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物联网在教育中的应用与思考
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2009年以来，一场关于物联网的风暴席卷全球。在这一年年初美国奥巴马总统提出了智慧地球概念；6月，欧盟委员会递交了《欧盟物联网行动计划》；7月，日本IT战略本部颁布了日本新一代的信息化战略/i-Japan战略；同年8月7日，温家宝总理视察无锡微纳传感网工程技术研发中心并发表重要讲话之后，物联网、感知中国概念在国内迅速升温。物联网技术已成为当前各国科技和产业竞争的热点。继2世纪年代PC机、年代因特网、移动通信网之后，物联网与智慧地球的发展动态，将打破了人们的传统思维。它的广泛应用必将在后IP时代成为推进全球迈向信息社会的发动机。本文基于对物联网内涵、特征的把握，探讨物联网在教育中的应用，并对应用过程中可能产生的一些问题做冷静思考。
1、物联网的内涵与特征
物联网在欧美被称为/theInternetofThings（IOT），强调/anythings connection。中国科学院姚建铨院士指出：凡是由传感器、传感技术及利用某种物体相互作用而感知物体的特征，按约定的协议，来实现任何时刻、任何地点、任何物体、任何人，实现所有人与人，物与物，人与物之间互联、互通，进行信息交换和通讯，实现智能化的识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络，即可称为物联网。因此，物联网是传感网与因特网、移动通信网，/三网高效融合的产物，是信息系统与物理系统高效融合的产物（又称为信息物理融合系统）。它可以广泛应用于军事与安全、科研与教育、环境与交通、医疗、制造等各领域。
物联网正在实现世界上物与物、人与物、人与自然之间的对话与交互。通过装置在各类物体上的射频识别电子标签 （RFID）、二维码、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等组成的智能传感器，经过接口与无线通信网络、因特网互联，以实现人与物、物与物相互间智能化地获取、传输与处理信息。典型的物联网由三大部分组成，即RFID系统、中间件Savant系统和Internet系统，如图1所示。
物联网的组成方式，使得它具有如下基本技术特征：
（1）全面与主动感知特征。物联网是以感知为目的，实现人与人、人与物、物与物全面互联的网络。利用 RFID，传感器，二维码等随时随地主动获取、感知物体的存在并获取有关/物的状态、位置等信息。实现的原理则是在物体上植入各种微型感应芯片，用这些传感器获取物理世界的各种信息，再通过局部的无线网络、互联网、移动通信网等各种通信网络传递交互，从而感知世界。
（2）可靠与完整传递特征。物联网中不同的应用可能会使用传感器采集到的部分信息，存储的时候则必须保证信息的完整性。物联网可以通过有线、无线等不同的传输方式将物体的实时信息进行分门别类的管理，再准确、可靠、有指向性地传输给信息处理设备与环境，以适应不同的应用需求。
（3）海量与多视角处理特征。在物联网中会存在难以计数的传感器，每个传感器都是一个信息源。传感器按一定的频率周期性的采集环境信息，每做一次新的采集就得到新的数据。面对采集的海量数据，必须通过多视角分析和处理才能实现智能化。随着物联网应用的发展、终端数量的增长，可借助云计算处理海量信息，进行辅助决策。
（4）智能服务特征。物联网给整个移动通信、互联网都带来了一个全新服务的体系，它把通信或者是传输的业务扩展成从感知、传输到处理的一个综合服务。物联网应用需要具有常规应用无法比拟的智能特征，不仅具有超越人类常规视觉、嗅觉和触觉范围的高灵敏度，还具备大海捞针、感知规律、进行预判的智者风范，为人类提供更灵敏、更智能的服务。智能化服务是体现物联网应用价值的关键表现，也是推动物联网商业模式成功的动力。
