基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高校實(shí)踐課堂教學(xué)改革研究

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高校實(shí)踐課堂教學(xué)改革研究*

董君，張敏

(河南機(jī)電高等專(zhuān)科學(xué)校 實(shí)驗(yàn)管理中心，河南 新鄉(xiāng) 453000)

摘要：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用是目前社會(huì)比較關(guān)注的一個(gè)話(huà)題，也是高校進(jìn)行實(shí)踐課堂教學(xué)研究的重要課題之一。文章以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為支撐，提出了構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐教學(xué)環(huán)境的方案，探討了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)高校實(shí)踐課堂教學(xué)帶來(lái)創(chuàng)新性改革的作用與意義。

關(guān)鍵詞:物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；實(shí)踐課堂；改革

收稿日期：2015-06-10

中圖分類(lèi)號(hào)：G642

目前高校進(jìn)行人才培養(yǎng)，不僅強(qiáng)調(diào)要具有扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，而且更加注重培養(yǎng)實(shí)踐創(chuàng)新能力。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，用人單位對(duì)人才的需求也提出了更高的要求，不再只局限于一紙文憑，更多的是要求其具有過(guò)硬的專(zhuān)業(yè)應(yīng)用技能。因此高校教學(xué)也應(yīng)適應(yīng)經(jīng)濟(jì)市場(chǎng)的發(fā)展需求，轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的重理論輕實(shí)踐的教學(xué)理念，以社會(huì)需求為導(dǎo)向，轉(zhuǎn)變教學(xué)模式和內(nèi)容，重視實(shí)踐教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力[1]。如何高效地對(duì)高校實(shí)踐課堂進(jìn)行教學(xué)創(chuàng)新改革是相關(guān)領(lǐng)域研究學(xué)者目前普遍關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。

2000年物聯(lián)網(wǎng)概念的提出，受到了社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。顧名思義，物聯(lián)網(wǎng)即“物物相連的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)”。其依據(jù)約定的規(guī)則協(xié)議，以高速發(fā)展的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)為海量處理信息的基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)對(duì)全網(wǎng)人、物等全面感知、快速識(shí)別、智能處理[2]。目前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的一些應(yīng)用案例已經(jīng)被提出和實(shí)施，比如智能家居、智能交通系統(tǒng)、智能醫(yī)療等，物聯(lián)網(wǎng)必將是未來(lái)智能網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的趨勢(shì)之一。

1構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)環(huán)境

圖1　物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐教學(xué)環(huán)境

物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)主要分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層、業(yè)務(wù)邏輯層以及數(shù)據(jù)庫(kù)層。感知層主要完成對(duì)數(shù)據(jù)信息的采集和轉(zhuǎn)換，網(wǎng)絡(luò)層主要完成數(shù)據(jù)的傳輸和處理，業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)庫(kù)層則主要完成對(duì)數(shù)據(jù)的管理和應(yīng)用。以有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合形成的全覆蓋傳感網(wǎng)絡(luò)是物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)課堂構(gòu)建的基礎(chǔ)。感知層主要涉及RFID、WiFi等智能標(biāo)簽，射頻識(shí)別設(shè)備、傳感器等，物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境課堂中多使用無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)對(duì)傳感設(shè)備進(jìn)行組網(wǎng)，結(jié)合相應(yīng)的無(wú)線(xiàn)傳輸模塊，提高節(jié)點(diǎn)應(yīng)用的靈活性，實(shí)現(xiàn)信息的高效采集。網(wǎng)絡(luò)層主要指通信網(wǎng)絡(luò)。由于實(shí)踐教學(xué)課堂中存在靜態(tài)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器以及動(dòng)態(tài)的教師、學(xué)生，前者可看作已知節(jié)點(diǎn)，后者可看作未知節(jié)點(diǎn)，實(shí)際應(yīng)用中需要構(gòu)造融合二者的通信網(wǎng)絡(luò)。RFID無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)局限于接收較短距離的已知節(jié)點(diǎn)，WiFi無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)則主要適合移動(dòng)和較遠(yuǎn)距離的信號(hào)采集。兩者結(jié)合，能夠保證物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐課堂信息的有效傳輸。業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)庫(kù)層則分別來(lái)響應(yīng)感知層的應(yīng)用請(qǐng)求以及存儲(chǔ)各種應(yīng)用狀態(tài)的數(shù)據(jù)信息[3]。

