空間信息與傳感器網(wǎng)絡(luò)課程建設(shè)實踐探索

孟小亮，邊馥苓

(武漢大學(xué)國際軟件學(xué)院空間信息與數(shù)字技術(shù)系，湖北 武漢 430079)

空間信息與傳感器網(wǎng)絡(luò)課程建設(shè)實踐探索

孟小亮，邊馥苓

(武漢大學(xué)國際軟件學(xué)院空間信息與數(shù)字技術(shù)系，湖北 武漢 430079)

我國以物聯(lián)網(wǎng)、云計算和地理信息產(chǎn)業(yè)為代表的產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略對高等院校的專業(yè)人才培養(yǎng)提出了新的要求。在新地理信息時代多學(xué)科交叉中的大測繪科學(xué)快速發(fā)展的趨勢下，空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施需要利用實時空間信息供給和傳感器網(wǎng)絡(luò)改進(jìn)監(jiān)測、控制、態(tài)勢感知和決策制定。武漢大學(xué)在此背景下已經(jīng)面向空間信息與數(shù)字技術(shù)專業(yè)開設(shè)了空間信息與傳感器網(wǎng)絡(luò)課程。本文在介紹課程建設(shè)意義與目標(biāo)的基礎(chǔ)上，詳細(xì)闡述了課程內(nèi)容、教學(xué)要求、參考資料和考核方法，最后總結(jié)了教學(xué)效果及存在的問題與建議。

空間信息；傳感器網(wǎng)絡(luò)；課程建設(shè)；教學(xué)內(nèi)容；考核方法

一、引 言

空間信息與數(shù)字技術(shù)專業(yè)2004年創(chuàng)始于武漢大學(xué)。目前，全國已有電子科技大學(xué)、西安電子科技大學(xué)、廈門理工學(xué)院、成都理工大學(xué)、山東農(nóng)業(yè)大學(xué)、上海海洋大學(xué)、福建農(nóng)林大學(xué)、河南工業(yè)大學(xué)和中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)等10所高校開設(shè)了此本科特設(shè)專業(yè)或本科專業(yè)方向的實驗班，其主干學(xué)科為測繪科學(xué)、地理學(xué)和計算機科學(xué)與技術(shù)[1-4]，以上高等院校根據(jù)行業(yè)背景、地理位置、學(xué)科基礎(chǔ)和師資情況分別制定了具有各自特色的培養(yǎng)目標(biāo)和主要專業(yè)課程設(shè)置[2]。以武漢大學(xué)為例，在測繪行業(yè)背景下，結(jié)合其地理、資源環(huán)境、計算機、信息和管理等優(yōu)秀學(xué)科基礎(chǔ)和師資條件，建設(shè)了一套特色專業(yè)課程體系，其中為國內(nèi)率先開設(shè)的專業(yè)課程包括：空間信息導(dǎo)論、數(shù)字工程的原理與方法[5]、空間信息移動服務(wù)、空間信息共享服務(wù)和空間信息與傳感器網(wǎng)絡(luò)等。其中，空間信息與傳感器網(wǎng)絡(luò)作為專業(yè)必修課，于2009年度被寫入武漢大學(xué)空間信息與數(shù)字技術(shù)專業(yè)培養(yǎng)方案，前導(dǎo)課程為空間信息導(dǎo)論和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)導(dǎo)論，2011年度第二學(xué)期正式向本科大三年級學(xué)生(含國防生)開課，目前已開課3學(xué)期。

