物聯網在教育中的應用

【摘要】物聯網強調物品的互聯，是通過各種信息傳感設備將現實世界中各種物件互為連通而形成的網絡，其中所有物品都有數字化、網絡化標識，方便識別、管理與共享。本文從理解物聯網的內涵與特征出發，基于對物聯網研究現狀的把握，探討物聯網在構建智能化教學環境、豐富實驗教學、輔助教學管理、拓展課外教學活動方面的作用。

【關鍵詞】物聯網;教育;傳感網

【中圖分類號】G40-057【文獻標識碼】A 【論文編號】1009—8097(2010)02—0008—03

引言

物聯網(The Internet of things)的概念自從1999年被提出后受到了越來越多的關注。物聯網旨在將所有物品通過各種信息傳感設備與互聯網連接起來以實現智能化識別和管理。2005年國際電信聯盟(ITU)發布的《ITU互聯網報告2005:物聯網》描繪了“物聯網”時代的圖景[1]:當司機出現操作失誤時汽車會自動報警;公文包會提醒主人忘帶了什么東西;衣服會告訴洗衣機對顏色和水溫的要求等等。物聯網有望為人們提供智能化的生活與工作環境，變革人們的生活、工作與學習方式。本文基于對物聯網內涵、特征及研究現狀的把握，探討物聯網在教育中的應用。

一 物聯網的內涵與特征

1 物聯網的內涵

目前關于“物聯網”(The Internet of Things)的一個較為權威的定義是歐洲信息社會與媒體委員會在其2008年發布的《2020年的物聯網:未來之路》中提出的。其中將“物聯網”定義為由一些“具有身份標識與虛擬的個性化特征，可以利用智能化接口在智能空間進行相關操作，并可以與社會的、環境的、用戶的上下文相互連接并進行有效溝通”的物體構成的網絡，認為物聯網具有“整合性”，是未來的因特網，其中的物體互為連通且扮演積極角色，具有主體性[2]。

從中文字面上看，物聯網強調物品的互聯，被看作是一種通過各種信息傳感設備使現實世界中各種物件互為連通而形成的網絡，使得所有物品都有數字化、網絡化標識，方便識別、管理與共享。在英文表述中，物聯網被稱之為“The Internet of Things”，具有更為深廣的含義，強調“any things connection”，而“things”不但包括現實世界的物件(object)，也包括各種計算設備(computer)與虛擬空間的人工物件(artifact)，還包括網絡用戶(human)[1]。可見，在廣義上，物聯網實際上是包含了對物件之間、人與物件之間、人機之間、人人之間、物件與計算機之間、計算機之間等各種“主體”之間的互聯。自90年代以來，互聯網日益普及，人機交互、人與人之間的社會性交互、計算機與計算機之間的通信已經得以實現，因此在當前對物聯網的研究與實踐中，主要關注現實世界中物件(object)的互聯。

2 物聯網的特征

(1)連通性:連通性是物聯網的本質特征之一。國際電信聯盟認為，物聯網的“連通性”有三個維度[1]:一是任意時間的連通性(any time connection)，二是任意地點的連通性(any place connection)，三是任意物體的連通性(any thing connection)。

(2)技術性:物聯網是技術變革的產物，代表著未來計算與通信技術的發展趨勢，而其發展又依賴眾多技術的支持，尤其是射頻識別(Radio-frequency identification，簡稱RFID)技術、傳感技術、納米技術、智能嵌入技術。

(3)智能性:物聯網使得人們所處的物質世界得以極大程度地數字化、網絡化，使得世界中的物體不僅以傳感方式也以智能化方式關聯起來，網絡服務也得以智能化。物聯網具有智能化感知性，它可以感知人們所處的環境，最大限度地支持人們更好地洞察、利用各種環境資源以便做出正確的判斷。

(4)嵌入性:物聯網的嵌入性表現在兩個方面，一是各種各樣的物件本身被嵌入在人們所生活的環境中;二是由物聯網提供的網絡服務將被無縫地嵌入到人們日常工作與生活中。

二 物聯網研究現狀

近年來，物聯網受到了來自各種研究機構與團體的越來越多的關注，并取得了一些令人矚目的研究成果，其中較具影響力的包括國際電信聯盟發布的《ITU互聯網報告2005:物聯網》、歐洲信息社會與媒體委員會發布的《2020年的物聯網:未來之路》、IBM的“智慧地球”項目。物聯網的研究也受到了各國政府的重視，比如，日本與韓國2006年開始相繼實施U-Japan計劃與U-Korea計劃，我國在國家中長期科學與技術發展規劃(2006-2020)中也提出要重視傳感網的開發與利用，我國臺灣地區提出了U-Taiwan計劃，國家傳感網創新研發中心與產業園2009年12月在無錫落成，而這些計劃中都重點關注物聯網的發展與應用。這里僅列舉日本的U-Japan計劃與IBM的“智慧地球”項目。

