基于物聯網關鍵技術的智慧學習環境構建研究與實踐—以《現代物流技術》課程學習為例

李 俊，雷光臨

（新鄉醫學院，河南 新鄉 453003）

1 引言

隨著物聯網、泛在網、智能傳感等新技術在教育領域的應用，教育信息化迎來了新的機遇。在教育信息新機遇、新發展的大背景下，基于物聯網技術的智慧學習環境構建，為學習者創設了更加自由、更加智慧、更加舒適的學習情境和空間，為學習者智能推送合適的學習資源和工具。

2 智慧學習環境

學習環境不僅包括正式的課堂學習環境，也包括非正式的和虛擬的學習環境，既包括集體的學習環境也包括個性化的、個體的學習環境。在網絡技術日漸成熟和物聯網技術的廣泛應用下，學習環境的智慧性更加利于學習的進行和知識的習得。物聯網使得虛實世界聯通，讓學習環境變得智能、智慧。物聯網與網絡技術能夠實現虛擬與現實學習環境的無縫對接和無縫訪問。構建智慧學習環境，其目標在于創設高效的情景化學習環境，促進學習者知識習得和創新智慧的培養。在智慧學習環境下完成學習者的差異性知識構建，并在知識內化過程中完善學生的人格。基于物聯網技術的智慧學習環境分為智慧課堂學習環境和個性化的個體智慧學習環境。

2.1 智慧課堂學習環境

智慧課堂學習環境是指能感知物理環境，識別學習者個體特征和學習情境，提供無縫互通的網絡通信，有效支持教學過程分析、評價和智能決策的開放教育教學環境。通過在物理學習環境中架設的傳感器、攝像頭等設備，全面感知學習過程，捕獲并實時傳遞學習過程中產生的各種數據，利用學習分析技術對數據進行挖掘分析，依據分析結果為學習者創設個性化的學習情境，并推送合適的學習資源和學習工具。

智慧學習環境是教育信息化和智慧教育發展應用的新境界和重要組成部分，其依托物聯網、大數據、通信技術等構建智能化、感知化和個性化的智慧學習環境，支持泛在學習、無縫學習等學習方式。智慧課堂學習環境具有以下特點：

（1）智能跟蹤性。伴隨著大數據和學習分析、數據挖掘等技術在教育中的應用，智慧課堂學習環境下，學習者學習過程中的各項數據將被記錄，這些數據包括學習者的學習偏好、初始能力、認知風格、學習效果、評價等過程性的學習數據。這些海量數據通過數據聚合與挖掘技術、學習分析等技術分析處理后，生成學習者模型。學習過程中根據生成的學習者模型向學習者智能推送各種學習資源和學習工具。這種智能跟蹤性將伴隨學習者學習的全過程。

（2）智能推送性。智能推送技術包括推和送兩個方面，推是指根據學習者個人學習偏好、學習風格等向學習者推送個性化的學習資源、學習工具，創設個性化的學習情景。送是指學習者可以自我控制學習進度和過程，根據個人需要定制學習資源、學習工具和定制適合的學習情境，這些滿足學習者個性訴求的定制會在學習過程中智能推送給學習者，促進學習保持和知識習得。學習資源與工具的多樣性以及智能推送性是智慧課堂學習環境的另一個特征。

2.2 個性化的個人智慧學習環境

基于物聯網的個人學習環境是真實課堂學習場景的延伸，從真實的學習環境延伸到虛擬的學習場景中來。在虛擬的學習環境中同樣可以激發學習者探究世界的興趣和動力，加強與其他學習者或同伴的互動、溝通和資源共享。培養學習者的科學素養及解決問題的實踐能力。

學習過程的動態感知以及學習工具和信息資源的智能推送是構成個性化智慧學習環境和開展個性化學習的基礎。個性化智慧學習環境打破了傳統的課堂學習環境對時空的限制，能夠實現并滿足師生隨時隨地、隨需地學習、互動等訴求。個性化智慧學習環境中，由于學習者個體差異，其對學習資源及工具等的需求也存在差異，這就需要根據學習者的差異分別進行學習資源與學習工具的推送，促進學習者的學習進行和能力培養。個性化的學習環境能促使學習者自我激勵，并自主掌控學習進度，根據個性化的學習偏好開展學習并完成學習任務。個人智慧學習環境是學習者、學習同伴、教師以及學習工具和學習資源之間建立的動態連接。其具有以下特點：

（1）學習自治性。在個性化的智慧學習環境中，學習者在學習過程中擁有高度的自治權，學習者根據自己的學習目標、學習興趣、個人偏好等選取所需的學習資源和學習工具，隨時隨地開展個性化學習，不受時間和空間的限制。個性化的智慧學習環境為學習者提供了一個高度自治、自由的知識構建與交流共享的空間。

