讓物聯(lián)網(wǎng)走進(jìn)中小學(xué)課堂

張清曉

【摘 要】物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在中小學(xué)“智慧校園”建設(shè)，尤其在智能教學(xué)系統(tǒng)中的應(yīng)用日趨重要。在教育信息化的背景下，結(jié)合國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究，分析系統(tǒng)要素，從交互內(nèi)容、交互方式、交互界面和交互評(píng)價(jià)出發(fā)，建構(gòu)了一個(gè)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的交互式學(xué)習(xí)系統(tǒng)模型，提出了一些具體的技術(shù)規(guī)范，旨在提升中小學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)盡快走進(jìn)中小學(xué)的課堂。

【關(guān)鍵詞】物聯(lián)網(wǎng)；智能教學(xué)系統(tǒng)；交互式學(xué)習(xí)環(huán)境

【中圖分類號(hào)】G40-057 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【論文編號(hào)】1671-7384（2016）05-0074-03

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)近年發(fā)展迅速，它是在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)上延伸和擴(kuò)展的一種網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了任何物品之間的信息交換與通信，并將物品整合到互聯(lián)網(wǎng)中來(lái)，使用者能夠獲得實(shí)時(shí)反饋信息，并與之進(jìn)行有效的互動(dòng)。

在教育領(lǐng)域，應(yīng)用在門(mén)禁管理、安保管理、后勤管理等學(xué)校綜合管理和學(xué)生日常管理方面的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)正逐步推廣。與此同時(shí)，人們的學(xué)習(xí)方式也隨著技術(shù)的革新發(fā)生了轉(zhuǎn)變，從原先的傳統(tǒng)學(xué)習(xí)模式逐漸發(fā)展出了數(shù)字學(xué)習(xí)（e-Learning）、移動(dòng)學(xué)習(xí)（m-Learning）以及泛在學(xué)習(xí)（u-Learning）的新模式。其中，基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的泛在學(xué)習(xí)模式不僅提供給學(xué)習(xí)者海量的學(xué)習(xí)內(nèi)容，而且通過(guò)結(jié)合虛擬和物理空間， 搭建隨時(shí)隨地的協(xié)同學(xué)習(xí)環(huán)境，使學(xué)習(xí)資源與學(xué)習(xí)者的不同需求相適應(yīng) 。無(wú)論對(duì)于高等教育還是基礎(chǔ)教育，正規(guī)教育還是非正規(guī)教育，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)過(guò)程中，都扮演著一個(gè)日趨重要的角色。

在教育信息化的背景下，廣大中小學(xué)校作為教育領(lǐng)域的最前沿，是建設(shè)“智慧校園”的重要陣地。一方面，針對(duì)中小學(xué)生自制能力較差、自我保護(hù)意識(shí)較弱的特點(diǎn)，在校園基建領(lǐng)域?qū)τ谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)的引入較為迫切；另一方面，物聯(lián)網(wǎng)智能教學(xué)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)能夠填補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)方式的缺陷，營(yíng)造良好的學(xué)習(xí)環(huán)境，對(duì)于提升中小學(xué)校的教學(xué)質(zhì)量，落實(shí)培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的目標(biāo)具有重要意義。在綜合國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究和分析系統(tǒng)要素的基礎(chǔ)上，本文建構(gòu)了一個(gè)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的交互式學(xué)習(xí)系統(tǒng)模型，旨在提升中小學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，推進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)盡快走進(jìn)中小學(xué)的課堂。

相關(guān)研究

物聯(lián)網(wǎng)在教學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用的相關(guān)研究已有很多，例如Wang Y.關(guān)于互動(dòng)英語(yǔ)教學(xué)的研究，通過(guò)設(shè)置語(yǔ)音和視覺(jué)傳感器來(lái)獲取學(xué)生的發(fā)音，根據(jù)學(xué)生反饋的情況及時(shí)進(jìn)行教學(xué)調(diào)整。依據(jù)Wang Y.的觀點(diǎn)，物聯(lián)網(wǎng)之所以能夠在教學(xué)領(lǐng)域開(kāi)展應(yīng)用，其動(dòng)力機(jī)制在于方式新穎，有利于教師因材施教：教師甄選一些適合學(xué)生學(xué)習(xí)的基本材料；學(xué)生根據(jù)自身能力自定步調(diào)，自主學(xué)習(xí)，不會(huì)受限于一個(gè)為了大多數(shù)人的需求設(shè)計(jì)的程序，比如一門(mén)“慕課”。

