讓物聯網走進中小學課堂

張清曉

【摘 要】物聯網技術在中小學“智慧校園”建設，尤其在智能教學系統中的應用日趨重要。在教育信息化的背景下，結合國內外相關研究，分析系統要素，從交互內容、交互方式、交互界面和交互評價出發，建構了一個基于物聯網技術的交互式學習系統模型，提出了一些具體的技術規范，旨在提升中小學生的學習效果，推動物聯網技術盡快走進中小學的課堂。

【關鍵詞】物聯網；智能教學系統；交互式學習環境

【中圖分類號】G40-057 【文獻標識碼】A

【論文編號】1671-7384（2016）05-0074-03

物聯網技術近年發展迅速，它是在互聯網技術的基礎上延伸和擴展的一種網絡，實現了任何物品之間的信息交換與通信，并將物品整合到互聯網中來，使用者能夠獲得實時反饋信息，并與之進行有效的互動。

在教育領域，應用在門禁管理、安保管理、后勤管理等學校綜合管理和學生日常管理方面的物聯網技術正逐步推廣。與此同時，人們的學習方式也隨著技術的革新發生了轉變，從原先的傳統學習模式逐漸發展出了數字學習（e-Learning）、移動學習（m-Learning）以及泛在學習（u-Learning）的新模式。其中，基于計算機技術的泛在學習模式不僅提供給學習者海量的學習內容，而且通過結合虛擬和物理空間， 搭建隨時隨地的協同學習環境，使學習資源與學習者的不同需求相適應 。無論對于高等教育還是基礎教育，正規教育還是非正規教育，物聯網技術在學習者的學習過程中，都扮演著一個日趨重要的角色。

在教育信息化的背景下，廣大中小學校作為教育領域的最前沿，是建設“智慧校園”的重要陣地。一方面，針對中小學生自制能力較差、自我保護意識較弱的特點，在校園基建領域對于物聯網技術的引入較為迫切；另一方面，物聯網智能教學系統的開發能夠填補傳統教學方式的缺陷，營造良好的學習環境，對于提升中小學校的教學質量，落實培養創新型人才的目標具有重要意義。在綜合國內外相關研究和分析系統要素的基礎上，本文建構了一個基于物聯網技術的交互式學習系統模型，旨在提升中小學生的學習效果，推進物聯網技術盡快走進中小學的課堂。

相關研究

物聯網在教學領域應用的相關研究已有很多，例如Wang Y.關于互動英語教學的研究，通過設置語音和視覺傳感器來獲取學生的發音，根據學生反饋的情況及時進行教學調整。依據Wang Y.的觀點，物聯網之所以能夠在教學領域開展應用，其動力機制在于方式新穎，有利于教師因材施教：教師甄選一些適合學生學習的基本材料；學生根據自身能力自定步調，自主學習，不會受限于一個為了大多數人的需求設計的程序，比如一門“慕課”。

另外幾個有代表性的研究包括：Gonzalez' G等人搭建了一個基于物聯網技術的個人學習空間的基本框架，他的研究表明，利用NFC技術（近場通信技術）能夠實現學習者在學習過程中使用到的物品間信息的流動和互通。Domingo M.等人在西班牙加泰羅尼亞開放大學進行的研究中設計了一個以用戶為中心的物聯網數字學習網絡，旨在提高學生的學習經驗。

綜上，物聯網技術在教學領域已經有了一些初步探索。國內外學者的研究結果表明，它是一個能提高教師教學質量，并讓學生以更好的方式學習的工具。但是，以往的研究多停留在技術層面的探討，缺乏對學習者本身情況的綜合考慮。對于中小學的課堂教學而言，不能把國外大學實驗室里的研究成果直接拿來，在進行系統設計時，應充分考慮到中小學生身心發展特點及其個體差異。進一步的，還要在技術層面探討如何保護學習者的隱私等教育倫理范疇的內容。

系統建構的要素

1. 交互式的學習環境

“物物互聯”使物聯網的信息交互無所不在，而在教學領域，物聯網至少要實現兩種交互：一方面是維持其本身的，即學習者與學習對象間的交互，對于中小學生來說，這更可能是一種游戲性的交互，也就是通過一系列的操作如掃描二維碼，打破傳統的學習過程，激發出他們的好奇心和學習的興趣；另一方面是提升其教育性的交互，即在學習情境和學習對象的元素中所承載的對于知識意義進行建構的學習型的交互，換句話說，就是學習者通過這一過程，將戴爾“經驗之塔”底層的直接經驗內化為自己的抽象經驗的過程。

當代建構主義強調在學習過程中要充分發揮學習者的主動性，認為學習是學習者主動建構自己的認識經驗的過程，是學習者在一定的情境下，借助他人的幫助，利用必要的學習資料，通過意義建構的方式獲得的，而不是通過教師的講授獲得。依據這一原理，物聯網交互學習系統需要保證學生個體認知過程和知識生成過程的交互性，即確保學習者與學習對象間及學習者與學習者間、學習者與教師間的交互。除此之外，北京師范大學陳麗教授還指出，在信息技術支持下的學習交互還應包括學生原有概念和新概念之間的交互，也就是通過新舊知識的碰撞獲得更新的知識。