空間信息與傳感器網(wǎng)絡(luò)課程是在我國物聯(lián)網(wǎng)、云計算、3G/4G高速通信技術(shù)、測繪與地理信息技術(shù)快速發(fā)展的時代背景下開設(shè)的。以物聯(lián)網(wǎng)、云計算和地理信息產(chǎn)業(yè)為代表的產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略對高等院校培養(yǎng)的專業(yè)人才提出了新的需求?？臻g信息與數(shù)字技術(shù)專業(yè)應(yīng)積極優(yōu)化調(diào)整，探索多學(xué)科集成，以適應(yīng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求。多學(xué)科集成的一個趨勢體現(xiàn)在測繪科學(xué)與計算機科學(xué)、信息科學(xué)、資源環(huán)境科學(xué)的集成，這種集成的重要目標(biāo)之一在于利用具有智能傳感器網(wǎng)絡(luò)的空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施，將空間信息通過空間信息服務(wù)，用最快捷的方法和最低的成本送給最需要的用戶[6]，并實現(xiàn)空間信息的實時在線更新[7]，使空間信息為從科學(xué)研究、經(jīng)濟建設(shè)、國防安全、人民生活到和諧社會可持續(xù)發(fā)展的各行各業(yè)提供實時智能服務(wù)[8]。多學(xué)科集成還是培養(yǎng)具有合理的知識結(jié)構(gòu)、靈敏的空間數(shù)字思維方式、卓越的技術(shù)、實踐、管理、組織和應(yīng)用能力的創(chuàng)新型復(fù)合型精英人才這一目標(biāo)的關(guān)鍵所在[9]。這是空間信息與傳感器網(wǎng)絡(luò)課程的建設(shè)意義與目標(biāo)。本文在課程內(nèi)容與教學(xué)要求、教材與參考資料選擇、課程考核方法等多方面進(jìn)行了實踐探索。

二、課程內(nèi)容與教學(xué)要求

本課程總學(xué)時為54學(xué)時，3學(xué)分，課堂規(guī)模每學(xué)期學(xué)生70人左右。課程內(nèi)容分為兩部分，一部分是課堂理論教學(xué)，45學(xué)時；另一部分是課堂討論，9學(xué)時。課堂內(nèi)容與學(xué)時分配見表1。教學(xué)要求從低到高分為了解、掌握、熟悉和探索四個層次。

1.課堂教學(xué)內(nèi)容

1)課程緒論：使學(xué)生掌握空間信息與傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和基本框架體系。

2)相關(guān)技術(shù)概述：使學(xué)生熟悉空間信息與數(shù)字技術(shù)、射頻識別、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和基于無線射頻的主流定位技術(shù)等基本理論知識。這些理論知識是課程其他內(nèi)容的基礎(chǔ)和預(yù)備，使學(xué)生了解智慧城市、智慧交通、智慧醫(yī)療和智慧社區(qū)等智慧工程是空間信息、數(shù)字工程和傳感器技術(shù)的有機結(jié)合，是以上技術(shù)的內(nèi)涵催生出的更加豐富的外延應(yīng)用。

表1 課程內(nèi)容及學(xué)時分配表

3)傳感器節(jié)點的定位機制與算法：使學(xué)生熟悉傳感器節(jié)點定位的應(yīng)用領(lǐng)域、定位技術(shù)的分類方法；掌握幾種距離相關(guān)和距離無關(guān)的定位技術(shù)、節(jié)點位置計算的基本方法；了解定位算法的性能評價指標(biāo)和國內(nèi)外已研制的典型定位系統(tǒng)。

4)典型問題——跟蹤運動目標(biāo)：通過基于RFID和傳感器網(wǎng)絡(luò)的智慧交通和智慧物流實際應(yīng)用情景分析[5，10]，使學(xué)生掌握傳感器網(wǎng)絡(luò)部署、設(shè)計需求、結(jié)構(gòu)、工作過程和模擬工具，能夠引入?yún)f(xié)作信號和信息處理方法將跟蹤問題形式化，并給出求解單目標(biāo)和多目標(biāo)跟蹤問題的解決辦法。

5)三維無線傳感器網(wǎng)絡(luò)動態(tài)監(jiān)測：使學(xué)生熟悉地下、水下和空中等實際三維傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場景；掌握基本的三維空間模型和定位方法；了解虛擬現(xiàn)實對節(jié)點定位精度與實時性的要求。

