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    物联网在高校教育中的应用作者: 李丽丽   摘 要: 物联网是在互联网基础上发展起来的,以互联网为基础并对其进行扩展和延伸,通过传感器设备将各种物品互为联通,变成新的能够彼此交互信息和通讯的网络。介绍了物联网的基本观念、基本特征和主要技能,论述了在物联网发展的基础上变成的网络化、数字化和智能化的现代教学手段,提出物联网在高校教育中课堂教学、实验教学、学校管理和拓展课外教学活动等方面的应用。
  关键词: 互联网; 物联网; 高校教育; 教学
  中图分类号:TP393 文献标志码:A 文章编号:1006-8228(2015)02-67-03
  Application of Internet of things in college education
  Li Lili
  (Heze University Department of Mathematics, Heze, Shandong 274015, China)
  Abstract: The Internet of thing (IOT) is developed, expanded and extended based on the Internet. Through sensor devices, a variety of items can interchange to form a new network which can communicate information. The basic concepts of IOT, basic characteristics and main techniques are introduced. The modern education techniques of network,digitization,intelligence based on the development of internet of things are discussed. The application of IOT in college classroom teaching, experiment teaching, management and developing extracurricular teaching activities are proposed.
  Key words: internet; Internet of thing; university education; teaching
  0 引言
  物联网的观念于1999年由麻省理工学院(MIT)提出,由2005年国际电信联盟(ITU)出版的世界互联网发展年度汇报《物联网(Internet of Things,IOT)》推向更高的发展层面[1]。我国的物联网发展,是在2009年8月温家宝总理视察无锡时提出了“感知中国”理念,从而使物联网的发展得到了推动和重视,物联网在军事、物流、医疗卫生、教育、交通、安全家居、工业监测、农林业、环境保护、防灾救灾等多个领域之中得到广泛应用。
  1 物联网观念
  物联网即物物相连的互联网(The Internet of Things),仍然以互联网作为其核心技能,是以互联网为基础的网络的延伸和扩展,使得网络的客户端成为任何物品与物品之间进行信息交换和通讯[2]。物联网将基础的物理设施与IT基础设置联合起来,将物品、芯片、宽带通过可视化的界面连接起来,使其作为生活中的基础设施,加强了人与物的对话与交流,让没有生命的物品可以通过语言表达为人们的日常生活服务。物联网的定义很大略:即通过射频识别(RFID)、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器、气体感应器等信息传感设备,按约定的协议,把任何物品与互联网连接起来,进行信息交换和通信,以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。物联网是一种网络,通过射频识别等信息传感设备将所有物品与互联网连接起来,通过网络实现各种物品间的信息交换,从而实现智能化识别和管理。即物联网是通过各类传感器连接物品和互联网并最后由计算机处理的技能。
  物联网作为新兴的基于互联网的技能,有着互联网没有的技能优势与应用优势。物联网的主要特征有以下[3]。
  ⑴ 连通性:连通性是物联网的性子特征之一。国际电信联盟认为,物联网的“连通性”有三个维度:一是任意时间的连通性(any time connection),二是任意地点的连通性(any place connection),三是任意物体的连通性(any thing connection)[4]。
  ⑵ 技能性:物联网是技能变革的产物,代表着未来计算与通讯技能的发展趋势,而其发展又依赖众多技能的支持,尤其是射频识别(Radio-frequency identification,简称 RFID)技能、传感技能、纳米技能、智能嵌入技能。
