基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的教學(xué)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

文/關(guān)景新

1　前言

職業(yè)教育采用教學(xué)做一體的教學(xué)方法進(jìn)行教學(xué)，通常采用過程性考核方式，但由于課堂時(shí)間緊、班級(jí)人數(shù)多、學(xué)習(xí)任務(wù)重，在師生比為1：30的課堂教學(xué)中教學(xué)者都忙于對(duì)學(xué)習(xí)者的實(shí)訓(xùn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，難以抽空思考學(xué)習(xí)者遇到的難點(diǎn)，在檢驗(yàn)教學(xué)效果時(shí)又通常采用課后作業(yè)、中段考試等方式，這種滯后使得教學(xué)者難以及時(shí)、真實(shí)地掌握所有學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)情況，無法獲悉學(xué)習(xí)者在實(shí)訓(xùn)過程中哪些知識(shí)技能點(diǎn)出現(xiàn)問題從而無法對(duì)學(xué)習(xí)者進(jìn)行個(gè)別輔導(dǎo)、對(duì)癥下藥來提高教學(xué)效果。由于教學(xué)者不能及時(shí)的“雪中送炭”，很多學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)興趣就會(huì)一而衰、衰而絕，開始厭學(xué)。

本教學(xué)系統(tǒng)是運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算技術(shù)來設(shè)計(jì)出一套用于教學(xué)實(shí)訓(xùn)的系統(tǒng)，通過設(shè)計(jì)有場(chǎng)景干預(yù)和行為記錄兩種功能，通過場(chǎng)景干預(yù)的引入，在學(xué)習(xí)的過程中，形成若干的學(xué)習(xí)情景干擾項(xiàng)，使學(xué)習(xí)者不再是機(jī)械般模擬，而是可以在模擬訓(xùn)練的基礎(chǔ)上加以思索形成自己的本領(lǐng)和技能；通過行為記錄，在學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)過程中，時(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)學(xué)習(xí)者的操作，正確的與不正確的操作都會(huì)記錄在案上傳至服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，一來可以分析教學(xué)設(shè)備的教學(xué)效果如何，二來可以分析學(xué)習(xí)者是否使用設(shè)備后學(xué)到硬本領(lǐng)，如果沒有學(xué)到還可以分析出原因。

表1：行為路徑功能細(xì)分表

圖1：教學(xué)實(shí)訓(xùn)考核系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

2　實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)物聯(lián)關(guān)鍵——場(chǎng)景干預(yù)和行為記錄

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的教學(xué)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)具有兩種功能：場(chǎng)景干預(yù)和行為記錄。教學(xué)者通過場(chǎng)景干預(yù)功能可以針對(duì)學(xué)習(xí)任務(wù)預(yù)設(shè)學(xué)習(xí)陷阱或具有一定蠱惑的干擾項(xiàng)，使得學(xué)習(xí)者可以在模仿實(shí)訓(xùn)、習(xí)得技能的過程中遇到問題加以思索形成過硬的技術(shù)本領(lǐng)，通過隱性的或者顯性的、錯(cuò)誤的或者正確的指引信息來提高教學(xué)質(zhì)量。如在單片機(jī)項(xiàng)目教學(xué)課程中的直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制學(xué)習(xí)任務(wù)中，教學(xué)者可以通過本教學(xué)系統(tǒng)對(duì)原有的實(shí)訓(xùn)設(shè)備增加電機(jī)失效運(yùn)行的干擾項(xiàng)、在演示教學(xué)中教學(xué)者關(guān)閉場(chǎng)景干預(yù)功能，設(shè)備正常運(yùn)行，在學(xué)習(xí)者練習(xí)時(shí)，開啟場(chǎng)景干預(yù)功能，電機(jī)的供電出現(xiàn)問題，從而引導(dǎo)學(xué)習(xí)者去掌握相關(guān)故障檢修的技能，加深學(xué)習(xí)印象。

本系統(tǒng)的行為記錄功能包括兩個(gè)子功能——學(xué)習(xí)行為路徑預(yù)設(shè)和學(xué)習(xí)行為存儲(chǔ)分析。教學(xué)者通過學(xué)習(xí)行為路徑預(yù)設(shè)功能可以對(duì)所教學(xué)的課程劃分若干個(gè)學(xué)習(xí)任務(wù)，對(duì)每個(gè)學(xué)習(xí)任務(wù)進(jìn)行規(guī)劃出N個(gè)節(jié)點(diǎn)，形成一條有利于學(xué)習(xí)者習(xí)得知識(shí)技能的“上山之路”；本系統(tǒng)的學(xué)習(xí)行為存儲(chǔ)功能會(huì)對(duì)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)過程實(shí)時(shí)地記錄下來，教學(xué)者可以通過學(xué)習(xí)行為存儲(chǔ)分析功能來快速獲得學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)的真實(shí)情況及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題。

