課堂情景化教學(xué)方法的設(shè)計(jì)與實(shí)踐
——以“無線傳感器網(wǎng)絡(luò)”課程為例

潘志剛

（1.西安郵電大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，陜西 西安 710121；2.西安理工大學(xué) 信息與控制工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，陜西 西安 710048）

0 引 言

“無線傳感器網(wǎng)絡(luò)”是測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)的一門重要專業(yè)課程，也是該專業(yè)以信息科學(xué)技術(shù)為特色重點(diǎn)發(fā)展的研究方向。課程圍繞傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)來塑造學(xué)生的多元化能力，為學(xué)生從事測(cè)量與控制領(lǐng)域的科學(xué)研究和工程實(shí)踐夯實(shí)基礎(chǔ)。但原有的教學(xué)方法和設(shè)計(jì)對(duì)于學(xué)生來說比較單一，不能達(dá)到良好的教學(xué)效果[1-3]。本文以西安郵電大學(xué)測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)的學(xué)生為對(duì)象，探索“無線傳感器網(wǎng)絡(luò)”課程的情景教學(xué)模式[4-6]，以更強(qiáng)代入感，讓學(xué)生親身體驗(yàn)、知行合一，使學(xué)生的能力得到提高、境界有所升華[7]。

本文針對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)課程進(jìn)行情景化教學(xué)方法探索，并通過三個(gè)具體教學(xué)設(shè)計(jì)案例展示情景教學(xué)中師生、生生互動(dòng)的教學(xué)過程，以此達(dá)到讓學(xué)生積極主動(dòng)參與、合作共創(chuàng)的目的。

1 課程教學(xué)現(xiàn)狀

“無線傳感器網(wǎng)絡(luò)”集傳感器、計(jì)算機(jī)和通信等技術(shù)于一體，所涉及的知識(shí)面較廣[8-10]，而測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)的學(xué)生在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)方面的基礎(chǔ)相對(duì)薄弱，這就導(dǎo)致“無線傳感器網(wǎng)絡(luò)”課程建設(shè)充滿了挑戰(zhàn)性。教師通常會(huì)采用講授法，按照教材的章節(jié)安排教學(xué)內(nèi)容，但這樣做需要注意兩個(gè)方面的問題：首先，對(duì)于教師來講，現(xiàn)有專門針對(duì)測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)教材較少。教師在按照教材的章節(jié)安排教學(xué)內(nèi)容的同時(shí)，需要根據(jù)本專業(yè)的教學(xué)進(jìn)程總體安排和學(xué)生特點(diǎn)，理順現(xiàn)有教材各章節(jié)知識(shí)點(diǎn)的前后銜接關(guān)系，增補(bǔ)一些與課程相關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)；同時(shí)把握當(dāng)前技術(shù)的發(fā)展方向，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。這就要求教師具備廣泛的專業(yè)知識(shí)、扎實(shí)的專業(yè)基礎(chǔ)，這樣才能深入透徹地掌握無線傳感網(wǎng)絡(luò)的知識(shí)點(diǎn)，進(jìn)行較高質(zhì)量的教學(xué)。其次，對(duì)于學(xué)生來講，理論知識(shí)必然是枯燥的，如果教師采用灌輸式教學(xué)方法，勢(shì)必會(huì)造成學(xué)生學(xué)習(xí)興趣低下，注意力不能始終聚焦到課堂上，學(xué)習(xí)效果差。

除了講授法以外，教師還會(huì)采用“對(duì)比”啟發(fā)式教學(xué)方法。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的許多理論和技術(shù)都是在現(xiàn)有無線網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議和技術(shù)背景下，根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的限制和組網(wǎng)的特點(diǎn)改進(jìn)而來的。教師在進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)，首先要介紹現(xiàn)有無線通信協(xié)議和技術(shù)，然后讓學(xué)生判斷是否能夠直接應(yīng)用到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，如果不能則要說明可以從哪些方面進(jìn)行改進(jìn)。教師要充分發(fā)揮引領(lǐng)作用，在課堂設(shè)計(jì)過程中要時(shí)常提出問題，并不斷追問，這樣學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣才可能有所提高，主動(dòng)性得到加強(qiáng)。雖然上述方法能夠在一定程度上緩解學(xué)生的學(xué)習(xí)困難，但學(xué)生的參與感仍不夠，所學(xué)知識(shí)始終在想象中構(gòu)建，無法讓學(xué)生實(shí)際體驗(yàn)協(xié)議和技術(shù)的實(shí)現(xiàn)過程，達(dá)不到良好的教學(xué)效果。盡管課內(nèi)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)能夠?qū)W(xué)生參與少的不足有所彌補(bǔ)，但在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)還是不能涉及到所有的理論和技術(shù)。因此，授課教師不斷探索出一種高效的、能夠激發(fā)學(xué)生主動(dòng)參與的課堂教學(xué)方式。

