“無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)計(jì)算”課程教學(xué)實(shí)踐探索

摘要：“無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)計(jì)算”是一門重要的研究生學(xué)位課程。文章給出課程的定位目標(biāo)，提出“師生在課堂上共同發(fā)明移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)”的教學(xué)理念，從教學(xué)體系、課堂教學(xué)、教科結(jié)合、課程項(xiàng)目、教材建設(shè)等方面闡述教學(xué)實(shí)踐探索，以期培養(yǎng)具有創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的研究型人才。

關(guān)鍵詞：無(wú)線網(wǎng)線；移動(dòng)計(jì)算；教學(xué)實(shí)踐；教材建設(shè)

隨著無(wú)線與移動(dòng)通信技術(shù)的不斷進(jìn)步，社會(huì)已逐漸進(jìn)入了無(wú)線移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，各個(gè)領(lǐng)域?qū)o(wú)線網(wǎng)絡(luò)與移動(dòng)計(jì)算技術(shù)的人才需求不斷增加。為滿足這種需求，近年來(lái)國(guó)內(nèi)多所高等院校相繼開(kāi)設(shè)了移動(dòng)計(jì)算、無(wú)線移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等相關(guān)專業(yè)課程。

清華大學(xué)是最早開(kāi)設(shè)此類課程的大學(xué)之一，于2006年就面向信息學(xué)院研究生開(kāi)設(shè)“無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)計(jì)算”課程，課堂規(guī)模限定在60人以內(nèi)。課程至今已開(kāi)設(shè)9期，約400余名研究生選修了該課程。為培養(yǎng)創(chuàng)新型高層次研究人才，在課程教學(xué)實(shí)踐過(guò)程中，我們堅(jiān)持以科研促教學(xué)，注重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力，提出“師生在課堂上共同發(fā)明移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)”的教學(xué)理念，并不斷優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)體系，積極探索啟發(fā)式和研究式教學(xué)方法，取得了較好的教學(xué)效果，獲得選課學(xué)生的廣泛好評(píng)。該課程在清華大學(xué)課程教學(xué)評(píng)估中多次被評(píng)為優(yōu)秀，并于2012年入選為清華大學(xué)研究生精品課程。

1 課程定位及目標(biāo)

1.1 課程定位

清華大學(xué)開(kāi)設(shè)的網(wǎng)絡(luò)相關(guān)課程已經(jīng)形成相對(duì)完善體系，為了取得更好的教學(xué)效果，我們遵循“本科打基礎(chǔ)、碩士重能力、博士出創(chuàng)新”的多層次培養(yǎng)理念，將本科、碩士和博士的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系列課程教學(xué)內(nèi)容有機(jī)結(jié)合，同時(shí)突出各自的培養(yǎng)重點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)不同層次的人才培養(yǎng)目標(biāo)。

基于這種多層次的培養(yǎng)理念，在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)方向相關(guān)本科課程和研究生課程設(shè)置的基礎(chǔ)上，“無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)計(jì)算”課程重點(diǎn)定位于偏向研究性質(zhì)的提高課程，因此要求該課程不僅要深入剖析無(wú)線網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)和經(jīng)典協(xié)議，而且要在傳授具體知識(shí)的同時(shí)，著重引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)無(wú)線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的研究方法，并鼓勵(lì)學(xué)生在該領(lǐng)域進(jìn)行大膽創(chuàng)新。

1.2 課程目標(biāo)

基于研究性提高課程的定位，本課程的教學(xué)目標(biāo)是：通過(guò)課程學(xué)習(xí)，要求學(xué)生不僅要了解無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的基本知識(shí)和研究方向，同時(shí)還需要在一定程度上把握無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)計(jì)算的研究熱點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)，為將米進(jìn)一步從事該領(lǐng)域的研究打下基礎(chǔ)。具體目標(biāo)如下：

（I）在掌握計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理的基礎(chǔ)上，深入學(xué)習(xí)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)、協(xié)議和基本設(shè)計(jì)思想；

（2）初步掌握無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)計(jì)算領(lǐng)域中的國(guó)內(nèi)外最新研究成果，分析該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)問(wèn)題；

（3）以無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)計(jì)算領(lǐng)域?yàn)榍腥朦c(diǎn)，進(jìn)行一定的研究創(chuàng)新和論文寫作訓(xùn)練，探討并初步掌握科學(xué)研究的基本方法。

