“物云大智”在現代教育中的應用與思考

蔣亦樟,　錢鵬江,　謝振平

(江南大學 數字媒體學院，江蘇　無錫　214122)

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“物云大智”在現代教育中的應用與思考

蔣亦樟,錢鵬江,謝振平

(江南大學 數字媒體學院，江蘇無錫214122)

隨著社會信息化的不斷加快，傳統的教育模式已不再適用于現代人們的教育需求。物聯網、云計算、大數據、智能技術等現代信息化技術的出現，催生著更加現代、更具創新意義的教育模式的出現。本文通過對物聯網、云計算、大數據、智能技術(簡稱“物云大智”)的介紹，將其引入到現代教育中去，對“物云大智”在教育中的應用和思考進行了詳細的研究與分析。

物聯網； 云計算； 大數據； 智能技術； 現代教育

隨著社會信息化的不斷加快，各種信息化技術如物聯網、云計算、大數據、智能技術等相繼誕生并流行開來。文獻[1]將“物云大智”技術對當今社會的機遇與挑戰進行了詳細分析，指出以“物云大智”為代表的信息化技術必將引領我國各個行業的轉型。事實正是如此，隨著科技的發展、信息的爆炸式增長，傳統的教育模式已經不能滿足當今學生的學習需求。一種新的、更具創造性、更加符合現代科技潮流的教育模式被迫切需求。

基于上述背景，本文將目前較為流行的幾種信息化技術即“物云大智”技術應用于傳統的教育模式中，構建了基于現代信息化技術的教育模式。該教育模式是新時代的教育模式，是能夠適應我國教育需求的教育模式。

1　“物云大智”簡介

1.1“物云大智”定義

“物云大智”即物聯網、云計算、大數據、智能技術這幾種信息化技術的簡稱。

物聯網(IOT)技術，即各種不同的事物通過網絡而聯系在一起?？梢园凑杖缦聝煞N思路理解:1)物聯網是基于互聯網而產生的，可以說是互聯網的擴展版和升級版；2)物聯網的用戶端需要用到各個事物間的相互通信[2]。

對于云計算(cloud computing)技術的定義較多，有定義說云計算主要建立在公開的標準和服務上，以互聯網為中心，提供無風險、快速、方便的數據存儲與計算服務。還有定義說云計算是一個虛擬的資源池，一種非傳統的IT資源提供方式。大眾較為認同的定義為：云計算即“計算服務”(Computing as a Service，Caa S)，將數據資源作為“服務”可以通過互聯網來獲取[3]。

大數據(Big data)技術，大數據即多數據或海量數據。所謂大數據技術則是在一定時間內將大量數據進行收集、處理、分析、存儲，最終轉變成為對人們有幫助的信息數據[4-5]。

智能技術又叫作人工智能技術(Artificial intellectual technology)，所含核心內容如下：專家系統、知識表示、自動推理和搜索方法、機器學習、模式識別、知識處理系統、自然語言理解、計算機視覺、智能機器人、自動定理證明、博弈、智能決定支持系統和人工神經網絡、自動程序設計等。智能技術的最終目的是使機器智能化，使機器代替人類去完成某些危險、重復、煩瑣的工作[6]。

1.2“物云大智”特點

物聯網的特征主要有連通性、技術性、智能性、嵌入性四種特征。

其中，連通性又包含時間連通性、地點連通性、物體連通性；技術性主要包含射頻識別技術、傳感技術、納米技術、智能嵌入技術等；智能性是指物體間的聯系智能化，網絡服務智能化，感知性智能化，物聯網能夠智能化感知人們的生產生活環境，盡可能幫助人們更好地分析、利用各種環境資源；嵌入性主要指各種不同的事物被嵌入在人們生活生產中，各種網絡服務被嵌入到人們的生產生活中。

云計算的特征主要有以數據為中心、以服務為中心、以用戶為中心三種特征。

其中，以數據為中心體現在數據是云計算的核心。云計算依靠分布式數據處理技術，能夠較好地解決網絡中各種信息的檢索、存取、管理等問題；以服務為中心主要體現在高效的云服務是吸引用戶的法寶， 安全、人性化的服務是云計算具備核心競爭力的關鍵因素；以用戶為中心主要體現在用戶是云服務的服務對象，數據和服務均為用戶服務，一旦下達任務，計算機便能執行和完成任務。

