基于物聯網技術的情景感知教學模式

楊桂松+徐慧芬+何杏宇+王莉

摘要：物聯網技術已經是當前科技角逐和產業競爭的熱點技術，而物聯網的快速發展使得物聯網技術在應用上有了很多的創新模式。物聯網在教學模式中的應用則具有重大的社會價值和意義，本文基于對物聯網的內涵、特征的把握，探討了物聯網在教育中的應用，并針對物聯網的特性，使其和情景感知系統以及虛擬現實技術結合起來，提出了一種創新的教學模式，該模式將學習環境參數和學生的個體特征結合起來進行融合處理，并通過虛擬現實技術作為輸出，以提高學生的學習體驗和學習效率。

關鍵詞：物聯網；情景感知；教學模式；虛擬現實。

引言

近年來，隨著物聯網技術的蓬勃發展，探討物聯網在創新教研模式中的應用則具有重要的實踐和理論意義。把現代科學和教研理論相結合，把新興技術與課堂教學完美融合則賦予教育更充實的內涵和無限的想象力。

比如將實驗器材附加傳感器網絡及數字化屬性，學生通過遠程控制接人虛擬實驗室的實驗器材，并且可以實時的觀察和采集實驗過程中的數據和結果，并將分析過后的實驗結果通過遠程網絡發送給授課教師，同時，在操作過程中，虛擬實驗器材還可以對實驗的信息進行提示教學，當學生發生不正確的實驗操作時，虛擬實驗設備還可以做出提示及報警，這樣還可以增加學生實驗的安全性。

學校管理人員可以通過RFID射頻技術高效地管理學校內的各種教學儀器設備。目前很多學校對于教學儀器、實驗設備以及運動設施器材等的管理存在著分布離散，保養和維護不規范等問題。儀器設備被粘貼RFID標簽后，可以方便快捷地了解當前儀器的被使用狀況，使各種設施資源得到高效的共享和維護。

情景（context）的概念興起于上世紀90年代中期，1994年Schilit等人第一次使用了context aware這一詞，并將“情景”歸納為“位置、人和物體周圍的標識和這些物體的變化”。直到2000年Dey等人在總結前人的基礎上將“情景”定義為：“情景是任何描述實體情形的信息。實體可以是人、場所、以及任何與用戶和應用系統交互過程相關的對象，其包括用戶和應用系統自身。在中，作者本將情感化設計理念應用于全景虛擬校園的設計中，提出了傳統設備下全景虛擬校園的情感化設計層次模型，并對全景虛擬校園本能層感官設計、行為層功能設計和反思層指導設計的內容和原則進行了詳盡描述。

基于物聯網技術的智能化情景感知教研的研究，具有其鮮明的理論意義和獨特的實踐意義。從理論意義上來說，把物聯網技術結合在教育教學上屬于教育創新，教育創新的執行離不開理念創新和技術創新，而物聯網技術在信息產業上的應用必然會對教育創新和人才創新上發揮重要而深遠的意義。從實踐意義上來說，將物聯網技術和產品運用到教學的過程及資源的設計、開發、利用、管理和評價中，對改進創新型人才培養的模式，促進師生互動，提升學生創新能力和教學質量等均有很強的實踐價值。

1物聯網在教育領域中的應用

將計算機最前沿的技術應用于教學領域可以取得很好的效果，物聯網技術也可以用于構建智能交互的教研環境。在教室，實驗室，辦公室及學生宿舍里布置各種傳感器節點，這些傳感器節點可以被用來感應環境的溫濕度和光線強弱等參數，控制系統在識別分析數據后進行調節，并根據人員的進入或離開自動控制照明、空調、電腦的電源開關。

在教學課堂上，學生通過佩戴帶有傳感器的手表、眼鏡等可穿戴設備可以實時上傳學生在聽課過程中的緊張程度、注意力狀況、動腦思考等學習情況，授課教師可以以此為依據及時調整教學進度。

