從優化管理到促進創新
——物聯網教育應用目標發展概述 *

傅 騫

(北京師范大學 教育學部 教育技術學院，北京 100875)

從優化管理到促進創新
——物聯網教育應用目標發展概述 *

傅 騫

(北京師范大學 教育學部 教育技術學院，北京 100875)

隨著物聯網技術的不斷發展，物聯網教育應用已經滲透到中小學教育的管理和教學當中。該文從物聯網技術和教育目標整合的緊密程度出發，把物聯網教育應用的目標由低到高分成了優化管理、技術體驗、課程整合、科學探究和創新教育五個層次，并重點描述了各個層次的應用特點及典型案例。同時，該文也指出物聯網教育應用的各個層次在目標上雖然是遞進關系，但在實踐上是包容關系，從而更好地從本質上促進教育的發展。

物聯網；創客教育；探究性學習

一、問題的提出

隨著物聯網技術的不斷發展和物聯網行業應用的逐步深入，已經有越來越多的物聯網技術被應用到中小學的教育中來。如李盧一等[1]在2010年總結得出物聯網技術已經被用于構建智能化教育環境、豐富實驗教學、促進教學管理和擴展課外教學。賀志強等[2]在2011年總結得出物聯網技術已經被用于支持課堂教學，用以完成實時教學測評、實驗交互指導等；用于支持課外教學用以完成課外研究性學習；用于支持教學管理，用以完成設備管理、校園監控等。韓少勛[3]在2012年總結得出物聯網技術已經被用于支持教學環境建設、模擬虛擬現實場景、加強家校溝通和拓展課外活動。孟繪[4]在2013年總結得出物聯網技術已經被用于信息化教學、教育管理和智慧校園建設。

上述的物聯網教育綜述研究給教育工作者描繪了物聯網教育應用的主要場景，從而給一線教師如何在中小學教育中開展物聯網教育應用提供了方向指導。但由于這些研究并沒有從物聯網教育應用的目標上進行深入思考，所以在他們總結物聯網教育應用時，所有的物聯網教育應用都是等價的，這樣就給實際的物聯網教育應用帶來了以下問題：

1.難以選擇物聯網教育應用的初始起點。物聯網教育應用類型多樣，差異顯著，而且成本較高，那么學校應該最先選擇怎樣的物聯網教育應用才能起到最好的效果，同時也最有利于以后更多的物聯網教育應用開展呢？為了解決好此問題，必須給物聯網教育應用進行必要的層次劃分。

2.難以規劃物聯網教育應用的發展路線。物聯網教育應用是個年輕的同時又在不斷發展的事物，如果按照現有的應用場景對物聯網教育應用進行限定顯然是有局限性的，那么學校應該從哪個角度來對本校的物聯網教育應用進行路線規劃呢？為了解決好此問題，同樣有必要對物聯網教育應用進行必要的層次區分。

3.難以體現物聯網教育應用的巨大價值。當前的物聯網教育應用主要還是輔助現有教學方式的開展，并沒有對教育的終極目標即幸福人生的培養[5]產生一定的促進作用，所以當前的物聯網教育應用發展空間和影響力都比較有限。但實際上，物聯網教育應用的領域遠遠不止上面總結的那些，如當前比較火的創客教育[6]其實就是學生對物聯網技術的學習和應用，而創客教育帶來的幸福成就感是有目共睹的。所以，我們有必要從物聯網教育應用的目標上對物聯網教育應用的方式做進一步地理解，并最終促進教育終極目標的實現。

綜上所述，為了更好地利用物聯網技術促進中小學教育的開展，我們有必要對物聯網教育應用的類型根據其應用的目標做層次化的區分，從而為日后物聯網教育應用的開展提供一條可擴展的發展路線，并最終促進教育終極目標的實現。

二、物聯網教育應用目標層次分析

根據物聯網教育應用的目標的不同，可以把物聯網教育應用從低到高分成以下五個層次，它們分別是：(1)面向優化學校教育管理的物聯網教育應用；(2)面向物聯網技術體驗的物聯網教育應用；(3)面向課程整合教學的物聯網教育應用；(4)面向科學探究的物聯網教育應用；(5)面向創新教育的物聯網教育應用。其實，這五個層次也是物聯網教育應用歷史發展的五個階段，當然，這里的不同層次并不是替換的關系，而是包容關系，我們建議用戶先開展較低層次的應用再開展高一級層次的應用。