表2：云端共性分析

表3：云端類別化分析表

表4：云端個(gè)性化分析（學(xué)生1項(xiàng)目九的結(jié)果及反饋)

3　教學(xué)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的物聯(lián)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的教學(xué)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)由終端機(jī)器（實(shí)訓(xùn)設(shè)備）、智能用戶終端、教學(xué)系統(tǒng)平臺(tái)、云端大數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)和數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器五個(gè)模塊組成，如圖1。其中，終端機(jī)器是學(xué)校購(gòu)置的、學(xué)習(xí)者所使用的實(shí)訓(xùn)設(shè)備。智能用戶終端是與終端機(jī)器相連接的機(jī)器，具有實(shí)時(shí)采樣模塊、實(shí)時(shí)任務(wù)控制、實(shí)時(shí)行為記錄、實(shí)時(shí)場(chǎng)景干預(yù)和實(shí)時(shí)終端監(jiān)控五個(gè)物聯(lián)控制與監(jiān)測(cè)功能。智能用戶終端將終端機(jī)器的實(shí)時(shí)狀態(tài)經(jīng)檢測(cè)轉(zhuǎn)成信息并傳送至智能系統(tǒng)平臺(tái)，再由智能系統(tǒng)平臺(tái)在數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器中進(jìn)行存儲(chǔ)數(shù)據(jù)并推送至云端進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘分析，最后將學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)情況信息、教學(xué)者備課改進(jìn)意見等進(jìn)行反饋。在本系統(tǒng)中值得注意以下子功能：實(shí)時(shí)采樣模塊主要是對(duì)設(shè)備的電流電壓電平進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，通過此來反映學(xué)習(xí)者的正確、錯(cuò)誤的學(xué)習(xí)行為；實(shí)時(shí)任務(wù)控制主要是控制終端機(jī)器的學(xué)習(xí)實(shí)訓(xùn)任務(wù)；實(shí)時(shí)行為記錄通過電信號(hào)、圖像信號(hào)等傳感采樣將學(xué)習(xí)者的整個(gè)學(xué)習(xí)過程記錄下來；實(shí)時(shí)場(chǎng)景干預(yù)主要是通過對(duì)學(xué)習(xí)任務(wù)添加干擾信息，讓學(xué)習(xí)者產(chǎn)生疑惑從而引發(fā)思考；實(shí)時(shí)終端監(jiān)控主要是預(yù)防學(xué)習(xí)者的錯(cuò)誤操作對(duì)設(shè)備產(chǎn)生的損壞，及時(shí)地終止保護(hù)設(shè)備。

本系統(tǒng)采用服務(wù)器/客戶端（C/S）的模式進(jìn)行使用，教學(xué)者首先需要在服務(wù)器上進(jìn)行規(guī)劃課程及學(xué)習(xí)任務(wù)信息后進(jìn)行發(fā)布，進(jìn)入正式上課后，教學(xué)系統(tǒng)平臺(tái)將進(jìn)入實(shí)時(shí)監(jiān)控的環(huán)節(jié)，包括向已登陸的學(xué)生發(fā)送場(chǎng)景干預(yù)數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)記錄學(xué)生的學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)（包括路徑和場(chǎng)景）、并進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比分析，分析后進(jìn)行推送。

4　物聯(lián)分析模型

本系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模如表1，在教學(xué)者的任課班級(jí)A中，面對(duì)某一課程的某一學(xué)習(xí)任務(wù)，教學(xué)者設(shè)置了節(jié)點(diǎn)一、二、…、N個(gè)學(xué)習(xí)路徑，并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)為每個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)置了預(yù)期的結(jié)果數(shù)據(jù)；上課時(shí)，智能用戶終端會(huì)不斷地把N個(gè)學(xué)生的學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)發(fā)送給智能系統(tǒng)平臺(tái)，智能系統(tǒng)平臺(tái)收到數(shù)據(jù)后按號(hào)歸類存儲(chǔ)，在學(xué)習(xí)者完成某個(gè)節(jié)點(diǎn)的任務(wù)后，啟動(dòng)個(gè)性化分析，如表4，學(xué)生D的節(jié)點(diǎn)一任務(wù)所用的時(shí)間為7min，與設(shè)置值6min進(jìn)行對(duì)比，偏離率為-7.7%，可知學(xué)生掌握的程度是中下，同時(shí)會(huì)把反饋信息主動(dòng)推送至學(xué)習(xí)者和教學(xué)者處，學(xué)習(xí)者收到后進(jìn)行課后強(qiáng)化練習(xí)，教學(xué)者也可以主動(dòng)尋找學(xué)習(xí)者給予幫助。

當(dāng)所有學(xué)習(xí)者完成某一節(jié)點(diǎn)任務(wù)后，教學(xué)系統(tǒng)平臺(tái)將會(huì)啟動(dòng)云端共性分析，如表1。教學(xué)系統(tǒng)平臺(tái)收集了某一班級(jí)（如表1、表2所示的班級(jí)A）所有學(xué)生的學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)后，經(jīng)過統(tǒng)計(jì)（統(tǒng)計(jì)計(jì)算方法，如公式1），得到了班級(jí)A。

