物聯(lián)網(wǎng)在教育中的應(yīng)用與思考

　　2009年以來，一場關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)的風(fēng)暴席卷全球。在這一年年初美國奧巴馬總統(tǒng)提出了智慧地球概念；6月，歐盟委員會遞交了《歐盟物聯(lián)網(wǎng)行動計劃》；7月，日本IT戰(zhàn)略本部頒布了日本新一代的信息化戰(zhàn)略/i-Japan戰(zhàn)略；同年8月7日，溫家寶總理視察無錫微納傳感網(wǎng)工程技術(shù)研發(fā)中心并發(fā)表重要講話之后，物聯(lián)網(wǎng)、感知中國概念在國內(nèi)迅速升溫。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已成為當(dāng)前各國科技和產(chǎn)業(yè)競爭的熱點。繼2世紀(jì)年代PC機、年代因特網(wǎng)、移動通信網(wǎng)之后，物聯(lián)網(wǎng)與智慧地球的發(fā)展動態(tài)，將打破了人們的傳統(tǒng)思維。它的廣泛應(yīng)用必將在后IP時代成為推進全球邁向信息社會的發(fā)動機。本文基于對物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)涵、特征的把握，探討物聯(lián)網(wǎng)在教育中的應(yīng)用，并對應(yīng)用過程中可能產(chǎn)生的一些問題做冷靜思考。

　　1、物聯(lián)網(wǎng)的內(nèi)涵與特征

　　物聯(lián)網(wǎng)在歐美被稱為/theInternetofThings（IOT），強調(diào)/anythings connection。中國科學(xué)院姚建銓院士指出：凡是由傳感器、傳感技術(shù)及利用某種物體相互作用而感知物體的特征，按約定的協(xié)議，來實現(xiàn)任何時刻、任何地點、任何物體、任何人，實現(xiàn)所有人與人，物與物，人與物之間互聯(lián)、互通，進行信息交換和通訊，實現(xiàn)智能化的識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)，即可稱為物聯(lián)網(wǎng)。因此，物聯(lián)網(wǎng)是傳感網(wǎng)與因特網(wǎng)、移動通信網(wǎng)，/三網(wǎng)高效融合的產(chǎn)物，是信息系統(tǒng)與物理系統(tǒng)高效融合的產(chǎn)物（又稱為信息物理融合系統(tǒng)）。它可以廣泛應(yīng)用于軍事與安全、科研與教育、環(huán)境與交通、醫(yī)療、制造等各領(lǐng)域。

　　物聯(lián)網(wǎng)正在實現(xiàn)世界上物與物、人與物、人與自然之間的對話與交互。通過裝置在各類物體上的射頻識別電子標(biāo)簽 （RFID）、二維碼、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等組成的智能傳感器，經(jīng)過接口與無線通信網(wǎng)絡(luò)、因特網(wǎng)互聯(lián)，以實現(xiàn)人與物、物與物相互間智能化地獲取、傳輸與處理信息。典型的物聯(lián)網(wǎng)由三大部分組成，即RFID系統(tǒng)、中間件Savant系統(tǒng)和Internet系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig.1Structureofinternetofthings

　　其中RFID系統(tǒng)主要包括RFID電子標(biāo)簽（tag）、閱讀器（reader）及數(shù)據(jù)交換和管理系統(tǒng) （processor）軟件；中間件savant系統(tǒng)由Savant服務(wù)器、ONS（objectnamingservice）服務(wù)器、 PML（physicalmarkuplanguage）服務(wù)器及相應(yīng)的數(shù)據(jù)軟件等組成；Internet系統(tǒng)通常由計算機系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器等組成。

　　物聯(lián)網(wǎng)的組成方式，使得它具有如下基本技術(shù)特征：

　?。?）全面與主動感知特征。物聯(lián)網(wǎng)是以感知為目的，實現(xiàn)人與人、人與物、物與物全面互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)。利用 RFID，傳感器，二維碼等隨時隨地主動獲取、感知物體的存在并獲取有關(guān)/物的狀態(tài)、位置等信息。實現(xiàn)的原理則是在物體上植入各種微型感應(yīng)芯片，用這些傳感器獲取物理世界的各種信息，再通過局部的無線網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)、移動通信網(wǎng)等各種通信網(wǎng)絡(luò)傳遞交互，從而感知世界。