1.面向優化管理的物聯網教育應用

就如同當前信息技術進校園一樣，物聯網教育應用的第一層次也是利用物聯網技術來優化日常的學校管理并提高工作效率，其主要應用有一卡通系統[7](包括家校通擴展系統)、能耗監測[8]、電教設備管理[9]、智慧教室管理[10]、校車監控[11]、車輛管理[12]和健康監測等。該層次的物聯網教育應用目標是利用物聯網技術本身的優勢來優化學校中的日常事務，通過提高管理效率來增加廣大師生的有效學習時間，從而促進教學效果的提升。

校園一卡通系統是當前面向優化學校管理的最成熟的物聯網教育應用，它綜合采用了物聯網技術中的RFID技術、嵌入式計算、網絡通訊、數據庫處理等技術，實現了基于校園卡的標準化、唯一化管理。下圖是校園一卡通的結構如圖1所示，圖1的下半部分是常規的校園一卡通應用，通過無源RFID技術實現機器對人的唯一識別并完成相應的消費記錄和考勤記錄；圖1的上半部分是家校通擴展應用，通過有源RFID技術實現學生到校和離校信息，以方便家長查詢和學校推送。

圖1 校園一卡通示意圖

智慧教室管理系統是當前最有前途的面向優化學校管理的物聯網教育應用。“情景感知”是智慧教室管理系統的重要功能之一，它需要實時并自動地把教室中的噪音、光線、溫度、濕度、CO2濃度等調節到最合適的狀態，并實時感知學生的行為，包括學生的位置、姿態、操作等，從而方便教室分析學生的學習需求從而提供適應性支持。顯然，這些功能的實現必須通過物聯網技術中的傳感器技術、無線通訊技術等來完成，下表是智慧教室管理系統使用的主要技術。

智慧教室管理系統使用的主要技術列表

2.面向技術體驗的物聯網教育應用

物聯網技術作為信息技術的重要組成部分已經融入到社會生活的各個方面，中小學生有必要盡可能地體驗物聯網技術給社會帶來的巨大變革，從而在體驗物聯網技術功能的基礎上激發學生STEM學習的熱情，同時也可以進一步提高廣大師生的信息技術素養。這就是物聯網教育應用第二層次的目標。

面向技術體驗的物聯網教育應用在實踐操作中有兩種表現形式，一種是把現實在用的物聯網教育應用用作體驗平臺，如前面的一卡通系統、能耗管理系統等都可以讓學生理解物聯網技術帶來的巨大生活變革，當然，此種方式的體驗注重的是物聯網技術整體的系統體驗。而另外一種方式則是根據物聯網技術的特點建立涵蓋從分立技術體驗到整合系統體驗的專門物聯網技術體驗中心。但不管哪種方式，一定要明確物聯網體驗中心的目標不是物聯網技術的學習理解，而是物聯網相關技術學習興趣的激發。

考慮到物聯網技術的特點，筆者建議的物聯網體驗中心體系結構如下頁圖2所示，它由各類物聯網設備、數據接入模塊、物聯網基礎數據平臺[13]及各類真實應用組成，可以完成各類分立物聯網技術即具體物聯網真實應用的體驗。

在真實物聯網應用的選擇上，筆者根據學校本身的特點建議開展的體驗應用如下：

有源RFID應用系統——學生考勤定位系統：該系統由學生隨身的有源標簽和校園內的大量有源標簽讀卡器組成，該系統可以讓家長和老師實時了解學生的到校情況，也可以了解學生在整個校園內的活動軌跡，以備日后進一步的分析。用Wi-Fi、藍牙和以太網通訊技術，通過監測各個電器的能耗消耗來完成節能減排的規劃，通過用戶手機來開關插座，從而實現節能減排。

3.面向課程整合的物聯網教育應用

圖2 物聯網體驗中心體系結構

超高頻RFID應用系統——車輛出入管理系統：該系統由汽車上的超高頻RFID和門口的讀卡器組成，當帶有標簽的汽車到達門口時，門口的讀卡器檢測到后打開自動門，讓車輛進入。