2 課程教學(xué)實(shí)踐

2.1 優(yōu)化課程教學(xué)體系

作為研究生課程，應(yīng)當(dāng)充分注重教學(xué)內(nèi)容的先進(jìn)性和新穎性，同時(shí)需要考慮不同層次、不同基礎(chǔ)學(xué)生的差異性，考慮不同學(xué)生的接受能力和興趣關(guān)注點(diǎn)。經(jīng)過(guò)多年的教學(xué)實(shí)踐，初步形成了學(xué)時(shí)安排合理、內(nèi)容新穎有趣、兼顧學(xué)生差異性的模塊化教學(xué)體系，如表1所示

除課堂教學(xué)外，教師在課下還定期與同學(xué)們交流討論，注重因材施教，針對(duì)不同學(xué)生的特點(diǎn)，引導(dǎo)他們充分發(fā)揮所長(zhǎng)。例如，有的學(xué)生擅長(zhǎng)技術(shù)創(chuàng)新，有的擅長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)分析，有的擅長(zhǎng)工程開(kāi)發(fā)，有的對(duì)市場(chǎng)調(diào)查感興趣，等等。針對(duì)不同的學(xué)生，給出不同的課程項(xiàng)目（如表2所示），在項(xiàng)目目標(biāo)和難度加以區(qū)別，并根據(jù)學(xué)生各自所長(zhǎng)，逐一給出不同的建議和指導(dǎo)，使每個(gè)學(xué)生都能高質(zhì)量地完成課程項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)學(xué)生的差異性培養(yǎng)。

2.2 注重創(chuàng)新思維啟發(fā)

作為一門面向研究生的專業(yè)基礎(chǔ)課，其目標(biāo)不僅是學(xué)習(xí)知識(shí)，更重要的是研究方法和創(chuàng)新思維的學(xué)習(xí)。本課程從“人們發(fā)現(xiàn)了移動(dòng)計(jì)算，還是發(fā)明了移動(dòng)計(jì)算”的問(wèn)題人手，采用啟發(fā)式教學(xué)方法，引導(dǎo)學(xué)生逐步去“發(fā)明移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)”

對(duì)于課程中的核心技術(shù)和協(xié)議等重點(diǎn)內(nèi)容，始終采用“師生共同去發(fā)明”的思路去講解、分析和探討。首先闡述當(dāng)時(shí)的技術(shù)背景，與學(xué)生一起深入分析技術(shù)問(wèn)題，在此基礎(chǔ)上啟發(fā)學(xué)生提出各種可能的解決方案，并逐一分析每一種方案的可行性或優(yōu)缺點(diǎn)，最終與學(xué)生一起“發(fā)明”無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)計(jì)算中的核心技術(shù)例如，在講授AdHoc網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議時(shí)，首先讓學(xué)生思考AdHoc與GSM、WLAN等移動(dòng)/無(wú)線網(wǎng)絡(luò)有什么本質(zhì)區(qū)別？能否將傳統(tǒng)的路由協(xié)議移植到AdHoc網(wǎng)絡(luò)中？然后，根據(jù)AdHoc網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)，分析相應(yīng)路由協(xié)議設(shè)計(jì)面臨的一些挑戰(zhàn)（如拓?fù)鋭?dòng)態(tài)變化、全分布式結(jié)構(gòu)、節(jié)點(diǎn)資源受限等）；最后，引導(dǎo)學(xué)生逐一去解決這些挑戰(zhàn)，設(shè)計(jì)相應(yīng)AdHoc路由協(xié)議。具體做法是從最基本的Flooding方式人手，逐步分析引出DSR協(xié)議的設(shè)計(jì)思想，并循序漸進(jìn)地與學(xué)生一起去解決協(xié)議設(shè)計(jì)中路由失效恢復(fù)、包轉(zhuǎn)發(fā)碰撞、路由廣播風(fēng)暴等問(wèn)題，讓學(xué)生明白為什么協(xié)議優(yōu)化時(shí)要采用Route Caching、Location Aided Routing、QueryLocalization等技術(shù)，進(jìn)一步地掌握如何通過(guò)隨機(jī)等待、位置/距離感知等方式來(lái)減少?gòu)V播風(fēng)暴。采用類似的以問(wèn)題為引導(dǎo)，通過(guò)深入淺出、逐步分析的方式，與學(xué)生一起去“發(fā)明”AODV、OLSR、DSDV、ZRP等其他典型AdHoc路由協(xié)議。從學(xué)生的課堂表現(xiàn)和課后討論看，這種“師生在課堂上共同發(fā)明移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)”教學(xué)理念的貫徹實(shí)施達(dá)到了很好的教學(xué)效果。當(dāng)學(xué)生遇到各種技術(shù)問(wèn)題時(shí)，他們不再是急于去學(xué)習(xí)現(xiàn)有的解決方案，而更多的是去思考自己如何創(chuàng)新、如何去解決相應(yīng)的技術(shù)難題，創(chuàng)新思維也由此得到了有效提高。

