基于物聯網技術的實驗教學體系

楊桂松+周亦敏+何杏宇+徐慧芬

摘 要：物聯網技術在近幾年來取得了較大成就，將物聯網技術應用于實驗教學的場景是研究熱點。針對傳統實驗教學環節存在教學管理不方便、課堂教學渠道單一、課外輔助缺乏、實驗室管理不規范等諸多問題，將物聯網技術和教學實踐相結合，提出了一個基于物聯網技術的實驗教學體系，為傳統實驗教學改革提供了新的思路。

關鍵詞：實驗教學；RFID；物聯網技術

DOIDOI：10.11907/rjdk.162593

中圖分類號：G434

文獻標識碼：A文章編號：1672-7800（2016）012-0182-03

0 引言

近幾年來，物聯網技術研究的熱點問題包括射頻識別（RFID）、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等信息傳感設備。在物聯網技術中，各設備按約定的協議都可以與互聯網相連接，并且所有聯網的物品可以進行信息交換，也可以進行通信，這樣就可以實現對物品的智能化識別、跟蹤、定位、監控和管理。所有技術的研發都是為了更好地服務于人類社會，作為一項高新技術，只有將其應用到合適的場景才能最大化其價值。將物聯網技術應用于教育教學領域，即是體現其價值的一個方面[1-2]。

實驗教學是現代高等教育的重點，其教學模式也在不斷發展和改進。為了滿足學生在學習時間和學習內容上的選擇自由性[3]，提出了開放式實驗教學模式。然而在開放式教學模式下，教學對象、內容、時間等因素的不確定性以及教學計劃的個性化使實驗教學管理的難度驟增，同時導致大量的實驗教學管理信息及處理任務量[4]產生。為了保證開放式教學模式的順利推進，可以利用物聯網技術對現有的實驗教學管理體系進行改革，為師生提供更為便利的開放式實驗教學環境，這樣不僅能夠鍛煉學生的實際動手能力，培養學生的創新精神，更有利于學生專業綜合素質和工程實踐能力的培養與提高[5]。

1 相關工作

在已有的一些研究中，物聯網技術被應用于學校中的一些場景，研究提出了基于物聯網的智慧教室[6-7]、基于物聯網的圖書館設計[8]、物聯網技術在校園安全中的應用[9]、基于物聯網的實驗室管理[10-12]等概念。

物聯網教室和傳統教室的功能相似——為學生提供舒適的學習環境，以提高學生的學習效率[6]。由于傳感器節點對于環境溫濕度的精確感應，使得物聯網教室可以高效、精確地為學生提供學習舒適性。通過物聯網所提供的大量的傳感技術、無線通信技術，以及微處理控制系統，使智能照明系統能夠“感知”環境，根據外界情況的變化作出相應的應對策略，還可以避免能源浪費。相比人工控制教學樓照明燈，物聯網控制實時性強，而且可以全天候工作[7]。

圖書館管理系統[8]通過RFID標簽獲得對圖書的感知，并通過讀者隨身攜帶的智能手機對讀者進行感知。同時，師生還可以通過手機對借閱情況進行查詢，當所借閱書本快要到期時，可以發送信息進行提醒。通過在學校圖書館應用物聯網技術，可以有效提高管理效率，提高自動化程度，降低人力成本，并大大方便師生的借閱活動。

基于物聯網的校園安保措施主要有以下幾種：在宿舍物品安全系統中添加報警裝置，構成宿舍安全系統以防宿舍發生意外事件，從而保護學生的人身財產安全；在每棟公寓入口處安裝RFID門禁系統；在教學區域設置門禁系統，并將門禁系統分為安全通道和普通通道兩類，攜帶物品上貼有RFID標簽，可實現物品的安全檢測[9]。

隨著技術的發展，物聯網專業也急需大量專業人才，對人才的需求上，要求其具有一定的理論基礎及動手能力，這對實驗室的要求也有所提高[10]。物聯網實驗室需要將光載無線通信、WiFi 無線局域網、移動通信、嵌入式設備服務器和射頻識別幾種前沿技術融為一體，構建基于移動通信的無線信息網絡系統[11]。將RFID技術系統應用到實驗設備的管理上，不僅使設備的統計效率大大提高，而且能實現實驗設備資源的合理統籌[12]。傳統的對于物聯網實驗室特別是實驗設備的管理成本高而效率低，這給實驗室的使用帶來了一定的影響，目前我國大部分學校的實驗室管理普遍存在計算機系統的自動化程度低，實驗室管理不嚴、監管不力等問題，因而，實驗室管理在學校管理和教學環節具有重要的意義[13]。