高頻RFID應用系統——實驗設備管理系統：該系統由貼在各類實驗設備上的標簽和移動讀卡器(可以直接用支持NFC的手機代替)組成，可以在標簽上通過讀卡器寫入設備的基本信息以便日后讀取，同時在設備被借出和還入等狀態變更時通過讀卡器和對應軟件進行管理。

無線校園環境監測系統：該系統由部署在校園內的多個環境監測節點和一個網關組成，采用802.15.4通訊技術，監測節點主要監測溫度、濕度、CO2濃度、噪音大小、光照強度等，這些數據最終將記錄到基礎平臺中，有權限的用戶可以通過網頁來查看。

校園車位管理系統：該系統由部署在多個車位上的車位傳感器和一個網關組成，采用802.15.4通訊技術，通過監測車位附近的地磁偏轉來確定車位上是否有車，這些數據最終將記錄到基礎平臺中，有權限的用戶可以通過網頁來查看。

校園能耗管理系統：該系統由多個支持能耗計量的插座、藍牙開關插座和一個網關組成，綜合采

物聯網技術可以很好地與課堂教學相結合，在物聯網技術的幫助下，教師既可以把原先相關課程中的某些實驗過程更加準確、直觀、且持續地呈現，也可以把抽象的知識點和現實的物理世界聯系起來，還可以把知識點的學習和具體的情境結合起來，從而方便學生進行更好的知識理解，同時激發學生的學習興趣，進一步地發揮學生的主體作用[14]，整體提升學習效果。這就是物聯網教育應用第三層次的目標，即實現物聯網技術與其它學科的課程整合。

物聯網技術可以和多個學科開展整合教學，其中包括生物、化學、地理、數學、物理和信息技術等[15]，www.manylabs.org是一個專門收集物聯網技術與課程整合的公益網站，任何用戶都可以在該網站的指導下開展整合教學的應用。另外，國內已經列入裝備的數字探究實驗室從技術上來看其實就是物聯網技術的一種應用方式，它已經被應用于實驗教學多年。從具體的應用方式來看，物聯網技術在課程整合中的方式可以歸納為以下三類：

(1)用于開展實驗教學

這里的實驗教學有兩方面意思，一是教師在課堂上利用物聯網技術進行實驗現象的展示，二是學生利用物聯網技術開展實驗探究。由于物聯網技術可以更加準確地測量各類實驗數據，而且還可以持續地自動記錄實驗數據，所以師生可以把更多地精力集中到數據分析中來，從而有助于學習效果的提升。

(2)用于呈現抽象概念

在科學課程中，教師經常要講授一些抽象概念或不可見現象，如地球磁場、加速度、CO2濃度、Ph濃度等，這些都可以借助于物聯網技術對這些事物進行可視化測量，而且可以讓學生主動參與，并切身感受在自己影響下的這些事物的讀數變化，從而加深學習的理解。

(3)用于連接現實情境

情境化學習把需要學習的內容和用戶的真實處境聯系在一起，具有很好的學習效果，如當我們見到不認識的動植物時，都會主動詢問，而且一旦得到答案后就會記憶深刻，而物聯網技術可以幫我們方便地感知現實情境。如在學習地貌分類時，可以借助于定位技術自動推送當前的地貌信息；在學習英語時，同樣借助于定位技術推送合適的英語學習材料；在學習植物時，可以借助于RFID或二維碼技術現場了解植物的具體信息，這些都是物聯網技術通過連接現實情境開展整合教學的具體應用。

4.面向科學探究的物聯網教育應用

探究性學習是提高學生科學素養和創新能力的重要途徑，是當前中國基礎教育改革重點推行的學習方式之一，但受到傳統探究性學習探究方式單一、探究對象有限等的限制，探究性學習在學校中的開展情況并不樂觀，而物聯網技術的引入可以更好地為開展探究性活動服務[16]，這就是物聯網教育應用的第四層次目標，第三層次的應用以教師指導為主，而這里則是以學生自主探究為主。

