智慧教学系统中的物联网技术分析*
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摘 要：伴随着物联网、云计算、大数据、移动互联等革新性先进技术的广泛应用，一线的中小学教学实践被赋予了更多的技术途径和解决方案，智慧教学系统即为其中之一。智慧教学系统中的物联网技术可分为教室环境智能管控、教室环境指数监测、教室环境数据采集和教室环境自动调控四大模块。通过对教室的智能化环境建设，实现从环境、资源到应用的全部数字化和物联化。从而实现提高教学质量和管理水平的目标，提升传统校园的运行效率，促使教育过程的全面信息化。
关键词：智慧教学系统;物联网;精准学习
中图分类号：G434 文献标志码：A 文章编号：1673-8454（2020）19-0090-04
从20世纪90年代后期起，我国开始了大规模的教育信息化基础设施建设，教师上课场景从原来的“粉笔+黑板”模式转变成“计算机+投影”的多媒体模式。随着技术的深入快速发展，传统教学方式更加不能适应现代化教学技术的需求，多媒体教室也出现了很大的局限性：学习者无法亲自参与到学习活动过程中来，演示教学活动易造成认知负荷过载。因此，强化教学迫切需要创建适合学生个性学习和教师互动教学的新型教室环境。充分利用移动互联网、云计算、大数据、物联网等先进技术装备改善学习环境，建设智慧型教学系统，成为这种学习潮流在当下的体现。智慧教学系统区别于传统教学系统，它以物联网平台技术为基础，利用各类先进软硬件设备，通过对教与学双方及教学过程每一环节的精确感知和集中联动监测与控制，实现全方位的智能化管理，实现常规教学无法完全做到的精准教学和个性化学习。运用物联网技术建设智能感知管控系统，实现“人、机、网、物”的优势互补，统一管控教学辅助设备及教学环境，从而可为学校提供高效率的教学手段，创新教学方式和提高教学质量。
一、智慧教学系统与物联网技术
1.智慧教学系统
智慧教学系统是一线教学与信息技术深度融合产生的新型教学系统，其旨在满足大规模、常态化、全学科的信息化教学和个性化学习要求，实现教师智慧与学生建构知识两者的创新。由先进信息技术打造的智能化课堂教学，采用先进的软硬件设备工具，对环境进行智能化管控，实现资源的个性化访问与获取，开展师生之间即时互通。智慧教学系统从空间环境设计、技术工具应用、教学智慧评估等方面展开，利用物联网、云计算、移动互联和大数据等技术，通过智能推送资源、多屏互动显示、师生互动交流、小组合作讨论等环节，实现教室智能管理、教师智慧教学实施和学生智慧学习支持服务，促进新型教学方法的创新发展。
2.物联网技术
物联网是利用各种信息传感设备如射频识别装置、红外传感器、激光扫描、GPS等，实时采集需要监测、连接、互动等信息的互联网络。物联网的核心技术在于实现信息从获取、传输、存储、处理到应用的整个过程。实现“人-人”、“人-物”、“物-物”之间的信息实时交互感知，物联网除了能够连通现实世界的物品，还可以实现联通现实世界与虚拟世界，有效支持人机交互、人物交互、人与人的社会性交互。物联网大体可分为感知层、网络层和应用层。感知层是物联网的基础设施层，负责收集教室环境设备的各种数据信息，由各类传感器及传感器网关构成，是物联网信息的源头。网络层利用通信组网技术包括有线技术和无线技术，如以太网、Wi-Fi无线网络、蜂窝移动网络、ZigBee技术等，连接教室内各种硬件设备，形成互相连通的网络系统;同时，处理感知层获取数据信息，并对其进行存储、融合和远距离传输等。应用层即处理层，通过对感知层的数据信息进行挖掘并加以处理运用，构建智能教学服务应用平台，如室内环境监测系统、硬件设备控制系统和智能教学管理系统等。
3.两者的联系
传统校园和教学系统存在着一系列的问题，如设备繁多难以统一实现智能化管控、媒介耗能大且缺乏统一应用分析、环境易出现异常且缺乏安全警告、复杂场景难以进行信息交流等。借助物联网技术，可将日常教学管理和各种教学数据自动汇聚起来，发掘数据之间的关联。在以物联网为基础建设的学习空间中，能有效实现物理空间与数字技术的结合，改善学习者和学习环境之间的关系，加强学习者彼此间的沟通、协作和共享，有效促进开放式学习和个性化学习。物联网技术能为智慧教学系统运行提供所需要的软硬件设备与技术，支持灵活多变的教与学方式，支持丰富的学习体验积累，为精准教学活动提供强有力的技术依托。智慧教学系统不仅强调设备和技术的先进性，而且更多的是注重灵活应用技术来支持学习过程和强化学习效果。
二、智慧教学系统中常见的物联网技术
1.智能环境物联技术
