xué)生，因此實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重點(diǎn)應(yīng)放在系統(tǒng)功能的驗(yàn)證、應(yīng)用層的開發(fā)體會(huì)上，而不是底層開發(fā)。這樣可以使學(xué)生在有限的教學(xué)時(shí)間內(nèi)了解無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的工作機(jī)制和原理，加深對(duì)抽象問題的理解，掌握無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)知識(shí)。

（5）提升階段。

提升階段是為了發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，突出學(xué)生的主體地位，激發(fā)學(xué)生的研究興趣，對(duì)自己小組完成的項(xiàng)目進(jìn)行展示說(shuō)明，并將各個(gè)小組的項(xiàng)目進(jìn)行整合，構(gòu)建的物流應(yīng)用系統(tǒng)。同時(shí)，讓學(xué)生在已有的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)上，結(jié)合無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的新發(fā)展，以討論交流的方式針對(duì)自己或其他小組完成的項(xiàng)目提出相應(yīng)的改進(jìn)和完善意見及設(shè)計(jì)方案，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維。

3.教學(xué)安排和考核

在教學(xué)過程中，教師要始終堅(jiān)持面向應(yīng)用、基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的理念，循序漸進(jìn)、深入淺出，力求全面且突出重點(diǎn)地合理分配課時(shí)。根據(jù)實(shí)際授課經(jīng)驗(yàn)，精心設(shè)計(jì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的課時(shí)，安排，同時(shí)考慮到理論課程的學(xué)時(shí)限制，對(duì)具體授課內(nèi)容及學(xué)時(shí)的安排如下：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的概述，3學(xué)時(shí)；傳感器的基本知識(shí)，3學(xué)時(shí)；傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信與組網(wǎng)技術(shù)，8學(xué)時(shí)；傳感器網(wǎng)絡(luò)的支撐技術(shù)，8學(xué)時(shí)；傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用開發(fā)基礎(chǔ)，8學(xué)時(shí)；傳感器網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，8學(xué)時(shí)；傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用，8學(xué)時(shí)；無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)，12學(xué)時(shí)；項(xiàng)目專題交流，6學(xué)時(shí)。

由于教育體系的原因，很大一部分學(xué)生仍以成績(jī)提高為動(dòng)力，因此，課程教學(xué)全過程中的考核評(píng)分環(huán)節(jié)依舊是很重要的。教師在課程的各個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)學(xué)生成績(jī)進(jìn)行評(píng)估，如課堂的表現(xiàn)、課下作業(yè)完成情況、實(shí)驗(yàn)情況、小組項(xiàng)目完成情況和期末考試等。這種方式可以保證學(xué)生在教學(xué)過程中維持較高的學(xué)習(xí)熱情。例如可以采用以下的評(píng)分方式：總成績(jī)的20%是平時(shí)成績(jī)，20%是實(shí)驗(yàn)成績(jī)，20%是項(xiàng)目成績(jī)，40%是期末考試的成績(jī)。

4.結(jié)語(yǔ)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)作為當(dāng)今科研領(lǐng)域的前沿課題頗具發(fā)展?jié)摿?，隨著我國(guó)高校物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的設(shè)立它逐步進(jìn)入教學(xué)課堂。本文根據(jù)我校在本科階段開設(shè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)課程的教學(xué)實(shí)踐，分析了該課程的教學(xué)難點(diǎn)，研究與探討了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的教學(xué)模式、教學(xué)安排和考核評(píng)分等問題，提出了面向應(yīng)用的項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)模式，將教學(xué)過程劃分為6個(gè)層次，并將上述理論用于教學(xué)實(shí)踐。從教學(xué)實(shí)踐效果看，該模式充分考慮了本科學(xué)生的知識(shí)水平，能夠有效調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，深入淺出地將課程理論教學(xué)與實(shí)踐相結(jié)合，注重學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作學(xué)習(xí)和探究學(xué)習(xí)，有助于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐操作能力及科學(xué)研究、團(tuán)結(jié)互助的品質(zhì)，取得較好的教學(xué)效果。

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基金項(xiàng)目：北京市教育委員會(huì)專業(yè)建設(shè)——一體化教學(xué)體系建設(shè)項(xiàng)目（PXM2012_014214_000062）資助。