2、物联网在教学中的应用
基于上述技术特征的物联网有望为人们提供一个完全不同的生活与工作环境。物联网的价值不仅仅在于它是一个可传感的网络，而必须是各个行业参与进来进行应用，不同行业，会有不同的应用。很大程度上，这是非常难的一步。目前，对物联网在教育中的研究与应用虽尚处于起步阶段，但笔者认为这一问题的探讨将给教育带来极大的变革。
（1）有利于建立全面和主动的教学管理体系。在建立教学管理运行体系方面，利用现有物联网的核心技术：RFID技术的支持，有利于完善教学管理的组织系统、评价和考核系统，从而对教学的质量建立保障和监控体系。通过RFID标签和校园智能卡系统的结合，教师可利用物联网系统，对学生的学习情况进行自动的统计。例如：在分组实验教学中，可以对学生的出席和对应的实验器材建立联系，通过RFID系统建立实验室教学管理系统。院校各级教学管理部门也可利用RFID技术，对学生学习情况、到课情况进行分析，从而有利于学生工作部门有针对性地开展思想政治工作。同时还可以对学生在校园的行踪进行监控，设立校园安全控制区域，减少不必要的校园安全事故的发生；建立基于物联网的弹性修学模式，利用物联网信息完整和可追述的特征，学生可以根据本人的兴趣特长，随时修改或完成某一课程的学习，随时选择某一心仪教师的教学，在需要考试时，随时连接到试题库系统并完成考试过程，从而真正实现学分制；建立双向的教学评价和考核系统，有利于实现学生和教师同行对每一次教学的实时评价，根据此评价，学生和教师双方都可以调整教学进度，改善学生的学习效果，提高教师的教学效率。
（2）有利于构建完全交互与智能的教研环境。利用传感网络，可实现教学环境的实时信息反馈。目前，多数高校已经实施多媒体教学设施进课堂，利用物联网，可对课堂教学设备实现智能控制。例如：在教学楼里安装上万个传感器并用IPV6网络进行连接，可根据教室光线强弱自动调节教室光源和投影机的流明度；也可根据教室环境温湿度，通过红外感应设备自动控制教室空气的更换率；更可利用物联网识别技术，建立教师和对应授课教室的关联授权，智能控制教学仪器的使用等。这种方式的应用，已在部分研究机构中得以实现，例如：在北京，西门子总部里面所有的灯光都是通过物联网智能控制的，员工在进入办公室后头顶上的灯自动打开，离开位置后头顶上的光源则自动关闭。如果外面的阳光太过强烈，窗帘则自动拉下，各个光源都是通过传感设备连接到电脑上，由电脑进行操控。与此同时，笔者也认为，利用物联网构建的智能教学环境的应用应远不止于此。利用物联网信息完整与可靠传输特性，可实现教学环境的真正交互。例如：物联网的介入可以为实验教学提供一个安全的、共享的、智能化的实验教学环境。在教师的授课过程中，随时可以控制远在实验室中的教学仪器，通过网络视频设备，将实验过程与结果实时的显示在课堂教学中，学生也可实时控制远程设备，自行得到正确的实验结果。改变现行多媒体教学中，实验过程模拟化，实验效果非直观的弊病。
通过将大型科研设备纳入物联网，可有效改变目前教研资源不平衡问题，经过授权后的研究者可以在全球范围内控制该设备，科研过程数据也可以被实时采集并以适当的方式提供，最终实现教学科研的数字化、网络化与智能化。此方面的先例有TAMU和MIT近期实施的 CSAIL计划，该计划是利用一群实验室机器人与嵌入在盆栽植物中的传感器的通信。机器人和传感器之间的交流可以允许每棵植物要求额外的水分和养分，并进行实时存储。成熟的西红柿被识别之后，机器人能准确地从植物上摘除。TAMU的研究人员可以利用MIT在物联网领域的研究优势，直接获取该研究成果数据。
此外，利用嵌入了传感芯片的教学设施，不但能够像多媒体设施一样，对教学中的结构化信息进行处理，也可对常规多媒体设施所不能处理的非结构化信息，诸如学生的思维、体会、情感、意志等进行整合，从而真正实现教学环境的智能和交互。
