物聯網在教育中的應用與思考

鄧趙紅,桑慶兵

(江南大學物聯網工程學院,江蘇 無錫 214122)

物聯網在教育中的應用與思考

鄧趙紅,桑慶兵

(江南大學物聯網工程學院,江蘇 無錫 214122)

物聯網是信息系統和物理系統高效融合的產物,未來將廣泛應用于各領域。文章在基于對物聯網定義、特征的把握的基礎上,探討物聯網在教育中的應用,并對應用過程中可能產生的一些問題進行了分析和思考。

物聯網;傳感網;RFID;教育

2009年以來,一場關于物聯網的風暴席卷全球[1]。在這一年年初美國奧巴馬總統提出了“智慧地球”概念;6月,歐盟委員會遞交了《歐盟物聯網行動計劃》;7月,日本 IT戰略本部頒布了日本新一代的信息化戰略——“i-Japan”戰略;同年 8月 7日,溫家寶總理視察無錫微納傳感網工程技術研發中心并發表重要講話之后,“物聯網”、“感知中國”概念在國內迅速升溫。物聯網技術已成為當前各國科技和產業競爭的熱點。繼 20世紀 80年代 PC機、90年代因特網、移動通信網之后,物聯網與智慧地球的發展動態,將打破了人們的傳統思維。它的廣泛應用必將在后 IP時代成為推進全球邁向信息社會的“發動機”。本文基于對物聯網內涵、特征的把握,探討物聯網在教育中的應用,并對應用過程中可能產生的一些問題做冷靜思考。

1 物聯網的內涵與特征

“物聯網 ”在歐美被稱為“theInternet of Things”(IO T),強調“any things connection”[2]。中國科學院姚建銓院士指出:凡是由傳感器、傳感技術及利用某種物體相互作用而感知物體的特征,按約定的協議,來實現任何時刻、任何地點、任何物體、任何人,實現所有人與人,物與物,人與物之間互聯、互通,進行信息交換和通訊,實現智能化的識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡,即可稱為物聯網。因此,物聯網是傳感網與因特網、移動通信網,“三網”高效融合的產物,是信息系統與物理系統高效融合的產物(又稱為信息物理融合系統)[3]。它可以廣泛應用于軍事與安全、科研與教育、環境與交通、醫療、制造等各領域。

物聯網正在實現世界上物與物、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簽 (RFID)、二維碼、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等組成的智能傳感器,經過接口與無線通信網絡、因特網互聯,以實現人與物、物與物相互間智能化地獲取、傳輸與處理信息。典型的物聯網由三大部分組成,即RFID系統、中間件 Savant系統和 Internet系統[4],如圖 1所示。

圖1 物聯網結構Fig.1 Structure of internet of things

其中 RFID系統主要包括 RFID電子標簽(tag)、閱讀器 (reader)及數據交換和管理系統(processor)軟件;中間件 savant系統由 Savant服務器、ONS(object nam ing service)服務器、PML (physical m ark up language)服務器及相應的數據軟件等組成;Internet系統通常由計算機系統和網絡服務器等組成。

物聯網的組成方式,使得它具有如下基本技術特征:

(1)全面與主動感知特征。物聯網是以感知為目的,實現人與人、人與物、物與物全面互聯的網絡。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“物”的狀態、位置等信息。實現的原理則是在物體上植入各種微型感應芯片,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絡、互聯網、移動通信網等各種通信網絡傳遞交互,從而感知世界。

(2)可靠與完整傳遞特征。物聯網中不同的應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。物聯網可以通過有線、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,再準確、可靠、有指向性地傳輸給信息處理設備與環境,以適應不同的應用需求。

(3)海量與多視角處理特征。在物聯網中會存在難以計數的傳感器,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境信息,每做一次新的采集就得到新的數據。面對采集的海量數據,必須通過多視角分析和處理才能實現智能化。隨著物聯網應用的發展、終端數量的增長,可借助云計算處理海量信息,進行輔助決策。

(4)智能服務特征。物聯網給整個移動通信、互聯網都帶來了一個全新服務的體系,它把通信或者是傳輸的業務擴展成從感知、傳輸到處理的一個綜合服務。物聯網應用需要具有常規應用無法比擬的智能特征,不僅具有超越人類常規視覺、嗅覺和觸覺范圍的高靈敏度,還具備大海撈針、感知規律、進行預判的智者風范,為人類提供更靈敏、更智能的服務。智能化服務是體現物聯網應用價值的關鍵表現,也是推動物聯網商業模式成功的動力。

