智慧教學系統中的物聯網技術分析*

郭宇　胡衛星

摘? ?要：伴隨著物聯網、云計算、大數據、移動互聯等革新性先進技術的廣泛應用，一線的中小學教學實踐被賦予了更多的技術途徑和解決方案，智慧教學系統即為其中之一。智慧教學系統中的物聯網技術可分為教室環境智能管控、教室環境指數監測、教室環境數據采集和教室環境自動調控四大模塊。通過對教室的智能化環境建設，實現從環境、資源到應用的全部數字化和物聯化。從而實現提高教學質量和管理水平的目標，提升傳統校園的運行效率，促使教育過程的全面信息化。

關鍵詞：智慧教學系統;物聯網;精準學習

中圖分類號：G434 文獻標志碼：A 文章編號：1673-8454（2020）19-0090-04

從20世紀90年代后期起，我國開始了大規模的教育信息化基礎設施建設，教師上課場景從原來的“粉筆+黑板”模式轉變成“計算機+投影”的多媒體模式。隨著技術的深入快速發展，傳統教學方式更加不能適應現代化教學技術的需求，多媒體教室也出現了很大的局限性：學習者無法親自參與到學習活動過程中來，演示教學活動易造成認知負荷過載。因此，強化教學迫切需要創建適合學生個性學習和教師互動教學的新型教室環境。充分利用移動互聯網、云計算、大數據、物聯網等先進技術裝備改善學習環境，建設智慧型教學系統，成為這種學習潮流在當下的體現。智慧教學系統區別于傳統教學系統，它以物聯網平臺技術為基礎，利用各類先進軟硬件設備，通過對教與學雙方及教學過程每一環節的精確感知和集中聯動監測與控制，實現全方位的智能化管理，實現常規教學無法完全做到的精準教學和個性化學習。運用物聯網技術建設智能感知管控系統，實現“人、機、網、物”的優勢互補，統一管控教學輔助設備及教學環境，從而可為學校提供高效率的教學手段，創新教學方式和提高教學質量。

一、智慧教學系統與物聯網技術

1.智慧教學系統

智慧教學系統是一線教學與信息技術深度融合產生的新型教學系統，其旨在滿足大規模、常態化、全學科的信息化教學和個性化學習要求，實現教師智慧與學生建構知識兩者的創新。由先進信息技術打造的智能化課堂教學，采用先進的軟硬件設備工具，對環境進行智能化管控，實現資源的個性化訪問與獲取，開展師生之間即時互通。智慧教學系統從空間環境設計、技術工具應用、教學智慧評估等方面展開，利用物聯網、云計算、移動互聯和大數據等技術，通過智能推送資源、多屏互動顯示、師生互動交流、小組合作討論等環節，實現教室智能管理、教師智慧教學實施和學生智慧學習支持服務，促進新型教學方法的創新發展。

2.物聯網技術

物聯網是利用各種信息傳感設備如射頻識別裝置、紅外傳感器、激光掃描、GPS等，實時采集需要監測、連接、互動等信息的互聯網絡。物聯網的核心技術在于實現信息從獲取、傳輸、存儲、處理到應用的整個過程。實現“人-人”、“人-物”、“物-物”之間的信息實時交互感知，物聯網除了能夠連通現實世界的物品，還可以實現聯通現實世界與虛擬世界，有效支持人機交互、人物交互、人與人的社會性交互。物聯網大體可分為感知層、網絡層和應用層。感知層是物聯網的基礎設施層，負責收集教室環境設備的各種數據信息，由各類傳感器及傳感器網關構成，是物聯網信息的源頭。網絡層利用通信組網技術包括有線技術和無線技術，如以太網、Wi-Fi無線網絡、蜂窩移動網絡、ZigBee技術等，連接教室內各種硬件設備，形成互相連通的網絡系統;同時，處理感知層獲取數據信息，并對其進行存儲、融合和遠距離傳輸等。應用層即處理層，通過對感知層的數據信息進行挖掘并加以處理運用，構建智能教學服務應用平臺，如室內環境監測系統、硬件設備控制系統和智能教學管理系統等。