大數據的特征主要有規模大、速度快、種類多、價值高。

其中，規模大是指數據的存儲量大，目前存儲容量已經達到YB及以上級別；速度快指對數據處理的速度快，通常能夠在秒級時間范圍內檢索出查詢信息；種類多指存儲的數據類型多，主要有網頁信息、系統日志、圖片、視頻等信息；價值高指大數據的宗旨是挖掘出大量數據潛在的有價值的信息。

智能技術的特征主要為智能化。人工智能技術能夠使機器也具備一定的智能，使機器智能化。

1.3“物云大智”研究現狀

近年來，國內外專家針對“物云大智”的研究從未間斷過。

其中，物聯網發展中比較具有影響力的事件主要有：2006年，日本提出了基于物聯網技術的U-Japan計劃[7]，該計劃的目標是到2010年基本實現泛在網絡社會。2008年，IBM提出了基于物聯網的全球戰略——智慧地球[8]。

目前，云計算不僅是在學術上得到了研究應用，在商業上也已經開展了初步應用。如Google推出的Google搜索、Google Earth、Google Docs等;IBM推出的“Blue Cloud”計劃[9];我國在無錫市建立了無錫軟件園云計算中心，該云計算中心為我國云計算計劃的誕生地。

大數據技術是“物云大智”研究中最為火熱的一門技術。從2012年3月29日，美國政府宣布啟動《大數據研究與發展計劃》開始，其他國家也相繼推出了發展大數據的相關計劃。英國于2013年投資1.89億英鎊在大數據技術發展上。日本于2013年6月公布了IT戰略——“創造最尖端IT國家宣言”。宣言闡述了2013-2020年期間以發展開放公共數據和大數據為核心的日本新IT國家戰略。為了推動國內大數據技術的發展，我國在2012年也提出了要構建大數據研究平臺，大力推進國家發改委和中科院基礎研究大數據平方平臺應用示范項目，廣東率先啟動大數據戰略推動政府轉型，北京正積極探索政府公布大數據供社會開發，上海也啟動大數據研發三年行動計劃。

人工智能技術是歷史較悠久的一門技術。20世紀50年代人工智能概念被提出。到了60年代末70年代初，人工智能的發展已經邁進了實用化。80年代，人工智能的研究形成了一股熱潮。到了90年代，由于網絡技術的發展，人工智能技術由單個的智能主體轉向分布式人工智能研究。從這一階段起，人工智能技術已深入到人們生產生活中的各環節。

1.4“物云大智”技術框架

“物云大智”是四種獨立不同的技術，但各技術之間又存在一定聯系。

物聯網技術主要分為感知層、網絡層、應用層。感知層是利用各種傳感設備來采集數據；網絡層是是用來傳輸感知層采集到的各種數據；應用層是基于各種數據搭建的應用服務,如圖1[10]。

圖1　物聯網技術架構

云計算的核心是云服務器，云服務器是由多臺高性能計算機組成的大數據存儲與處理中心。用戶不需要知道數據的存儲計算是在哪里進行的，就能夠隨時隨地獲取各種云服務,如圖2[11]。

圖2　云計算架構

大數據技術主要包括數據準備、存儲管理、計算處理、數據分析、知識展現五部分,如圖3[12]。

智能技術的核心是專家系統也就是上圖的推理機。推理機根據采集的數據、知識進行分析，提供領域專業知識供用戶使用,如圖4[13]。

2　“物云大智”在現代教育中的應用

2.1“物云大智”與現代教育的關系

當討論到“物云大智”對于現代教育的影響和發展時，首先需要對兩者的關系進行簡要闡述?，F代教育與“物云大智”間的關系不是簡單的應用和被應用的關系，而應該是相互促進又相互制約的多元化關系?，F代教育模式不僅要引入“物云大智”技術以滿足日益增長的大眾受教育的需要，“物云大智”技術的發展也必須依賴與教育這一受眾龐大的知識體系。