2.3 堅(jiān)持教學(xué)與科研相結(jié)合

課程力求教學(xué)與研究緊密結(jié)合，堅(jiān)持知識(shí)經(jīng)驗(yàn)“從研究中來(lái)”，結(jié)合筆者研究經(jīng)歷和優(yōu)秀學(xué)生案例，引導(dǎo)學(xué)生“到研究中去”，著力提高其研究能力，在授學(xué)生以“魚(yú)”的同時(shí)授之以“漁”。

一方面，注重課程內(nèi)容的先進(jìn)性和新穎性，根據(jù)領(lǐng)域最新研究成果，不斷更新教學(xué)內(nèi)容，每年更新授課內(nèi)容約為25%。筆者緊密跟蹤ACMMobicom等無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)計(jì)算領(lǐng)域頂級(jí)會(huì)議，將本領(lǐng)域最新研究進(jìn)展補(bǔ)充到課堂教學(xué)中，同時(shí)還將自己最新取得的研究成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)內(nèi)容，如近年來(lái)在Wi-Fi環(huán)境下數(shù)據(jù)傳輸能耗建模、性能感知的蜂窩移動(dòng)設(shè)備節(jié)能優(yōu)化、需求感知的WLAN負(fù)載平衡方法、高效的移動(dòng)云存儲(chǔ)同步設(shè)計(jì)等方面的研究成果。另外，還注重產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況，在課堂中增加業(yè)界最新發(fā)展動(dòng)態(tài)介紹，使學(xué)生了解現(xiàn)實(shí)生活中的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展?fàn)顩r，進(jìn)一步激發(fā)他們學(xué)習(xí)和研究的興趣。

另一方而，筆者結(jié)合多年研究經(jīng)歷和優(yōu)秀學(xué)牛案例，提煉并與學(xué)生分享研究經(jīng)驗(yàn)。教學(xué)過(guò)程中，在介紹最新研究成果的同時(shí)，注重將科學(xué)研究方法滲透到教學(xué)的知識(shí)點(diǎn)中，與學(xué)生分享如何做科研，如何去提出問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題。此外，還邀請(qǐng)有一定研究成果的優(yōu)秀學(xué)長(zhǎng)來(lái)講述他們的研究成長(zhǎng)經(jīng)歷，分享在研究過(guò)程中遇到的各種問(wèn)題、走過(guò)的“彎路”以及解決問(wèn)題的方式和方法，讓同學(xué)們?cè)诮涣髦蝎@得第一手的研究經(jīng)驗(yàn)，引導(dǎo)同學(xué)積極參與到科學(xué)研究中去。

從近幾年選課學(xué)生的研究成果看，堅(jiān)持教學(xué)科研緊密結(jié)合，把研究式教學(xué)方法貫穿到整個(gè)教學(xué)過(guò)程中，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生研究興趣、提高研究能力和積累研究經(jīng)驗(yàn)起到了十分重要的作用，達(dá)到了“學(xué)生愜意，教師滿意”的教學(xué)效果。

2.4 加強(qiáng)課程項(xiàng)目指導(dǎo)

