以“学-改-创”为核心理念的《无线传感网络》教学模式探讨

彭维平，宋成，倪水平，王磊

《无线传感网络》是高等学校计算机相关专业，特别是物联网工程专业的专业必修课程。作为物联网最重要的基础支撑技术之一，无线传感器网络作为一种新型的网络技术得到了广泛的关注。然而，在无线传感网络应用中，仍然存在较多需要解决的技术问题，包括无线传感器网络的基本传输技术、路由覆盖和拓扑技术、无线传感器网络定位跟踪与时间同步技术以及传感器网络安全等关键技术。因而，国内很多高校在研究生阶段开设了该课程，这些关键技术均为物联网相关方向研究生的研究热点。

一 课程教学的目的及存在的问题

对于研究生阶段开设本门课程，不同于本科阶段的教学[1,2]，除了要求学生掌握无线网络的基本传输技术、无线局域网、无线个人网、传感器网络等网络技术及其基本原理之外，更重要的是要熟悉现有的各种协议和算法的设计思想，培养学生构造系统性的研究思路；学习不同的学者解决同一问题的不同思路和方法，开阔学生做科学研究的视野；学会运用其它领域的现代信息理论技术解决另一领域问题的新思路和新方法，培养学生的创新意识；为后续分析和研究这些网络中存在的问题提供指导。

但目前来说，在面向研究生的课程教学中，传统的面向本科教学的课程内容、教学方法等方面均存在不足，特别是在以下几个方面。

1. 课程体系以技术应用为导向。

2. 研究生普遍动手能力较弱，理论与实践脱节[3]。

3. 缺乏完善的各核心技术（路由、定位跟踪与时间同步等关键技术）算法库。

4. 自主学习资源少。

5. 学生的独立创新能力有待提高。

因而，基于目前该门课程在教学实践过程中存在的许多现实问题，本文提出一种以“学-改-创”为核心理念的《无线传感网络》教学改革模式，期望为更多的算法或协议设计类课程的教学提供一定的参考。

二 教学改革新模式

（一）建立合理的课程内容体系

本课程主要内容包括无线传感器网络跨层体系结构、基本传输技术、路由覆盖和拓扑技术、无线传感器网络定位跟踪与时间同步技术等关键技术。有别于本科阶段的教学，其主要内容可规划以下几个方面。

1. 无线传感网络体系结构

主要内容包括无线传感网络基本概念、现状和发展历程；无线传感网络的体系结构、研究热点、主要应用领域及相关案例。

2. 物理层和MAC层协议分析

主要内容包括基于竞争的信道接入协议类型及原理、基于固定分配及按需分配的信道接入技术。其中竞争型MAC协议：SMAC，TMAC，PMAC等；分配型 MAC协议：TDMA等。

3. 路由协议分析

主要内容包括能量感知路由协议、以数据为中心、分层路由协议、地理位置路由和基于Qos的路由协议。其中，能量感知路由协议包括基本能量感知路由和能量多径路由；以数据为中心的路由协议包括Flooding协议、SPIN协议、DD协议等；分层路由协议包括LEACH协议 PEGASIS协议 TEEN协议等；地理位置路由包括GPSR协议、GEAR协议等；Qos路由包括SAR协议等。

4. 无线传感网络支撑技术——定位技术

主要内容包括基于测距的定位技术、无需测距的定位技术，以及典型定位系统。

现有无线传感网络的定位方法： Cricket定位系统、质心定位算法、TOA和TDOA定位方法、AOA定位算法、RSSI定位方法和DV-HOP定位方法等。

5. 无线传感网络支撑技术——时间同步技术

主要内容包括无线传感网络的时间同步技术的基本概念和原理，重点是发送者-接收者同步模式和接收者-接收者同步模式。现有的时间同步协议包括：LTS协议、RBS协议、TPSN协议、DMTS协议、FTSP协议、HRTS协议和GCS协议等。

6. 无线传感网络支撑技术——数据融合技术

主要内容有多传感器数据融合的作用、分类和主要方法。重点内容是基于贝叶斯的数据融合方法和基于神经网络的数据融合方法。

（二）“学-改-创”为核心理念的课程教学方法

根据本门课程的性质和特征，我们拟采用“基础知识加强学习，核心算法改进到提出创新”的教学模式，因而拟将教学内容分为四个组成部分：基础理论部分，现有协议和算法的分析，协议和算法的改进尝试以及学科前沿的新协议和算法的研读。