在文獻[14]中，作者通過對物聯網系統構架與關鍵技術的分析，利用Zigbee短距離無線通信技術、無線傳感器網絡智能組網技術，結合物聯網視頻網關、多種傳感器采集、控制節點與現有Internet網絡、3G網絡，構建了物聯網系統。傳統的實驗室存在工作繁瑣、效率低下等弊端，如學生不能及時了解實驗內容，必須到實驗室去預約并由教師登記等。隨著技術的發展，針對智能化管理實驗室的需求，提出了基于物聯網的智慧實驗室，如機房自動管理系統等，這些方案在實驗室信息管理、人員管理、設備管理等方面展示了優勢[15-16]。

2 基于物聯網技術的實驗教學體系

本文將物聯網和互聯網結合起來，充分發揮兩者優勢，提出了一種基于物聯網技術的實驗教學體系。該體系服務于實驗教學和管理工作， 在開放的網絡環境下促進教學手段改革和保證教學、管理質量的督導體系建設，既滿足了學生個性化需求，也充分合理地利用了實驗室資源，實現了教學管理的自動化。該體系的構建包括軟件系統建設和硬件系統建設兩個方面。

2.1 基于物聯網技術的實驗教學軟件系統

基于物聯網技術的實驗教學軟件系統建設主要以校園網為依托，以實驗教學管理區塊為核心，實驗課堂教學區塊為主體，實驗室課外輔助區塊和實驗室網絡管理區塊為輔助，構建立體化的開放式教學環境。該系統同時面向教師和學生這兩類有著不同需求的用戶對象，將在功能實現的基礎上提供一個友好的操作界面，采用實名注冊登錄制。該軟件系統的具體結構如圖1示，下面將對其包含的各個區塊進行詳細的功能介紹：

（1）實驗教學管理區塊。該區塊不僅可以方便學生進行網上選課，參與網上評教，也可以方便教師在線發布實驗考試成績。學生在預約實驗課時需要對實驗設備進行預約，做到每位學生對應一臺實驗設備，學生完成實驗后，設備會對學生的實驗結果進行記錄，也可以避免實驗設備的損壞。另外，該區塊還對教師和學生的個人信息以及實驗教學數據進行存儲和維護。

（2）實驗課堂教學區塊。該區塊包括5個主要功能：①為學生提供在線實驗預習服務，也即學生可以通過該區塊在網上提前熟悉實驗內容和實驗儀器的操作方法；②該區塊將實時監控學生的課堂實驗操作，確保學生能夠安全和規范地使用實驗儀器；③該區塊可以將學生課程的實際測量數據根據教學時間、地點和內容存入其個人信息庫，以供學生課后登錄個人系統進行查看和下載；④該區塊在線為學生提供虛擬儀器和仿真平臺服務，并且可以將學生的課堂仿真結果存入其個人信息庫；⑤學生可以通過該區塊提交電子實驗報告。

（3）實驗課外輔助區塊。為了促進學生的課后學習，為學生答疑解惑，該區塊可以方便教師上傳課件和教學演示視頻、提供師生交流論壇，以及在線答疑輔導網上應用空間。此外，可以進一步利用物聯網技術實現課堂互動的智能化。

（4）實驗室管理區塊。一方面為了實驗教學的正常開展，該區塊可以為師生提供在線預約實驗室和實驗儀器的服務，并在線管理實驗儀器的使用記錄；另一方面，為了保障實驗室的安全運行，該區塊對實驗環境進行監控，實時顯示實驗室的環境數據（例如溫濕度、有害氣體指標等），并帶有安全報警功能。另外，該區塊可以在線維護實驗儀器的故障信息，以方便實驗儀器的維修和整理。物聯網技術的應用使得實驗室的管理更加科學規范。

2.2 基于物聯網技術的實驗教學硬件系統

硬件建設需要對原有實驗室基礎設施（主要為強電、弱電、網絡改造）進行基本改造，然后增加監控、門禁、物聯網終端等硬件設備，整合原有教學系統軟件，進行軟硬件系統集成。①利用RFID，實現教室門鎖、控制臺鎖的定時關閉和開啟，為防止鎖人現象出現，需在鎖關閉前進行聲音提示；②利用傳感器節點，采集教室內溫度、濕度等指標，由中控計算機進行數據搜集處理，并根據預設標準觸發報警裝置；③利用虛擬終端技術，實現教室中控臺的網絡遠程控制，所有控制臺操作均可通過虛擬控制臺實現；④利用Telnet技術，可實現對聯網試驗儀器的遠程管理，解決計算機軟件故障；⑤利用監控攝像頭，實現遠程視頻圖像同步傳輸，并利用室內音箱，實現遠程音頻同步傳輸。當遇到設備死機、線路故障、物理連接問題等導致遠程控制失效時，可通過音頻遠程指導任課教師進行操作。