（1）智能环境调控
由中央空调电源控制器、温湿度传感器和配套控制软件构成的空调控制系统，通过温湿度传感器监测室内温度，由后台控制系统或预先为软件设定参考值，对监测数据进行传输及分析，室内温湿度高于预设值时自动开启空调，实现室内温湿度的自动控制。传感器技术的不断提高，使越来越多的室内环境参数传感器集成到环境质量监测仪器中。室内环境监测参数从原有基础的PM2.5、TVOC、二氧化碳、温度、湿度等监测参数扩展到了PM10、甲醛、氧气、臭氧、一氧化碳、氮氧化物、气压、光照、噪音等。环境监测系统通过连接的终端监测设備不断地获得教室内的各种环境数据。对于不同参数的异常情况，系统会向管理人员发送相关信息，管理人员也可以主动查看各监测点位的监测数据。通过长期的传感器实时监测，教室内的各环境监测参数将会始终保持在适当智慧化范围之内。
（2）智能环境组件控制
智能照明系统通常以自动控制为主，辅以手动控制，智慧化教学环境中的照明、电气、校园安保等往往需要进行智能管控。为满足不同区域对照明质量的要求，实现不同的照明控制方案，需要对照明度进行控制调整。智能照明管控系统将根据预设的基本状态在全自动状态下进行照明工作，还可以根据预设的时间自动切换不同的状态。例如，工作日结束后系统会自动进入休息工作状态，将探测到的有人区域的灯光调至合适亮度的同时关闭无人区域的灯。因为不同场景对光照的要求也不同，所以可通过物联编辑器改变不同区域的照明度以适应不同需求。以物联网平台为依托，智慧教学系统内各种硬件设备与软件资源可被有效地协调在一起，通过App控制、远程控制和智能分析控制等实现联动监测与自动化管控。 （3）智能能源管理
传统教室普遍存在着能源利用效率不高的现象，因各种媒体设备种类繁多和设备设施复杂等原因，而导致管理难度较大。尤其是随着教室中大量新兴信息技术媒体的不断引入，机器设备存在的用能浪费状况日趋严重。借助于物联网技术，智慧教室可以很好地监控各种设备的能源使用状况，彻底解决能源浪费问题。物联网技术具体应用可体现在：一是各媒体设备的能源消耗监控，主要包括教室中能耗信息的实时监测、能耗信息的历史数据分析和电器的开关控制等。二是智慧环境的计量系统，主要是指宽带接入管理、无线AP设置、网络管理测试和增值应用（如网络数据共享、教室安防管理等）等的统计分析与实时监测。在上述两种基本的能源管理中，能源消耗问题尤为重要，如何用一个合理的能源消耗产生最大化产出，已成为制约当下智慧教室在中小学推广应用的重要影响因素。同时，网络流量的使用问题也非常值得深入研究，借助于智慧教室中的无线网络覆盖和物流统筹分析掌控，可以对信息资源进行合理的配置和最优化的使用。
2.智能教学过程物联技术
（1）智能教学过程信息加工处理
智能教学过程信息加工处理系统要解决的是如何让智慧教学系统更加自主地加工教学过程中产生的大量数据信息，减少人的参与，进一步提升信息加工效率。教学软硬件设备互相联接并不能产生价值，通过物联网将教学过程中所产生的大量信息数据与智能分析相结合，将数据信息加以分析、加工和利用，并发掘其中信息的价值，这才是智慧互联的含义之所在。智能教学过程信息加工处理由前端智能信息处理与后端智能信息分析两部分组成，并借助物联网技术聚合成为一个整体。信息分析处理可以分为两个方面：一是利用基于物联网技术的设备对学习者个体、语音和字符等进行自动识别，它的一般过程包括采集样本数据、信息的数字化处理、预处理、提取数据特征、与预设标准模式进行比较、分类识别等。二是对自然语言的理解。理解自然语言和自然语言的生成是智慧教学系统对信息智能处理的关键，而能够理解人类的各种自然语言主要在于对信息的智能处理与分析。
（2）智能教学系统信息交流与协调
基于物联网技术的信息交流与协调系统是运用现代先进技术改变传统教学中以“口头+纸质”为媒介的教学信息交流模式。数字化环境下，各个设备间的信息传递与互相协调能使教学效率得到显著提高。端对端自动化和人机协作能简化常规教学任务，提高学习者个体创造和解决问题的能力。端对端传输的优点是传输延迟小，这在教学信息交流过程中能极大节省时间。人机协作技术则可为教学活动提供新方式和新手段，能为学习者提供一个最佳学习路径，寻求更适合自身的个性化教育方式。同时，智能交流与协调还可以把教师从重复、机械的事务中解放出来，更专注于教学工作，人机协同完成以前不可能的智能工作。
（3）智能教学过程信息反馈