1. 基础理论部分的学习

重点是让学生了解WSN的的发展过程以及WSN 的现状；理解WSN的体系结构，了解WSN的应用前景；掌握计WSN的基本概念、组成；掌握物理层、MAC层和网络层设计的主要技术原理；了解通信信道的概念及其划分，CSMA/CA以及随机退避防冲突机制；理解并掌握无线传感器的路由技术、时间同步技术、定位技术、数据融合技术以及安全相关的基本概念和原理。该部分内容主要以教师讲授为主。

2. 现有协议和算法的分析、实现和仿真

通过对已有典型算法和协议的讲解和分析，让学生对MAC层的介质访问控制机制和防冲突机制、路由协议、时间同步协议、定位算法、数据融合算法等有深入的理解，掌握这些算法的设计思想以及优缺点；然后对学生进行分组，为每个小组分配不同的算法实现和仿真测试任务，最后每个小组进行算法设计和仿真测试的汇报和讲解，以此达到共同学习的目的。该部分内容主要以讨论和学生实践为主，教师讲授为辅。

3. 现有协议和算法的改进

通过第二阶段的学习和算法仿真测试，充分分析每个算法的优缺点，要求根据现有协议和算法，提出创新性的改进措施和方案，并将设计的方案通过仿真实验，并和现有相关协议进行比较，得到仿真的比较结果，最后向老师和所有同学做讲解。以此，不仅要求学生能够对协议和算法能真正掌握好，而且能够有所创新，提出自己的新观点、新方法。该部分内容拟以学生自主创新实践为主，课堂讨论为辅。

4. 最新协议和算法的研读、提出新的设计思想

主讲教师将课题组在无线传感器网络领域的最近研究成果和论文设计思想传授给学生，并将国内外该领域其他专家学者最新发表的研究论文提供给学生学习和讨论，紧跟学术前沿，以此来拓展学生的知识面和深度，并且做一些创新性的研究。该部分由主讲教师和学生共同完成。

（三）“成果导向”的实践性教学设计

实践性教学的目的是调动学生的学习积极性和能动性，理论与实践相结合，使学生真正掌握无线传感网络的基本理论和技术，进一步提高其分析问题、解决问题和理论创新的能力，培养学生形成良好的科研方法与获取知识的能力。

1. 加深对无线传感器网络基础理论和基本知识的理解，掌握无线传感器网络的理论和技术。对学生进行分组，为每个小组分配不同的算法实现和仿真测试任务，最后每个小组进行算法设计和仿真测试的汇报和讲解，以此达到共同学习的目的。

2. 充分体现“教师指导下的以学生为中心”的教学模式。以学生为认知主体，着力培养学生良好的科研方法。除了每个小组进行已有算法的设计和仿真测试的汇报和讲解之外，要求学生能根据现有协议和算法，提出创新性的改进措施和方案，并将设计的方案通过仿真实验，并和现有相关协议进行比较，得到仿真的比较结果，最后向老师和所有同学做讲解。以此，不仅要求学生能够对协议和算法能真正掌握好，而且能够有所创新，提出自己的新观点、新方法。

三 重点难点

本课程教学的重点和难点在于我们拟采用的循序渐进的教学模式，是否能将基础理论、现有协议和算法的分析、协议和算法的改进尝试以及学科前沿的新协议和算法的研读四个教学组成部分，以小组教学为主要形式，采用讨论式教学模式，通过分析各种支撑技术采用的协议、算法，并通过和实验验证相结合，让学生实际动手，真正从理论到实践，从而达到较好的教学效果。

其中，基础理论部分的学习重点是让学生了解WSN的的发展过程以及掌握无线传感器的路由技术、时间同步技术、定位技术、数据融合技术以及安全相关的基本概念和原理。在此基础上，进入第二阶段现有协议和算法的分析、实现和仿真部分，还需要构造完善的各核心技术算法库，由于研究生普遍动手能力较弱，因而其动手能力还需进一步增强，更好地突出教学内容多元化和学生实际能力的培养。

另外，在第三阶段现有协议和算法的改进部分中，对研究生提出了更高的要求。本部分以学生自主创新实践为主，课堂讨论为辅，需要研究生通过第二阶段的学习和算法仿真测试，充分分析每个算法的优缺点，提出创新性的改进措施和方案，并将设计的方案通过仿真实验，并和现有相关协议进行比较，得到仿真的比较结果。

四 结语

研究生阶段更注重创新意识的培养，课程学习不在于学习技术，更重要的是学习做科研的思路和方法。以 “学-改-创”为核心理念的课程教学模式，采用“基础知识加强学习，核心算法实现改进到尝试提出创新”的教学新方法，结合“成果导向”的实践性教学设计思想， 能较好地锻炼学生掌握科研方法，培养学生构造系统性 的研究思路，开阔学生做科学研究的视野，学会运用其它领域的现代信息理论技术解决另一领域问题的新思路和新方法，培养学生的创新意识。