圖3　大數據技術架構

圖4　智能技術架構

(1) 促進關系?！拔镌拼笾恰弊鳛閼眉夹g，為教育模式的現代化、信息化提供了工具，促使教育模式發生了巨大的變化。這種變化主要體現在以下三個方面：①針對人才培養，“物云大智”改變了傳統的授課方式。在授課方式上，采用了更加現代化、信息化、個性化的授課模式，使教學過程更有趣、豐富了教學文化，不僅有助于學生的學，還有助于老師的教。在豐富學校校園生活上，“物云大智”能夠提供更多的渠道增加學生的交流，能夠提供更多的平臺豐富學生的在校生活；②針對科研方面，“物云大智”能夠提供更加快捷、全面的科研資料以及科研交流平臺；③針對高校學生服務社會方面，“物云大智”能夠使學校學生、老師更加清楚地了解社會需求，加強與社會的普遍聯系，為學生提供更多的社會服務機會；現代教育對于“物云大智”的促進作用主要表現在：①高校的各種資源如學校各種信息、各種需求為“物云大智”技術提供了基礎；②學校龐大的資源與需求能夠促進“物云大智”技術的不斷發展和完善。

(2) 制約關系。目前，我國絕大多數學校都已經實現了信息化管理，特別是高等學校。教育系統的信息化意味著學校每天會產生許多結構不同、分布各異的數據，也意味著學校的各種資源需要通過網絡進行相互連接。高校對各種設備、數據的維護、存儲、處理均需要較大的成本，不選用“物云大智”支撐的現代教育模式的話，則無法滿足日益增長的現代化教育需求。對于“物云大智”技術來說，缺乏教育領域的應用支撐，該技術的完善和發展就不夠全面、缺乏底層需求支撐。并且，“物云大智”技術的繼承與發展所需人才也依賴于高校的支持。綜上，現代教育對于“物云大智”技術的認可和支持在一定程度上影響著該技術的發展進度。

2.2“物云大智”在現代教育中的應用

物聯網技術在現代教育中的應用主要有：

(1) 提供智能化的教學環境。傳統教育模式不適用于當今的教育需求，完全虛擬的教學環境缺少與現實世界的交互。物聯網技術的引入，可以很好地解決這一難題。物聯網可以將現實世界中的各種事情通過網絡進行連接。實現人機交互、人人交互、人物交互。例如，老師可以通過計算機設備連接到異地計算機設備，了解相關的教學信息等，物聯網技術使得教學環境更加智能化、智慧化。

(2) 促進實驗教學。實驗教學的目的是培養和提高學生動手能力，但有些實驗或由于成本原因或由于安全問題等原因，學生不能親自動手進行實驗。物聯網技術則能夠保障實驗教學環境的安全性、共享性、智能化。例如，各實驗器材均提供數字化的使用說明信息，實驗器材使用不正確時發出提醒等。

(3) 促進教學管理。物聯網技術主要應用于教學管理中的學校老師、學生、教職工的考勤管理，學校圖書館管理、教學資源管理等。該技術的應用中較著名的例子為臺灣利用超高頻技術實現學校安全管理[14]。超高頻技術為物聯網技術中的核心技術。利用超高頻技術實現的安全管理系統可以保障學生在校的人身安全、為老師提供學生考勤情況等。

(4) 豐富課外教學活動。課外教學比課堂教學更具吸引力，更能開闊學生的視野、激發學生的學習興趣。例如，我國北京、廣州等地區的中小學利用物聯網技術建設了校園氣象臺，通過傳感設備獲取氣象信息并在校內發布和校外資源共享。

云計算在現代教育中的應用主要有：

(1) 構建共享資源庫。教學資源存在信息不共享、資源分布不均、資源重復等特征。云計算提供了集中存儲地，所有資源均被存儲在存儲容量巨大的服務器上，會有專業的技術團隊保障存儲在服務器上數據的安全性等要求。用戶還可以在任何終端獲取資源信息，可隨時隨地進行資源共享。

(2) 建設現代化圖書館。各圖書館的服務器不僅需要支持數字資源的檢索下載，還需要支持圖書信息的管理以及學生借還圖書的信息管理。為了保證服務器內數據資源的安全性，服務器的最大服務響應數量會有一定的限制，超出限制數就不再響應。云計算的云端服務器性能強大，能夠保障數據安全以及服務的快速響應。

(3) 建設開源教育“云”環境。云計算發展的最終目標是將云計算平臺搭建在開源軟件上，使得大量的軟件服務為開源軟件服務，降低用戶使用成本，提高服務使用率。同理，云環境下的現代教育也應該緊跟其步伐，推出各種開源教育。將大量的開源軟件應用于教學中。提升教師的教學水平，挖掘出更多更優秀的教學資源，發展更加多元化的教學風格。國內開源教育的典型代表為Ubuntu開源操作系統的教學中的推廣。