　　（2）可靠與完整傳遞特征。物聯(lián)網(wǎng)中不同的應(yīng)用可能會使用傳感器采集到的部分信息，存儲的時候則必須保證信息的完整性。物聯(lián)網(wǎng)可以通過有線、無線等不同的傳輸方式將物體的實時信息進行分門別類的管理，再準(zhǔn)確、可靠、有指向性地傳輸給信息處理設(shè)備與環(huán)境，以適應(yīng)不同的應(yīng)用需求。

　?。?）海量與多視角處理特征。在物聯(lián)網(wǎng)中會存在難以計數(shù)的傳感器，每個傳感器都是一個信息源。傳感器按一定的頻率周期性的采集環(huán)境信息，每做一次新的采集就得到新的數(shù)據(jù)。面對采集的海量數(shù)據(jù)，必須通過多視角分析和處理才能實現(xiàn)智能化。隨著物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的發(fā)展、終端數(shù)量的增長，可借助云計算處理海量信息，進行輔助決策。

　?。?）智能服務(wù)特征。物聯(lián)網(wǎng)給整個移動通信、互聯(lián)網(wǎng)都帶來了一個全新服務(wù)的體系，它把通信或者是傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)擴展成從感知、傳輸?shù)教幚淼囊粋€綜合服務(wù)。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需要具有常規(guī)應(yīng)用無法比擬的智能特征，不僅具有超越人類常規(guī)視覺、嗅覺和觸覺范圍的高靈敏度，還具備大海撈針、感知規(guī)律、進行預(yù)判的智者風(fēng)范，為人類提供更靈敏、更智能的服務(wù)。智能化服務(wù)是體現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用價值的關(guān)鍵表現(xiàn)，也是推動物聯(lián)網(wǎng)商業(yè)模式成功的動力。

　　2、物聯(lián)網(wǎng)在教學(xué)中的應(yīng)用 

　　基于上述技術(shù)特征的物聯(lián)網(wǎng)有望為人們提供一個完全不同的生活與工作環(huán)境。物聯(lián)網(wǎng)的價值不僅僅在于它是一個可傳感的網(wǎng)絡(luò)，而必須是各個行業(yè)參與進來進行應(yīng)用，不同行業(yè)，會有不同的應(yīng)用。很大程度上，這是非常難的一步。目前，對物聯(lián)網(wǎng)在教育中的研究與應(yīng)用雖尚處于起步階段，但筆者認(rèn)為這一問題的探討將給教育帶來極大的變革。

　?。?）有利于建立全面和主動的教學(xué)管理體系。在建立教學(xué)管理運行體系方面，利用現(xiàn)有物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)：RFID技術(shù)的支持，有利于完善教學(xué)管理的組織系統(tǒng)、評價和考核系統(tǒng)，從而對教學(xué)的質(zhì)量建立保障和監(jiān)控體系。通過RFID標(biāo)簽和校園智能卡系統(tǒng)的結(jié)合，教師可利用物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，對學(xué)生的學(xué)習(xí)情況進行自動的統(tǒng)計。例如：在分組實驗教學(xué)中，可以對學(xué)生的出席和對應(yīng)的實驗器材建立聯(lián)系，通過RFID系統(tǒng)建立實驗室教學(xué)管理系統(tǒng)。院校各級教學(xué)管理部門也可利用RFID技術(shù)，對學(xué)生學(xué)習(xí)情況、到課情況進行分析，從而有利于學(xué)生工作部門有針對性地開展思想政治工作。同時還可以對學(xué)生在校園的行蹤進行監(jiān)控，設(shè)立校園安全控制區(qū)域，減少不必要的校園安全事故的發(fā)生；建立基于物聯(lián)網(wǎng)的彈性修學(xué)模式，利用物聯(lián)網(wǎng)信息完整和可追述的特征，學(xué)生可以根據(jù)本人的興趣特長，隨時修改或完成某一課程的學(xué)習(xí)，隨時選擇某一心儀教師的教學(xué)，在需要考試時，隨時連接到試題庫系統(tǒng)并完成考試過程，從而真正實現(xiàn)學(xué)分制；建立雙向的教學(xué)評價和考核系統(tǒng)，有利于實現(xiàn)學(xué)生和教師同行對每一次教學(xué)的實時評價，根據(jù)此評價，學(xué)生和教師雙方都可以調(diào)整教學(xué)進度，改善學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，提高教師的教學(xué)效率。

