“無線傳感器網(wǎng)絡(luò)”課程特點(diǎn)與教學(xué)方法改革探索

摘要：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種新興的信息通信技術(shù)，作為農(nóng)業(yè)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。在傳統(tǒng)的“無線傳感器網(wǎng)絡(luò)”課程教學(xué)中，教師往往單純注重基本理論、基本方法和基本概念的描述，忽視將理論與實(shí)踐相結(jié)合，忽略對(duì)學(xué)生設(shè)計(jì)思維能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，對(duì)于農(nóng)業(yè)電氣化與自動(dòng)化專業(yè)而言，如何在本科及研究生教學(xué)過程中進(jìn)行此內(nèi)容的教學(xué)面臨較大的挑戰(zhàn)。根據(jù)河南科技大學(xué)開設(shè)“無線傳感器網(wǎng)絡(luò)”課程的教學(xué)實(shí)踐，分析了該課程的教學(xué)特點(diǎn)，研究探討了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的教學(xué)模式改革，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；課程特點(diǎn)；教學(xué)方法

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2014）23-0037-02

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種由大量低復(fù)雜度的傳感器節(jié)點(diǎn)通過自組織方式形成的無線網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)由傳感模塊、處理模塊、通信模塊和電源模塊組成，完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)收發(fā)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)三項(xiàng)基本功能。[1]從21世紀(jì)開始，美國和歐洲相繼啟動(dòng)了許多關(guān)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究計(jì)劃。特別是美國通過國家自然基金委、國防部等多種渠道投入巨資支持傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究。在我國，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究也受到了重視，2006年政府將發(fā)展無線傳感器網(wǎng)絡(luò)列入了未來《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》，對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)的研究進(jìn)行了資助。作為新一代的傳感器網(wǎng)絡(luò)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有非常廣泛的應(yīng)用前景，其發(fā)展和應(yīng)用將會(huì)給人類的生活和生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域帶來深遠(yuǎn)影響。

“無線傳感器網(wǎng)絡(luò)”是農(nóng)業(yè)電氣化與自動(dòng)化專業(yè)的專業(yè)選修課，它涉及到通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和傳感器技術(shù)等多種技術(shù)領(lǐng)域，其先修課程包括“信號(hào)與通信”“計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)”“傳感器與檢測技術(shù)”等。通過對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本概念、基本方法和理論的學(xué)習(xí)，了解常見的微型傳感器，傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信技術(shù)、支撐技術(shù)、應(yīng)用開發(fā)基礎(chǔ)，傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，掌握無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)、分析和設(shè)計(jì)方法，提高學(xué)生解決農(nóng)業(yè)應(yīng)用中實(shí)際問題的能力。盡管“無線傳感器網(wǎng)絡(luò)”是農(nóng)業(yè)電氣化與自動(dòng)化本科專業(yè)課程體系中重要的專業(yè)選修課程之一，但從督導(dǎo)評(píng)估和學(xué)生評(píng)教的反饋情況看，教學(xué)效果并不理想。筆者對(duì)該課程的特點(diǎn)和教學(xué)現(xiàn)狀進(jìn)行分析，并對(duì)其教學(xué)方法改革進(jìn)行一些有益的探索和嘗試。

一、課程的特點(diǎn)及要求

在農(nóng)業(yè)監(jiān)測應(yīng)用領(lǐng)域，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢：一方面，低功耗、微型化、高度集成、低價(jià)格的傳感器節(jié)點(diǎn)，可以密集部署，使實(shí)時(shí)監(jiān)測作物的各種生長環(huán)境因素和傳遞控制信號(hào)成為現(xiàn)實(shí)；另一方面，與傳統(tǒng)有線傳輸方式相比，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有無基礎(chǔ)設(shè)施（自組織）、精度高、靈活性強(qiáng)、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)，可以有效解決環(huán)境監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的采集、自組多跳的無線發(fā)送等問題。因此，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有其他技術(shù)不可比擬的優(yōu)勢。典型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)主要包含4個(gè)層次：感知層、網(wǎng)絡(luò)層、中間件層、應(yīng)用層。感知層包括傳感器節(jié)點(diǎn)等數(shù)據(jù)采集設(shè)備以及數(shù)據(jù)輸入網(wǎng)關(guān)前的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；網(wǎng)絡(luò)層主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)接入、網(wǎng)絡(luò)傳輸以及相應(yīng)的管理與控制；中間件層提供通信服務(wù)、任務(wù)分析、任務(wù)調(diào)度、安全訪問、可靠性控制和信息服務(wù)能力；應(yīng)用層解決信息處理與人機(jī)界面的問題。

農(nóng)業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所處物理環(huán)境及網(wǎng)絡(luò)自身狀況與工業(yè)應(yīng)用有本質(zhì)區(qū)別，其主要特點(diǎn)有：