3.兩者的聯系

傳統校園和教學系統存在著一系列的問題，如設備繁多難以統一實現智能化管控、媒介耗能大且缺乏統一應用分析、環境易出現異常且缺乏安全警告、復雜場景難以進行信息交流等。借助物聯網技術，可將日常教學管理和各種教學數據自動匯聚起來，發掘數據之間的關聯。在以物聯網為基礎建設的學習空間中，能有效實現物理空間與數字技術的結合，改善學習者和學習環境之間的關系，加強學習者彼此間的溝通、協作和共享，有效促進開放式學習和個性化學習。物聯網技術能為智慧教學系統運行提供所需要的軟硬件設備與技術，支持靈活多變的教與學方式，支持豐富的學習體驗積累，為精準教學活動提供強有力的技術依托。智慧教學系統不僅強調設備和技術的先進性，而且更多的是注重靈活應用技術來支持學習過程和強化學習效果。

二、智慧教學系統中常見的物聯網技術

1.智能環境物聯技術

（1）智能環境調控

由中央空調電源控制器、溫濕度傳感器和配套控制軟件構成的空調控制系統，通過溫濕度傳感器監測室內溫度，由后臺控制系統或預先為軟件設定參考值，對監測數據進行傳輸及分析，室內溫濕度高于預設值時自動開啟空調，實現室內溫濕度的自動控制。傳感器技術的不斷提高，使越來越多的室內環境參數傳感器集成到環境質量監測儀器中。室內環境監測參數從原有基礎的PM2.5、TVOC、二氧化碳、溫度、濕度等監測參數擴展到了PM10、甲醛、氧氣、臭氧、一氧化碳、氮氧化物、氣壓、光照、噪音等。環境監測系統通過連接的終端監測設備不斷地獲得教室內的各種環境數據。對于不同參數的異常情況，系統會向管理人員發送相關信息，管理人員也可以主動查看各監測點位的監測數據。通過長期的傳感器實時監測，教室內的各環境監測參數將會始終保持在適當智慧化范圍之內。

（2）智能環境組件控制

智能照明系統通常以自動控制為主，輔以手動控制，智慧化教學環境中的照明、電氣、校園安保等往往需要進行智能管控。為滿足不同區域對照明質量的要求，實現不同的照明控制方案，需要對照明度進行控制調整。智能照明管控系統將根據預設的基本狀態在全自動狀態下進行照明工作，還可以根據預設的時間自動切換不同的狀態。例如，工作日結束后系統會自動進入休息工作狀態，將探測到的有人區域的燈光調至合適亮度的同時關閉無人區域的燈。因為不同場景對光照的要求也不同，所以可通過物聯編輯器改變不同區域的照明度以適應不同需求。以物聯網平臺為依托，智慧教學系統內各種硬件設備與軟件資源可被有效地協調在一起，通過App控制、遠程控制和智能分析控制等實現聯動監測與自動化管控。

（3）智能能源管理

傳統教室普遍存在著能源利用效率不高的現象，因各種媒體設備種類繁多和設備設施復雜等原因，而導致管理難度較大。尤其是隨著教室中大量新興信息技術媒體的不斷引入，機器設備存在的用能浪費狀況日趨嚴重。借助于物聯網技術，智慧教室可以很好地監控各種設備的能源使用狀況，徹底解決能源浪費問題。物聯網技術具體應用可體現在：一是各媒體設備的能源消耗監控，主要包括教室中能耗信息的實時監測、能耗信息的歷史數據分析和電器的開關控制等。二是智慧環境的計量系統，主要是指寬帶接入管理、無線AP設置、網絡管理測試和增值應用（如網絡數據共享、教室安防管理等）等的統計分析與實時監測。在上述兩種基本的能源管理中，能源消耗問題尤為重要，如何用一個合理的能源消耗產生最大化產出，已成為制約當下智慧教室在中小學推廣應用的重要影響因素。同時，網絡流量的使用問題也非常值得深入研究，借助于智慧教室中的無線網絡覆蓋和物流統籌分析掌控，可以對信息資源進行合理的配置和最優化的使用。