2應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的教學(xué)改革

物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中的實(shí)踐教學(xué)課堂，需要搭建有線(xiàn)無(wú)線(xiàn)雙覆蓋的網(wǎng)絡(luò)通信環(huán)境，以實(shí)現(xiàn)對(duì)各種感知信息的接入和互聯(lián)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將課堂上的各種信息資源有機(jī)結(jié)合起來(lái)，設(shè)置的各個(gè)感知節(jié)點(diǎn)將其融合在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)彼此之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和共享。在管理上，提供了一種新型的實(shí)時(shí)管理模式；在教學(xué)內(nèi)容上，使內(nèi)容完整有序，詳略可控，形式豐富多樣。物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的高校實(shí)踐教學(xué)課堂，管理上更加智能，豐富了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，增加了實(shí)驗(yàn)操作和環(huán)境的安全性；教學(xué)上提供了以學(xué)生為中心的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)環(huán)境，根據(jù)每個(gè)學(xué)生的知識(shí)情況，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化學(xué)習(xí)。

2.1實(shí)踐課堂管理模式改革

在傳統(tǒng)的高校實(shí)踐教學(xué)課堂中，實(shí)驗(yàn)室管理人員對(duì)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境、各種設(shè)備和參與實(shí)驗(yàn)的學(xué)生情況等進(jìn)行管理，存在著管理難度較大、信息瑣碎等各種問(wèn)題。引入物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)，可以在實(shí)踐課堂設(shè)置有線(xiàn)及無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，布置各種類(lèi)型的傳感器感知節(jié)點(diǎn)，通過(guò)終端控制器接收，進(jìn)行判斷處理并發(fā)送給相關(guān)職責(zé)部門(mén)。同時(shí)將數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)在后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)中，形成歷史曲線(xiàn)，便于狀態(tài)的預(yù)測(cè)。比如教室各個(gè)角落設(shè)置噪音節(jié)點(diǎn)，一旦超過(guò)設(shè)定值，則向相關(guān)部門(mén)發(fā)出報(bào)警信號(hào)；教室安裝光亮傳感器，可以根據(jù)天氣情況、室外光照強(qiáng)度等調(diào)整窗簾狀態(tài)以及室內(nèi)電燈的自動(dòng)開(kāi)關(guān)，為教師和學(xué)生打造一個(gè)舒適的教與學(xué)的環(huán)境，在教室環(huán)境管理上達(dá)到一個(gè)智能的狀態(tài)。在設(shè)備管理上，可以為每臺(tái)設(shè)備植入其獨(dú)一無(wú)二的RFID標(biāo)簽，自動(dòng)識(shí)別判斷自身是否處于高溫、高濕等狀態(tài)中，一旦異常，立即切斷電源并報(bào)警，在設(shè)備管理上達(dá)到一個(gè)安全的狀態(tài)。在學(xué)生信息管理上，讓每位學(xué)生佩戴植入傳感器節(jié)點(diǎn)的腕帶，能夠?qū)⒆约旱膶W(xué)習(xí)狀態(tài)和需求反饋給教師，教師也能夠時(shí)刻關(guān)注學(xué)生的實(shí)踐操作是否符合要求和規(guī)范，及時(shí)糾正和指導(dǎo)[4]。物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)環(huán)境構(gòu)造動(dòng)態(tài)的上課學(xué)生、上課教師和靜態(tài)的各種設(shè)備儀器處于一個(gè)平等的地位，彼此間互通信息，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸處理。實(shí)踐課堂的管理由傳統(tǒng)上的單向管理轉(zhuǎn)變?yōu)榻换ナ降募衅降仁焦芾怼?/p>

