课堂情景化教学方法的设计与实践——以“无线传感器网络”课程为例

潘志刚

（1.西安邮电大学 自动化学院，陕西 西安 710121；2.西安理工大学 信息与控制工程国家级实验教学示范中心，陕西 西安 710048）

0 引 言

“无线传感器网络”是测控技术与仪器专业的一门重要专业课程，也是该专业以信息科学技术为特色重点发展的研究方向。课程围绕传感器技术、计算机技术、通信技术等先进技术来塑造学生的多元化能力，为学生从事测量与控制领域的科学研究和工程实践夯实基础。但原有的教学方法和设计对于学生来说比较单一，不能达到良好的教学效果[1-3]。本文以西安邮电大学测控技术与仪器专业的学生为对象，探索“无线传感器网络”课程的情景教学模式[4-6]，以更强代入感，让学生亲身体验、知行合一，使学生的能力得到提高、境界有所升华[7]。

本文针对无线传感器网络课程进行情景化教学方法探索，并通过三个具体教学设计案例展示情景教学中师生、生生互动的教学过程，以此达到让学生积极主动参与、合作共创的目的。

1 课程教学现状

“无线传感器网络”集传感器、计算机和通信等技术于一体，所涉及的知识面较广[8-10]，而测控技术与仪器专业的学生在计算机网络和通信技术方面的基础相对薄弱，这就导致“无线传感器网络”课程建设充满了挑战性。教师通常会采用讲授法，按照教材的章节安排教学内容，但这样做需要注意两个方面的问题：首先，对于教师来讲，现有专门针对测控技术与仪器专业的无线传感器网络教材较少。教师在按照教材的章节安排教学内容的同时，需要根据本专业的教学进程总体安排和学生特点，理顺现有教材各章节知识点的前后衔接关系，增补一些与课程相关的基础知识；同时把握当前技术的发展方向，不断更新教学内容，让学生始终紧跟技术发展的步伐。这就要求教师具备广泛的专业知识、扎实的专业基础，这样才能深入透彻地掌握无线传感网络的知识点，进行较高质量的教学。其次，对于学生来讲，理论知识必然是枯燥的，如果教师采用灌输式教学方法，势必会造成学生学习兴趣低下，注意力不能始终聚焦到课堂上，学习效果差。

除了讲授法以外，教师还会采用“对比”启发式教学方法。无线传感器网络的许多理论和技术都是在现有无线网络通信协议和技术背景下，根据无线传感器网络节点的限制和组网的特点改进而来的。教师在进行教学设计时，首先要介绍现有无线通信协议和技术，然后让学生判断是否能够直接应用到无线传感器网络，如果不能则要说明可以从哪些方面进行改进。教师要充分发挥引领作用，在课堂设计过程中要时常提出问题，并不断追问，这样学生的学习兴趣才可能有所提高，主动性得到加强。虽然上述方法能够在一定程度上缓解学生的学习困难，但学生的参与感仍不够，所学知识始终在想象中构建，无法让学生实际体验协议和技术的实现过程，达不到良好的教学效果。尽管课内实验环节能够对学生参与少的不足有所弥补，但在有限的学时内还是不能涉及到所有的理论和技术。因此，授课教师不断探索出一种高效的、能够激发学生主动参与的课堂教学方式。

2 情景教学模式的构建

无线传感器网络是由大量传感器节点组成，通过协作完成网络覆盖范围内监测信息的探测、处理和传输，最终到达汇聚节点并转发给用户[5]。将课堂教学类比无线传感器网络，把学生当成大量的传感器节点，把老师当成汇聚节点，如图1所示。按照教学大纲，再结合巧妙的教学设计，就可以使整个课堂像无线传感器网络一样运作起来。枯燥的路由协议、介质访问控制协议、关键技术等理论知识都可以情景化地在学生和教师之间完成理论演示。在互动过程中会出现各种意想不到的问题，同学们在解决问题的过程中，不仅会检验自己对已学知识的掌握程度，也会为后续知识的学习打下基础。采用这种情景教学法，无疑可以让每一个学生身临其境，感受无线传感器网络的真实运作，能够让师生双方都获得进步和成就感。

图1 无线传感器网络

3 教学设计案例

3.1 定向扩散路由协议

（1）定向扩散原理

汇聚节点通过兴趣消息发出查询任务，采用洪泛方式传播兴趣消息到整个区域内的传感器节点。兴趣消息在扩散的过程中也反向建立了路由路径，与“兴趣”匹配的节点通过路径传送数据到汇聚节点[6]。定向扩散路由机制可以分为周期性的兴趣扩散、梯度建立以及路径加强三个阶段。