另外幾個(gè)有代表性的研究包括：Gonzalez' G等人搭建了一個(gè)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的個(gè)人學(xué)習(xí)空間的基本框架，他的研究表明，利用NFC技術(shù)（近場(chǎng)通信技術(shù)）能夠?qū)崿F(xiàn)學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)過(guò)程中使用到的物品間信息的流動(dòng)和互通。Domingo M.等人在西班牙加泰羅尼亞開(kāi)放大學(xué)進(jìn)行的研究中設(shè)計(jì)了一個(gè)以用戶為中心的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)字學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)，旨在提高學(xué)生的學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)。

綜上，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在教學(xué)領(lǐng)域已經(jīng)有了一些初步探索。國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究結(jié)果表明，它是一個(gè)能提高教師教學(xué)質(zhì)量，并讓學(xué)生以更好的方式學(xué)習(xí)的工具。但是，以往的研究多停留在技術(shù)層面的探討，缺乏對(duì)學(xué)習(xí)者本身情況的綜合考慮。對(duì)于中小學(xué)的課堂教學(xué)而言，不能把國(guó)外大學(xué)實(shí)驗(yàn)室里的研究成果直接拿來(lái)，在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮到中小學(xué)生身心發(fā)展特點(diǎn)及其個(gè)體差異。進(jìn)一步的，還要在技術(shù)層面探討如何保護(hù)學(xué)習(xí)者的隱私等教育倫理范疇的內(nèi)容。

系統(tǒng)建構(gòu)的要素

1. 交互式的學(xué)習(xí)環(huán)境

“物物互聯(lián)”使物聯(lián)網(wǎng)的信息交互無(wú)所不在，而在教學(xué)領(lǐng)域，物聯(lián)網(wǎng)至少要實(shí)現(xiàn)兩種交互：一方面是維持其本身的，即學(xué)習(xí)者與學(xué)習(xí)對(duì)象間的交互，對(duì)于中小學(xué)生來(lái)說(shuō)，這更可能是一種游戲性的交互，也就是通過(guò)一系列的操作如掃描二維碼，打破傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)過(guò)程，激發(fā)出他們的好奇心和學(xué)習(xí)的興趣；另一方面是提升其教育性的交互，即在學(xué)習(xí)情境和學(xué)習(xí)對(duì)象的元素中所承載的對(duì)于知識(shí)意義進(jìn)行建構(gòu)的學(xué)習(xí)型的交互，換句話說(shuō)，就是學(xué)習(xí)者通過(guò)這一過(guò)程，將戴爾“經(jīng)驗(yàn)之塔”底層的直接經(jīng)驗(yàn)內(nèi)化為自己的抽象經(jīng)驗(yàn)的過(guò)程。

當(dāng)代建構(gòu)主義強(qiáng)調(diào)在學(xué)習(xí)過(guò)程中要充分發(fā)揮學(xué)習(xí)者的主動(dòng)性，認(rèn)為學(xué)習(xí)是學(xué)習(xí)者主動(dòng)建構(gòu)自己的認(rèn)識(shí)經(jīng)驗(yàn)的過(guò)程，是學(xué)習(xí)者在一定的情境下，借助他人的幫助，利用必要的學(xué)習(xí)資料，通過(guò)意義建構(gòu)的方式獲得的，而不是通過(guò)教師的講授獲得。依據(jù)這一原理，物聯(lián)網(wǎng)交互學(xué)習(xí)系統(tǒng)需要保證學(xué)生個(gè)體認(rèn)知過(guò)程和知識(shí)生成過(guò)程的交互性，即確保學(xué)習(xí)者與學(xué)習(xí)對(duì)象間及學(xué)習(xí)者與學(xué)習(xí)者間、學(xué)習(xí)者與教師間的交互。除此之外，北京師范大學(xué)陳麗教授還指出，在信息技術(shù)支持下的學(xué)習(xí)交互還應(yīng)包括學(xué)生原有概念和新概念之間的交互，也就是通過(guò)新舊知識(shí)的碰撞獲得更新的知識(shí)。