大數據在現代教育中的應用主要有：

(1) 教育數據挖掘。此處的教育數據主要是指各種在線的學習系統、各種學習論壇、智能學習輔導系統中采集的數據。通過一些數據挖掘軟件我們可以挖掘和分析出數據中潛在的規律，并根據這些規律建立預測模型，便于快速了解和掌握學生的學習規律，從而有效指導學生的學習。教育數據挖掘不僅可以預測學生的成績,還可以研究學生學習表現與課程滿意度的關系,以及學生興趣度與成績的關系等指標[15]。

(2) 學習行為分析。通過傳感器、網絡等設備采集到學生的到課時間、上課表現度、課堂參與與提問情況、作業完成情況、課后學習情況等數據，可以通過數據挖掘軟件挖掘出學生學習作息的相關規律。比如，有學生經常曠課或者上課總是瞌睡，課堂表現不積極，系統會挖掘出該學生的異常情況，并發出提示信息，報知老師。老師收到該信息后，可以對學生進行關注和教育，盡快使學生走上高效的學習道路。

(3) 學校輿論分析。通過物聯網等設備采集到校內學生在校內各論壇、網站、微博、QQ交流群中的關注與交流信息，對這些信息進行分析挖掘，及時了解和預測當前學生學習、生活方面關注的焦點事件。當針對某一事件出現大量評論或轉發時，容易使得輿論影響事件的發展態勢，影響學生在校的學習、生活以及思想。所以，學校輿論分析對于校園管理來說，非常重要。

(4) 師資力量評估。學校的師資力量關乎學校的聲譽以及學校資質的評估，最重要的是關乎著學生受教育的高效性、先進性。所以，監督和提高教師的教學質量，是學校一項持續不斷的長久的規劃。可以通過傳感器、攝像機等設備采集教師上課的情況，如上課是否照著書讀、語速是否過快或過慢、上課時學生的積極程度、課堂的紀律怎么樣等信息。通過對這些數據的分析，可以得出老師對該課程授課的熟悉程度、教學的技巧、受學生的歡迎程度等。老師可以從分析結果里進行思考總結，揚長補短，提高自己的教學水平。

從上面的描述可以推出，在人才培養方面，大數據技術的應用不僅可以推進學校對學生人才的培養，還能使師資力量得到提高。在學校管理方面，大數據技術能夠提前預測學生學習、生活、思想等方面的發展動向，進行更好的管理；在學校資源方面，大數據技術能夠收集、存儲、挖掘分析出許多學習資源，供廣大師生學習使用。

智能技術在現代教育中的應用主要體現在教學“智能體”、機器人教育以及各種智能型計算機輔助教學系統。具體如下：

(1) 智能技術可以實現教學“智能體”。所謂教學“智能體”又叫智能教學代理技術。智能教學代理是一個能夠自適應自學習的軟件系統。該系統的主要特點有：通信性、移動性、自主性、反應性、協同性、開放性。使用智能教學代理技術能夠提升教學水平、豐富教學內容、增加教學風格。將該技術應用于學生信息管理系統，能夠有效跟蹤、分析學生的學習情況，建立學生在校的“全生命學習周期”反饋表。該技術還能使學生與學生之間、學生與老師直接進行協同學習，為學生與學生、學生與老師之間相互學習、相互交流提供平臺。該技術還能分析和挖掘教學系統的需求，根據需求做出設計方案，系統功能上體現智能性。

(2) 機器人教育。所謂機器人教育是指利用機器人去優化教學模式。這里的優化教學模式主要包括優化教學效果、優化師生的勞動方式。所謂優化教學效果則是利用最少的教學投入換取最大的教學效果，效果指的是學生能夠很好地掌握所教的理論知識與實踐技能、能夠培養高尚的道德情操。所謂優化師生勞動方式是指減少老師學生的教學任務，降低勞動強度與勞動時間，從而提高勞動效率。隨著人工智能技術的發展，其應用于機器人教育中也是必然趨勢?；谌斯ぶ悄芗夹g的機器人教育將會顛覆傳統的教學模式，對傳統的教育模式、教材、教學評價體系等都將產生重大變革。