（3）有利于重构创新和开放的教学模式。基于物联网教学环境下的教学模式相比于以往的各种教学模式，具有更加开放和创新的特征。可以依托物联网强大的物质和信息资源优势来建立基于物联网的科学探究模式。在该模式中，学习者可以最大限度地利用物联网资源，并在发掘物联网信息的同时促进高级思维能力的发展。例如：在虚拟社区的学习交互模型中，基于物联网的模式要比给予互联网的模式更能激发出学习者的深层思考，并产生交互。该模式更能引导学习者在每次知识建构、剖析、探讨和问题解决户进行反思、总结和提炼有价值的内容，并在物联网上与其他学习者共享。
同时，将先进的物联网技术与现代教学理念相结合，运用到科学教学活动中，也能够对协作和协同教学模式起到很好的支撑作用。传统的协作和协同教学模式标志着开放系统中大量亚系统之间相互作用的，整体的，集体的或合作的效应，能够很好地解决教学过程中的/导）学关系。比较著名的有密歇根大学的跨学科协同教学模式。而基于物联网的跨学科协同教学模式，则可以很好地克服原有模式中的障碍。同时它的海量数据与多视角处理特征，也能够进一步激发学生主动进行只是融合的欲望，发展整合和协调多学科的能力。
（4）有利于拓展学习空间、培养学习者自主学习能力。物联网能为学习者的常规学习、课后学习、区域合作学习提供支撑环境，拓展学习空间，有利于学习者的自主学习和满足个性化学习需要。学习者可以通过物联网，探究任何感兴趣的问题并及时地得到解决。例如：中国电信的全球眼技术，其实就是远程监控的物联网应用。与传感系统相结合，学习者就可以利用它完成诸如材料学、气象学、生物学等集成应用领域内的多种科学探究。
同时，物联网的感知特性，也能够使教育者对学习者的学习过程进行有效管理。
3、物联网教育应用的思考
物联网因为广泛引入/物，并且物的特征发生了质的飞跃，所以将更有利于在教学过程中形成丰富多样的、创新型的产品和应用。但正如2世纪六七十年代时的互联网一样，我们已经能够预知道它未来无可限量的应用，但要在现阶段广泛应用于教育实际，仍有许多问题亟待解决。
（1）如何解决不同类型教学要素的互联互通。物联网注重于物与物，物与人之间的互联互通。在教学中，即是教学者、学习者、教学设施之间的互联互通问题。从物联网结构上来看，每个/物品都需要在物联网中被寻址。更多的IP地址将使IPv4资源被耗尽，那就需要 IPv6来支撑。但目前，即使是在不同的教学设施之间也存在着通信协议不统一的问题，例如：在接入层面上，GPRS、短信、传感器、TD-SCDMA、有线等多种协议类别五花八门。应该看到，当前的信息化，虽然网络基础设施已日益完善，但离/任何人、任务时候、任何地点都能接入网络的目标还有一定的距离，并且，即使是已接入网络的信息系统很多也并未达到互通，信息孤岛现象较为严重。通信协议统一与否将是制约未来物联网在教学中应用程度的重要因素。
（2）物联网未来在教学中的应用模式更应该基于哪一个层次。迄今为止，对物联网的研究还停留在关注解决传感器和传感网层次的问题，我们依然将其等同为传感网络。不可否认，传感，是物联网的最基本特性。但是笔者认为，物联网在教学中要得到长足的应用，其未来的应用模式应当是一种简单、通用、易用的软件应用，这种软件应用可以使学习者处理/感知到的物体数据，更深层次地分析、理解、认识物体世界的演变规律，更好地利用信息化成果和智能化服务。
（3）如何保障教学应用自身的安全与可控。物联网在教学中应用时，教学设备间联系更紧密，设备和人也连接起来，使得信息采集和交换设备大量使用，所采集的教学信息越来越海量，在这些数据中，哪些属于学术和人员的隐私，必须保护，是此类应用中不能够回避的问题。不解决此问题，数据的泄密将越来越严重。
（4）如何解决物联网在教学应用中费用问题。在物联网使用的RFID系统中，核心的部分是芯片。芯片作为物联网关键技术有其自身的特征和要求，诸如：无线射频、低功耗、高度集成、智能可定制等。目前，为达成这些要求的物联网所需芯片等组件的费用依然较高。对面广量大的教学系统来说，全部植入上述功能的芯片显然不切合实际。如何有效解决这一问题还有待于通过技术进步逐步降低芯片成本。但无论如何降低，芯片的成本最终还是会有一个成本极限，目前大致预估是每个射频标签为一两个美分。