物聯網可以運用于實驗實訓等實操考核中，遠程教學系統更能體現它的優勢。無論在平時的實驗過程中或者是期末實操考核中，利用內嵌電子標簽或傳感器的實驗器材，對每一個已識別身份的學生的實際動手操作過程進行全程跟蹤監控，將學生的每一步操作反饋到終端并且完整保存，教師可以從容查看學生操作過程并進行準確的評價，從而避免了傳統的實驗成績的評價僅僅依據學生提交實驗結果、實驗報告，不能全面準確地反映學生的實際操作水平的弊端。

2情景感知系統

2.1情景感知系統

一個情景感知系統必須能夠模擬人的能力認識和利用蘊含的環境信息，以便推動其功能性的操作。為此，一個情景感知系統須收集環境或用戶態勢的信息并將這些信息翻譯成適當格式，同時組合情景信息，生成更高級的情景信息，將其他情景信息歸并后導出的情景信息；基于檢索到的信息自動采取動作；使信息能讓用戶隨時存取和易于存取，幫助用戶更好地完成任務。

情景感知可分為直接的顯示感知（輸入）和內部的蘊含感知（輸入）兩類，前者如位置信息、時間信息和設備環境信息等，后者如用戶的特點、習慣、知識層次和喜好等。

2.2興趣標簽

標簽可以對資源進行合理的分類，實質是按照關鍵字對用戶感興趣的資源進行主觀描述。這種描述形式不僅可以豐富資源本身的屬性還可以明確的顯示用戶對于資源的關注點在哪。興趣標簽已經廣泛的應用于web技術，自由定義、小組分享、檢索方便這些優勢使標簽系統在網絡上越來越受歡迎。興趣標簽目前在教育領域的應用集中于圖書館管理系統。在標簽系統中所有設定都能實現個性化。因為所有標簽都是用戶自己選擇的，所以這些標簽的組合也都是有針對性的。因此能通過不通的組合形式可以滿足不同用戶的個性化需求。

利用興趣標簽可以對資源進行合理的分類，并按照資源信息里包含的關鍵字對自己感興趣的資源進行個人主觀描述。這種描述形式不僅可以豐富資源本身的屬性還可以明確的顯示用戶對于資源的關注點在哪。

興趣標簽能在大量的數據中搜尋到用戶所感興趣的內容并提供重要幫助，并且它還能不斷提高用戶所需的個性化服務質量。興趣標簽有三大特征：隨意性、動態、共享。在本文中，我們將興趣標簽作為情景感知系統中的內部蘊含感知模塊。

3教學中的虛擬現實

虛擬現實（Virtual Reality，VR）是把客觀上存在的或并不存在的東西，通過運用計算機技術，在用戶眼前生成一個虛擬的環境，使人感到像真實存在的一種技術。虛擬現實技術是在綜合計算機圖形學、計算機動模擬與仿真、傳感技術、顯示技術等許多計算機學科的基礎上發展起來的一種計算機應用新領域。圖2所示是最新一代的頭戴視透顯示器，頭戴顯示器是虛擬現實的核心輔助裝置，它尋求的是通過信息或者計算機生成的仿真物來補充（增強）而非取代（現有模式下）實際的周邊環境。在第4節中將被用作情景感知系統的輸出，將知識以更加生動的方式展示在學生眼前。

虛擬現實應用于教學主要表現在以下兩個方面：課堂教學中，實驗教學。課堂教學是教學的主要方式，也是虛擬現實運用于教學的主要戰場。根據不同的學科，虛擬現實發揮著不同的作用，主要有以下方面的應用：立體物體的展示，立體空間的展示，展品的介紹，虛擬空間的營造與構建，虛擬場景的構造。