　?。?）有利于構(gòu)建完全交互與智能的教研環(huán)境。利用傳感網(wǎng)絡(luò)，可實現(xiàn)教學(xué)環(huán)境的實時信息反饋。目前，多數(shù)高校已經(jīng)實施多媒體教學(xué)設(shè)施進課堂，利用物聯(lián)網(wǎng)，可對課堂教學(xué)設(shè)備實現(xiàn)智能控制。例如：在教學(xué)樓里安裝上萬個傳感器并用IPV6網(wǎng)絡(luò)進行連接，可根據(jù)教室光線強弱自動調(diào)節(jié)教室光源和投影機的流明度；也可根據(jù)教室環(huán)境溫濕度，通過紅外感應(yīng)設(shè)備自動控制教室空氣的更換率；更可利用物聯(lián)網(wǎng)識別技術(shù)，建立教師和對應(yīng)授課教室的關(guān)聯(lián)授權(quán)，智能控制教學(xué)儀器的使用等。這種方式的應(yīng)用，已在部分研究機構(gòu)中得以實現(xiàn)，例如：在北京，西門子總部里面所有的燈光都是通過物聯(lián)網(wǎng)智能控制的，員工在進入辦公室后頭頂上的燈自動打開，離開位置后頭頂上的光源則自動關(guān)閉。如果外面的陽光太過強烈，窗簾則自動拉下，各個光源都是通過傳感設(shè)備連接到電腦上，由電腦進行操控。與此同時，筆者也認(rèn)為，利用物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建的智能教學(xué)環(huán)境的應(yīng)用應(yīng)遠不止于此。利用物聯(lián)網(wǎng)信息完整與可靠傳輸特性，可實現(xiàn)教學(xué)環(huán)境的真正交互。例如：物聯(lián)網(wǎng)的介入可以為實驗教學(xué)提供一個安全的、共享的、智能化的實驗教學(xué)環(huán)境。在教師的授課過程中，隨時可以控制遠在實驗室中的教學(xué)儀器，通過網(wǎng)絡(luò)視頻設(shè)備，將實驗過程與結(jié)果實時的顯示在課堂教學(xué)中，學(xué)生也可實時控制遠程設(shè)備，自行得到正確的實驗結(jié)果。改變現(xiàn)行多媒體教學(xué)中，實驗過程模擬化，實驗效果非直觀的弊病。

　　通過將大型科研設(shè)備納入物聯(lián)網(wǎng)，可有效改變目前教研資源不平衡問題，經(jīng)過授權(quán)后的研究者可以在全球范圍內(nèi)控制該設(shè)備，科研過程數(shù)據(jù)也可以被實時采集并以適當(dāng)?shù)姆绞教峁?，最終實現(xiàn)教學(xué)科研的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化與智能化。此方面的先例有TAMU和MIT近期實施的 CSAIL計劃，該計劃是利用一群實驗室機器人與嵌入在盆栽植物中的傳感器的通信。機器人和傳感器之間的交流可以允許每棵植物要求額外的水分和養(yǎng)分，并進行實時存儲。成熟的西紅柿被識別之后，機器人能準(zhǔn)確地從植物上摘除。TAMU的研究人員可以利用MIT在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的研究優(yōu)勢，直接獲取該研究成果數(shù)據(jù)。

　　此外，利用嵌入了傳感芯片的教學(xué)設(shè)施，不但能夠像多媒體設(shè)施一樣，對教學(xué)中的結(jié)構(gòu)化信息進行處理，也可對常規(guī)多媒體設(shè)施所不能處理的非結(jié)構(gòu)化信息，諸如學(xué)生的思維、體會、情感、意志等進行整合，從而真正實現(xiàn)教學(xué)環(huán)境的智能和交互。