6)基于地理位置信息的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由：使學(xué)生熟悉無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由的功能、關(guān)鍵問題和分類，通過幾種典型基于地理位置路由協(xié)議，使學(xué)生掌握通過獲取各個節(jié)點的位置信息實現(xiàn)能量高效轉(zhuǎn)發(fā)的方法，探索其他一些利用位置信息有效節(jié)省系統(tǒng)能耗的節(jié)能方案。

7)傳感器節(jié)點位置隱私保護：使學(xué)生熟悉RFID系統(tǒng)和傳感器網(wǎng)絡(luò)中的位置隱私威脅具體包括哪些；了解一些位置隱私的保護方法和RFID系統(tǒng)與傳感器網(wǎng)絡(luò)中的主要位置隱私保護技術(shù)。

8)空間信息與傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的未來展望：使學(xué)生了解和嘗試探索傳感器網(wǎng)絡(luò)定位與跟蹤服務(wù)、三維無線傳感器網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性、基于地理位置路由協(xié)議的研究擴展、傳感器網(wǎng)絡(luò)(sensor networks)與傳感網(wǎng)(sensor web)概念辨析、人的自發(fā)式傳感、物聯(lián)網(wǎng)與云計算環(huán)境下的傳感器網(wǎng)絡(luò)等方面的研究現(xiàn)狀與趨勢。

2.課堂討論內(nèi)容

為了鍛煉學(xué)生的語言表達(dá)能力、鞏固課程知識點、提高教學(xué)效果和探索課堂教學(xué)改革，本課程安排了課堂討論，并分為期中課堂討論和期末課堂討論兩種形式。因為每學(xué)期課堂規(guī)模是學(xué)生為70人左右，所以規(guī)定學(xué)生按3～4人為一組，有利于分組管理和考核打分，同時也鍛煉了學(xué)生的團隊合作能力。

1)期中課堂討論：①“教師10問”環(huán)節(jié)，采用小組搶答方式。②“學(xué)生提問”環(huán)節(jié)，采用師生互動方式。

2)期末課堂討論：教師根據(jù)分組情況，布置討論主題，每組分配一個主題，每組在期末課堂討論前查找與本組主題相關(guān)的中英文文獻(xiàn)資料，通過閱讀，自擬報告題目并完成一份文獻(xiàn)綜述報告；每組選擇一名代表在期末課堂討論時上講臺對其討論主題和文獻(xiàn)綜述報告做口頭陳述；臺下學(xué)生與教師向陳述小組提問，陳述小組進(jìn)行回答；最后教師對討論主題進(jìn)行總結(jié)。

三、教材與參考資料選擇

國內(nèi)外多所院校都開設(shè)有傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)課程，并已有一些與信息處理技術(shù)相結(jié)合，如美國Standford大學(xué)開設(shè)的Information Processing for Sensor Networks和 Sunysb大學(xué)開設(shè)的 Algorithms for Wireless Sensor Networks等課程，但與空間信息相結(jié)合的實例參考較少，本課程只能在實踐中探索。因為目前市面上沒有一本涵蓋本課程所有內(nèi)容的專業(yè)教材，所以課堂教學(xué)時主要使用教師自編講義，并輔助使用參考書，主要包括：Feng Zhao的《Wireless Sensor Networks： An Information Processing Approach》、邊馥苓的《空間信息導(dǎo)論》和劉云浩的《物聯(lián)網(wǎng)導(dǎo)論》。

空間信息與傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)技術(shù)國內(nèi)外發(fā)展速度較快，網(wǎng)頁資料和期刊文獻(xiàn)更能夠及時地反映最新的理論和研究成果。建議使用以下方式定期查找文獻(xiàn)：

1)中文文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫(以中國知網(wǎng)為例)主題搜索關(guān)鍵詞建議為：(地理信息)或含(空間信息)并含(傳感器網(wǎng)絡(luò))。

