潘志剛

（1.西安郵電大學 自動化學院，陜西 西安 710121；2.西安理工大學 信息與控制工程國家級實驗教學示范中心，陜西 西安 710048）

0 引 言

“無線傳感器網(wǎng)絡”是測控技術(shù)與儀器專業(yè)的一門重要專業(yè)課程，也是該專業(yè)以信息科學技術(shù)為特色重點發(fā)展的研究方向。課程圍繞傳感器技術(shù)、計算機技術(shù)、通信技術(shù)等先進技術(shù)來塑造學生的多元化能力，為學生從事測量與控制領域的科學研究和工程實踐夯實基礎。但原有的教學方法和設計對于學生來說比較單一，不能達到良好的教學效果[1-3]。本文以西安郵電大學測控技術(shù)與儀器專業(yè)的學生為對象，探索“無線傳感器網(wǎng)絡”課程的情景教學模式[4-6]，以更強代入感，讓學生親身體驗、知行合一，使學生的能力得到提高、境界有所升華[7]。

本文針對無線傳感器網(wǎng)絡課程進行情景化教學方法探索，并通過三個具體教學設計案例展示情景教學中師生、生生互動的教學過程，以此達到讓學生積極主動參與、合作共創(chuàng)的目的。

1 課程教學現(xiàn)狀

“無線傳感器網(wǎng)絡”集傳感器、計算機和通信等技術(shù)于一體，所涉及的知識面較廣[8-10]，而測控技術(shù)與儀器專業(yè)的學生在計算機網(wǎng)絡和通信技術(shù)方面的基礎相對薄弱，這就導致“無線傳感器網(wǎng)絡”課程建設充滿了挑戰(zhàn)性。教師通常會采用講授法，按照教材的章節(jié)安排教學內(nèi)容，但這樣做需要注意兩個方面的問題：首先，對于教師來講，現(xiàn)有專門針對測控技術(shù)與儀器專業(yè)的無線傳感器網(wǎng)絡教材較少。教師在按照教材的章節(jié)安排教學內(nèi)容的同時，需要根據(jù)本專業(yè)的教學進程總體安排和學生特點，理順現(xiàn)有教材各章節(jié)知識點的前后銜接關(guān)系，增補一些與課程相關(guān)的基礎知識；同時把握當前技術(shù)的發(fā)展方向，不斷更新教學內(nèi)容，讓學生始終緊跟技術(shù)發(fā)展的步伐。這就要求教師具備廣泛的專業(yè)知識、扎實的專業(yè)基礎，這樣才能深入透徹地掌握無線傳感網(wǎng)絡的知識點，進行較高質(zhì)量的教學。其次，對于學生來講，理論知識必然是枯燥的，如果教師采用灌輸式教學方法，勢必會造成學生學習興趣低下，注意力不能始終聚焦到課堂上，學習效果差。

除了講授法以外，教師還會采用“對比”啟發(fā)式教學方法。無線傳感器網(wǎng)絡的許多理論和技術(shù)都是在現(xiàn)有無線網(wǎng)絡通信協(xié)議和技術(shù)背景下，根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的限制和組網(wǎng)的特點改進而來的。教師在進行教學設計時，首先要介紹現(xiàn)有無線通信協(xié)議和技術(shù)，然后讓學生判斷是否能夠直接應用到無線傳感器網(wǎng)絡，如果不能則要說明可以從哪些方面進行改進。教師要充分發(fā)揮引領作用，在課堂設計過程中要時常提出問題，并不斷追問，這樣學生的學習興趣才可能有所提高，主動性得到加強。雖然上述方法能夠在一定程度上緩解學生的學習困難，但學生的參與感仍不夠，所學知識始終在想象中構(gòu)建，無法讓學生實際體驗協(xié)議和技術(shù)的實現(xiàn)過程，達不到良好的教學效果。盡管課內(nèi)實驗環(huán)節(jié)能夠?qū)W生參與少的不足有所彌補，但在有限的學時內(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)學生主動參與的課堂教學方式。

2 情景教學模式的構(gòu)建

無線傳感器網(wǎng)絡是由大量傳感器節(jié)點組成，通過協(xié)作完成網(wǎng)絡覆蓋范圍內(nèi)監(jiān)測信息的探測、處理和傳輸，最終到達匯聚節(jié)點并轉(zhuǎn)發(fā)給用戶[5]。將課堂教學類比無線傳感器網(wǎng)絡，把學生當成大量的傳感器節(jié)點，把老師當成匯聚節(jié)點，如圖1所示。按照教學大綱，再結(jié)合巧妙的教學設計，就可以使整個課堂像無線傳感器網(wǎng)絡一樣運作起來?？菰锏穆酚蓞f(xié)議、介質(zhì)訪問控制協(xié)議、關(guān)鍵技術(shù)等理論知識都可以情景化地在學生和教師之間完成理論演示。在互動過程中會出現(xiàn)各種意想不到的問題，同學們在解決問題的過程中，不僅會檢驗自己對已學知識的掌握程度，也會為后續(xù)知識的學習打下基礎。采用這種情景教學法，無疑可以讓每一個學生身臨其境，感受無線傳感器網(wǎng)絡的真實運作，能夠讓師生雙方都獲得進步和成就感。