公式1：

公式2：偏離率=（實(shí)測(cè)的行為數(shù)值-預(yù)設(shè)的行為數(shù)值）/預(yù)設(shè)的行為數(shù)值

共性的數(shù)據(jù)，并將此數(shù)據(jù)覆蓋教學(xué)者原預(yù)先設(shè)置的行為數(shù)據(jù)，形成新的、更可靠的預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)。

教學(xué)系統(tǒng)平臺(tái)可以對(duì)多個(gè)不同班級(jí)的共性數(shù)據(jù)進(jìn)行歸類化分析，班級(jí)A是均衡型、班級(jí)B是兩極分化型的，如表3。個(gè)性化分析、類別化分析后，教學(xué)者可以查閱相關(guān)的分析結(jié)果，掌握不同班級(jí)的特性和不同學(xué)習(xí)者的個(gè)性，對(duì)教學(xué)方案進(jìn)行修改、并采用不同的教學(xué)方法優(yōu)化所任的課程，改善教學(xué)質(zhì)量。

5　教學(xué)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)在課程中實(shí)施

5.1　實(shí)施設(shè)計(jì)

根據(jù)以上述的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)分析模型設(shè)計(jì)出的教學(xué)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，嘗試在高等職業(yè)教育電子工程技術(shù)專業(yè)的《單片機(jī)技術(shù)應(yīng)用開發(fā)》課程教學(xué)中使用。本課程的教學(xué)預(yù)設(shè)了十五個(gè)學(xué)習(xí)任務(wù)，以學(xué)習(xí)任務(wù)8《直流電機(jī)的速度控制》為例進(jìn)行闡述，本次學(xué)習(xí)任務(wù)的知識(shí)技能目標(biāo)如圖2（1）。如圖2（2）的使用系統(tǒng)原理圖，以原有的單片機(jī)開發(fā)實(shí)訓(xùn)箱為終端機(jī)器，接入了我們?cè)O(shè)計(jì)的智能用戶終端的部分硬件模塊，如電壓電流模塊用于監(jiān)測(cè)單片機(jī)開發(fā)實(shí)訓(xùn)箱的運(yùn)行電流，通過電流來反映學(xué)習(xí)者來反映行為操作，如按下按鍵，監(jiān)測(cè)的電流會(huì)有跳變?cè)黾樱姍C(jī)速度增加，電流會(huì)提高一個(gè)等級(jí)等；通過數(shù)字信號(hào)采樣模塊來實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)單片機(jī)的接口輸出信號(hào)從而反映學(xué)習(xí)者的編程水平；通過繼電器K來形成場(chǎng)景干預(yù)、對(duì)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行故障設(shè)置；通過霍爾傳感模塊來監(jiān)測(cè)電機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)速度。在例中設(shè)置的場(chǎng)景干擾和行為記錄預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)如圖2（3），表5為行為記錄中所用的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。

5.2　實(shí)施結(jié)果

通過實(shí)施，系統(tǒng)可導(dǎo)入每位學(xué)習(xí)者的明細(xì)表，同時(shí)對(duì)所有學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)后形成了統(tǒng)計(jì)報(bào)表，學(xué)習(xí)者和教學(xué)者都及時(shí)地收到了反饋信息，使得教與學(xué)之間的問題更加清晰明了，教學(xué)者及時(shí)地對(duì)個(gè)別同學(xué)的個(gè)別問題進(jìn)行輔導(dǎo)，提高了學(xué)習(xí)者的興趣。

6　總結(jié)

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的教學(xué)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)通過物聯(lián)監(jiān)測(cè)的方法提供一種感知學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)過程中出現(xiàn)問題的方法，通過設(shè)計(jì)了場(chǎng)景干預(yù)和行為記錄兩種功能來改善教學(xué)反饋，形成及時(shí)、高效、真實(shí)的反饋信息，為教學(xué)者和學(xué)習(xí)者建立一個(gè)良好的溝通前提，有效地解決學(xué)習(xí)者有問題卻不知道如何問、教學(xué)者明知道有問題卻不知道出于哪里的矛盾。同時(shí)通過本系統(tǒng)對(duì)學(xué)習(xí)者的個(gè)性、班級(jí)的共性等分析來不斷優(yōu)化教學(xué)者的教學(xué)方案，使得學(xué)習(xí)效果提高。實(shí)施證明取得了一定良好的效果，但也發(fā)現(xiàn)由于每個(gè)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)情況都存在著個(gè)體差異、因預(yù)設(shè)的模型不是很成熟在數(shù)據(jù)分析及處理的過程中，存在一定的偏差，在日后還需要不斷地優(yōu)化改進(jìn)。

表5：行為記錄檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)衡量表

圖2：《單片機(jī)技術(shù)應(yīng)用開發(fā)》課程使用案例圖