一個完整的探究性學習由以下5個相互關聯的環節組成：選擇需要探究的問題、獲取分析該問題所必須的各種證據、分析證據并解釋結果產生的原因、評價學習者得出的解釋、發布成果。應該說，在這5個環節中，獲取證據是其中最關鍵也是最復雜的一個環節，需要占用學習者大量的精力和時間，但物聯網技術的引入可以大大節省這部分的重復勞動，從而把更多的時間利用到探究方案的設計和探究數據的處理上，從而提升探究活動的應用效果。比較典型的案例有：國內多地開展的基于自動氣象站的探究性學習、美國開展的面向K12的熱帶海洋氣候研究(Ossabest項目)、無錫地區開展的感知生長項目研究等。從活動類型上分類，我們可以把基于物聯網技術的探究性活動分成以下四類：

(1)面向情境的知識發現類活動

在該種活動類型下，首先由教師提出需要探究的問題并講解探究活動需要的知識，然后引導學生去現實中利用物聯網設備去直觀地感受這些科學知識并解決教師提出的問題，最后是師生之間通過討論加深理解。這樣的活動可以是：河流Ph值變化的原因、房間中溫度的高低分布、高度和氣壓的關系等。

(2)面向問題的混合交互類活動

在該種活動類型下，首先由教師講解相關的科學知識并提供必要的數字資源，然后提出一個查找類的探究問題并要求學生通過掃描二維碼或RFID來提供答案，最后是系統或教師提供合適的反饋，如果是正確的，則給以知識強化，如果不正確的則給以新的要點提示。這樣的活動可以是植物的識別、巖石類型的識別等。

(3)面向主題的環境感知類活動

在該種活動類型下，教師只給定探究范圍以及必要的學習資源，由學生自己去提出問題，并借助于物聯網設備進行探究學習，學生通過查閱資料、分析數據得出結論，最后在教師的指導下展示成果并討論，在該類活動下，學生需要更多地發揮主觀能動性。這樣的活動可以是環境污染主題下的噪音的來源、溫室效應的產生、PM2.5的產生等。

(4)面向協同的對比探究類活動

此類活動的開展需要把物聯網技術和社交網絡整合在一起，首先是教師提出需要對比協同探究的問題，然后多個地域的學生通過物聯網和社交網絡收集并交換數據，同時在社交網絡上協商這些數據之間的內在關系，從而得出需要的結論。由于此類活動的開展需要多個地域的學生參與，所以其開展對促進教育資源的共享有一定的促進作用。這樣的活動可以是氣候和植物生長的關系、地理環境和氣候的關系等。

5.面向創新教育的物聯網教育應用

創新教育是當前教育改革的主要目標，筆者認為創新教育的主要目標就是激發和保持學生與生俱來的創新能力，同時培養學生的交流與分享欲望，塑造學生完整健康的人格。物聯網技術在教育中的廣泛應用給學校的創新教育創造了更好的條件，主要包括更加完備的硬件實驗室建設和更加優化、民主與開放的軟環境建設兩方面內容[17]。這就是物聯網教育應用的最高目標——通過物聯網技術促進學生創新能力和分享能力的提升，而當前最主要的應用方式就是以物聯網技術應用為主的創客教育的開展[18]。

什么是創客，不同的人有不同的理解，筆者認為：創客就是一些把自己的創意轉變成實物并在與他人的不斷分享中享受幸福和快樂的人，對于創客來說，成就感的滿足不是來源于創意帶來的經濟價值而是創意完成本身的快樂。而創客教育就是在教育中讓學生能夠體會這種通過創新帶來快樂的教育方式。在沒有物聯網技術之前，激發學生的創新并由此帶來快樂是很困難的，因為任何創新事物的產生和完成都要大量的知識積累，而這過程顯然是痛苦的；而物聯網技術的出現帶來了大量的積木化二次開源組件，從而使創新的激發和完成都變得簡單，學生的快樂成就感比較容易獲得，學生更愿意去開展創新實踐。