  ⑶ 智能性:物联网使得人们所处的物质世界得以极大程度地数字化、网络化,使得世界中的物体不但以传感方式也以智能化方式关联起来,网络服务也得以智能化。物联网具有智能化感知性,它能够感知人们所处的环境,最大限度地支持人们更好地洞察、利用各种环境资源以便做出准确的判断。
  ⑷ 嵌入性:物联网的嵌入性表如今两个方面,一是各种各样的物件本身被嵌入在人所生活的环境中,二是由物联网提供的网络服务将被无缝地嵌入到人们日常事务与生活中。
  2 物联网实现技能
  2.1 传感器技能
  传感器是机器感知物质世界的 “感觉器官”, 能够感知热、力、光、电、声、位移等信号, 为网络系统的处理、传输、分析和反馈提供最原始的信息[5]。将传感器安装到需要通讯的每个物品上,然后将某些物品上的传感器组成无限传感器网络。由此,物联网能够通过各个物品上的传感器及其他们组成的传感器网络来感知、响应它们之间的通讯。   传感器网络中的每个传感器联合其他部件组成了传感器网络节点,传感器网络节点由以下基本单元构成:
  ⑴ 传感单元:由模数转换功能模块和传感器组成;
  ⑵ 处理单元:由嵌入式操作系统、存储器和CPU组成;
  ⑶ 通讯单元:由各种无线通讯模块组成;
  ⑷ 电源:用于提供设备事务的器件。
  传感器网络的组成步骤:最初,传感器网络节点安置在被感知物品的附近或者内部;其次,传感器网络节通过自组织的方式构成无线传感器网络,以协作的方式实时感知、收集、处理并响应网络覆盖区域中的信息;最终,Sink节点链路经多跳网络将整个无线网络区域内的信息和数据传送到远程管理中心。另一方面,远程管理中心能够实时监督、抑制并操纵无线传感器网络节点。
  2.2 射频识别(FRID)技能
  RFID(Radio Frequency Identification,射频识别)射频识别是无须人工干预的识别过程,这种非接触式的识别技能,能够用于各种恶劣的事务环境,由射频信号自动识别指标对象并获取相关数据[6]。FRTD由标签、阅读器和天线组成,各组成局部的功能如下。
  ⑴ 射频标签(Tag):具有惟一的电子编码,放在各物品上用于标识指标对象。由耦合元件和芯片组成。
  ⑵ 读写器(Reader):用于写入并读取标签信息,可人工设计为手持式或固定式。
  ⑶ 数据管理系统:用于对数据信息的存储和管理,以及对标签进行读写的抑制。
  在RFID系统中,射频标签含有惟一的标识码,并黏贴在待识别的物体上;读写器通过耦合元件与射频信号进行空间耦合,对标签的信息进行读取和写入,根据时序关系,在耦合的通道实现能量的传递和数据的交换,并使用相应的协议进行网络通讯,进而获取、解码、识别和管理射频标签的信息;最终通过数据管理系统对射频标签进行读写抑制、对采集到的数据信息进行管理和存储。
  2.3 M2M技能
  M2M是机器对机器(machine-to-machine)通讯的简称[2]。目前,M2M重点在于机器对机器的无线通讯,存在以下三种方式:机器对机器,机器对移动电话(如用户远程监视),移动电话对机器(如用户远程抑制)。
  3 物联网对高校教育的影响
  高等教育领域已经成为物联网发展的领域。信息技能应用到教育教学过程后,使学习环境、学习资源、学习方式都向数字化方向发展。
  3.1 网络化教学
  网络化教学是指具有一定自学、自律能力的学生基于计算机网络,利用多媒体计算机在本地或远程通过与计算机的交互而实现的一种主动学习为主,以教师的教导和计算机智能模块的协调为辅的教学形式[7]。网络化教学要求学生做到主动学习(Active Learning)、仿真学习(Simulative Learning)、互动学习(Interactive Learning)、累积学习(Accumulative Learning)。
  3.2 数字化学习
  信息技能和网络的飞速发展,对人类的生活和学习产生了重大的影响。葛洛蒂指出,信息时代是一个数字化的世界[8]。它有四根支柱,一是自然界的一切信息都能够通过数字表示;二是计算机不过用数字1和0来处理所有数据;三是计算机处理信息方法是通过对1和0的数字处理来实现的;四是通过跨空间运送1和0来把信息传送到全世界(葛洛蒂,《数字化世界》,1999)。数字化学习是指学习者在数字化的学习环境中,利用数字化学习资源,以数字化方式进行学习的过程。它包含三个基本要素,即:数字化学习环境、数字化学习资源和数字化学习方式。
  ⑴ 数字化学习环境:是指经过数字化信息处理具有信息显示多媒体化、信息传输网络化、信息处理智能化和教学环境虚拟化特征的学习环境。
  ⑵ 数字化学习资源:是指经过数字化处理,能够在多媒体计算机上或网络环境下运行的多媒体材料。
  ⑶ 数字化学习方式:数字化学习与传统的学习方式不同,学习者的学习不是依赖于教师的讲授与课本的学习,而是利用数字化平台和数字化资源,教师、学生之间开展协商讨论、合作学习,并通过对资源的收集利用、探究知识、发现知识、创造知识、展示知识的方式进行学习。
  3.3 智能化教学
  智能化教学模式主要是提供了一个以学生为中心的网上学习环境,实现个性化学习,所以在课程的知识设计中应能按照每个学生的知识背景及所要学习的内容动态地组织知识材料,以满足自主、个性化学习的需要[9]。