2 物聯網在教學中的應用

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

(1)有利于建立全面和主動的教學管理體系。在建立教學管理運行體系方面,利用現有物聯網的核心技術:RFID技術的支持,有利于完善教學管理的組織系統、評價和考核系統,從而對教學的質量建立保障和監控體系。通過 RFID標簽和校園智能卡系統的結合,教師可利用物聯網系統,對學生的學習情況進行自動的統計。例如:在分組實驗教學中,可以對學生的出席和對應的實驗器材建立聯系,通過 RFID系統建立實驗室教學管理系統。院校各級教學管理部門也可利用 RFID技術,對學生學習情況、到課情況進行分析,從而有利于學生工作部門有針對性地開展思想政治工作。同時還可以對學生在校園的行蹤進行監控,設立校園安全控制區域,減少不必要的校園安全事故的發生;建立基于物聯網的彈性修學模式,利用物聯網信息完整和可追述的特征,學生可以根據本人的興趣特長,隨時修改或完成某一課程的學習,隨時選擇某一心儀教師的教學,在需要考試時,隨時連接到試題庫系統并完成考試過程,從而真正實現學分制;建立雙向的教學評價和考核系統,有利于實現學生和教師同行對每一次教學的實時評價,根據此評價,學生和教師雙方都可以調整教學進度,改善學生的學習效果,提高教師的教學效率。

(2)有利于構建完全交互與智能的教研環境。利用傳感網絡,可實現教學環境的實時信息反饋。目前,多數高校已經實施多媒體教學設施進課堂,利用物聯網,可對課堂教學設備實現智能控制。例如:在教學樓里安裝上萬個傳感器并用 IPV6網絡進行連接,可根據教室光線強弱自動調節教室光源和投影機的流明度;也可根據教室環境溫濕度,通過紅外感應設備自動控制教室空氣的更換率;更可利用物聯網識別技術,建立教師和對應授課教室的關聯授權,智能控制教學儀器的使用等。這種方式的應用,已在部分研究機構中得以實現[5],例如:在北京,西門子總部里面所有的燈光都是通過物聯網智能控制的,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備連接到電腦上,由電腦進行操控。與此同時,筆者也認為,利用物聯網構建的智能教學環境的應用應遠不止于此。利用物聯網信息完整與可靠傳輸特性,可實現教學環境的真正交互。例如: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。在教師的授課過程中,隨時可以控制遠在實驗室中的教學儀器,通過網絡視頻設備,將實驗過程與結果實時的顯示在課堂教學中,學生也可實時控制遠程設備,自行得到正確的實驗結果。改變現行多媒體教學中,實驗過程模擬化,實驗效果非直觀的弊病。

通過將大型科研設備納入物聯網,可有效改變目前教研資源不平衡問題,經過授權后的研究者可以在全球范圍內控制該設備,科研過程數據也可以被實時采集并以適當的方式提供,最終實現教學科研的數字化、網絡化與智能化。此方面的先例有TAMU和M IT近期實施的 CSA IL計劃[6],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分,并進行實時存儲。成熟的西紅柿被識別之后,機器人能準確地從植物上摘除。TAMU的研究人員可以利用M IT在物聯網領域的研究優勢,直接獲取該研究成果數據。

此外,利用嵌入了傳感芯片的教學設施,不但能夠像多媒體設施一樣,對教學中的結構化信息進行處理,也可對常規多媒體設施所不能處理的非結構化信息,諸如學生的思維、體會、情感、意志等進行整合,從而真正實現教學環境的智能和交互。

(3)有利于重構創新和開放的教學模式。基于物聯網教學環境下的教學模式相比于以往的各種教學模式,具有更加開放和創新的特征?？梢砸劳形锫摼W強大的物質和信息資源優勢來建立基于物聯網的科學探究模式。在該模式中,學習者可以最大限度地利用物聯網資源,并在發掘物聯網信息的同時促進高級思維能力的發展。例如:在虛擬社區的學習交互模型中,基于物聯網的模式要比給予互聯網的模式更能激發出學習者的深層思考,并產生交互。該模式更能引導學習者在每次知識建構、剖析、探討和問題解決戶進行反思、總結和提煉有價值的內容,并在物聯網上與其他學習者共享。

同時,將先進的物聯網技術與現代教學理念相結合,運用到科學教學活動中,也能夠對協作和協同教學模式起到很好的支撐作用。傳統的協作和協同教學模式標志著開放系統中大量亞系統之間相互作用的,整體的,集體的或合作的效應,能夠很好地解決教學過程中的“導—學”關系。比較著名的有密歇根大學的跨學科協同教學模式[7]。而基于物聯網的跨學科協同教學模式,則可以很好地克服原有模式中的障礙。同時它的海量數據與多視角處理特征,也能夠進一步激發學生主動進行只是融合的欲望,發展整合和協調多學科的能力。

(4)有利于拓展學習空間、培養學習者自主學習能力。物聯網能為學習者的常規學習、課后學習、區域合作學習提供支撐環境,拓展學習空間,有利于學習者的自主學習和滿足個性化學習需要。學習者可以通過物聯網,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[8],其實就是遠程監控的物聯網應用。與傳感系統相結合,學習者就可以利用它完成諸如材料學、氣象學、生物學等集成應用領域內的多種科學探究。