（2）情景教学设计

角色：汇聚节点、传感器节点。

角色扮演：教师作为汇聚节点；学生作为传感器节点，如图2所示。

图2 定向扩散原理情景设计

（3）模拟步骤如下：

（a）在兴趣扩散阶段，教师周期性地向邻居同学广播兴趣消息，兴趣消息包含任务类型、目标区域、数据发送速率、时间戳等参数。每个学生在纸上做一个兴趣列表，包含发来该兴趣消息的邻居学生姓名、数据发送速率以及时间戳等信息，以建立该学生到老师传递数据的梯度关系。学生要根据收到的兴趣消息更新兴趣列表。

（b）教师按照兴趣消息中的任务类型任意指定一名学生，让他把自己想要传递的数据发送到梯度关系上的邻居节点；由于该学生有可能从多个邻居学生处收到兴趣消息，所以该学生向多个邻居学生发送数据，教师可能收到多个路径的相同数据。数据传递路径中间的学生在收到其他学生发来的转发数据后，要先看自己的兴趣列表里有没有匹配的数据项，如果没有，就丢弃数据；如果存在，则检查是否发送过，发送过就丢弃，否则就向列表中的邻居学生发送该信息。

（c）教师收到数据后，可以按照不同的标准进行路径加强。

（4）控制变量：节点数量、信息的生存期、节点的通信距离、节点的分布。

3.2 基于分簇网络的MAC协议

（1）基于分簇网络的MAC协议原理

所有传感器节点被固定划分或自动形成多个簇，每个簇内有一个簇头节点。簇头节点负责为簇内所有传感器节点分配时槽，收集和处理簇内传感器节点发来的数据，并将数据发送给汇聚节点[3]。

（2）情景教学设计

角色：汇聚节点、簇头节点和簇内传感器节点。

角色扮演：汇聚节点由教师或班长扮演；对教室进行区域划分，各区域内学生自动形成一个簇，并推举一名学生作为簇头节点，其他学生为簇内传感器节点，如图3所示。

图3 基于分簇网络的MAC协议情景设计

（3）模拟步骤如下：

（a）扮演簇头的学生负责时间帧的划分和安排，并与所有簇内同学通信。

（b）簇内学生有四种状态，分别为感应、转发、感应并转发、非活动状态。簇内学生根据状态完成相应功能，并根据簇头学生制定的时间帧安排与簇头学生通信。

（4）控制变量：簇内节点数量、节点能量、拓扑结构。

3.3 距离向量-跳段DV-Hop定位技术

（1）DV-Hop定位技术原理

在距离向量定位机制中，未知节点首先计算与信标节点的最小跳数，然后估算平均每跳的距离，利用最小跳数乘以平均每跳距离，得到未知节点与信标节点之间的估计距离，再利用三边测量法或极大似然估计法计算未知节点的坐标[3]。

（2）情景教学设计

角色：未知节点、信标节点和其他节点。

角色扮演：教师指定三个以上学生作为信标节点，在剩余学生中随机选择几位学生作为未知节点，其余学生作为其他节点，如图4所示。

图4 DV-Hop定位技术原理情景设计

（4）模拟步骤如下：

（a）扮演信标节点的学生向邻居学生发送其位置信息，包含跳数字段，初始为零。

（b）接收到信标信息的学生，要记录到信标学生的最小跳数，忽略来自同一个信标学生发出的较大跳数的信息，然后将跳数值加1并转发该消息。以此类推，班级所有学生都能记录到每个信标学生的最小跳数。

（c）扮演信标节点的学生要根据步骤（b）的信息来计算平均每跳的实际距离，然后将带有生存期的这条信息转发出去。

（d）扮演未知节点的学生只记录接收到的第一个平均每跳距离，并转发给邻居节点学生。

（e）未知节点的学生利用已有信息计算自身未知。

（4）控制变量：信标节点数量、信息的生存期、节点的通信距离、节点的分布。

4 结 语

通过在西安邮电大学测控技术与仪器专业的“无线传感器网络”课程中进行情景教学尝试，提高了学生的学习兴趣和专注力，激发了学生对问题进行深入思考的主动性，更加注重知识点之间的联系。针对应用场景，能够综合考虑经济、环境、安全、健康、法律等因素，深入利用关键技术，为设计优质的应用系统打下基础，并能够在设计中体现创新意识。