4、结语
物联网在教学中的应用与发展不是一个单纯的技术问题，涉及方方面面。因此，物联网在教学中的应用与发展之路还很漫长。但随着物联网技术的日益成熟，相信其在教学中的应用将越来越广泛。
1、物联网的内涵与特征
物联网在欧美被称为/theInternetofThings（IOT），强调/anythings connection。中国科学院姚建铨院士指出：凡是由传感器、传感技术及利用某种物体相互作用而感知物体的特征，按约定的协议，来实现任何时刻、任何地点、任何物体、任何人，实现所有人与人，物与物，人与物之间互联、互通，进行信息交换和通讯，实现智能化的识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络，即可称为物联网。因此，物联网是传感网与因特网、移动通信网，/三网高效融合的产物，是信息系统与物理系统高效融合的产物（又称为信息物理融合系统）。它可以广泛应用于军事与安全、科研与教育、环境与交通、医疗、制造等各领域。
物联网正在实现世界上物与物、人与物、人与自然之间的对话与交互。通过装置在各类物体上的射频识别电子标签 （RFID）、二维码、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等组成的智能传感器，经过接口与无线通信网络、因特网互联，以实现人与物、物与物相互间智能化地获取、传输与处理信息。典型的物联网由三大部分组成，即RFID系统、中间件Savant系统和Internet系统，如图1所示。
图1 物联网结构Fig.1Structureofinternetofthings
物联网的组成方式，使得它具有如下基本技术特征：
（1）全面与主动感知特征。物联网是以感知为目的，实现人与人、人与物、物与物全面互联的网络。利用 RFID，传感器，二维码等随时随地主动获取、感知物体的存在并获取有关/物的状态、位置等信息。实现的原理则是在物体上植入各种微型感应芯片，用这些传感器获取物理世界的各种信息，再通过局部的无线网络、互联网、移动通信网等各种通信网络传递交互，从而感知世界。
（2）可靠与完整传递特征。物联网中不同的应用可能会使用传感器采集到的部分信息，存储的时候则必须保证信息的完整性。物联网可以通过有线、无线等不同的传输方式将物体的实时信息进行分门别类的管理，再准确、可靠、有指向性地传输给信息处理设备与环境，以适应不同的应用需求。
（3）海量与多视角处理特征。在物联网中会存在难以计数的传感器，每个传感器都是一个信息源。传感器按一定的频率周期性的采集环境信息，每做一次新的采集就得到新的数据。面对采集的海量数据，必须通过多视角分析和处理才能实现智能化。随着物联网应用的发展、终端数量的增长，可借助云计算处理海量信息，进行辅助决策。
（4）智能服务特征。物联网给整个移动通信、互联网都带来了一个全新服务的体系，它把通信或者是传输的业务扩展成从感知、传输到处理的一个综合服务。物联网应用需要具有常规应用无法比拟的智能特征，不仅具有超越人类常规视觉、嗅觉和触觉范围的高灵敏度，还具备大海捞针、感知规律、进行预判的智者风范，为人类提供更灵敏、更智能的服务。智能化服务是体现物联网应用价值的关键表现，也是推动物联网商业模式成功的动力。
2、物联网在教学中的应用
基于上述技术特征的物联网有望为人们提供一个完全不同的生活与工作环境。物联网的价值不仅仅在于它是一个可传感的网络，而必须是各个行业参与进来进行应用，不同行业，会有不同的应用。很大程度上，这是非常难的一步。目前，对物联网在教育中的研究与应用虽尚处于起步阶段，但笔者认为这一问题的探讨将给教育带来极大的变革。