同時,物聯網的感知特性,也能夠使教育者對學習者的學習過程進行有效管理。

3 物聯網教育應用的思考

物聯網因為廣泛引入“物”,并且物的特征發生了質的飛躍,所以將更有利于在教學過程中形成豐富多樣的、創新型的產品和應用。但正如 20世紀六七十年代時的互聯網一樣,我們已經能夠預知道它未來無可限量的應用,但要在現階段廣泛應用于教育實際,仍有許多問題亟待解決。

(1)如何解決不同類型教學要素的互聯互通。物聯網注重于物與物,物與人之間的互聯互通。在教學中,即是教學者、學習者、教學設施之間的互聯互通問題。從物聯網結構上來看,每個“物品”都需要在物聯網中被尋址。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設施之間也存在著通信協議不統一的問題,例如:在接入層面上,GPRS、短信、傳感器、TD-SCDMA、有線等多種協議類別五花八門。應該看到,當前的信息化,雖然網絡基礎設施已日益完善,但離“任何人、任務時候、任何地點”都能接入網絡的目標還有一定的距離,并且,即使是已接入網絡的信息系統很多也并未達到互通,信息孤島現象較為嚴重。通信協議統一與否將是制約未來物聯網在教學中應用程度的重要因素。

(2)物聯網未來在教學中的應用模式更應該基于哪一個層次。迄今為止,對物聯網的研究還停留在關注解決傳感器和傳感網層次的問題,我們依然將其等同為傳感網絡。不可否認,傳感,是物聯網的最基本特性。但是筆者認為,物聯網在教學中要得到長足的應用,其未來的應用模式應當是一種簡單、通用、易用的軟件應用,這種軟件應用可以使學習者處理“感知”到的物體數據,更深層次地分析、理解、認識物體世界的演變規律,更好地利用信息化成果和智能化服務。

(3)如何保障教學應用自身的安全與可控。物聯網在教學中應用時,教學設備間聯系更緊密,設備和人也連接起來,使得信息采集和交換設備大量使用,所采集的教學信息越來越海量,在這些數據中,哪些屬于學術和人員的隱私,必須保護,是此類應用中不能夠回避的問題。不解決此問題,數據的泄密將越來越嚴重。

(4)如何解決物聯網在教學應用中費用問題。在物聯網使用的 RFID系統中,核心的部分是芯片。芯片作為物聯網關鍵技術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網所需芯片等組件的費用依然較高。對面廣量大的教學系統來說,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,目前大致預估是每個射頻標簽為一兩個美分。

4 結 語

物聯網在教學中的應用與發展不是一個單純的技術問題,涉及方方面面。因此,物聯網在教學中的應用與發展之路還很漫長。但隨著物聯網技術的日益成熟,相信其在教學中的應用將越來越廣泛。期望借本文拋磚引玉,可以為關注物聯網教學應用的研究者與實踐者們提供一些有益幫助。

[1] 邢 書.各國“物聯網”戰略部署及技術應用[J].信息化建設,2010(1):49-51.

[2] 朱仲英.傳感網與物聯網的進展與趨勢[J].微型電腦應用,2010(1):1-3.

[3] 王曉靜,張 晉.物聯網研究綜述[J].遼寧大學學報:自然科學版,2010(1):37-39.

[4] 寧煥生,張 瑜.中國物聯網信息服務系統研究[J].電子學報,2006(12):2514-2517.

[5] 黃孝斌.物聯網應用實踐[J].信息化建設,2009(11):21-22.

[6] 鮑勃·威廉姆斯,張進京.物聯網的應用實例與效益[J].財經界,2010(3):73-76.

[7] 劉海燕.密歇根大學的跨學科協同教學模式[J].中國高等教育,2008(17):60-62.

[8] 田 玲,李 勁.基于中國電信普及版視頻監控系統的智能家庭方案探討[J].信息通信,2009(6):56-59.

The Applications and Thinking of the Internet of Things in Education

D ENG Zhaohong,SANG Q ingbing
(School of IO T Engineering,Jiangnan U niversity,W uxi 214122,China)

The internet of things is a highly efficient integration product of inform ation system s and physi2 cal system s,w hich w ill be w idely used in various fields.B ased on grasping the m eaning and characteris2 tics of internet of things,the paper discussed the applications of the internet of things in education,and analyzed som e of the problem in the application process.

internet of things;Sensor N e tw ork;RFID;education

G40-057

A

1671-7880(2010)04-0048-04

2010-05-18

國家自然科學基金(60903100);江蘇省自然科學基金(BK2009067)

鄧趙紅(1981— ),男,安徽蒙城人,博士,副教授,主要研究方向為計算機智能。