2 情景教學(xué)模式的構(gòu)建

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過協(xié)作完成網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)監(jiān)測(cè)信息的探測(cè)、處理和傳輸，最終到達(dá)匯聚節(jié)點(diǎn)并轉(zhuǎn)發(fā)給用戶[5]。將課堂教學(xué)類比無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，把學(xué)生當(dāng)成大量的傳感器節(jié)點(diǎn)，把老師當(dāng)成匯聚節(jié)點(diǎn)，如圖1所示。按照教學(xué)大綱，再結(jié)合巧妙的教學(xué)設(shè)計(jì)，就可以使整個(gè)課堂像無線傳感器網(wǎng)絡(luò)一樣運(yùn)作起來?？菰锏穆酚蓞f(xié)議、介質(zhì)訪問控制協(xié)議、關(guān)鍵技術(shù)等理論知識(shí)都可以情景化地在學(xué)生和教師之間完成理論演示。在互動(dòng)過程中會(huì)出現(xiàn)各種意想不到的問題，同學(xué)們?cè)诮鉀Q問題的過程中，不僅會(huì)檢驗(yàn)自己對(duì)已學(xué)知識(shí)的掌握程度，也會(huì)為后續(xù)知識(shí)的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。采用這種情景教學(xué)法，無疑可以讓每一個(gè)學(xué)生身臨其境，感受無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的真實(shí)運(yùn)作，能夠讓師生雙方都獲得進(jìn)步和成就感。

圖1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

3 教學(xué)設(shè)計(jì)案例

3.1 定向擴(kuò)散路由協(xié)議

（1）定向擴(kuò)散原理

匯聚節(jié)點(diǎn)通過興趣消息發(fā)出查詢?nèi)蝿?wù)，采用洪泛方式傳播興趣消息到整個(gè)區(qū)域內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)。興趣消息在擴(kuò)散的過程中也反向建立了路由路徑，與“興趣”匹配的節(jié)點(diǎn)通過路徑傳送數(shù)據(jù)到匯聚節(jié)點(diǎn)[6]。定向擴(kuò)散路由機(jī)制可以分為周期性的興趣擴(kuò)散、梯度建立以及路徑加強(qiáng)三個(gè)階段。

（2）情景教學(xué)設(shè)計(jì)

角色：匯聚節(jié)點(diǎn)、傳感器節(jié)點(diǎn)。

角色扮演：教師作為匯聚節(jié)點(diǎn)；學(xué)生作為傳感器節(jié)點(diǎn)，如圖2所示。

圖2 定向擴(kuò)散原理情景設(shè)計(jì)

（3）模擬步驟如下：

（a）在興趣擴(kuò)散階段，教師周期性地向鄰居同學(xué)廣播興趣消息，興趣消息包含任務(wù)類型、目標(biāo)區(qū)域、數(shù)據(jù)發(fā)送速率、時(shí)間戳等參數(shù)。每個(gè)學(xué)生在紙上做一個(gè)興趣列表，包含發(fā)來該興趣消息的鄰居學(xué)生姓名、數(shù)據(jù)發(fā)送速率以及時(shí)間戳等信息，以建立該學(xué)生到老師傳遞數(shù)據(jù)的梯度關(guān)系。學(xué)生要根據(jù)收到的興趣消息更新興趣列表。

（b）教師按照興趣消息中的任務(wù)類型任意指定一名學(xué)生，讓他把自己想要傳遞的數(shù)據(jù)發(fā)送到梯度關(guān)系上的鄰居節(jié)點(diǎn)；由于該學(xué)生有可能從多個(gè)鄰居學(xué)生處收到興趣消息，所以該學(xué)生向多個(gè)鄰居學(xué)生發(fā)送數(shù)據(jù)，教師可能收到多個(gè)路徑的相同數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳遞路徑中間的學(xué)生在收到其他學(xué)生發(fā)來的轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)后，要先看自己的興趣列表里有沒有匹配的數(shù)據(jù)項(xiàng)，如果沒有，就丟棄數(shù)據(jù)；如果存在，則檢查是否發(fā)送過，發(fā)送過就丟棄，否則就向列表中的鄰居學(xué)生發(fā)送該信息。

（c）教師收到數(shù)據(jù)后，可以按照不同的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行路徑加強(qiáng)。

（4）控制變量：節(jié)點(diǎn)數(shù)量、信息的生存期、節(jié)點(diǎn)的通信距離、節(jié)點(diǎn)的分布。

3.2 基于分簇網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議

（1）基于分簇網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議原理

所有傳感器節(jié)點(diǎn)被固定劃分或自動(dòng)形成多個(gè)簇，每個(gè)簇內(nèi)有一個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)。簇頭節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)為簇內(nèi)所有傳感器節(jié)點(diǎn)分配時(shí)槽，收集和處理簇內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn)[3]。