（1）有利于建立全面和主动的教学管理体系。在建立教学管理运行体系方面，利用现有物联网的核心技术：RFID技术的支持，有利于完善教学管理的组织系统、评价和考核系统，从而对教学的质量建立保障和监控体系。通过RFID标签和校园智能卡系统的结合，教师可利用物联网系统，对学生的学习情况进行自动的统计。例如：在分组实验教学中，可以对学生的出席和对应的实验器材建立联系，通过RFID系统建立实验室教学管理系统。院校各级教学管理部门也可利用RFID技术，对学生学习情况、到课情况进行分析，从而有利于学生工作部门有针对性地开展思想政治工作。同时还可以对学生在校园的行踪进行监控，设立校园安全控制区域，减少不必要的校园安全事故的发生；建立基于物联网的弹性修学模式，利用物联网信息完整和可追述的特征，学生可以根据本人的兴趣特长，随时修改或完成某一课程的学习，随时选择某一心仪教师的教学，在需要考试时，随时连接到试题库系统并完成考试过程，从而真正实现学分制；建立双向的教学评价和考核系统，有利于实现学生和教师同行对每一次教学的实时评价，根据此评价，学生和教师双方都可以调整教学进度，改善学生的学习效果，提高教师的教学效率。
（2）有利于构建完全交互与智能的教研环境。利用传感网络，可实现教学环境的实时信息反馈。目前，多数高校已经实施多媒体教学设施进课堂，利用物联网，可对课堂教学设备实现智能控制。例如：在教学楼里安装上万个传感器并用IPV6网络进行连接，可根据教室光线强弱自动调节教室光源和投影机的流明度；也可根据教室环境温湿度，通过红外感应设备自动控制教室空气的更换率；更可利用物联网识别技术，建立教师和对应授课教室的关联授权，智能控制教学仪器的使用等。这种方式的应用，已在部分研究机构中得以实现，例如：在北京，西门子总部里面所有的灯光都是通过物联网智能控制的，员工在进入办公室后头顶上的灯自动打开，离开位置后头顶上的光源则自动关闭。如果外面的阳光太过强烈，窗帘则自动拉下，各个光源都是通过传感设备连接到电脑上，由电脑进行操控。与此同时，笔者也认为，利用物联网构建的智能教学环境的应用应远不止于此。利用物联网信息完整与可靠传输特性，可实现教学环境的真正交互。例如：物联网的介入可以为实验教学提供一个安全的、共享的、智能化的实验教学环境。在教师的授课过程中，随时可以控制远在实验室中的教学仪器，通过网络视频设备，将实验过程与结果实时的显示在课堂教学中，学生也可实时控制远程设备，自行得到正确的实验结果。改变现行多媒体教学中，实验过程模拟化，实验效果非直观的弊病。
通过将大型科研设备纳入物联网，可有效改变目前教研资源不平衡问题，经过授权后的研究者可以在全球范围内控制该设备，科研过程数据也可以被实时采集并以适当的方式提供，最终实现教学科研的数字化、网络化与智能化。此方面的先例有TAMU和MIT近期实施的 CSAIL计划，该计划是利用一群实验室机器人与嵌入在盆栽植物中的传感器的通信。机器人和传感器之间的交流可以允许每棵植物要求额外的水分和养分，并进行实时存储。成熟的西红柿被识别之后，机器人能准确地从植物上摘除。TAMU的研究人员可以利用MIT在物联网领域的研究优势，直接获取该研究成果数据。
此外，利用嵌入了传感芯片的教学设施，不但能够像多媒体设施一样，对教学中的结构化信息进行处理，也可对常规多媒体设施所不能处理的非结构化信息，诸如学生的思维、体会、情感、意志等进行整合，从而真正实现教学环境的智能和交互。
（3）有利于重构创新和开放的教学模式。基于物联网教学环境下的教学模式相比于以往的各种教学模式，具有更加开放和创新的特征。可以依托物联网强大的物质和信息资源优势来建立基于物联网的科学探究模式。在该模式中，学习者可以最大限度地利用物联网资源，并在发掘物联网信息的同时促进高级思维能力的发展。例如：在虚拟社区的学习交互模型中，基于物联网的模式要比给予互联网的模式更能激发出学习者的深层思考，并产生交互。该模式更能引导学习者在每次知识建构、剖析、探讨和问题解决户进行反思、总结和提炼有价值的内容，并在物联网上与其他学习者共享。