  4 物联网在高校教育中的应用
  在教育中引入物联网的技能极大地提高了教学质量和教学效果,促进了教学改革的发展。物联网在教育中的应用主要有如下几个方面。
  ⑴ 利用物联网优化教学、学习环境。教学环境直接影响着教师的教学效果,进而影响学生吸收和消化知识的效果。同时,学习环境也很大程度上影响着学生的学习效率。
  传统教学环境中的教学资源有限,物联网丰富并优化了教学环境。通过物联网实现了物理空间与数字化信息空间的互联,可以有效的支持人机交互、人与物品之间的交互、人与人之间的社会性交互。物联网使现实教学环境中的每个部件都具有数字化、网络化、智能化的特性,能够与数字化的信息空间进行整合,从而能够即时的捕捉、分析师生的教与学的需求信息,并进行相应的调整,为师生提供智能化的教学环境与教学资源。
  学校的教学环境会产生大量的噪声,噪声不但会影响学生的听力更会影响师生的交流,对学生学习产生消极影响,会影响学生的学习注意力、阅读计算力和总体学业成绩,特别是对那些学习有困难、听力丧失或用非母语学习的小孩。同时,噪声的影响也会使教师在教学过程中无意识地嗓门提高,长期提高嗓门会导致声带拉伤。   引入物联网后可在教室里交代传感器节点检测教室各角落的噪音情况,一旦超过设定值,则报警通知有关部门处理。如对墙壁、天花板等部件做隔音处理以降低噪音传输和混响声音。教室的光线强弱会影响学生的视力,在教室里安装光线传感器,可以随时监考光线亮度并自动调节室内照明灯亮度和计算机屏幕亮度,并根据室外光照强度调整窗帘高度。另外,传感器也能够根据室内二氧化碳浓度、室内温度自动调节通风情况和空调温度。总之,物联网能够为教师和学生提供一个舒适的教与学的环境,提高教师教的效果,增强学生学效率。
  ⑵ 利用物联网教导实验教学、丰富实验教学。通过实验教学科研加强学生对课堂理论知识的理解,巩固课堂知识,可以培养学生设计、观察、分析和解决问题的能力,培养学生动手能力和创新思想能力,使学生做到学以致用,是培养应用型学生的重要手段。然而学生在实验过程中,一旦遇到了自己无法解决的问题或者实验有误时,其积极性与热情会霎时下滑,导致实验敷衍了事,抄袭或猜测实验结果,甚至会影响学生对后续课程和实验的信心与兴趣。并且,传统的实验教学设备有限,比如一些化学实验、物理实验等学科的实验,实验器材存在危险性,或者缺少实验器材,无法让学生亲自动手。
  物联网的引入,丰富了实验平台,增加了实验平安性。例如让学生佩戴传感器设备,教师能够准时发现学生实验过程中出现的错误,进而进行教导。教师还能够在实验器材上标明数字化属性和使用帮助信息,当实验器材使用不那时,实验器材启动自动报警系统,教师能够对实验进行准时的教导。另外,教师能够通过分析实验过程中典型问题,进行后续教学的改进,提高教学效率。对于存在平安隐患的实验,能够通过物联网远程抑制异地的实验器材,实时采集实验数据,并以适当的方式将实验数据传递给实验者,实现实验教学的共享性、平安性。
  ⑶ 利用物联网支持学校平安、仪器设备管理。学校作为一个大的教学单位,拥有大量的各种仪器设备,包括教学仪器、会议设备、运动设备等,这些设备分布在学校各个部门中,存在着管理难度大、无人管理、无人准时保养的问题。利用物联网中的传感器或RFID技能,能够对学校大量的仪器设备进行统一管理和调度,能有效防止仪器设备的丢失,当仪器设备出现故障时启动自动报警装备,通知有关人员进行处理。学校平安管理包括学校门禁、学校访客和校园火灾管理等。学校门禁能够与学生的一卡通绑定,进出宿舍、校园、教室等学校场所,刷本人的一卡通,并通过机器进行识别,可以有效管理外来人员进出。学校访客管理,能够在教学区、学生宿舍等区域安装感应点,当外来人员进入时准时通知安保人员进行处理。校园火灾管理,能够将传感器分布在各检测区域,监测自身周围的温度、烟雾浓度等数据,将所在位置及所监测到的数据,传送到管理抑制中心,实现实时报警和正确定位。
  ⑷ 利用物联网拓展课外教学活动、教学空间。利用课外教学可以激发学生的学习兴趣、拓展学习空间、增加学生学习的视野、培养学生探究知识的能力。课外教学是学生通过课程实习,将所学的课堂知识应用到实践之中,可以更好地帮助学生理解和掌握所学的理论知识。然而,学生外出实习偶尔间、场地限制,对于所学习的理论知识无法做到实时的应用。物联网的引入,使得教师能够实施远程交代、操控传感器节点,将远程设备通过物联网联系到一同,进行信息数据的实时传输、存储和分析。学生对所交代的节点进行长期观测,查看相应的实验结果,收集实验数据。如此,通过观察相应的实验帮助学生掌握课堂上干燥、难以理解的理论知识。
  5 结束语
  当今时代网络技能与应用迅速发展,物联网在高校教育中的应用必将补救传统教学的不足。然而,物联网在高校教育中的应用不但有理论、技能方面的问题,更涉及现代教学理论、学校教风和学风、教育资金等多方面的问题,因此,物联网在高校教育中的应用和发展之路还很长。随着物联网技能的逐步成熟,在高校教育中使用物联网将会越来越广泛。
  参考文献:
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