2. 尊重學(xué)生個(gè)體差異和隱私

了解學(xué)生的個(gè)體差異，按照教學(xué)對(duì)象的不同提供不同的學(xué)習(xí)支持，是教師實(shí)施有效教學(xué)的重要條件之一。物聯(lián)網(wǎng)交互學(xué)習(xí)系統(tǒng)所提供的平臺(tái)必須滿足教師對(duì)教學(xué)環(huán)境、教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行預(yù)設(shè)和實(shí)時(shí)調(diào)整的需求，并且貫穿上課前、上課中及教學(xué)評(píng)價(jià)的始終。學(xué)生的個(gè)體差異包括智力差異、學(xué)習(xí)風(fēng)格差異、社會(huì)文化背景差異和性別差異等，中小學(xué)生處于個(gè)體個(gè)性化高速發(fā)展的時(shí)期，這些個(gè)體差異在常規(guī)的班級(jí)授課制的情況下難以區(qū)分和處理，尤其要引起重視。以學(xué)習(xí)風(fēng)格為例，在學(xué)習(xí)過(guò)程中，有的人習(xí)慣通過(guò)讀來(lái)學(xué)習(xí)，有的人則習(xí)慣通過(guò)聽(tīng)和做來(lái)學(xué)習(xí)。對(duì)于設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)，一方面要建立一個(gè)精密的、方便讀取的學(xué)習(xí)對(duì)象數(shù)據(jù)庫(kù)，允許教師進(jìn)行及時(shí)分析調(diào)整；另一方面要結(jié)合其他關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)習(xí)慣自行評(píng)估和分類，減少教師工作量。

然而，一旦錄入大量的學(xué)生信息，就會(huì)產(chǎn)生新的隱私保護(hù)的問(wèn)題。事實(shí)上，物聯(lián)網(wǎng)中的隱私保護(hù)一直是個(gè)熱點(diǎn)話題，很多學(xué)者也對(duì)物聯(lián)網(wǎng)中存在的隱私信息和保護(hù)模式進(jìn)行了總結(jié)和分類，但由于教育活動(dòng)的特殊性，一些相關(guān)措施也要有所調(diào)整。比如學(xué)生的身份和數(shù)據(jù)類隱私信息，必須對(duì)教師可見(jiàn)，方便因材施教，但也不能向所有人公開(kāi)，相應(yīng)的數(shù)據(jù)加密和信息隱藏技術(shù)仍很必要。此外，必須明確技術(shù)只是輔助手段，學(xué)生的隱私保護(hù)問(wèn)題根本上還要訴諸教師的職業(yè)道德培養(yǎng)。

物聯(lián)網(wǎng)交互式學(xué)習(xí)系統(tǒng)模型建構(gòu)

基于交互式學(xué)習(xí)環(huán)境建構(gòu)和尊重學(xué)生個(gè)體差異、保護(hù)學(xué)生隱私的原則，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過(guò)程中從交互內(nèi)容、交互方式、交互界面和交互評(píng)價(jià)這幾個(gè)方面加以落實(shí)，要讓學(xué)生和學(xué)習(xí)環(huán)境中的物理對(duì)象，或者說(shuō)和那些應(yīng)用程序進(jìn)行“人物互動(dòng)”，進(jìn)而“人人互動(dòng)”，提升其學(xué)習(xí)效果。該物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)交互式學(xué)習(xí)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1. 信息錄入與網(wǎng)絡(luò)接入

從交互內(nèi)容出發(fā)，要將大量的文本信息賦予參與教學(xué)的物理對(duì)象，這些內(nèi)容都應(yīng)是教師預(yù)先設(shè)計(jì)好的。從交互方式出發(fā)，所有資源都應(yīng)包含一個(gè)或多個(gè)可視標(biāo)簽，即NFC（近場(chǎng)通信技術(shù)）標(biāo)簽或我們熟悉的QR CODE（矩陣二維碼），每個(gè)標(biāo)簽都含有識(shí)別物理對(duì)象的唯一數(shù)據(jù)，并能與虛擬對(duì)象相連接。該系統(tǒng)應(yīng)支持多種媒體資源的讀取，包括超文本、音頻、視頻、動(dòng)畫(huà)等，所有參與教學(xué)的移動(dòng)設(shè)備都應(yīng)配備NFC和QR CODE識(shí)別技術(shù)的端口，方便學(xué)生與物理對(duì)象間進(jìn)行的互動(dòng)。為了保證教學(xué)的即時(shí)性，應(yīng)選擇最優(yōu)的接入模式，最大限度地減小客戶端、服務(wù)器與HTTP（超文本傳輸協(xié)議）之間的延遲。為了迎合教學(xué)場(chǎng)所的不固定性，應(yīng)保證師生都可以通過(guò)無(wú)線網(wǎng)或3G、4G移動(dòng)設(shè)備接入互聯(lián)網(wǎng)。