（2）情景教學(xué)設(shè)計(jì)

角色：匯聚節(jié)點(diǎn)、簇頭節(jié)點(diǎn)和簇內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)。

角色扮演：匯聚節(jié)點(diǎn)由教師或班長(zhǎng)扮演；對(duì)教室進(jìn)行區(qū)域劃分，各區(qū)域內(nèi)學(xué)生自動(dòng)形成一個(gè)簇，并推舉一名學(xué)生作為簇頭節(jié)點(diǎn)，其他學(xué)生為簇內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)，如圖3所示。

圖3 基于分簇網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議情景設(shè)計(jì)

（3）模擬步驟如下：

（a）扮演簇頭的學(xué)生負(fù)責(zé)時(shí)間幀的劃分和安排，并與所有簇內(nèi)同學(xué)通信。

（b）簇內(nèi)學(xué)生有四種狀態(tài)，分別為感應(yīng)、轉(zhuǎn)發(fā)、感應(yīng)并轉(zhuǎn)發(fā)、非活動(dòng)狀態(tài)。簇內(nèi)學(xué)生根據(jù)狀態(tài)完成相應(yīng)功能，并根據(jù)簇頭學(xué)生制定的時(shí)間幀安排與簇頭學(xué)生通信。

（4）控制變量：簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)量、節(jié)點(diǎn)能量、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

3.3 距離向量-跳段DV-Hop定位技術(shù)

（1）DV-Hop定位技術(shù)原理

在距離向量定位機(jī)制中，未知節(jié)點(diǎn)首先計(jì)算與信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的最小跳數(shù)，然后估算平均每跳的距離，利用最小跳數(shù)乘以平均每跳距離，得到未知節(jié)點(diǎn)與信標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間的估計(jì)距離，再利用三邊測(cè)量法或極大似然估計(jì)法計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)[3]。

（2）情景教學(xué)設(shè)計(jì)

角色：未知節(jié)點(diǎn)、信標(biāo)節(jié)點(diǎn)和其他節(jié)點(diǎn)。

角色扮演：教師指定三個(gè)以上學(xué)生作為信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，在剩余學(xué)生中隨機(jī)選擇幾位學(xué)生作為未知節(jié)點(diǎn)，其余學(xué)生作為其他節(jié)點(diǎn)，如圖4所示。

圖4 DV-Hop定位技術(shù)原理情景設(shè)計(jì)

（4）模擬步驟如下：

（a）扮演信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的學(xué)生向鄰居學(xué)生發(fā)送其位置信息，包含跳數(shù)字段，初始為零。

（b）接收到信標(biāo)信息的學(xué)生，要記錄到信標(biāo)學(xué)生的最小跳數(shù)，忽略來自同一個(gè)信標(biāo)學(xué)生發(fā)出的較大跳數(shù)的信息，然后將跳數(shù)值加1并轉(zhuǎn)發(fā)該消息。以此類推，班級(jí)所有學(xué)生都能記錄到每個(gè)信標(biāo)學(xué)生的最小跳數(shù)。

（c）扮演信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的學(xué)生要根據(jù)步驟（b）的信息來計(jì)算平均每跳的實(shí)際距離，然后將帶有生存期的這條信息轉(zhuǎn)發(fā)出去。

（d）扮演未知節(jié)點(diǎn)的學(xué)生只記錄接收到的第一個(gè)平均每跳距離，并轉(zhuǎn)發(fā)給鄰居節(jié)點(diǎn)學(xué)生。

（e）未知節(jié)點(diǎn)的學(xué)生利用已有信息計(jì)算自身未知。

（4）控制變量：信標(biāo)節(jié)點(diǎn)數(shù)量、信息的生存期、節(jié)點(diǎn)的通信距離、節(jié)點(diǎn)的分布。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過在西安郵電大學(xué)測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)的“無線傳感器網(wǎng)絡(luò)”課程中進(jìn)行情景教學(xué)嘗試，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和專注力，激發(fā)了學(xué)生對(duì)問題進(jìn)行深入思考的主動(dòng)性，更加注重知識(shí)點(diǎn)之間的聯(lián)系。針對(duì)應(yīng)用場(chǎng)景，能夠綜合考慮經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、安全、健康、法律等因素，深入利用關(guān)鍵技術(shù)，為設(shè)計(jì)優(yōu)質(zhì)的應(yīng)用系統(tǒng)打下基礎(chǔ)，并能夠在設(shè)計(jì)中體現(xiàn)創(chuàng)新意識(shí)。