智能教学过程信息反馈系统是一个对教学对象输入信息的结果起作用并对数据信息再次输出产生影响的系统。它的实现有以下两个方面：一是过程状态信息的可视化;二是反馈信息的即时呈现。将信息可视化技术和信息即时反馈呈现技术融入课堂是教育信息化革命的必然趋势。教学过程状态信息可视化是指人们利用自然的快速识别能力，将数据信息和知识转化为可视化的形式，从而实现全面分析掌握教学状态以利于最优化教学成果产生的过程。利用现代可视技术揭示传统教学方式所无法表现的规律，将多维度抽象的数据展现为二维或三维图形，实现人与信息数据的深度交互，从而及时反馈教学信息。智慧教学系统通过以物联网为平台连接的多种传感器设备能实时捕获学习者的各科学习行为信息，汇集成统计数据，并经过系统分析处理后进行即时反馈。这种即时反馈系统有助于了解学生现场参与互动的情况，准确把握学习者的学情，也便于教师调整教学活动和优化教学过程。
三、未来智慧教学系统中可与物联网融合的新技术
1.混合现实技术
混合现实技术（MR）通过在现实环境呈现虚拟场景信息，在现实世界、虚拟世界和使用者之间建立一个交互平台。结合使用先进的传感器技术、光学技术和计算技术，单一设备将为用户提供将全息数字内容实时叠加和增强到现实空间的能力，缔造出令人有身临其境之感的现实场景。通过手势识别模拟最自然的操作方式，访问现实生活中无法到达的地方，利用计算机和可穿戴设备进行实时人机交互，以增强用户体验的真实感，很适合体验式教育。
2.人工智能技术
人工智能支持自适应学习和个性化学习等，让学生按照自己的进度学习，不仅仅提供学习内容，还能测试学生学习状况，评估学习表现，并将这些数据即时发送给教师。人工智能融合了多种先进技术，如智能语音交互，能够根据相关场景、学习内容进行对话内容自定义配置，对声源进行精准定位追踪。人脸识别则能辨别不同的人物特征，多个关键点对比，准确匹配人脸。云端数据管理可收集用户的部分信息，实现远程上传资源、编辑方案、更换方案、推送方案等功能。在教学活动中融入人工智能技术，能持续激发学生学习兴趣，促进学生的个性化学习，培养学生的创新能力。
3.大数据分析技术
借助于计算机视觉、智能语音、面部识别、心理画像分析等技术，大量的过程性数据得以收集、測量与分析，基于对这些大数据的分析可得出学生的学习特征和思维模式，判断出学生实时学习状态和情感变化，引导学生改变学习路径或调整学习状态，提供个性化学习支持。同时，各种教学大数据也能为教师改良教学提供重要的决策参考。大数据技术将会使现有教育教学越来越精细化，也越来越高效化，更为重要的是也越来越智能化。基于大数据的分析、教师的智能教学和学生的精准学习将会得以实践。
4.区块链技术
区块链具有分布式数据存储、点对点传输、共识机制、加密算法等特点，是一种战略性前沿技术。分布式存储功能允许任何教育机构和平台具有跨系统、跨平台的学习行为，同时记录学习结果，每个节点都可以上传数据资料，每个教师都可以进行发布自己的教学材料以及提供在线辅导和习题讲解等教学活动。点对点传输则会免除大量的教学媒介成本，减少教学媒介平台的运营投入，促进教学资源的共享。其它可利用的技术和平台，可以推进网络学习空间的建设与应用，应用到的功能包括集成网络教学、资源推送、学籍管理、学习生涯记录等。 5.虚拟助理技术
虚拟助理是一种新型计算方法，它能够自主学习，并根据大数据计算出学习者的个性喜好。当前，较为常见的虚拟助理有小米的小爱、亚马逊的Alexa和阿里巴巴的天猫精灵等。交谈是虚拟助理与学习者交互的基本模式，旨在可以在任何时间提供学习者所想要的帮助。但事实上，当前的技术应用还并不能完全达到这种水平，虚拟助理更多的还只是停留在终端里面的一个“数字化的我”。因此，虚拟助理需要不断分析学习者个人信息，完善学习者用户偏好分析方法，从而能够成为真正了解学习者的个性化、数字化学习助理。虚拟助理的深度开发应用可为学习者提供对话式的交互学习体验。
四、结束语
日新月异的信息技术发展正在促使教学手段、教学设备、教学内容等跨越式发展和飞速更新，对学校、课程、教师、学生等数见不鲜的常规概念的新认识正在重新建立。智慧教学是一种新型的教育形式，新型“教”与“学”空间是一切新型教学形态的基础，物联网技术的引入大幅提升了智慧教学系统的使用和管理效率，将教室分散的设备与教学内容完整结合起来，实现了良好的“人机糅合”，构建起全新的智慧教学生态圈。并且，物联网技术也正在积极吸纳其它新兴的技术，在发挥新技术融合潜在效能的基础上，不断推动着当前教学革命的深度和广度。
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（编辑：王天鹏）
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