1 U-Japan計劃

U-Japan(2006-2010)是日本2006年開始實施的在e-Japan計劃基礎上提出的基于物聯網的信息技術戰略計劃，預期在2010年實現泛在網絡社會(ubiquitous network society)[3]。日本政府認為，日本自2001年實施e-Japan計劃以來，在信息基礎設施建設、高速信息帶寬建設等方面取得了較大成果，但在網絡的互聯空間拓展與有效應用方面需要進一步規劃與推進。

U-Japan的“U”有四方面含義:一是泛在互聯Ubiquitous (Connects everyone and everything)，其中重點強調了人與物品、物品之間的互聯;二是網絡的通用性(universal)，即要弱化對用戶的技術性要求，使網絡具有用戶友好性，支持用戶的各種交流需求;三是面向用戶性(User-oriented)，要求所有的網絡服務應該基于用戶的視角，使得用戶可以便捷地利用網絡服務，同時也可以成為網絡信息的提供者;四是網絡服務應該具有獨特性與創新性(Unique)，不但使用戶利用網絡服務更具有創造性，獲得獨特的體驗，也使整個社會更具活力。

在U-Japan計劃背景下，以RFID技術、傳感技術為代表的物聯網技術將得到廣泛的應用。物聯網將被用于解決日本社會由于人口低出生率、老齡化帶來的各種社會問題，包括環境問題、勞動就業問題、健康與福利問題、教育與人力資源問題、政府管理服務問題、公共安全與防災問題、交通問題、環境與能源問題、經濟與工業問題、國際問題等。比如，在健康與福利問題解決方面，物聯網技術可以用來幫助看護獨居的老人，配戴在老人手腕上的傳感器可以自動測報老人的體溫、血壓等數據，當老人生病或遇到意外情況時，數據采集系統會自動監測并報警。

2 IBM“智慧地球”項目

“智慧地球”(Smarter Planet)是由IBM在2008年底提出的基于物聯網的新的全球戰略[4]。IBM專家認為，目前每個人、公司、組織、城市、國家、自然系統和人工系統都正在實現更透徹的感應和度量、更全面的互聯互通。在此基礎上，人們可以獲得更智能的洞察力。智慧地球戰略以優化交互為核心，以智慧的方法為途徑，從四個方面保證實施，從而實現物聯網在多個領域的有效應用。

智慧地球的核心是以一種更智慧的方法通過利用新一代信息技術來改變人們在現實世界與信息空間中的交互方式，以便提高交互的明確性、效率、靈活性和響應速度。

智慧的方法具體來說是以以下三方面為特征的:一是更透徹的感知，即要利用任何可以隨時隨地感知、測量、捕獲和傳遞信息的設備、系統或流程;二是更為廣泛的互聯互通，即要實現人與人之間、人與物件之間、物件之間等各種主體之間的互聯;三是更深入的智能化，主要是利用先進技術收集、處理數據，以獲取更加新穎、系統且全面的洞察來解決特定的問題，使得特定的知識可以有效地應用到特定行業、特定的場景、特定的解決方案中以更好地支持用戶的決策和行動。

IBM將“智慧的地球”戰略分解為四個關鍵問題以保證該戰略的有效實施[5]:一是利用新智能(New Intelligence)技術;二是智慧運作(Smart Work)，關注開發和設計新的業務流程，形成在靈活、動態流程支持下的智能運作，使人類實現全新的生活和工作方式;三是動態架構(Dynamic Infrastructure)，旨在建立一種可以降低成本，具有智能化和安全特性的動態基礎設施;四是綠色未來(Green Beyond)，旨在采取行動解決能源、環境和可持續發展的問題，提高效率與競爭力。

根據物聯網技術在不同領域的應用，“智慧的地球”戰略規劃了六個具有代表性的智慧行動方案，包括智慧的電力、智慧的醫療、智慧的城市、智慧的交通、智慧的供應鏈以及智慧的銀行。

三 物聯網在教育中的應用

1 利用物聯網構建智能化教學環境

教學環境的特性直接影響著教學績效。傳統課堂教學的物理環境所包含的教學資源比較有限，虛擬學習環境又缺乏與現實世界的交互，而物理教學環境與虛擬學習環境的整合也容易停留在表層。通過物聯網，不但使得現實世界的物品互為連通，而且實現了現實世界(物理空間)與虛擬世界(數字化信息空間)的互聯，能夠有效地支持人機交互、人與物品之間的交互、人與人之間的社會性交互。物聯網的引入使得物理教學環境的每個物件都具有數字化、網絡化、智能化特性，可以與虛擬學習環境進行無縫整合，可以即時地捕捉、分析師生的教與學的需求信息，并進行相應的調整，為師生提供智能化的教學環境與教學資源。比如，在教室里可以有感知光線的傳感器，會隨時監控光線亮度，控制教室照明燈的開關，還可以根據光線強度調控學生所用計算機屏幕的亮度;學生可以在教室內利用計算設備讀取本地或調用異地嵌入了傳感器的物體的數據用于當前的學習。