(3) 建立各種智能型計算機輔助教學系統。代表系統主要有：智能決策支持系統、智能教學專家系統、智能導學系統、智能仿真技術、智能硬件網絡、智能網絡組卷系統、智能信息檢索引擎[16]。

2.3“物云大智”在現代教育中的思考

隨著“物云大智”在現代教育應用中的逐漸推廣，其在教育中存在的問題也漸漸凸顯。主要問題歸結如下：

(1) 技術低下。我國的物聯網、云計算、大數據、智能技術均處于快速發展時期，技術還不夠成熟，大多處于理論實現階段，在實際生活與生產中的應用尚不成熟，無法實現大范圍、大批量的應用。如物聯網技術還無法實現不同類型教育資源的互相聯通，其在現代教育中的應用模式還需進一步提高，物聯網聯通的事物的安全性還需得到有效的保障；云計算缺乏統一的標準和實現方式，使得數據遷移成本較大，如何標準化數據接口是一項亟須解決的問題。云計算的數據安全和保密也需要完善和加強，目前云計算服務泄密事件也常有發生。硬件基礎設施性能的提升與質量的保障是有效應用云計算服務的前提，解決硬件基礎設施的質量與性能問題是云計算得以有效應用的根本保證。大數據技術面臨數據集成與共享難得問題，教育的許多數據均分散在不同的機構，無法實現數據集成與共享，而這個問題的解決只能依靠政府出面或牽頭解決。即使數據最終能夠實現集成與共享，如何對這些數量龐大、結構復雜、種類繁多的數據進行分類利用，如何獲取高利用率的數據目前也是一個難題。如何實現數據之間的有效融合，如何挖掘出數據之間的聯系等問題目前來說還沒有一個統一、有效的解決方案。智能技術在現代教育中的應用還缺乏更深程度的智能性，人機交互程度不夠。

(2) 資金短缺。物聯網、云計算、大數據、智能技術均要求高性能的硬件作為支持，這必然需要雄厚的資金為保障。如物聯網技術中所需要的RFID射頻標簽的制作成本就很高，要大批量的應用則需要很高的成本。云計算對網絡帶寬的要求很高，大數據對設備存儲性能的要求很高，智能技術對硬件設備的要求很高等一系列問題，都要求大量的資金保障。

(3) 應用困難?！拔镌拼笾恰痹诂F代教育中的應用還不夠廣泛和深入，已有的應用大多屬于淺顯的應用，并未真正達到深入應用階段?！拔镌拼笾恰奔夹g更多的應用于智能家居、智能工業等領域，智能化教育的發展和研究還并未引起專家的重視。加之資金的短缺、技術的欠缺，導致智能化教育的發展還處于起步階段，無法實現廣泛應用。

3　總結

隨著“物云大智”技術的快速發展，其在現代教育中的研究和應用也會逐漸成熟。本文首先介紹了“物云大智”技術的特點、研究現狀，然后闡述了基于“物云大智”的現代教育模式，最后分析了現階段將“物云大智”技術應用于現代教育中存在的諸多問題。目前，“物云大智”技術應用于智慧城市、智慧旅游、智慧家居等領域較為廣泛，廣泛應用于現代教育則是未來幾十年教育行業發展的必然趨勢，這是順應時代發展的必然要求。

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責任編輯俞林

The applications and thinking of the "ICBI" in modern education

JIANGYizhang,QIANPengjiang,XIEZhenping

(School of Digital Media, Jiangnan University, Wuxi214122, China)

With the acceleration of social informationization, the traditional education mode is no longer suitable for the educational needs of modern people. Modern information technology such as internet of things, cloud computing, big data, intelligent technology gives the birth of a more modern, more innovative educational mode. In this paper, we introduce Internet of things, Cloud computing, Big data and Intellectual technology ("ICBI") into the modern education, and give a detailed research and analysis to the application and thinking of "ICBI" in education.

Internet of things； Cloud computing； Big data； Intellectual technology； modern education

2016-05-02

項目來源：江蘇省自然科學基金項目(BK20130155);江蘇省產學研前瞻性聯合研究項目(BY2013015-02)

蔣亦樟(1988—)，男，江蘇無錫人，講師，博士，研究方向：人工智能、大數據。

10.13750/j.cnki.issn.1671-7880.2016.04.001

G 40-012

A

1671-7880(2016)04-0001-06