2. 尊重學生個體差異和隱私

了解學生的個體差異，按照教學對象的不同提供不同的學習支持，是教師實施有效教學的重要條件之一。物聯網交互學習系統所提供的平臺必須滿足教師對教學環境、教學內容進行預設和實時調整的需求，并且貫穿上課前、上課中及教學評價的始終。學生的個體差異包括智力差異、學習風格差異、社會文化背景差異和性別差異等，中小學生處于個體個性化高速發展的時期，這些個體差異在常規的班級授課制的情況下難以區分和處理，尤其要引起重視。以學習風格為例，在學習過程中，有的人習慣通過讀來學習，有的人則習慣通過聽和做來學習。對于設計者來說，一方面要建立一個精密的、方便讀取的學習對象數據庫，允許教師進行及時分析調整；另一方面要結合其他關鍵技術，對學習者的學習習慣自行評估和分類，減少教師工作量。

然而，一旦錄入大量的學生信息，就會產生新的隱私保護的問題。事實上，物聯網中的隱私保護一直是個熱點話題，很多學者也對物聯網中存在的隱私信息和保護模式進行了總結和分類，但由于教育活動的特殊性，一些相關措施也要有所調整。比如學生的身份和數據類隱私信息，必須對教師可見，方便因材施教，但也不能向所有人公開，相應的數據加密和信息隱藏技術仍很必要。此外，必須明確技術只是輔助手段，學生的隱私保護問題根本上還要訴諸教師的職業道德培養。

物聯網交互式學習系統模型建構

基于交互式學習環境建構和尊重學生個體差異、保護學生隱私的原則，在系統設計的過程中從交互內容、交互方式、交互界面和交互評價這幾個方面加以落實，要讓學生和學習環境中的物理對象，或者說和那些應用程序進行“人物互動”，進而“人人互動”，提升其學習效果。該物聯網系統的結構如圖1所示。

圖1 物聯網交互式學習系統結構

1. 信息錄入與網絡接入

從交互內容出發，要將大量的文本信息賦予參與教學的物理對象，這些內容都應是教師預先設計好的。從交互方式出發，所有資源都應包含一個或多個可視標簽，即NFC（近場通信技術）標簽或我們熟悉的QR CODE（矩陣二維碼），每個標簽都含有識別物理對象的唯一數據，并能與虛擬對象相連接。該系統應支持多種媒體資源的讀取，包括超文本、音頻、視頻、動畫等，所有參與教學的移動設備都應配備NFC和QR CODE識別技術的端口，方便學生與物理對象間進行的互動。為了保證教學的即時性，應選擇最優的接入模式，最大限度地減小客戶端、服務器與HTTP（超文本傳輸協議）之間的延遲。為了迎合教學場所的不固定性，應保證師生都可以通過無線網或3G、4G移動設備接入互聯網。

2. 搭建服務器

教師在上課前要對學生學習活動中用到的相關物理對象進行預先設置，對象管理界面會顯示出這些新增的物理對象信息。為將信息準確有效地傳遞給學生，系統服務器要處理兩種不同類型資源，并將資源存儲在兩個不同的數據庫中。一個數據庫負責存儲學生學習活動和評估結果的記錄，這類數據包含有學生的個人信息和隱私，僅對教師可見；另一個數據庫則負責存儲擴充的學習對象的信息，方便教師及時編輯上傳和學生隨時讀取學習。

3. 設計客戶端應用程序

利用NFC技術和QR CODE技術在客戶端搭建一個方便學生與物理對象進行交互的混合界面。當學生把自己的移動設備靠近物理對象時，他們可以選擇交互界面中的任一模式：NFC或是QR CODE碼。如果學生選擇了NFC讀取，移動設備會立即從物體上的NDEF（NFC數據交換格式）標簽捕獲到相關信息，NDEF會對服務器上新增的物體進行識別。也就是說，該算法先對NDEF進行解碼，然后將數據上傳到服務器中。最終，虛擬對象會通過圖形展示的方式將學習資源呈現在學生的移動設備上。從交互界面出發，設計者要遵循簡潔明快、易學易懂的原則設計一個適合中小學生使用的界面。如果學生選擇了QR CODE碼讀取，原理同上，閱讀器會對標簽上的信息進行解碼，用戶界面就會呈現出相關的學習資源，這些學習資源可能是一個動畫、一個網站亦或是一個簡單的文本或音頻，具體是什么，要依據不同學生的接受度和學習風格差異進行預先設定。

4. 設計交互評價系統

在必要情況下，當學生完成一項學習活動后，他們學習的結果都將通過他們的移動設備上傳到服務器。教師可以對學生學習情況的數據分析，進行教學評價，改進教學策略，實現師生間的交互。為了保證學生隱私，學生的學習情況將對其他學習者不可見，學生可以自行與同伴和教師分享學習經歷和感受，改善學習效果。

結 語

當今的中小學生深受數字化時代生活環境的影響，思維模式和學習方式正發生著巨大的轉變，作為“數字移民”的中小學教育者，只有不斷改革教育方法和內容，才能消除與“數字原住民”之間的“數字代溝”。

隨著中小學校園無線網絡信號的覆蓋，基于物聯網技術的交互學習模式具有了更廣闊的發展前景，這對于中小學課堂教學模式的革新和中小學“智慧校園”的建設頗具價值。期望這樣一個多維互動的、生態化的智能學習系統能盡快付諸實踐，讓物聯網技術更好地為中小學教育教學活動服務。

（作者單位：南京郵電大學教育科學與技術學院）

參考文獻

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