　?。?）有利于重構(gòu)創(chuàng)新和開放的教學(xué)模式?；谖锫?lián)網(wǎng)教學(xué)環(huán)境下的教學(xué)模式相比于以往的各種教學(xué)模式，具有更加開放和創(chuàng)新的特征?？梢砸劳形锫?lián)網(wǎng)強大的物質(zhì)和信息資源優(yōu)勢來建立基于物聯(lián)網(wǎng)的科學(xué)探究模式。在該模式中，學(xué)習(xí)者可以最大限度地利用物聯(lián)網(wǎng)資源，并在發(fā)掘物聯(lián)網(wǎng)信息的同時促進高級思維能力的發(fā)展。例如：在虛擬社區(qū)的學(xué)習(xí)交互模型中，基于物聯(lián)網(wǎng)的模式要比給予互聯(lián)網(wǎng)的模式更能激發(fā)出學(xué)習(xí)者的深層思考，并產(chǎn)生交互。該模式更能引導(dǎo)學(xué)習(xí)者在每次知識建構(gòu)、剖析、探討和問題解決戶進行反思、總結(jié)和提煉有價值的內(nèi)容，并在物聯(lián)網(wǎng)上與其他學(xué)習(xí)者共享。

　　同時，將先進的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與現(xiàn)代教學(xué)理念相結(jié)合，運用到科學(xué)教學(xué)活動中，也能夠?qū)f(xié)作和協(xié)同教學(xué)模式起到很好的支撐作用。傳統(tǒng)的協(xié)作和協(xié)同教學(xué)模式標(biāo)志著開放系統(tǒng)中大量亞系統(tǒng)之間相互作用的，整體的，集體的或合作的效應(yīng)，能夠很好地解決教學(xué)過程中的/導(dǎo)）學(xué)關(guān)系。比較著名的有密歇根大學(xué)的跨學(xué)科協(xié)同教學(xué)模式。而基于物聯(lián)網(wǎng)的跨學(xué)科協(xié)同教學(xué)模式，則可以很好地克服原有模式中的障礙。同時它的海量數(shù)據(jù)與多視角處理特征，也能夠進一步激發(fā)學(xué)生主動進行只是融合的欲望，發(fā)展整合和協(xié)調(diào)多學(xué)科的能力。

　　（4）有利于拓展學(xué)習(xí)空間、培養(yǎng)學(xué)習(xí)者自主學(xué)習(xí)能力。物聯(lián)網(wǎng)能為學(xué)習(xí)者的常規(guī)學(xué)習(xí)、課后學(xué)習(xí)、區(qū)域合作學(xué)習(xí)提供支撐環(huán)境，拓展學(xué)習(xí)空間，有利于學(xué)習(xí)者的自主學(xué)習(xí)和滿足個性化學(xué)習(xí)需要。學(xué)習(xí)者可以通過物聯(lián)網(wǎng)，探究任何感興趣的問題并及時地得到解決。例如：中國電信的全球眼技術(shù)，其實就是遠程監(jiān)控的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。與傳感系統(tǒng)相結(jié)合，學(xué)習(xí)者就可以利用它完成諸如材料學(xué)、氣象學(xué)、生物學(xué)等集成應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)的多種科學(xué)探究。

　　同時，物聯(lián)網(wǎng)的感知特性，也能夠使教育者對學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)過程進行有效管理。

　　3、物聯(lián)網(wǎng)教育應(yīng)用的思考 

　　物聯(lián)網(wǎng)因為廣泛引入/物，并且物的特征發(fā)生了質(zhì)的飛躍，所以將更有利于在教學(xué)過程中形成豐富多樣的、創(chuàng)新型的產(chǎn)品和應(yīng)用。但正如2世紀(jì)六七十年代時的互聯(lián)網(wǎng)一樣，我們已經(jīng)能夠預(yù)知道它未來無可限量的應(yīng)用，但要在現(xiàn)階段廣泛應(yīng)用于教育實際，仍有許多問題亟待解決。

