物聯網技術對教學資源利用的提升作用研究

DOI：10.3969/j.issn.1673-8454.2024.04.011

作者簡介：唐翔，吉利學院汽車工程實驗教學中心副主任，助理研究員，博士（四川成都 641423）；孫璐，電子科技大學成都學院計算機學院副教授（四川成都 611731）；倪雨，吉利學院汽車工程實驗教學中心主任，教授，博士（四川成都 641423）；杜欣芮、張勁，吉利學院汽車工程實驗教學中心實驗員（四川成都 641423）

摘" "要：數字化轉型是當前教育管理信息化的大勢所趨，校內的實驗實踐教學資源管理也是需要推進轉型的一項重要工作。而作為一項將“物”與“網”結合的重要技術，物聯網技術在推進校內實驗實踐教學資源管理的數字化轉型方面具有非常重要的意義。該研究選取一批開放式實驗教學場所資源，在保證其他條件一致的情況下，通過有無物聯網技術支撐這一單一條件變化，選取前后兩個30天作為數據提取范圍，對管理人員和學生使用開放式實驗教學場所的行為數據進行提取、挖掘并深入分析。經研究發現，物聯網技術的應用可提升教學資源的利用率，但伴隨著使用需求和資源不足之間的矛盾加劇，管理人員和學生行為的不可控性也進一步加重。在利用物聯網技術時，除了關注其對管理效率的提升外，還應當注意技術外殼下的人文關懷，對教學資源的利用可考慮進行柔性調配，以滿足教育需要。

關鍵詞：管理數字化轉型；物聯網技術；教學資源利用；實驗室；數據分析

中圖分類號：G434" " " " "文獻標志碼：A" " " " "文章編號：1673-8454（2024）04-0100-07

一、引言

隨著信息技術與教育的不斷深入融合，智慧校園的建設也從傳統的信息系統軟件平臺建設轉向全方位智慧環境多元化的方向發展[1]。在教育信息化2.0的時代背景下，以云計算、大數據、物聯網等新興技術為引領的技術浪潮，也將教育數字化轉型推向了又一個新的高潮。新網絡、新平臺、新資源、新校園、新應用、新安全等議題被放在越來越重要的位置[2]。以現代信息技術為支撐的在線教育是數字資源應用的典型代表。國內的數字教學資源已呈現出教師隊伍專業化、學習資源產品化、教學模式多樣化、學習評價智能化、組織體系標準化的趨勢[3]。

在線教學資源不斷發展的今天，本地化教學資源的建設與數字化轉型也如火如荼地進行著。以物聯網技術為基礎的智慧教室[4]、智慧化一卡通[5]等系統建設工作取得了較好的成績。近年來，物聯網技術對教學環境和實踐資源的利用也開始產生顯性的作用[6]。

除了智慧教室和設施設備外，實驗室也是一類非常重要的教學資源，是師生進行課程實驗、專業實踐、科學研究等活動的重要場所，是培養應用型人才、實現與社會崗位對接的基本保障[7]。隨著高校實驗條件的進一步提升，高校實驗室硬件條件建設得到快速發展，傳統的實驗室管理運行模式與逐年增長的實驗實踐教學需求之間的矛盾日漸凸顯，實驗室運行過程中出現的各種問題也亟待解決。部分設備先進的學校對實驗室類教學資源的管理仍停留在填寫申請表分配實驗室階段；也有學校配備了實驗室管理系統，但只是將線下的一些操作流程搬到了線上；還有的實驗室具備門禁系統，但門禁系統權限無法按需開放，實驗教學資源無法得到最大化利用[8]。

近年來，一些學校自行開發物聯網系統，將實驗設施設備的利用與管理軟件平臺相互連接，實現了實驗教學資源的自動化運維管理，提升了教學資源的開放利用率[9]。但目前這類研究大多集中于對物聯網的應用或技術方案探索方面[10]，在具體實踐過程中，應用物聯網后對教學資源利用率的提升水平、存在的問題等卻鮮有報道。

本研究從物聯網的實踐應用中提取真實運行數據，通過對應用物聯網技術開展相關教學資源管理的前后各30天時間段內的實際數據進行對比分析，從學生、管理者兩個層面出發，分析物聯網技術對教學資源利用情況的影響，為高校教學資源管理的物聯網應用和研究提供了參考。