圖1 無線傳感器網(wǎng)絡

3 教學設計案例

3.1 定向擴散路由協(xié)議

（1）定向擴散原理

匯聚節(jié)點通過興趣消息發(fā)出查詢?nèi)蝿?，采用洪泛方式傳播興趣消息到整個區(qū)域內(nèi)的傳感器節(jié)點。興趣消息在擴散的過程中也反向建立了路由路徑，與“興趣”匹配的節(jié)點通過路徑傳送數(shù)據(jù)到匯聚節(jié)點[6]。定向擴散路由機制可以分為周期性的興趣擴散、梯度建立以及路徑加強三個階段。

（2）情景教學設計

角色：匯聚節(jié)點、傳感器節(jié)點。

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

圖2 定向擴散原理情景設計

（3）模擬步驟如下：

（a）在興趣擴散階段，教師周期性地向鄰居同學廣播興趣消息，興趣消息包含任務類型、目標區(qū)域、數(shù)據(jù)發(fā)送速率、時間戳等參數(shù)。每個學生在紙上做一個興趣列表，包含發(fā)來該興趣消息的鄰居學生姓名、數(shù)據(jù)發(fā)送速率以及時間戳等信息，以建立該學生到老師傳遞數(shù)據(jù)的梯度關(guān)系。學生要根據(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類型任意指定一名學生，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；由于該學生有可能從多個鄰居學生處收到興趣消息，所以該學生向多個鄰居學生發(fā)送數(shù)據(jù)，教師可能收到多個路徑的相同數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳遞路徑中間的學生在收到其他學生發(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，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，可以按照不同的標準進行路徑加強。

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

3.2 基于分簇網(wǎng)絡的MAC協(xié)議

（1）基于分簇網(wǎng)絡的MAC協(xié)議原理

所有傳感器節(jié)點被固定劃分或自動形成多個簇，每個簇內(nèi)有一個簇頭節(jié)點。簇頭節(jié)點負責為簇內(nèi)所有傳感器節(jié)點分配時槽，收集和處理簇內(nèi)傳感器節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給匯聚節(jié)點[3]。

（2）情景教學設計

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

角色扮演：匯聚節(jié)點由教師或班長扮演；對教室進行區(qū)域劃分，各區(qū)域內(nèi)學生自動形成一個簇，并推舉一名學生作為簇頭節(jié)點，其他學生為簇內(nèi)傳感器節(jié)點，如圖3所示。

圖3 基于分簇網(wǎng)絡的MAC協(xié)議情景設計

（3）模擬步驟如下：

（a）扮演簇頭的學生負責時間幀的劃分和安排，并與所有簇內(nèi)同學通信。

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

（4）控制變量：簇內(nèi)節(jié)點數(shù)量、節(jié)點能量、拓撲結(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

在距離向量定位機制中，未知節(jié)點首先計算與信標節(jié)點的最小跳數(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)點與信標節(jié)點之間的估計距離，再利用三邊測量法或極大似然估計法計算未知節(jié)點的坐標[3]。

（2）情景教學設計

角色：未知節(jié)點、信標節(jié)點和其他節(jié)點。

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

圖4 DV-Hop定位技術(shù)原理情景設計

（4）模擬步驟如下：

（a）扮演信標節(jié)點的學生向鄰居學生發(fā)送其位置信息，包含跳數(shù)字段，初始為零。

（b）接收到信標信息的學生，要記錄到信標學生的最小跳數(shù)，忽略來自同一個信標學生發(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，班級所有學生都能記錄到每個信標學生的最小跳數(shù)。

（c）扮演信標節(jié)點的學生要根據(jù)步驟（b）的信息來計算平均每跳的實際距離，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)點的學生只記錄接收到的第一個平均每跳距離，并轉(zhuǎn)發(fā)給鄰居節(jié)點學生。

（e）未知節(jié)點的學生利用已有信息計算自身未知。

（4）控制變量：信標節(jié)點數(shù)量、信息的生存期、節(jié)點的通信距離、節(jié)點的分布。

4 結(jié) 語

通過在西安郵電大學測控技術(shù)與儀器專業(yè)的“無線傳感器網(wǎng)絡”課程中進行情景教學嘗試，提高了學生的學習興趣和專注力，激發(fā)了學生對問題進行深入思考的主動性，更加注重知識點之間的聯(lián)系。針對應用場景，能夠綜合考慮經(jīng)濟、環(huán)境、安全、健康、法律等因素，深入利用關(guān)鍵技術(shù)，為設計優(yōu)質(zhì)的應用系統(tǒng)打下基礎，并能夠在設計中體現(xiàn)創(chuàng)新意識。