2. 搭建服務(wù)器

教師在上課前要對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)活動(dòng)中用到的相關(guān)物理對(duì)象進(jìn)行預(yù)先設(shè)置，對(duì)象管理界面會(huì)顯示出這些新增的物理對(duì)象信息。為將信息準(zhǔn)確有效地傳遞給學(xué)生，系統(tǒng)服務(wù)器要處理兩種不同類型資源，并將資源存儲(chǔ)在兩個(gè)不同的數(shù)據(jù)庫(kù)中。一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)負(fù)責(zé)存儲(chǔ)學(xué)生學(xué)習(xí)活動(dòng)和評(píng)估結(jié)果的記錄，這類數(shù)據(jù)包含有學(xué)生的個(gè)人信息和隱私，僅對(duì)教師可見(jiàn)；另一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)則負(fù)責(zé)存儲(chǔ)擴(kuò)充的學(xué)習(xí)對(duì)象的信息，方便教師及時(shí)編輯上傳和學(xué)生隨時(shí)讀取學(xué)習(xí)。

3. 設(shè)計(jì)客戶端應(yīng)用程序

利用NFC技術(shù)和QR CODE技術(shù)在客戶端搭建一個(gè)方便學(xué)生與物理對(duì)象進(jìn)行交互的混合界面。當(dāng)學(xué)生把自己的移動(dòng)設(shè)備靠近物理對(duì)象時(shí)，他們可以選擇交互界面中的任一模式：NFC或是QR CODE碼。如果學(xué)生選擇了NFC讀取，移動(dòng)設(shè)備會(huì)立即從物體上的NDEF（NFC數(shù)據(jù)交換格式）標(biāo)簽捕獲到相關(guān)信息，NDEF會(huì)對(duì)服務(wù)器上新增的物體進(jìn)行識(shí)別。也就是說(shuō)，該算法先對(duì)NDEF進(jìn)行解碼，然后將數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器中。最終，虛擬對(duì)象會(huì)通過(guò)圖形展示的方式將學(xué)習(xí)資源呈現(xiàn)在學(xué)生的移動(dòng)設(shè)備上。從交互界面出發(fā)，設(shè)計(jì)者要遵循簡(jiǎn)潔明快、易學(xué)易懂的原則設(shè)計(jì)一個(gè)適合中小學(xué)生使用的界面。如果學(xué)生選擇了QR CODE碼讀取，原理同上，閱讀器會(huì)對(duì)標(biāo)簽上的信息進(jìn)行解碼，用戶界面就會(huì)呈現(xiàn)出相關(guān)的學(xué)習(xí)資源，這些學(xué)習(xí)資源可能是一個(gè)動(dòng)畫(huà)、一個(gè)網(wǎng)站亦或是一個(gè)簡(jiǎn)單的文本或音頻，具體是什么，要依據(jù)不同學(xué)生的接受度和學(xué)習(xí)風(fēng)格差異進(jìn)行預(yù)先設(shè)定。

4. 設(shè)計(jì)交互評(píng)價(jià)系統(tǒng)

在必要情況下，當(dāng)學(xué)生完成一項(xiàng)學(xué)習(xí)活動(dòng)后，他們學(xué)習(xí)的結(jié)果都將通過(guò)他們的移動(dòng)設(shè)備上傳到服務(wù)器。教師可以對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)情況的數(shù)據(jù)分析，進(jìn)行教學(xué)評(píng)價(jià)，改進(jìn)教學(xué)策略，實(shí)現(xiàn)師生間的交互。為了保證學(xué)生隱私，學(xué)生的學(xué)習(xí)情況將對(duì)其他學(xué)習(xí)者不可見(jiàn)，學(xué)生可以自行與同伴和教師分享學(xué)習(xí)經(jīng)歷和感受，改善學(xué)習(xí)效果。

結(jié) 語(yǔ)

當(dāng)今的中小學(xué)生深受數(shù)字化時(shí)代生活環(huán)境的影響，思維模式和學(xué)習(xí)方式正發(fā)生著巨大的轉(zhuǎn)變，作為“數(shù)字移民”的中小學(xué)教育者，只有不斷改革教育方法和內(nèi)容，才能消除與“數(shù)字原住民”之間的“數(shù)字代溝”。

隨著中小學(xué)校園無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的覆蓋，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的交互學(xué)習(xí)模式具有了更廣闊的發(fā)展前景，這對(duì)于中小學(xué)課堂教學(xué)模式的革新和中小學(xué)“智慧校園”的建設(shè)頗具價(jià)值。期望這樣一個(gè)多維互動(dòng)的、生態(tài)化的智能學(xué)習(xí)系統(tǒng)能盡快付諸實(shí)踐，讓物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)更好地為中小學(xué)教育教學(xué)活動(dòng)服務(wù)。

（作者單位：南京郵電大學(xué)教育科學(xué)與技術(shù)學(xué)院）

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