（2）分布式知識構建。個性化的個人學習環境中，學習者是身處不同網絡節點的個體，學習者在利用學習資源和學習工具開展學習的過程中，與處于其他網絡節點的學習者進行這樣或那樣的溝通、交流、會話以及協作來共同完成知識習得和知識構建。由于這些處于不同網絡節點的學習者個體是分布在不同網絡節點之上的，他們有各自的知識體系和知識架構。在彼此的交流與協作過程中，互相影響和思想碰撞，最后完成知識的構建，依據分布式認知理論，這種知識構建具有分布式知識構建性。這種分布式知識構建性是個性化個人智慧學習環境的一個顯著特點。

3 物聯網及關鍵技術

物聯網及關鍵技術是構建高感知、高沉浸性智慧學習環境的技術基礎。物聯網將現實世界中的物與物進行互聯互通，物聯網傳感技術能感知并收集物理空間中的濕度、溫度、亮度等環境指標數據，對從傳感器接收到的數據進行分析，并以此分析結果智能控制物理環境中學習資源等的狀態，為智慧學習環境創設適合開展學習活動的情境，物聯網技術是構建虛實融合的智慧學習環境的關鍵。

（1）物聯網技術。物聯網顧名思義就是將物與物互聯的網絡，它是通過各種信息傳感設備、識別技術、通訊手段、定位系統等裝置和技術，實時采集任何需要監控、連接、互動的物體或過程，采集其聲、光、熱、位置等信息，與互聯網結合形成的一個巨大網絡。其目的是實現物與物、物與人、所有的物品與網絡的連接，方便識別、管理和控制。物聯網不僅提供了傳感器的連接，其本身也具有智能處理的能力，能夠對物體實施智能控制。

（2）傳感器技術。是指能感受規定的被測量，利用物理效應、化學效應、生物效應，把被測的物理量、化學量、生物量等轉換成符合需要的電量，并按照一定的規律轉換成可用輸出信號的器件或裝置。隨著對傳感器技術研究的日益深入和技術的日漸成熟，目前對無線傳感器、微型傳感器、多傳感器融合等技術的研究成為了新熱點。這些技術的日漸完善及其應用的快速普及，尤其在教育領域中的應用將極大地便利我們的學習。

在智慧學習環境構建過程中還需要用到大數據、學習分析和智能推送等技術，正是這些新技術的成熟與應用，為未來教育發展提供了技術保障和物質基礎。

4 智慧學習環境構建

智慧學習環境構建主要涵蓋了學習過程中的學習者、教師、環境中的軟硬件資源、學習工具等要素。筆者主要從學習過程中人的構建、資源構建、學習情景構建、資源與工具的推送等幾個方面進行介紹。

（1）人的構建：智慧學習環境構建過程中，人的構建即學習者和教師的構建是主要要素。無論是在智慧課堂學習環境還是智慧個人學習環境構建過程中，人的構建始終是第一位的。只是智慧課堂學習環境中，學習者是集中在一起的學習者群體，教師是學習活動的推動者和引導者，在該學習活動過程中需要在教師的推動和學習者的自主選擇之間找到一個最佳平衡點，促使學習者在智慧學習環境中達到知識習得、知識構建以及人格的重塑和進化；而個人學習環境中，學習者是分布式的學習者個體，學習者有更多的自主權對自己的學習過程及學習活動進行控制，其間需要教師過濾和篩選合適的學習資源和工具并推送給學習者，以維持學習者學習活動的進行，需要分布在其他網絡節點上的學習同伴的協助和協作完成學習任務。在這種個性化學習活動過程中，學習者、教師和學習同伴之間是一個持續的、動態的活動過程，目的就是促使分布在不同網絡節點上的學習者分布式知識的習得與構建。

（2）資源的構建：資源構建是智慧學習環境構建的重要組成部分，學習資源分為預設性資源和生成性資源。預設性資源是學習活動開展和進行過程中呈現給學習者的資源，是事先制作并分類的資源，在學習過程中起到幫助學習者進行學習并生成新知識資源的作用。生成性資源是學習活動過程中再生出來的新資源，是預設資源的動態更新和持續進化。新形成的再生資源會成為下一個學習活動過程中的預設資源，預設資源與生成性資源是不斷更迭、持續循環并實現資源更新和進化的動態過程。學習者智慧學習環境下的學習過程中，會遇到海量信息和知識碎片化問題，勢必會造成學習者學習迷航和知識超負荷。面對此種狀況，一方面需要提高學習者組織和聯通學習資源的能力，另一方面也需要利用相關技術加強預設資源語義關聯性，增強資源間的連通性和使用頻率。在學習過程中通過資源的預設、生成和關聯，達到資源的構建，以利于學習者學習的持續進行和知識的構建。