圖2　物聯(lián)網(wǎng)課堂智能管理模式示意圖

2.2實(shí)踐課堂教學(xué)內(nèi)容改革

圖3　本體語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)圖

基于物聯(lián)網(wǎng)的情境感知系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)其情境推理的基礎(chǔ)。物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐教學(xué)課堂應(yīng)用中，針對(duì)學(xué)生上課時(shí)對(duì)當(dāng)前知識(shí)點(diǎn)的反饋情況利用本體建模工具，構(gòu)建OWL知識(shí)本體類(lèi)模型，創(chuàng)建具有邏輯性的情境關(guān)系實(shí)體，并借助基于Java的開(kāi)源語(yǔ)義包Jena實(shí)現(xiàn)對(duì)OWL文件的解析推理。推理機(jī)制的實(shí)現(xiàn)，能夠在現(xiàn)有知識(shí)庫(kù)的基礎(chǔ)上，實(shí)時(shí)掌握每一位學(xué)生的知識(shí)接受能力，并根據(jù)學(xué)生程度的不同預(yù)測(cè)其在此基礎(chǔ)上特有的知識(shí)興趣點(diǎn)，拓寬知識(shí)講授面。OWL本體建模中共包含6種主要的實(shí)體關(guān)系，分別為組成、類(lèi)屬、屬性、實(shí)例、比較以及等同，描述為G=(P,T,A,I,C,S)[5]。以《計(jì)算機(jī)文化基礎(chǔ)》課程為例，圖3為其本體語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)建構(gòu)圖。在其基礎(chǔ)上生成《計(jì)算機(jī)文化基礎(chǔ)》操作系統(tǒng)章節(jié)的知識(shí)庫(kù)，通過(guò)對(duì)知識(shí)庫(kù)的檢索，找出相關(guān)聯(lián)問(wèn)題的答案。教師教授計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)章節(jié)知識(shí)時(shí)，可搜索計(jì)算機(jī)等級(jí)考試題庫(kù)，結(jié)合教學(xué)大綱有針對(duì)性地進(jìn)行講解。同時(shí)由計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)介紹延伸到功能講解和操作講解，再依次去挖掘身邊接觸到的操作系統(tǒng)，如智能手機(jī)操作系統(tǒng)。讓學(xué)生主動(dòng)將書(shū)本上枯燥的知識(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)樯钪懈信d趣的話(huà)題。學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中提出的問(wèn)題，若原知識(shí)庫(kù)中沒(méi)有答案，則向老師發(fā)出求解信號(hào)，由老師主動(dòng)解答，并將答案擴(kuò)充到知識(shí)庫(kù)建設(shè)體系中，進(jìn)一步拓寬知識(shí)來(lái)源和廣度，豐富知識(shí)庫(kù)實(shí)體關(guān)系內(nèi)容。

在物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐教學(xué)課堂上，創(chuàng)建課程知識(shí)本體，自動(dòng)生成問(wèn)題和答案。而在傳統(tǒng)課堂上學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、提出問(wèn)題，老師搜集常見(jiàn)問(wèn)題并解答。本文通過(guò)搜集常見(jiàn)問(wèn)題解決案例進(jìn)行比較，結(jié)果如表1所示:

表1　重合度比較

3結(jié)語(yǔ)

高校實(shí)踐教學(xué)中實(shí)現(xiàn)“應(yīng)用型”與“創(chuàng)新型”人才培養(yǎng)目標(biāo)，是目前高校提高實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量水平的重點(diǎn)。本文通過(guò)對(duì)高校實(shí)踐教學(xué)課堂引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)所能帶來(lái)的創(chuàng)新性改革進(jìn)行深入分析和研究，探討了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在高校實(shí)踐課堂教學(xué)中的應(yīng)用，對(duì)教學(xué)改革有著積極的促進(jìn)作用。

(責(zé)任編輯呂春紅)

參考文獻(xiàn)：

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Teaching Reform and Innovation of Practice Classroom in the

University Based on The Internet of Things Technology

DONG Jun, et al

(Henan Mechanical and Electrical Engineering College The Experimental

Management Center , Xinxiang 453000,China)

Abstract:Development and application of the Internet of things technology is a concern topic of current sociology.In addition,it is one of the important research topic of curriculum reform in the university.The construction scheme of the practice teaching environment is proposed in this paper which takes the Internet of things technology as support ,also the function and meaning of the Internet of things technology for practice teaching in the university is discussed.

Key words:the Internet of things technology;practice classroom;innovation