1.節(jié)點(diǎn)數(shù)量受限

農(nóng)業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)備成本低、節(jié)點(diǎn)分散，布置面積大，節(jié)點(diǎn)間距離較遠(yuǎn)。目前普通農(nóng)作物收益并不高，投入成本有限，這些因素決定了無法密集布置傳感器節(jié)點(diǎn)。另外，大量鋪設(shè)傳感器節(jié)點(diǎn)還會(huì)對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械化作業(yè)形成較大的阻礙，給傳感器節(jié)點(diǎn)的維護(hù)帶來諸多不便，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)維護(hù)成本過高。

2.要求傳輸距離遠(yuǎn)，功耗低

農(nóng)業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中各傳感器節(jié)點(diǎn)之間的距離往往會(huì)比較大，且一般無人維護(hù)。傳感器節(jié)點(diǎn)不僅要求傳輸距離遠(yuǎn)，還要求功耗小，在低成本太陽能供電情況下實(shí)現(xiàn)長期不斷電的工作目的。

綜上所述，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是近年來得到迅速發(fā)展和普遍重視的新型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它的出現(xiàn)和發(fā)展對(duì)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)生了極其深刻的影響，具備廣闊的應(yīng)用前景。[2]通過“無線傳感器網(wǎng)絡(luò)”課程的學(xué)習(xí)，要使學(xué)生掌握農(nóng)業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的原理和實(shí)現(xiàn)方法，了解最新的科技動(dòng)態(tài)，使其具備從事網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)開發(fā)的能力和正確解決實(shí)際工程問題的能力。

二、課程教學(xué)現(xiàn)狀

“無線傳感器網(wǎng)絡(luò)”課程的設(shè)置適用于農(nóng)業(yè)電氣化與自動(dòng)化本科及研究生專業(yè)，即在更廣闊的背景下融入了多學(xué)科的相關(guān)知識(shí)，同時(shí)也使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)滲透到更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域當(dāng)中，體現(xiàn)了各個(gè)學(xué)科相互交叉融合的特點(diǎn)。在傳統(tǒng)的“無線傳感器網(wǎng)絡(luò)”課程教學(xué)中，教師往往單純注重基本理論、基本方法和基本概念的描述，忽視將理論與實(shí)踐相結(jié)合，忽略對(duì)學(xué)生設(shè)計(jì)思維能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，教與學(xué)之間的信息單向流動(dòng)。具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

第一，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)理論枯燥、應(yīng)用性強(qiáng)，學(xué)生認(rèn)知難度大。該課程涉及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)部署、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、路由協(xié)議、節(jié)點(diǎn)定位、目標(biāo)跟蹤、擁塞控制、數(shù)據(jù)融合、網(wǎng)絡(luò)安全等方面，覆蓋面廣 ，對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信、傳感器結(jié)合技術(shù)要求較高。從往年教學(xué)的反饋情況看，學(xué)生普遍感到該課程理論抽象，內(nèi)容枯燥，缺少感性認(rèn)識(shí)，學(xué)習(xí)難度大。因此，不少學(xué)生產(chǎn)生畏難情緒，學(xué)習(xí)積極性差。

第二，教材針對(duì)性差，傳統(tǒng)教學(xué)模式存在弊端。目前，多數(shù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)教材普遍存在注重理論、輕視應(yīng)用的問題，致使內(nèi)容艱深枯燥，還有一些教材概念模糊不清，令學(xué)生難以理解?；谏鲜鲈?，亟需對(duì)教材進(jìn)行革新，以便為學(xué)生提供優(yōu)秀的學(xué)習(xí)資源。另外，在教學(xué)模式方面，教學(xué)依然主要依靠課堂講解，這種單純的理論分析缺乏參與思考的積極性，致使教學(xué)效果不佳，必須采用多種方法對(duì)教學(xué)模式進(jìn)行改革。

第三，實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)薄弱。該課程是一門實(shí)踐性和應(yīng)用性非常強(qiáng)的課程，其實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)在教學(xué)過程中起著重要的作用，通過實(shí)驗(yàn)不僅能使學(xué)生加深對(duì)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)原理的理解，更能直接增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐應(yīng)用能力。而目前實(shí)驗(yàn)課偏重學(xué)生對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)接口芯片的功能驗(yàn)證，缺乏設(shè)計(jì)型和創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，抑制了學(xué)生的創(chuàng)新欲望，導(dǎo)致該課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)較為薄弱，學(xué)生動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力不足。

第四，課程考核方式單一。考核方式對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性有重要的影響。目前，該課程的考核方式側(cè)重考核基礎(chǔ)理論，往往使學(xué)生忽視平時(shí)動(dòng)手能力、實(shí)踐能力和思考能力的培養(yǎng)，從而出現(xiàn)“高分低能”的現(xiàn)象。鑒于這種現(xiàn)象，亟需改變課程考核方式，對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果做出準(zhǔn)確和客觀的評(píng)價(jià)。

三、課程教學(xué)方法改革

隨著我國高等教育教學(xué)改革的深化，高等院校越來越重視對(duì)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)造能力的培養(yǎng)，同時(shí)也對(duì)教師的課堂教學(xué)方式提出了新的挑戰(zhàn)。[3，4]轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)教學(xué)觀念、改革創(chuàng)新教學(xué)方法、著力提高學(xué)生科學(xué)素質(zhì)和科研能力是當(dāng)前教學(xué)改革的趨勢和關(guān)鍵，也是人才培養(yǎng)的必然要求。[5]