二、研究設計

（一）技術方案

本研究基于BS架構，采用Java語言自行開發了一套用于實驗室開放預約的信息管理系統。按照集中部署、分布使用的思路，前端采用Vue框架實現，支持多種主流瀏覽器；后端采用SpringBoot技術構建，采用MySQL數據庫來實現數據管理。學校師生通過管理平臺預約相關實驗室和實驗教學資源，預約信息經實驗室管理人員審核通過后，使用人憑審核結果到現場請工作人員開門后便可以利用相關資源。

按照數字化轉型的工作目標，為提升工作效率，在開放預約系統運行一段時間后，又通過對接物聯網芯片，將實驗室的門禁/門鎖進行了智能化升級。在選用芯片時，針對市場上的主流方案進行調研。目前主流的物聯網通信方案有三種，分別是基于無線網關的通信網絡、基于5G/4G的無線通信網絡、基于電子時鐘的隨機密碼加藍牙終端通信。

在實際應用環境中，基于無線網關的通信方式受網絡影響較大，雖然學校實現了無線網絡全覆蓋，但遇到課間人群聚集較多時，無線路由設備會出現連不上的情況，可能會造成關鍵時刻無法開門的情況，停電也會導致無法通信開不了門的情況。采用5G/4G網絡雖然對停電場景支持度較高，但也會存在網絡擁堵問題，而且還會受運營商費用限制。經測試和綜合考慮后，本研究最終采用電子時鐘和藍牙通信并行的方案。該方案不依靠無線網絡通信，可以保證在各類特殊情況下（含停電和網絡擁堵）順利開門。雖然使用之后需要靠門鎖和管理人員的手機進行間斷型藍牙通信，但其所傳輸的是開門記錄數據，主要用于檢查使用情況，對時效性要求不高，可以在管理上通過安排定期巡檢的方式解決。

在該方案的支持下，師生在線預約相關資源，經管理員審核同意后，開放預約系統經鑒權接口訪問物聯網管理平臺，將審核記錄的時間參數傳輸給物聯網系統，物聯網系統經鑒權后將限時密碼返回到開放預約系統，師生用戶在審核通過的記錄中可以查詢到該限時密碼，在預約時間段內自行打開門鎖/門禁。管理員在巡檢時，物聯網設備又將開門記錄信息通過管理系統App上傳到物聯網管理平臺，預約系統定期從物聯網平臺讀取開鎖記錄，就可以對教學資源的實際使用情況進行校驗，具體運行邏輯如圖1所示。

（二）研究對象選取

由于開放預約系統與物聯網系統上線時間不一致，在物聯網設備還未啟用時，采用在線預約審核通過后人工開門的方式進行了一段時間的管理。這段時間的管理有預約數據可循，正好與物聯網設備上線應用后的應用數據形成對比，為本研究提供了寶貴的實踐數據，即在幾乎相同的外部條件下，僅針對物聯網設備使用前和使用后的利用數據展開對比研究，分析物聯網技術對相關資源利用的作用。

為保證除有無物聯網外的其他環境盡量一致，本研究選取除上課時間外開放給學生自主預約使用的12間琴房和舞蹈房。這類通識性開放教學場所的設備情況相對單一，使用用戶對象也比較單一（校內在讀的藝術、表演、教育專業學生）。在無物聯網設備和有物聯網設備的條件下，各選取30天作為數據提取范圍。該研究條件下，學生對象相同、場所及包含設備相同、使用的預約系統相同、開放時間相同（每天8：00—22：00）。除外部社會環境因素影響外，唯一的變量只有是否通過物聯網設備獲得利用權限。

三、結果與討論

（一）學生預約情況分析

從表1中的數據變化情況可以看出，在相同時間段內，應用物聯網與否對使用數據影響非常大，下面主要從三個方面對學生預約行為進行分析。

1.物聯網技術提升教學資源利用率

在使用物聯網設備前，學生對資源的使用總數不多，每個場地的日均使用數不到1次；使用物聯網設備后，每個場地的使用量達到日均4次，按每次使用時長約2小時計算，每個場所的日均使用時長高達8小時。從該數據可知，物聯網應用后學生使用量大大提升，并近乎飽和。由于本研究中未使用物聯網技術的時間段是疫情期間，學生的行為受到一定的限制，但在確保環境和人員安全的情況下，教學場所仍然正常開放，雖然會對個別數據有所影響，但對應用數量極速上升這一總體變化趨勢的分析仍是相對準確的。