課程項(xiàng)目是指學(xué)生分組完成一個(gè)小型綜合研究項(xiàng)目，是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維和提高學(xué)生研究能力的重要環(huán)節(jié)。課前，我們會(huì)根據(jù)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域當(dāng)前的研究熱點(diǎn)（如移動(dòng)設(shè)備能耗優(yōu)化、移動(dòng)汁算遷移、移動(dòng)云存儲(chǔ)、移動(dòng)定位與位置隱私保護(hù)、智能可穿戴技術(shù)、新型移動(dòng)應(yīng)用、移動(dòng)電子商務(wù)與移動(dòng)支付等），給出一些前沿課題（參見(jiàn)表2），并精選部分文獻(xiàn)資料供學(xué)生選題參考，同時(shí)積極鼓勵(lì)學(xué)生結(jié)合自己的研究興趣自選研究題目?？紤]到選課學(xué)生多為剛?cè)雽W(xué)的研一學(xué)生，大都沒(méi)有研究創(chuàng)新經(jīng)驗(yàn)，因此我們特別在課程項(xiàng)目選題上強(qiáng)調(diào)不宜過(guò)“大”，但一定要“新”。

在課程項(xiàng)日研究過(guò)程中，筆者經(jīng)常與學(xué)生討淪交流，引導(dǎo)學(xué)生要打破常規(guī)，采用逆向思維來(lái)提出新觀點(diǎn)和新方法。對(duì)于初步取得創(chuàng)新思路的學(xué)生，積極鼓勵(lì)他們?cè)谡n堂上將創(chuàng)新思路與大家分享，同時(shí)鼓勵(lì)其他學(xué)生積極參與討論，提出不同的看法和意見(jiàn)，引導(dǎo)大家一起幫助做報(bào)告的同學(xué)完善創(chuàng)新思路，改進(jìn)技術(shù)方案，使臺(tái)上臺(tái)下的學(xué)生都得到啟發(fā)，都受益匪淺。對(duì)于創(chuàng)新思路小明確的學(xué)生，組織有經(jīng)驗(yàn)的同學(xué)與其一起討淪，引導(dǎo)他們從不同角度來(lái)分析問(wèn)題，用小同方法米嘗試解決問(wèn)題，使其盡快提出創(chuàng)新思路

與此同時(shí)，積極邀請(qǐng)學(xué)生參與到實(shí)驗(yàn)室的研究工作中來(lái)，為學(xué)生的研究提供相應(yīng)軟硬件支持和研究環(huán)境保障，安排實(shí)驗(yàn)室經(jīng)驗(yàn)豐富的學(xué)長(zhǎng)對(duì)其研究進(jìn)行一對(duì)一的指導(dǎo)，有針對(duì)性地幫助他們解決研究過(guò)程中遇到的問(wèn)題和困惑，使學(xué)生的課程項(xiàng)目研究能夠順利開(kāi)展，力促做出更好的研究成果。同時(shí)，鼓勵(lì)學(xué)生及時(shí)將課程項(xiàng)目研究成果進(jìn)行總結(jié)，開(kāi)展學(xué)術(shù)論文創(chuàng)作，爭(zhēng)取發(fā)表到國(guó)內(nèi)外重要會(huì)議和期刊上。

從近幾年的課程作業(yè)反饋看，不少學(xué)生的課程項(xiàng)目取得了較好的成果，特別足一些旁聽(tīng)學(xué)生和工程碩士生，盡管他們專業(yè)不對(duì)口、基礎(chǔ)相對(duì)弱，但也都在各自的選題卜.做出了一些創(chuàng)新性的探索，其中多名學(xué)生的研究成果還發(fā)表于IEEEINFOCOM等知名國(guó)際會(huì)議和國(guó)內(nèi)一級(jí)學(xué)報(bào)上。

3 課程教材建設(shè)

教材在人才培養(yǎng)中起著基礎(chǔ)性作用，不僅體現(xiàn)教學(xué)理念、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)要求，而且對(duì)培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維習(xí)慣和創(chuàng)新能力具有十分重要的作用。因此，我們注重加強(qiáng)教材建沒(méi)，編著了兩部?jī)?nèi)容新穎、前瞻性強(qiáng)、具有大量應(yīng)用實(shí)例的教學(xué)參考書(shū)，為研究式課程教學(xué)和創(chuàng)新人才培養(yǎng)提供了有力支撐。