2.智能教學過程物聯技術

（1）智能教學過程信息加工處理

智能教學過程信息加工處理系統要解決的是如何讓智慧教學系統更加自主地加工教學過程中產生的大量數據信息，減少人的參與，進一步提升信息加工效率。教學軟硬件設備互相聯接并不能產生價值，通過物聯網將教學過程中所產生的大量信息數據與智能分析相結合，將數據信息加以分析、加工和利用，并發掘其中信息的價值，這才是智慧互聯的含義之所在。智能教學過程信息加工處理由前端智能信息處理與后端智能信息分析兩部分組成，并借助物聯網技術聚合成為一個整體。信息分析處理可以分為兩個方面：一是利用基于物聯網技術的設備對學習者個體、語音和字符等進行自動識別，它的一般過程包括采集樣本數據、信息的數字化處理、預處理、提取數據特征、與預設標準模式進行比較、分類識別等。二是對自然語言的理解。理解自然語言和自然語言的生成是智慧教學系統對信息智能處理的關鍵，而能夠理解人類的各種自然語言主要在于對信息的智能處理與分析。

（2）智能教學系統信息交流與協調

基于物聯網技術的信息交流與協調系統是運用現代先進技術改變傳統教學中以“口頭+紙質”為媒介的教學信息交流模式。數字化環境下，各個設備間的信息傳遞與互相協調能使教學效率得到顯著提高。端對端自動化和人機協作能簡化常規教學任務，提高學習者個體創造和解決問題的能力。端對端傳輸的優點是傳輸延遲小，這在教學信息交流過程中能極大節省時間。人機協作技術則可為教學活動提供新方式和新手段，能為學習者提供一個最佳學習路徑，尋求更適合自身的個性化教育方式。同時，智能交流與協調還可以把教師從重復、機械的事務中解放出來，更專注于教學工作，人機協同完成以前不可能的智能工作。

（3）智能教學過程信息反饋

智能教學過程信息反饋系統是一個對教學對象輸入信息的結果起作用并對數據信息再次輸出產生影響的系統。它的實現有以下兩個方面：一是過程狀態信息的可視化;二是反饋信息的即時呈現。將信息可視化技術和信息即時反饋呈現技術融入課堂是教育信息化革命的必然趨勢。教學過程狀態信息可視化是指人們利用自然的快速識別能力，將數據信息和知識轉化為可視化的形式，從而實現全面分析掌握教學狀態以利于最優化教學成果產生的過程。利用現代可視技術揭示傳統教學方式所無法表現的規律，將多維度抽象的數據展現為二維或三維圖形，實現人與信息數據的深度交互，從而及時反饋教學信息。智慧教學系統通過以物聯網為平臺連接的多種傳感器設備能實時捕獲學習者的各科學習行為信息，匯集成統計數據，并經過系統分析處理后進行即時反饋。這種即時反饋系統有助于了解學生現場參與互動的情況，準確把握學習者的學情，也便于教師調整教學活動和優化教學過程。

三、未來智慧教學系統中可與物聯網融合的新技術

1.混合現實技術

混合現實技術（MR）通過在現實環境呈現虛擬場景信息，在現實世界、虛擬世界和使用者之間建立一個交互平臺。結合使用先進的傳感器技術、光學技術和計算技術，單一設備將為用戶提供將全息數字內容實時疊加和增強到現實空間的能力，締造出令人有身臨其境之感的現實場景。通過手勢識別模擬最自然的操作方式，訪問現實生活中無法到達的地方，利用計算機和可穿戴設備進行實時人機交互，以增強用戶體驗的真實感，很適合體驗式教育。

2.人工智能技術

人工智能支持自適應學習和個性化學習等，讓學生按照自己的進度學習，不僅僅提供學習內容，還能測試學生學習狀況，評估學習表現，并將這些數據即時發送給教師。人工智能融合了多種先進技術，如智能語音交互，能夠根據相關場景、學習內容進行對話內容自定義配置，對聲源進行精準定位追蹤。人臉識別則能辨別不同的人物特征，多個關鍵點對比，準確匹配人臉。云端數據管理可收集用戶的部分信息，實現遠程上傳資源、編輯方案、更換方案、推送方案等功能。在教學活動中融入人工智能技術，能持續激發學生學習興趣，促進學生的個性化學習，培養學生的創新能力。

3.大數據分析技術

借助于計算機視覺、智能語音、面部識別、心理畫像分析等技術，大量的過程性數據得以收集、測量與分析，基于對這些大數據的分析可得出學生的學習特征和思維模式，判斷出學生實時學習狀態和情感變化，引導學生改變學習路徑或調整學習狀態，提供個性化學習支持。同時，各種教學大數據也能為教師改良教學提供重要的決策參考。大數據技術將會使現有教育教學越來越精細化，也越來越高效化，更為重要的是也越來越智能化。基于大數據的分析、教師的智能教學和學生的精準學習將會得以實踐。