　?。?）如何解決不同類型教學(xué)要素的互聯(lián)互通。物聯(lián)網(wǎng)注重于物與物，物與人之間的互聯(lián)互通。在教學(xué)中，即是教學(xué)者、學(xué)習(xí)者、教學(xué)設(shè)施之間的互聯(lián)互通問題。從物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)上來看，每個/物品都需要在物聯(lián)網(wǎng)中被尋址。更多的IP地址將使IPv4資源被耗盡，那就需要 IPv6來支撐。但目前，即使是在不同的教學(xué)設(shè)施之間也存在著通信協(xié)議不統(tǒng)一的問題，例如：在接入層面上，GPRS、短信、傳感器、TD-SCDMA、有線等多種協(xié)議類別五花八門。應(yīng)該看到，當(dāng)前的信息化，雖然網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施已日益完善，但離/任何人、任務(wù)時候、任何地點都能接入網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)還有一定的距離，并且，即使是已接入網(wǎng)絡(luò)的信息系統(tǒng)很多也并未達到互通，信息孤島現(xiàn)象較為嚴(yán)重。通信協(xié)議統(tǒng)一與否將是制約未來物聯(lián)網(wǎng)在教學(xué)中應(yīng)用程度的重要因素。

　　（2）物聯(lián)網(wǎng)未來在教學(xué)中的應(yīng)用模式更應(yīng)該基于哪一個層次。迄今為止，對物聯(lián)網(wǎng)的研究還停留在關(guān)注解決傳感器和傳感網(wǎng)層次的問題，我們依然將其等同為傳感網(wǎng)絡(luò)。不可否認(rèn)，傳感，是物聯(lián)網(wǎng)的最基本特性。但是筆者認(rèn)為，物聯(lián)網(wǎng)在教學(xué)中要得到長足的應(yīng)用，其未來的應(yīng)用模式應(yīng)當(dāng)是一種簡單、通用、易用的軟件應(yīng)用，這種軟件應(yīng)用可以使學(xué)習(xí)者處理/感知到的物體數(shù)據(jù)，更深層次地分析、理解、認(rèn)識物體世界的演變規(guī)律，更好地利用信息化成果和智能化服務(wù)。

　　（3）如何保障教學(xué)應(yīng)用自身的安全與可控。物聯(lián)網(wǎng)在教學(xué)中應(yīng)用時，教學(xué)設(shè)備間聯(lián)系更緊密，設(shè)備和人也連接起來，使得信息采集和交換設(shè)備大量使用，所采集的教學(xué)信息越來越海量，在這些數(shù)據(jù)中，哪些屬于學(xué)術(shù)和人員的隱私，必須保護，是此類應(yīng)用中不能夠回避的問題。不解決此問題，數(shù)據(jù)的泄密將越來越嚴(yán)重。

　?。?）如何解決物聯(lián)網(wǎng)在教學(xué)應(yīng)用中費用問題。在物聯(lián)網(wǎng)使用的RFID系統(tǒng)中，核心的部分是芯片。芯片作為物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)有其自身的特征和要求，諸如：無線射頻、低功耗、高度集成、智能可定制等。目前，為達成這些要求的物聯(lián)網(wǎng)所需芯片等組件的費用依然較高。對面廣量大的教學(xué)系統(tǒng)來說，全部植入上述功能的芯片顯然不切合實際。如何有效解決這一問題還有待于通過技術(shù)進步逐步降低芯片成本。但無論如何降低，芯片的成本最終還是會有一個成本極限，目前大致預(yù)估是每個射頻標(biāo)簽為一兩個美分。

　　4、結(jié)語 

　　物聯(lián)網(wǎng)在教學(xué)中的應(yīng)用與發(fā)展不是一個單純的技術(shù)問題，涉及方方面面。因此，物聯(lián)網(wǎng)在教學(xué)中的應(yīng)用與發(fā)展之路還很漫長。但隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的日益成熟，相信其在教學(xué)中的應(yīng)用將越來越廣泛。