針對(duì)移動(dòng)計(jì)算的興起而國(guó)內(nèi)缺乏相關(guān)教材的現(xiàn)狀，我們收集整理了大量學(xué)術(shù)會(huì)議淪文、發(fā)明專利和業(yè)界研究技術(shù)報(bào)告，結(jié)合作行多年的研究成果，撰寫了《無(wú)線移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)：原理、技術(shù)與應(yīng)用》。該書(shū)全面、系統(tǒng)、深入地介紹無(wú)線移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)知識(shí)，并力圖培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立研究能力，使得學(xué)生能夠在較短時(shí)問(wèn)內(nèi)掌握移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的基本原理和關(guān)鍵技術(shù)，了解學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的最新研究進(jìn)展。同時(shí)，通過(guò)大量應(yīng)用實(shí)例增強(qiáng)學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)，達(dá)到學(xué)以致用的目的。書(shū)中的每一章都從基本原理出發(fā)，結(jié)合實(shí)例介紹基本協(xié)議原理及其運(yùn)行機(jī)制和關(guān)鍵技術(shù)，然后分析學(xué)術(shù)界在該問(wèn)題上的最新研究進(jìn)展以及產(chǎn)業(yè)界的最新應(yīng)用，最后展望該技術(shù)的未來(lái)研究方向。該書(shū)具有入門要求低、內(nèi)容涵蓋廣且實(shí)用性強(qiáng)的特點(diǎn)，在學(xué)生中取得了良好的反響，被評(píng)為“十二五”普通高等教育本科國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材，已被北京郵電大學(xué)、西安郵電大學(xué)、東北大學(xué)、清華大學(xué)等40余所高等院校使用。

與此同時(shí)，為加強(qiáng)學(xué)生移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的實(shí)際應(yīng)用編程訓(xùn)練，筆者專門聯(lián)系了中國(guó)通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)委員會(huì)副主席以及中國(guó)電信移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的主要技術(shù)負(fù)責(zé)人，共同編寫了《移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)與開(kāi)發(fā)案例》。該教材堅(jiān)持理論聯(lián)系實(shí)際，從移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)技術(shù)人手，循序漸進(jìn)地引導(dǎo)學(xué)生如何去設(shè)計(jì)出一款具有吸引力的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。教材分為技術(shù)基礎(chǔ)篇和開(kāi)發(fā)實(shí)例篇兩大部分。-卜篇分析了移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的特點(diǎn)及其對(duì)商業(yè)和技術(shù)領(lǐng)域的影響，對(duì)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體系架構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)闡述并分層解析，內(nèi)容涵蓋終端、平臺(tái)、網(wǎng)絡(luò)三大領(lǐng)域，使學(xué)生能夠全面了解移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)主流技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)。下篇?jiǎng)t從應(yīng)用開(kāi)發(fā)者的實(shí)際需求出發(fā)，由淺入深，從創(chuàng)意到商用，指導(dǎo)學(xué)生嘗試移動(dòng)應(yīng)用設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的全過(guò)程。筆者基于多年開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，特別精選出移動(dòng)瓦聯(lián)網(wǎng)中的熱門應(yīng)用案例，介紹系統(tǒng)設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)環(huán)境，剖析開(kāi)發(fā)中的技術(shù)難點(diǎn)，進(jìn)行詳盡的代碼示例，引導(dǎo)學(xué)生在該領(lǐng)域進(jìn)行編程和創(chuàng)新。

4 結(jié)語(yǔ)

課程教學(xué)實(shí)踐是一個(gè)不斷總結(jié)和反復(fù)提高的過(guò)程。在后續(xù)的教學(xué)實(shí)踐過(guò)程中，我們將進(jìn)一步強(qiáng)化“在課堂上發(fā)明移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)”的教學(xué)理念，積極引導(dǎo)學(xué)生從問(wèn)題分析人手，去“發(fā)明”移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的經(jīng)典關(guān)鍵技術(shù)；將繼續(xù)堅(jiān)持科研與教學(xué)的緊密結(jié)合，加強(qiáng)科研成果向教學(xué)內(nèi)容的轉(zhuǎn)化，實(shí)時(shí)補(bǔ)充和優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，使學(xué)生能夠及時(shí)了解移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的當(dāng)前發(fā)展現(xiàn)狀和最新研究熱點(diǎn)；將進(jìn)一步加大課程實(shí)踐教學(xué)力度，著力在培養(yǎng)學(xué)生研究能力上下功夫，通過(guò)邀請(qǐng)專家講學(xué)、組織討論交流、分享研究經(jīng)驗(yàn)、開(kāi)展項(xiàng)目研究等方式，提高學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力。