1.案例教學(xué)法

在教學(xué)過程中，使用實(shí)際案例作為教學(xué)材料，通過對(duì)案例進(jìn)行分析，引導(dǎo)學(xué)生理解掌握專業(yè)知識(shí)進(jìn)而提高技能。教師在授課過程中，為了讓學(xué)生直接接觸到實(shí)際工程問題，應(yīng)該引入一些具有代表性、有實(shí)用價(jià)值的案例，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用講解相關(guān)技術(shù)及應(yīng)用方式，激發(fā)學(xué)生興趣，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的習(xí)慣，激勵(lì)學(xué)生對(duì)問題進(jìn)行深入的鉆研和思考，最終發(fā)現(xiàn)創(chuàng)造的秘訣。例如，要求學(xué)生應(yīng)用CC2431芯片對(duì)溫室無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，滿足無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)外形小、集成度高、功耗低、速度快、成本低的要求，并將其作為平時(shí)考核。該系統(tǒng)涉及傳感器、微處理器、無線通信、電源、TinyOS操作系統(tǒng)等多個(gè)內(nèi)容，學(xué)生需要熟悉芯片和路由協(xié)議才能設(shè)計(jì)出最終的作品。因此，學(xué)生學(xué)習(xí)課程內(nèi)容時(shí)會(huì)時(shí)刻把學(xué)習(xí)內(nèi)容和任務(wù)制作聯(lián)系起來，帶著問題聽課，從實(shí)現(xiàn)任務(wù)的目標(biāo)出發(fā)學(xué)習(xí)課堂知識(shí)，取得事半功倍的效果。

2.任務(wù)驅(qū)動(dòng)式教學(xué)法

以具體農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測任務(wù)為教學(xué)活動(dòng)的主線，在問題動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，讓學(xué)生積極主動(dòng)地通過探索和學(xué)習(xí)，完成既定任務(wù)，培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，為每個(gè)教學(xué)單元設(shè)置了一個(gè)明確的任務(wù)需要完成，以充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，并在完成任務(wù)的整個(gè)過程中實(shí)現(xiàn)應(yīng)用能力的培養(yǎng)。教學(xué)中要采用適當(dāng)?shù)姆绞?，給學(xué)生以心理上的鼓舞，使學(xué)生的思維更加活躍，探索熱情更加高漲。以“網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)壓縮”為例，將該內(nèi)容任務(wù)設(shè)計(jì)為溫室多傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)處理，任務(wù)提出后，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)該任務(wù)進(jìn)行分析討論.教師對(duì)學(xué)生的討論結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)充、修正，并引導(dǎo)出為實(shí)現(xiàn)該任務(wù)所需要的相關(guān)理論知識(shí)。通過教師指導(dǎo)、講解的方式為完成該任務(wù)，提出一種溫室無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)壓縮方案，網(wǎng)絡(luò)按輪運(yùn)行，每輪中利用均值聚類算法將節(jié)點(diǎn)按監(jiān)測數(shù)據(jù)相似性劃分到相同的區(qū)域，每個(gè)數(shù)據(jù)相同區(qū)只允許聚類有效性指標(biāo)值最高的節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)，其余節(jié)點(diǎn)暫時(shí)休眠，以達(dá)到壓縮發(fā)送數(shù)據(jù)量、降低能耗的目的。

3.課題教學(xué)法

鼓勵(lì)學(xué)生設(shè)計(jì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)，深化課堂教學(xué)內(nèi)容，積極引導(dǎo)學(xué)生參與教師相關(guān)課題的研究，以課題研究的方式培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立的科研能力，在課題研究的過程中要注重發(fā)揮學(xué)生的作用，讓學(xué)生參加到調(diào)研、研討、報(bào)告的寫作等實(shí)際問題當(dāng)中。積極支持學(xué)生自發(fā)性的科研活動(dòng)，充分發(fā)揮教師的引導(dǎo)作用，為學(xué)生創(chuàng)造良好的創(chuàng)新環(huán)境。

四、結(jié)論

“無線傳感器網(wǎng)絡(luò)”課程理論性和實(shí)踐性強(qiáng)，通過改進(jìn)課堂教學(xué)方法，將抽象概念變得形象生動(dòng)，豐富了教學(xué)手段，提高了教學(xué)效果，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情，也提高教師對(duì)科研工具的應(yīng)用能力；充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性和動(dòng)手實(shí)踐能力，不僅鞏固了所學(xué)到的專業(yè)知識(shí)，也提高了應(yīng)用能力和科研能力。學(xué)生反映良好，教學(xué)效果明顯。對(duì)于該課程教學(xué)方法改革更深層次的研究和探索仍在不斷進(jìn)行中，今后將繼續(xù)在教學(xué)上進(jìn)行創(chuàng)新改革，以適應(yīng)新時(shí)期高等院校創(chuàng)新人才培養(yǎng)的需要。

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（責(zé)任編輯：王意琴）