2.學生預約成功率下降

使用物聯網設備后，學生預約的數量雖然極速上升，但是預約成功率下降了12.5%，預約失敗率相應上升了9.3%。究其原因是需求量的極速上漲導致同一時間內的需求沖突變多，沖突校驗導致預約失敗率變高。此外，也可能與疫情的影響有關，使用物聯網設備的時間段內，除了正常的課程安排，還有部分上一學期的補課也在這些場所內進行，導致學生的預約更不易成功。

3.物聯網技術應用導致用戶隨意性增強

使用物聯網設備后，學生預約的撤銷率提升了6.2%，呈現明顯上升趨勢。由于學生撤銷行為是自主行為，與是否預約成功的關系不大，結合實際應用情況分析可知，當物聯網設備應用將人工監管排除后，學生行為的隨意性有所提升，學生不再擔心因隨意取消而導致管理教師責備。但撤銷率的提升卻意味著相對緊張的資源可能會在部分時間閑置，不利于資源的有效利用。針對這一情況，學?？稍诠芾砩峡紤]對撤回率較高的部分學生采取警告性限制預約措施，以規范學生行為，不再隨意預約。

（二）教學資源管理情況分析

1.物聯網技術促進管理工作的數字化轉型

從表2可知，使用物聯網設備后，管理人員的審核工作量隨著學生的預約量快速上升，但同意率卻不升反降，造成這一現象的原因固然與上述使用沖突有很大關系，但也和管理機制未隨技術手段的變化而變化有一定關系。在應用物聯網之前，學生預約有很多是到場后現約現用，管理機制上未考慮到因教學沖突帶來的審核拒絕行為。隨著物聯網的應用，學生預約數量不斷上升，這類“預約上卻被拒絕”的審核其實可通過管理機制的轉變來避免，如在預約系統中直接把課程情況排入作為沖突校驗，限制學生預約。一方面節約了管理工作量，另一方面提升了用戶的使用體驗。

2.物聯網技術促進管理工作效率提升

使用物聯網設備之前，場所的開關門工作由人工進行，有部分預約了的學生存在既不到場，也不撤銷的情況。由于管理員主要是以學生到場開門作為審核標準，因此存在始終“未審核”的情況，這不僅對資源利用造成浪費，也對數據統計造成了干擾。采用物聯網后，將這一行為改為檢查制的非必然行為，使數據更加集中，管理效率得到提升。當然對于預約后不到場的學生，仍應保留監管限制的規范化手段。

（三）教學資源使用行為分析

1.學生對軟件平臺的使用時間應作一定限制

為研究學生在30天內的預約行為情況，將所有學生每一天每一個時間點的一次預約作為一個點，橫坐標為天數，縱坐標為時間，可以得到學生預約行為散點分布圖。在有無物聯網的兩種條件下，學生預約行為的時間散點分布情況如圖2所示，從中可以看到在使用物聯網設備前后，學生在線預約行為呈現明顯的變化。

在使用物聯網設備之前，學生預約時間基本在08：00—22：00，這與實驗室開放時間一致。在未啟用智能化管理期間，因為有管理人員全程開門，學生較少有提前預約的習慣，在到達后經教師提醒才進行預約，學生預約的時間段大部分集中在白天，使用時間段就是預約時間段。而使用物聯網相關設備后，學生預約行為和時間分布面大大增加，部分學生甚至會在凌晨時段進行預約。對此，學?？梢钥紤]在凌晨時段暫時關閉預約功能，同時在有條件的前提下適當增加教學資源，以保障學生的生活健康。

2.管理者應對教學資源開放時間柔性調配

用分析學生預約行為類似的方式，對學生使用情況進行分析，將學生預約的開始時間點作散點分布圖，在兩種情況下學生使用行為的時間分布情況如圖3所示。

從中可以看出，在沒有物聯網設備時，學生使用時間大量集中在14時、18時至19時左右，其中又以18時最為集中，幾乎覆蓋了30天中的每一天，說明該時間段是學生使用的高峰期，這一時間正好也與學生上課時間錯開，表明學生在課余時間對開放性教學資源的強烈需求。

由于在使用物聯網技術后，學生行為散點分布密度較大，較難進行數據化分析，為了研究學生在每一天各個時間點上的行為狀況，針對學生在使用物聯網技術以后的預約和使用兩種行為，對數據再次進行聚合。首先，將學生預約行為和使用行為的時間點歸整到其最接近的整點上；其次，將30天內在同一整點上所有學生的行為頻次疊加，只統計該時間點上所有的行為發生頻次，最終得到學生預約和使用時間點—頻次分布如圖4所示。