當前國內外開展的創客教育內容主要有以下幾類：以圖形化編程軟件SCRATCH及擴展硬件為核心的創意程序設計、以開源硬件如mbed,Arduino,rasperberry Pi為核心的創意電子設計、以圖形化編程軟件Appinventor為核心的創意移動應用開發、以結構件和3D打印機為基礎的創意造型設計、以機器人為切入點的創新機器人開發。從創客教育的內容也可以看出，創客教育的本質其實就是學生基于物聯網技術的創意開發，但我們在開展創客教育的過程中一定要牢記，創客教育的關鍵不是知識的傳授，而是創新意識和分享精神的激發，讓學生體會創造的成就感才是關鍵。

創客教育的開展離不開創客實驗室的建設，而創客實驗室的建設從本質上來說就是前面提及的物聯網技術體驗中心的擴展，所以在實際的建設中是可以復用的。

[1] 李盧一,鄭燕林.物聯網在教育中的應用[J].現代教育技術,2010,(2):8-10.

[2] 賀志強,莊君明.物聯網在教育中的應用及發展趨勢[J].現代遠程教育研究,2011,(2):77-83.

[3] 韓少勛.從績效的角度看物聯網在教育中的應用[J].中小學電教(下),2012,(11):6.

[4] 孟繪.物聯網在教育教學中的應用[J].課程教育研究,2013,(26):249.

[5] 高云峰.培養幸福的人是教育的終極目標[J].內蒙古師范大學學報(教育科學版),2014,(5):6-8.

[6] 吳俊杰,周群,秦建軍,蔣程宇,欒軒.創客教育:開創教育新路[J].中小學信息技術教育,2013,(4):42-43,52.

[7] 陳雪斐,劉菁,韓駿.家校通系統之比較研究[J].中國電化教育,2011,(5):125-128.

[8] 高建來,辛磊.校園能耗監測與管理平臺建設實踐[J].商業經濟,2013,(4):117-119.

[9] 呂澤輝.基于RFID的自動控制實驗室設備管理系統[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學,2013.

[10] 黃榮懷,胡永斌,楊俊鋒,肖廣德.智慧教室的概念及特征[J].開放教育研究,2012,(2):22-27.

[11] 趙曉軍,申軍濤,溫丁一,張國騫.基于RFID/GPRS校車遠程監控系統的研究[J].電視技術,2014,(1):160-163.

[12] 馬開元,張瑞軍,卜祥龍,趙惠玲,汪文博.一種智能化的校園車輛管理系統研究[J].信息技術,2014,(3):21-24.

[13] 傅騫,宋衍.面向物聯網教育應用的新一代教育資源庫設計與開發[J].中國電化教育,2014,(1):88-92.

[14] 景海陽.物聯網技術與《科學》課程整合研究[D].鄭州：河南大學,2012.

[15] manylabs.WhatisManylabs?[EB/OL].https://www.manylabs.org/,2014-07-07.

[16] 傅騫,原艷霞.物聯網技術支持下的探究性學習社交網絡平臺開發研究[J].中國電化教育,2011,(12):120-124.

[17] 張天軍.物聯網時代的創新教育[J].當代教育與文化,2010,(5):11-15.

[18] 謝作如.創客們的教育夢和教育者的創客夢[J].中小學信息技術教育,2014,(4):13-15.

傅騫：副教授，博士，碩士生導師，研究方向為物聯網技術及教育應用(fredqian@bnu.edu.cn)。

2014年8月1日

責任編輯：馬小強

From the Optimization of Management to the Promotion of Innovation——Review of the Development Objectives of the Application of the Internet of Things Education

FU Qian
(School of Educational Technology, Beijing Normal University, Beijing 100875)

With the development of Internet of things technology, Internet of things education has been used widely in teaching and management in primary and secondary education. From the close degree of the integration of Internet of things technology and education objectives, this paper divides objectives of Internet of things Education applications from low to high intofive levels of optimization management, technical experience, curriculum integration, scientific inquiry and innovative education, and describes the application characteristics and typical cases of all levels. At the same time, this paper also points out that the application of the Internet of things education at all levels in the target is a progressive relationship, But in practice it is inclusive relations, so as to better promote the development of education in essence.

Internet of Things ( IoT) ; Hacker Education ;Inquiry Learning

G434

A

1006—9860(2014)11—0069—05

* 本文受到中央高校基本科研業務費專項資金“物聯網教育應用中間件研究”(項目編號：2012LYB16)資助。