一般學校現有的條件下，有許多實驗是根本不可能做的。利用VR技術，可以有效地解決實驗條件與實驗效果之間的矛盾。在教學中，許多昂貴的實驗、培訓器材，由于受價格的限制而無法普及。如果利用VR技術，在多媒體計算機上建立虛擬實驗室，學習者便可以走進這個虛擬實驗室，身臨其境般的操作虛擬儀器，操作結果可以通過儀表顯示身體的感受反饋給學生，來判斷操作是否正確。這種實驗既不消耗器材，也不受場地等外界條件限制，可重復操作，直至得出滿意結果。VR實驗室的優點還在于其良好的安全性，通過VR操作失誤不會造成人身事故。此外，通過虛擬現實技術打破了傳統教學的局限性，可以方便地把遠端的實景帶到課堂里，尤其是由于時間、經費或安全性等條件限制接觸不到的一些演示演練。例如對于生物專業的學習，學生可以將生物或農作物的生長過程通過物聯網中的傳感器系統錄制下來傳送到課堂里供學生觀摩，通過各種實驗環境的虛擬或演示這些身臨其境的教學手段，加速學生對相關知識的理解和體驗。

4基于物聯網技術的情景感知教學模式

本文提出一種基于物聯網技術的情景感知教學模式，本模式以傳感器節點，手持設備，和興趣標簽等作為輸入因素，并以VR設備作為輸出，同時學生還可以根據輸出通告手持設備進行主動的反饋，如圖3所示。其中，環境感知由傳感器節點負責，作為環境感知系統的顯示感知部分。興趣標簽和手持設備則作為情景感知系統的蘊含感知部分，且手持設備可以實時接收教師或學生給情景感知系統的反饋。

4.1環境感知

通過在教室或實驗室內布置溫度、濕度、感光的傳感器節點，以獲得學生所處環境的溫濕度和光線強弱等參數，并判斷學生的學習環境是在室內還是戶外，將這些參數作為模式的環境感知輸入部分，用來調節學習環境中的照明和溫度以及做出和學生所處環境相適應的輸出等，可以使學生所處的物理環境更加舒適，從而減少學生注意力的分散。同時還要負責識別學生的身份，并對學生的操作過程進行全程跟蹤監控，將學生的每一步操作反饋到終端并且完整保存。

4.2興趣標簽及手持設備

學生通過手持設備在首次登陸時進行個人賬號注冊，注冊賬號會錄入到數據庫中，學生每次在進人學習環境時需登錄個人賬號。在注冊賬號時，學生需要先錄入個人的資料如性別、年齡和專業方向等會對學生興趣產生影響的字段。除了這些基本資料外，注冊時還需要學生自行選擇一些感興趣的關鍵詞作為自定義興趣標簽。但是，注冊時所標注的關鍵詞只是學生當時所感興趣的標簽，這類標簽也不是一直存在的。在學習過程中，隨著模型的更新，這些自定義標簽也會隨之出現增強或衰減。興趣標簽包括學科分類等內容，學生可以在大的分類下選擇自己感興趣的小分類，以此使教學變得有針對性。

4.3情景感知和虛擬現實輸出

學習者在遠程學習過程中，周圍也會存在豐富的情景信息。為更好地進行學習服務發現，需要對學習者的學習情景進行有效刻畫，并在此基礎上為情景建模。如圖2中環境感知和手持設備作為情景感知的顯示感知輸入，而興趣標簽作為情景感知的蘊含感知輸入，這兩個部分共同作為情景感知模塊的輸入部分供情景感知模塊進行分析。通過這兩部分的輸入，情景感知模塊將這些信息進行融合及處理，然后得出相應的方案，最后使用VR設備作為輸出提供適合于不同學生的學習服務。此外，學生還可以根據VR輸入的內容進行反饋，即和VR進行互動，在此是通過手持設備實現的。

5教師及學生對系統的反饋

為了驗證本系統的教學效果，分別對老師及學生進行了體驗調研。對于教師來說，主要體現在學風紀律，學習過程以及學習效果中學生的表現。表1為教師對學生表現評價表，表2為學生對教師的評價表，從表中我們可以看出，本系統可以提高學生的學習主動性和積極性，并且學習效果是很好的。

6總結

本文將物聯網技術和情景感知技術融合起來提出了一種創新的教學模式一基于物聯網技術的情景感知教學模式，該模式利用了這兩種技術的優勢改善了學生的學習環境，并使學生獲得了傳統教學模式不能提供的學習體驗，可以使學生更好的理解和運用知識。