同时，将先进的物联网技术与现代教学理念相结合，运用到科学教学活动中，也能够对协作和协同教学模式起到很好的支撑作用。传统的协作和协同教学模式标志着开放系统中大量亚系统之间相互作用的，整体的，集体的或合作的效应，能够很好地解决教学过程中的/导）学关系。比较著名的有密歇根大学的跨学科协同教学模式。而基于物联网的跨学科协同教学模式，则可以很好地克服原有模式中的障碍。同时它的海量数据与多视角处理特征，也能够进一步激发学生主动进行只是融合的欲望，发展整合和协调多学科的能力。
（4）有利于拓展学习空间、培养学习者自主学习能力。物联网能为学习者的常规学习、课后学习、区域合作学习提供支撑环境，拓展学习空间，有利于学习者的自主学习和满足个性化学习需要。学习者可以通过物联网，探究任何感兴趣的问题并及时地得到解决。例如：中国电信的全球眼技术，其实就是远程监控的物联网应用。与传感系统相结合，学习者就可以利用它完成诸如材料学、气象学、生物学等集成应用领域内的多种科学探究。
同时，物联网的感知特性，也能够使教育者对学习者的学习过程进行有效管理。
3、物联网教育应用的思考
物联网因为广泛引入/物，并且物的特征发生了质的飞跃，所以将更有利于在教学过程中形成丰富多样的、创新型的产品和应用。但正如2世纪六七十年代时的互联网一样，我们已经能够预知道它未来无可限量的应用，但要在现阶段广泛应用于教育实际，仍有许多问题亟待解决。
（1）如何解决不同类型教学要素的互联互通。物联网注重于物与物，物与人之间的互联互通。在教学中，即是教学者、学习者、教学设施之间的互联互通问题。从物联网结构上来看，每个/物品都需要在物联网中被寻址。更多的IP地址将使IPv4资源被耗尽，那就需要 IPv6来支撑。但目前，即使是在不同的教学设施之间也存在着通信协议不统一的问题，例如：在接入层面上，GPRS、短信、传感器、TD-SCDMA、有线等多种协议类别五花八门。应该看到，当前的信息化，虽然网络基础设施已日益完善，但离/任何人、任务时候、任何地点都能接入网络的目标还有一定的距离，并且，即使是已接入网络的信息系统很多也并未达到互通，信息孤岛现象较为严重。通信协议统一与否将是制约未来物联网在教学中应用程度的重要因素。
（2）物联网未来在教学中的应用模式更应该基于哪一个层次。迄今为止，对物联网的研究还停留在关注解决传感器和传感网层次的问题，我们依然将其等同为传感网络。不可否认，传感，是物联网的最基本特性。但是笔者认为，物联网在教学中要得到长足的应用，其未来的应用模式应当是一种简单、通用、易用的软件应用，这种软件应用可以使学习者处理/感知到的物体数据，更深层次地分析、理解、认识物体世界的演变规律，更好地利用信息化成果和智能化服务。
（3）如何保障教学应用自身的安全与可控。物联网在教学中应用时，教学设备间联系更紧密，设备和人也连接起来，使得信息采集和交换设备大量使用，所采集的教学信息越来越海量，在这些数据中，哪些属于学术和人员的隐私，必须保护，是此类应用中不能够回避的问题。不解决此问题，数据的泄密将越来越严重。
（4）如何解决物联网在教学应用中费用问题。在物联网使用的RFID系统中，核心的部分是芯片。芯片作为物联网关键技术有其自身的特征和要求，诸如：无线射频、低功耗、高度集成、智能可定制等。目前，为达成这些要求的物联网所需芯片等组件的费用依然较高。对面广量大的教学系统来说，全部植入上述功能的芯片显然不切合实际。如何有效解决这一问题还有待于通过技术进步逐步降低芯片成本。但无论如何降低，芯片的成本最终还是会有一个成本极限，目前大致预估是每个射频标签为一两个美分。
4、结语
物联网在教学中的应用与发展不是一个单纯的技术问题，涉及方方面面。因此，物联网在教学中的应用与发展之路还很漫长。但随着物联网技术的日益成熟，相信其在教学中的应用将越来越广泛。
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