无线传感器网络课堂教学方法探索

　　文章编号：1672-5913（2017）05-0066-03

　　中图分类号：G642

　　0 引 言

　　物联网是继计算机、互联网和移动通信之后的又一次信息产业的革命性发展，目前被正式列为国家重点发展的战略性新兴产业之一[1]。近年来，物联网专业在全国很多高校开设，但是作为一个新兴专业，有其独有的特征，如知识范围涵盖广等。对于其专业课程教学特别是像无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN）这类核心课程更需要在教学方法、教学思路上进行改革和

　　创新[2]。

　　1 无线传感器网络课程的地位

　　物联网专业在全国很多高校开设，培养方案和课程体系可能有差别，但无线传感器网络一般会被设置成核心课程或必修课程[3]。无线传感器网络是一门理论性和实用性都较强的课程，多学科高度交叉，知识点涵盖范围广，在课堂教学上对教师的要求较高，需要学生掌握的内容也较多和复杂[4]。

　　2 无线传感器网络教学中存在的问题

　　（1）知识点讲解难，知识点涵盖了传感器、嵌入式计算、网络与通信、分布式信息处理等技术，在课堂讲解中，学生对于不熟悉的知识点往往觉得晦涩难懂，最终放弃听讲。

　　（2）原理演示难，无线传感器网络中很多原理在课堂教学中较难演示，学生只能在理论上接受，不能建立形象化理解。

　　（3）案例应用难，无线传感器网络可以在很多领域进行应用实验，但学生往往难以找到突破口，不能很好的将所学知识应用在实际需要中，一方面是不善于寻找需求，另一方面是对所学知识不能够融会贯通，举一反三。

　　3 无线传感器网络教学方法探讨

　　3.1 课前知识探究

　　物联网专业学生需要有较广的知识面和较深的专业技能，课上所学内容是有限的，需要学生对知识进行广泛涉猎，但往往他们又是迷茫的，不知从何学起以及学些什么。“课前知识探究”是建立教师引导性的知识学习过程，在这个过程中，教师抽取出下次课堂教学中的前提内容，即学生需要提前了解的内容，让学生进行探究。学生凭借已有的知识、生活经验和学习方法自主探索，从而激发学习兴趣，增强学好课程的信心。最后以多种形式进行总结汇报，如写成科技综述、PPT课堂汇报等。这种预习不再是单纯为掌握知识和技能的学习活动，而是为了学生综合素质的培养和提升。

　　主要过程如下：教师布置任务，多以“主题”形式展现；学生根据已有知识进行独立思考；学生通?^知网、百科、文库、技术论坛等网络资源库进行更全面的信息获取；形成汇报文件，以PPT讲稿呈现；课堂10分钟讲解。

　　比如在学习“传感器网络数据融合技术”前，让学生提前总结整理“数据融合”的概念由来、发展历程、工作原理以及应用等信息，下次课堂讲解预留10分钟让学生通过PPT进行演示讲解。课前知识探求充分调动学生自主学习的能力，同时也锻炼了分析、总结能力和基本的科学素养。学生通过这种探求方式获取的知识要比教师直接课堂讲授掌握得更牢固、更深刻。

　　3.2 比较讲解法

　　比较讲解法不是一个普遍适用的方法，但对于无线传感器网络课堂教学有着独特的良好效果，主要原因是无线传感器网络与计算机网络在层次结构、知识框架以及应用特征上都具有参照性，而计算机网络又是学生已经学习过的、较为熟悉的课程。教师在讲解中通过比较突显所需掌握知识的特征、难点和重点。主要过程如下：①通过比较法引入新概念，有些概念间有许多相似之处，了解一些概念之后，另一些概念可用比较法引入，使教学难度降低，并能把规律揭示出来；②通过对比图或者表讲解异同，帮助学生理解两者的差别，深化记忆。

　　如图1所示是开放式系统互联网络参考模型（OSI）和无线传感器网络体系结构模型的对比图。在协议、安全以及应用等各个方面都可以通过比较讲解法进行课堂教学。

　　通过比较学习会发现很多知识有相同点和不同点，若不去比较，可能会把相关知识的概念、原理、现象等混为一谈，这不利于对知识进行深刻理解和准确应用；善于比较则可以抓住知识的本质特征和知识间的内在联系，从而达到准确理解、记忆和应用知识的目的。

　　3.3 仿真演示法

　　WSN是一门实用型课程，在课堂上需要形象、立体地向学生展示所学知识，比如数据是如何在网络中传输的，路由方式是怎样的。在课堂上只是讲解路由协议或者算法，学生对知识的理解不深刻。仿真演示可激发学生求知欲望，提高学习兴趣，调动学习积极性，激发求知欲。我校使用了ATOS-SensorSim无线传感器网络仿真系统，如图2所示。

　　它是一款功能强大、配置简便的WSN专业模拟系统，具备算法过程演示、算法分析和调试等功能，通过配置参数，可实现不同参数条件下的算法自动运行、运行过程显示、实验结果统计和实验结果图自动生成。

　　通过模拟演示，学生直观了解WSN的组织结构、传输过程及算法应用等；学生也可以验证自己所写的路由算法，并对结果自动分析，这种仿真演示法极大提高了学生学习的积极性和学习兴趣。

　　3.4 创新案例设计

　　创新案例设计教学法是让学生主动观察生活中的细节，提炼业务需求，自主设计基于WSN的解决方案。在课堂中每讲解一个知识点，就让学生将所学知识应用在自己设计的案例中，具体的设计实施在实验课中完成，整个过程教师给予指导和重要知识讲解。

　　基本过程如下：学生在具有一定知识储备后提出创意设计思路；教师帮助确定设计思路的可行性；学生学习新知识后将知识应用到创意设计中，完成文档编写或编码；学生课堂讲解知识在自己设计中的应用；提交最终设计方案。

　　比如设计“基于WSN的智能家居系统”，在学习WSN的物理层概念、主要技术以及设计方法后，学生基本能给出他所要设计的家居系统的物理层解决方案，采用哪种介质传输，哪些设备并给出原因和性能说明。每次课会抽取1～2个学生对自己的设计方案进行讲解。

　　通过创新案例设计法，建立学生独立解决问题的能力和知识运用能力。在经历过初期的挣扎和迷茫后，大部分学生都能认真、顺利地完成设计。重要的是通过这个过程，学生能充分理解一个系统的产生流程，从需求分析、框架设计、软硬件选择到子部件的设计、集成、测试等让学生深入了解每个环节的工作以及差异，也为将来走上工作岗位打下坚实的基础。

　　4 结 语

　　物联网专业是新兴专业，物联网课程的教学应该有其独特性和创新性，无线传感器网络课程作为物联网专业的一门重点课程，更要提高课堂教学效率。我们提出的包含课前知识探究、比较讲解、仿真演示和创新案例设计等4部分的WSN课堂教学方法应用在大学无线传感器网络课程的课堂教学中，取得良好的教学效果，学生的学习积极性和学习效率大大提高。通过课堂教学+实验课实践后的成果参加多项国家级、省部级物联网竞赛并取得优异成绩。

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