（3）學習情景的構建。學習情境是為學習者創設利于學習進行和知識習得的現實情境、虛擬場景、現實與虛擬融合的空間場景。智慧課堂學習環境下學習情境的構建，是對摸得著看得到的資源、工具、燈光、多媒體設備等周邊環境的智能控制與重組，智能控制與重組目的就是創設更利于學習進行的情境，促使學習者在便捷、舒適、高效環境下學習的發生與保持。例如利用聲光、溫度等傳感器技術以及云計算技術實現對學習環境中燈光、多媒體音箱、空調設備等的智能開啟與調節，創設一個基于真實問題的學習情境，更好地促使學習者進行探究和協作學習。個性化的個人智慧學習環境中，需要利用大數據和學習分析技術，對學習者學習過程中的數據進行聚合和挖掘，為學習者創設虛擬的或虛實融合的學習情境，并為學習者推送適合的學習資源和工具，促使并保持學習者虛擬學習情境下的學習進行及知識習得。

（4）資源與工具的推送。資源是智慧學習環境的重要組成部分，工具又是學習者進行學習必不可少的幫手，尤其在個性化的智慧學習環境下，資源、工具的推送和定制顯得尤為重要。智慧學習環境中學習者面對海量的學習資源和工具會顯得無所適從，同時學習者進行個性化的學習需要特定的資源和工具，這就要求既要通過學習分析技術向學習者推送資源和工具，又要根據學習者的個性需求定制資源和工具。在智慧學習環境中通過采集學習者與學習環境之間的顯性和隱性交互數據，經過協同過濾機制，向學習者推送個性化以及個性化定制的資源和工具，使其在創設的智慧學習環境和情境下保持學習和高階智慧的提升。

5 《現代物流技術》課程智慧學習環境構建

《現代物流技術》一書分為現代物流導論、現代物流作業技術、現代物流信息技術等幾個部分，由于現代物流作業技術章節中包括自動化立體倉儲、包裝與裝卸、自動化分揀與配送、集裝箱碼頭等一整套的現代物流實訓流程與環節，也更便于采用3D影片等多媒體融合技術呈現，以達到更加震撼和直觀地快速了解現代物流作業技術的流程與環節的效果。故本文節選現代物流作業技術章節中的部分內容作為素材進行智慧學習環境構建，情境構建與呈現過程如下：

（1）情境構建：①智慧課堂學習過程中人的要素主要包括教師和學生，教師是課堂教學的引導者和教授者，學生是學習活動的參與者、知識的自我構建者。②智慧學習過程中用到的資源和工具主要包括呈現自動化立體倉儲、包裝與裝卸、自動化分揀與配送、集裝箱碼頭等實訓流程與環節所用到的3D影片和多媒體融合素材，這些3D影片和多媒體素材能更直觀和震撼地再現完整真實的現代物流流程與環節，通過整個過程的呈現能快速提升學習者的專業技能和素養。③智慧學習場景可以置于演播室、錄播教室等多媒體教室，需要用到且可以智能調控的硬件設備比較豐富，包括空調、燈光、電動窗簾、幕布、攝像頭、3D眼鏡、音響、投影等多媒體影音設備。這些設備是構建智慧學習環境及呈現智慧學習過程的必要用具和技術保障。

（2）呈現過程：①智慧課堂學習過程中，燈光、空調、窗簾等周邊設施通過智能感知技術實現自動開關和調控；音響、攝像頭、投影等多媒體設備會于上課之前開啟進入工作狀態。攝像頭、拍攝燈光等設施能通過紅外感應等技術自動跟蹤授課教師及與教師進行互動的學生。②智慧學習過程中，最精彩和震撼的是完整呈現整個現代物流流程與環節的自動化立體倉儲、包裝與裝卸、自動化分揀與配送、集裝箱碼頭等教學內容的3D影片和多媒體素材，通過佩戴3D眼鏡觀看提前制作好的3D影片，使學生仿佛置身于真實的物流企業操作車間之中，身臨其境的學習現代物流的整個流程與環節，快速體驗教學實訓和物流企業運營模式。

通過對現代物流作業技術部分章節內容智慧學習環境的構建，能使學生在足不出戶的情況下真實、直觀地體驗教學實訓，快速提升學生的專業素養和技能。

6 結語

隨著物聯網、智能感知等新技術的不斷應用與完善、泛在網絡的不斷優化與智能移動終端的大量普及，基于物聯網技術的智慧學習環境將為學習者創設更加舒適、自由的學習情境和空間，賦予學習者更多的學習自主權和控制權，以利于實現學習者的個性化學習和終身學習。

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