從中可以看出，使用物聯網設備后，從7時到21時均有學生使用，18時至19時是學生使用的一個高峰，而14時也是一個高峰，上午的使用頻次不算太高，只有高峰時的一半左右。

針對這一情況，最有效的解決方案是增加教學資源，但在教學資源有限的情況下，可以考慮采取一些柔性措施，如在使用率較高，排課卻幾乎不占用的13時至14時、18時至19時，適當多開放一些原用于上課的資源，讓教學資源物盡其用。

四、結論

通過對同一環境下是否使用物聯網技術的數據對比分析發現，物聯網對教學資源，特別是通識性教學場所資源的利用具有非常巨大的提升作用。但物聯網設備的使用，也可能帶來少量管理依賴和用戶濫用行為的發生。作為教學資源管理部門，應當在確保系統可靠的情況下適當放權，將更多重復性勞動交給智能化設備，將更多精力聚焦于合理、有效地提升教學資源使用率這一問題上。

本研究僅以學生對通識性實驗室的利用為例，研究的重點對象集中在學生的行為分析上，對于類似的學生自主預約類教學資源（如自習室、電子閱覽室、通識性實驗室等）的利用情況具有較好的參考作用。物聯網技術還可用于以下諸多場景：專業性實驗室的開放使用；將物聯網芯片用于開關實現重要設備的物聯利用；將芯片用于相關傳感器實現設備的檢修與維護等?？偠灾诒镜鼗虒W資源的利用過程中，應不斷研究開發物聯網技術在各種場景中的應用，促進教學資源管理工作的數字化轉型。

參考文獻：

[1]謝幼如，黎佳，邱藝，等.教育信息化2.0時代智慧校園建設與研究新發展[J].中國電化教育，2019（5）：63-69.

[2]羅江華，王琳.新基建賦能教育數字化轉型的邏輯、挑戰與實踐路向[J].中國電化教育，2023（3）：37-45.

[3]呂倩，袁松鶴.教育數字化背景下在線教育企業的前沿實踐、發展趨勢與啟示——基于百強在線教育企業的現狀調查[J].中國電化教育，2023（3）：135-142.

[4]閻堅，桂勁松.基于物聯網技術的智慧教室設計與實現[J].中國電化教育，2016（12）：83-86.

[5]胡先智，梁艷，馬文濤，等. “人工智能+物聯網”背景下的智慧校園一卡通建設研究[J].中國教育信息化，2021（5）：61-65.

[6]郭宇，胡衛星.智慧教學系統中的物聯網技術分析[J].中國教育信息化，2020（19）：90-93.

[7]王磊，李坤芩，陳顯祥.物聯網在高校實驗室管理中的應用研究[J].現代信息科技，2020（9）：157-159，163.

[8]王小飛.基于物聯網的實驗室管理平臺的設計與實現[D].濟南：山東大學，2016.

[9]蘇澤蔭，陳源毅，王華敏.基于物聯網平臺的高校實驗室管理系統[J].物聯網技術，2022，12（11）：66-68，73.

[10]李瑞利，黃卓忻，宋俊慷.物聯網技術在開放實驗室建設中的應用[J].無線互聯科技，2022，19（5）：85-86.

Research on the Promotion of Teaching Resources Utilization

by Internet of Things Technology

Xiang TANG1， Lu SUN2， Yu NI1， Xinru DU1， Jin ZHANG1

（1.Automotive Engineering Experimental Teaching Center， Geely University of China， Chengdu 641423， Sichuan;

2.College of Computer Science， Chengdu College of University of Electronic Science and Technology of China， Chengdu 611731， Sichuan）

Abstract： Digital transformation is the general trend of education management informatization， and the practical teaching resources is also an important part. As an important technology combining “things” and “networks”， the Internet of Things Technology can help to promote the digital transformation. A batch of open teaching resources was selected in the research to find out the effect of the Internet of things on it. The behavioral data within different two consecutive thirty days of time were extracted， mined and analyzed. Conclusions indicated that application of Internet of things technology could improve the utilization rate of teaching resources. However， it would also be accompanied by the intensification of the contradiction between the use demand and the lack of resources， and the uncontrollability of the people. In addition to paying attention to the improvement of management efficiency， humanistic care should also be considered. Meanwhile， flexible deployment was encouraged during the process of using teaching resources.

Keywords： Digital transformation; Internet of things technology; Utilization of teaching resources; Laboratory; Data analysis

編輯：李曉萍" " 校對：王天鵬