基于物聯網技術的實驗教學硬件系統將使用互聯網技術中的BSDA （Browser/Sever/Database/Application）結構，即客戶端/服務器/數據庫/應用程序結構，網絡通信方面采用C/S（客戶端/服務器）和B/S（瀏覽器/服務器）模式相結合的方式，包括服務器、聯網的實驗儀器以及網絡監控系統，其系統結構如圖2所示。

（1）應用服務器。服務器主要提供3類服務：①支持實驗教學管理數據交互與存儲，主要包括學生和教師的注冊登錄信息管理以及與實驗教學管理相關的教師教學計劃錄入、學生選課信息、學生評教信息、實驗報告以及實驗考試數據的管理；②提供實驗教學資源數據庫服務，存儲教學課件、演示視頻，預習內容、虛擬平臺以及實驗儀器介紹等教學資源；③與實驗教學服務相關的應用服務，例如提供師生交流論壇、QQ以及微信平臺相關的應用服務，以供師生隨時隨地進行實驗教學交流。

（2）聯網的實驗儀器。為了構建基于物聯網的實驗教學硬件系統，所有實驗儀器也將進行相應的更新換代，均帶有網絡通信功能，其更新主要從3個方面進行：①測量儀器帶有聯網功能，例如帶有無線通信功能的示波器和萬用表能夠實時地將測量數據上傳網絡，以供學生課后進行在線分析；②仿真和虛擬儀器平臺聯網，以供學生能夠提前進行實驗預習；③為了保證學生的用電安全，所有實驗儀器的電源都可以進行網絡在線控制。

（3）網絡監控系統。為了保證學生安全和實驗室的正常運行，構建實驗室監控系統。該系統將由傳感器、攝像頭、無線插座等監控終端設備組成，實現如下功能：①實現對實驗室環境的監控，杜絕實驗室火災、有害物質泄漏、儀器丟失等狀況發生；②對學生實驗操作進行實時監控，確保學生的操作規范和用電安全；③對實驗室儀器的使用狀態進行在線監控，以配合實驗室和實驗儀器的外借預約服務以及實驗設備的故障維護工作。

3 教學評價

傳統的實驗教學模式是：授課教師先講，講完之后學生做實驗，實驗內容和實驗模式是固定的，學生在課堂上學習的知識是有限的，時間被限制在課堂上的短暫時間內，對知識點的掌握和利用很有限[17]?；谖锫摼W技術的實驗教學模式從傳統的以教為主發展轉變為以學生動手為主，更加注重學生在實驗中學到了什么，并注重培養學生的創新能力。

現代教育理論認為[18]，在教學中要以學生為主體，在教師的引導下，提高學生的獨立思考能力，多開設計性課程，讓學生主動去探索新知識。采用基于物聯網技術的實驗教學體系，不僅可以使學生扎實地掌握基礎知識，鍛煉動手能力，開闊視野，而且在減輕教師管理工作的前提下提高了實驗室利用率。

基于物聯網技術的實驗教學軟件系統非常適合學生的學習，學生可以在網上在線選擇實驗課程，查看考試成績，并對教師進行評教。學習過程中，可以在線預習，使用虛擬儀器存儲實驗數據，并在線提交報告。系統對于課外輔助也有很好的幫助，比如課件閱讀、經驗交流、在線答疑。系統的實驗室管理模塊能夠實現管理員對實驗室的科學規范管理。基于物聯網技術的實驗教學硬件系統非常高效，實驗儀器都支持聯網，便于在線操作，極大提高了實驗儀器的利用率。網絡監控系統不僅可以保證學生實驗操作的安全性，而且可以避免實驗器材丟失。

總體而言，基于物聯網的實驗教學系統根據現有的物聯網技術，改善了傳統的實驗室管理方法，極大地方便了使用者，又體現了物聯網技術所帶來的優勢，是典型的物聯網技術的應用范例，對于實驗教學的改革提供了指導方向，具有重要意義，值得推廣。

4 結語

本文將物聯網技術和互聯網技術相結合提出了一種新型的實驗教學體系。該體系由軟件系統和硬件系統組成，以學生為主體，通過教師的引導，激發學生探索新知識的熱情，在提高實驗器材管理效率的同時，還保證了學生的人身安全及儀器設備使用安全。同時，通過利用物聯網技術，方便了實驗室實驗儀器的管理與維護，使實驗室的管理更加科學規范和高效。

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（責任編輯：孫 娟）