2 利用物聯網豐富實驗教學

實驗教學是培養學生動手能力和創新思維能力的重要教學手段，但傳統的實驗教學有其局限性，比如，因為存在安全性問題或者缺乏實驗器材，許多實驗無法讓學生親自動手做。物聯網的介入可以為實驗教學提供一個安全的、共享的、智能化的實驗教學環境，比如，每一種實驗器材都有數字化屬性與使用幫助信息，當實驗器材使用不當時會自動啟動報警系統;實驗者可以遠程控制異地納入物聯網的實驗器材;實驗過程數據可以被實時采集并以適當的方式提供給實驗者，實現實驗教學的數字化、網絡化與智能化。

3 利用物聯網支持教學管理

物聯網可以用于學校考勤管理、學校圖書管理、教學儀器設備管理、學校教育安全管理。比如，臺灣利用物聯網的核心技術RFID技術支持學校安全管理，主要包括八個服務領域[6]:上下學及在校行蹤通知服務;學生保健服務;校外教學管理;危險區域管理服務;校園訪客管理系統;教育設備管理服務;學校大型會議人員管理服務;運動設施使用人員管理服務。2008年度，臺灣成立了校園安全應用RFID技術協助學生安全建置計劃，逢甲大學和臺中特殊教育學校配合進行了包括上下學及在校行蹤通知服務、學生體溫異常管理服務、危險區域管理服務與訪客機制管理服務四項實踐。在實驗學校的教室、走廊、大樓入口處、地下室及頂樓等地點架設約30個點RFID讀取器，每個學生配戴RFID標簽。實驗系統會自動感測RFID信息，統計學生出勤情況，老師可通過網絡查詢學生出勤情況及目前所在位置或行進路線。系統提供的腕帶式標簽可以自動感測學生體溫，當學生體溫異常時，系統將發出警報信息通知相關人員，做即時健康管理及處置措施。當學生到了頂樓、地下停車室、因短期施工而具有不安全因素的環境時，系統可以靈活地變更RFID的感測范圍的危險等級，自動發出語音作現場警示，同時發出警報信息通知相關人員做即時處理，并配合校方監視系統以有效監視現場狀況使得管理人員易于指揮調度。當訪客進入校園有RFID的感測范圍的管制區域時，系統將發出語音警示同時產生信息通知學校相關人員進行適宜處理。

4 利用物聯網拓展課外教學活動

通過實地參觀、觀摩、實踐，學生可以獲得直觀的體驗與真實的感受。課外教學活動一直以來是激發學生學習興趣、拓展學生知識空間與視野、培養學生科學探究能力的重要手段。物聯網可以拓展課外教學活動。比如，我國香港、臺灣、北京、廣州等地區開展了基于物聯網的“數字化微型氣象站”在科學教育中的應用實踐，將先進的測量技術、傳感技術與現代教學理念相結合，支持學生的正式學習、戶外學習、區域合作學習。2003年底，臺北市內中小學都建立了各自的校園氣象臺，每個校園氣象臺都可以是一個獨立的氣象觀測站，通過傳感器收集實時氣象相關信息發布到各自的校園氣象臺網頁上，各個校園氣象臺還會將每天收集到的數據發送至臺北校園氣象網實現數據與資源共享[7]。

四 結束語

目前對物聯網的研究主要在物流管理、智能家居等領域，在教育領域的探討尚為鮮見，但隨著物聯網技術的日益成熟，相信其在教育中的應用將越來越廣泛。本文探討了物聯網在構建智能化教學環境、豐富實驗教學、輔助教學管理、拓展課外教學活動方面的作用，期望本文可以為關注物聯網教育應用的研究者與實踐者們提供一些有益參考。

參考文獻

[1] The Internet of Things [EB/OL].

[2] Internet of Things in 2020: Roadmap for the future[EB/OL].

[3] U-Japan Policy [EB/OL].

[4] 智慧地球項目[EB/OL].

[5] IBM“智慧的地球”新戰略揭秘[EB/OL].

[6] 學童安全之特殊學校RFID應用[EB/OL].

[7] 臺北市校園數位氣象網[EB/OL].

The Application of the Internet of Things in Education

LI Lu-yi1Zheng Yan-lin2

(1.School of Education Science， Northeast Normal University，Changchun，Jilin130024，China;

2. School of Media Science， Northeast Normal University，Changchun，Jilin，130117，China)

Abstract: The Internet of Things aims at connecting all the things in real world by means of various information devices to form a united network， in which all the things are digital and identified for different usage and sharing. Based on the understanding of the connotation and characteristics of the Internet of Things， this paper discusses two typical projects based on the Internet of Things， explores its application prospects in education， and mainly focuses on how to utilize the Internet of Things to construct intelligent instructional environments， to enrich experimental teaching， to assist educational management and to extend educational activities outside classroom.

Keywords: The Internet of Things; Education; Sensor Network

編輯:宋樹