2)英文文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫(以 SCI/SSCI/A＆HCI為例)主題搜索關(guān)鍵詞建議為：(Geographic)and(Spatial Information)and(Sensor Networks)。

四、課程考核方法

根據(jù)學(xué)校關(guān)于成績考核辦法的規(guī)定，結(jié)合課程具體實際情況，采用平時考核與期末考試相結(jié)合的考核方法。分?jǐn)?shù)按百分制計算，具體方法如下：

1)平時考核，共計50分，由以下部分組成：

①上課考勤：學(xué)生無理由缺勤一次扣5分；無理由缺勤3次或以上則平時成績按0分記。

② 課后作業(yè)(20分)：5次作業(yè)，每次4分。

③期中課堂討論(10分)：對回答問題和課堂發(fā)言的學(xué)生依據(jù)表達(dá)能力打分，滿分10分。

④期末課堂討論(20分)：綜合學(xué)生口頭表達(dá)能力和文獻(xiàn)綜述報告質(zhì)量進(jìn)行評定，滿分20分。

2)期末考試，采用閉卷形式，滿分50分。

3)總成績，即為平時成績和期末成績的總和，但如果學(xué)生期末考試卷面成績不到55分，則總成績僅以期末考試成績計。

五、結(jié)束語

在課程結(jié)束后，學(xué)生會在教學(xué)系統(tǒng)中對課程和教師進(jìn)行不記名評價，本課程在武漢大學(xué)教學(xué)系統(tǒng)中近三年課程評價的平均分為96.9分。學(xué)生評價在一定程度上反映了教學(xué)效果和存在的問題，總結(jié)如下：

1)課程教學(xué)效果與評價總結(jié)：學(xué)生認(rèn)為在大三下學(xué)期開設(shè)本課程比較合適；課程作業(yè)難度和考試方式比較合適；講義和參考書難易度適中。教學(xué)方法生動，開闊了視野、豐富了專業(yè)知識，通過課程學(xué)習(xí)可以掌握空間信息與傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本理論內(nèi)容和典型應(yīng)用案例。

2)課程存在問題及建議：建議開設(shè)與本課程對應(yīng)的實驗課，并以室內(nèi)傳感器網(wǎng)絡(luò)定位為實驗案例進(jìn)行系統(tǒng)架構(gòu)和數(shù)據(jù)處理；建議根據(jù)教師自編講義出版課程的教材。

綜上，空間信息與傳感器網(wǎng)絡(luò)課程的開設(shè)達(dá)到了教學(xué)目的和教學(xué)大綱的要求，得到了學(xué)校和學(xué)生的認(rèn)可。因為是新課程，課程建設(shè)需在實踐探索中逐步完善。由于本課程緊跟空間信息技術(shù)和傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展動態(tài)，因此需不斷充實課程內(nèi)容。課程可推廣至其他開設(shè)有空間信息與數(shù)字技術(shù)專業(yè)、物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)或其他空間信息相關(guān)專業(yè)的高等院校，作為高年級專業(yè)必修課或者選修課。

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Course Construction of Geospatial Information and Sensor Networks: Practice and Exploration

MENG Xiaoliang，BIAN Fuling

G64

B

0494-0911(2014)12-0122-03

孟小亮，邊馥苓.空間信息與傳感器網(wǎng)絡(luò)課程建設(shè)實踐探索[J].測繪通報，2014(12)：122-124.

10.13474/j.cnki.11-2246.2014. 0415

2013-12-16

湖北省高等學(xué)校省級教學(xué)研究項目(2011023)；武漢大學(xué)自主科研項目(2042014kf0086)；武漢大學(xué)教學(xué)改革研究項目(2014054)

孟小亮(1981—)，男，遼寧營口人，博士，副教授，主要從事空間信息科學(xué)與傳感器網(wǎng)絡(luò)的教學(xué)和科研工作。