4.區塊鏈技術

區塊鏈具有分布式數據存儲、點對點傳輸、共識機制、加密算法等特點，是一種戰略性前沿技術。分布式存儲功能允許任何教育機構和平臺具有跨系統、跨平臺的學習行為，同時記錄學習結果，每個節點都可以上傳數據資料，每個教師都可以進行發布自己的教學材料以及提供在線輔導和習題講解等教學活動。點對點傳輸則會免除大量的教學媒介成本，減少教學媒介平臺的運營投入，促進教學資源的共享。其它可利用的技術和平臺，可以推進網絡學習空間的建設與應用，應用到的功能包括集成網絡教學、資源推送、學籍管理、學習生涯記錄等。

5.虛擬助理技術

虛擬助理是一種新型計算方法，它能夠自主學習，并根據大數據計算出學習者的個性喜好。當前，較為常見的虛擬助理有小米的小愛、亞馬遜的Alexa和阿里巴巴的天貓精靈等。交談是虛擬助理與學習者交互的基本模式，旨在可以在任何時間提供學習者所想要的幫助。但事實上，當前的技術應用還并不能完全達到這種水平，虛擬助理更多的還只是停留在終端里面的一個“數字化的我”。因此，虛擬助理需要不斷分析學習者個人信息，完善學習者用戶偏好分析方法，從而能夠成為真正了解學習者的個性化、數字化學習助理。虛擬助理的深度開發應用可為學習者提供對話式的交互學習體驗。

四、結束語

日新月異的信息技術發展正在促使教學手段、教學設備、教學內容等跨越式發展和飛速更新，對學校、課程、教師、學生等數見不鮮的常規概念的新認識正在重新建立。智慧教學是一種新型的教育形式，新型“教”與“學”空間是一切新型教學形態的基礎，物聯網技術的引入大幅提升了智慧教學系統的使用和管理效率，將教室分散的設備與教學內容完整結合起來，實現了良好的“人機糅合”，構建起全新的智慧教學生態圈。并且，物聯網技術也正在積極吸納其它新興的技術，在發揮新技術融合潛在效能的基礎上，不斷推動著當前教學革命的深度和廣度。

參考文獻：

[1]呂宣玲.高校物聯網智慧教室建設[J].技術與創新管理，2019（3）：390-393，397.

[2]吳曉如，劉邦奇，袁婷婷.新一代智慧課堂：概念、平臺及體系架構[J].中國電化教育，2019（3）：81-88.

[3]何文樂，李杰玉.基于移動物聯網的智慧教室設計與實現[J].中國教育信息化，2019（1）：69-73.

[4]翦象慧，肖智清，龔全安，黃友森.基于物聯網技術和智慧課堂的智慧教室系統研究與設計[J].物流工程與管理，2018（12）：170-172.

[5]周永華.基于物聯網的智慧教室系統設計與實現[J].電子技術與軟件工程，2018（9）：5.

[6]劉君.基于物聯網技術的高校智慧教室的設計研究[J].陜西理工大學學報（自然科學版），2017（5）：52-57.

[7]祝智庭.智慧教育新發展：從翻轉課堂到智慧課堂及智慧學習空間[J].開放教育研究，2016（1）：18-26，49.

[8]楊勝利，楊磊.一種基于物聯網的智慧教室體系結構研究[J].數字技術與應用，2015（11）：52.

[9]曾海，楊璐偲.未來新形態智慧教室的研究現狀與構建探索[J].廣州廣播電視大學學報，2019（1）：1-7，107.

[10]金慧，邵鈺，胡盈瀅.智能化教育生態系統的構建與創新——《地平線報告》（2018高等教育版）啟示[J].遠程教育雜志，2018（5）：3-14.

[11]蘭國帥，郭倩，呂彩杰，魏家財，于亞萌.“智能+”時代智能技術構筑智能教育——《地平線報告（2019高等教育版）》要點與思考[J].開放教育研究，2019（3）：22-35.

（編輯：王天鵬）