面向智慧教育的物聯(lián)網(wǎng)模型及其功能實現(xiàn)路徑研究

陳金華 陳奕彬 彭倩 李易俞 謝雨芮 鄧媛 周紅梅

[摘? ?要] 智慧教育物聯(lián)網(wǎng)的迅猛發(fā)展推動了教育的智慧化變革，成就了智慧教育破繭成蝶，成為教育信息化2.0時代先進的教育形態(tài)。為了推動智慧教育的發(fā)展，采用文獻研究、關(guān)鍵詞時序知識圖譜分析、歸納與演繹等研究方法，對智慧教育環(huán)境發(fā)展態(tài)勢和智慧教育物聯(lián)網(wǎng)演進進行了透析，據(jù)此構(gòu)建了面向智慧教育的物聯(lián)網(wǎng)通信演進模型和功能架構(gòu)模型，依據(jù)模型討論了面向智慧教育的物聯(lián)網(wǎng)智能感知、智慧管理、情感計算、設備共享和視景仿真等功能的實現(xiàn)路徑，并提出了面向智慧教育的物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展亟待解決的系統(tǒng)的標準、教育資源規(guī)范和數(shù)據(jù)安全保護等幾個關(guān)鍵問題。最后，指出了未來教育發(fā)展的新方向與智慧教育物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)對推動智慧教育發(fā)展的重要價值。

[關(guān)鍵詞] 智慧教育; 物聯(lián)網(wǎng); 智慧教育物聯(lián)網(wǎng); 物聯(lián)網(wǎng)模型; 功能實現(xiàn)路徑

[中圖分類號] G434? ? ? ? ? ? [文獻標志碼] A

[作者簡介] 陳金華（1967—），男，重慶石柱人。教授，博士，主要從事基礎(chǔ)教育信息化、教育大數(shù)據(jù)與學習分析、學習空間建構(gòu)、人工智能與智慧教育等研究。E-mail：csdcjh@126.com。

一、引? ?言

近年來，在“智慧地球”理念的引導下，智慧教育破繭而出，躍居教育發(fā)展的高級階段并成為前沿焦點。智慧教育是在先進的教育思想指導下，與云計算、大數(shù)據(jù)、社交網(wǎng)絡、無線通信和物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)融合產(chǎn)生的新型教育形態(tài)。智慧教育的發(fā)展掀起了繼數(shù)字教育、移動教育、泛在教育之后的第四次浪潮，成為當前國際教育領(lǐng)域關(guān)注度最高的熱點之一。智慧教育關(guān)鍵技術(shù)主要是由射頻識別（RFID）、傳感器、網(wǎng)絡通信、數(shù)據(jù)處理與融合等組成，通過使用RFID、傳感器、紅外感應器、激光掃描器、全球定位系統(tǒng)等信息采集設備，把任何物品信息與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進行通信和交互，實現(xiàn)智慧化感知、識別、計算、顯示、監(jiān)控、定位、跟蹤與管理。從2004年開始，智慧教育物聯(lián)網(wǎng)相繼被日本X-Japan、新加坡MP X“智慧國2015 計劃（iN2015）”、韓國Master Plan XSMART教育、美國Smart Planet、NETP X等列為全球領(lǐng)先的教育重點研發(fā)領(lǐng)域。目前，盡管物聯(lián)網(wǎng)研究較多，但以智慧教育為切入點來研究物聯(lián)網(wǎng)功能應用的文獻還不多見。為了便于廣大研究者和應用者進一步深入了解和掌握面向智慧教育的物聯(lián)網(wǎng)模型及功能實現(xiàn)路徑，文章拋磚引玉，以期為物聯(lián)網(wǎng)的教育功能開發(fā)與智慧教育的發(fā)展提供有價值的參考。

二、相關(guān)研究綜述

物聯(lián)網(wǎng)是信息學領(lǐng)域最前沿、最重要的技術(shù)，為了更好地理解和應用面向智慧教育的物聯(lián)網(wǎng)及其功能，利用國內(nèi)外數(shù)據(jù)庫文獻，對智慧教育環(huán)境發(fā)展態(tài)勢及智慧教育物聯(lián)網(wǎng)演進進行了深入研究。

（一）智慧教育環(huán)境發(fā)展態(tài)勢研究

智慧校園、智慧教室、智慧實驗室和智慧圖書館是智慧教育環(huán)境的四個關(guān)鍵要素。通過選取 CNKI、萬方、維普三種中文數(shù)據(jù)庫以及 Web of Science、EBSCO、Science Direct、EI Compendex、Springer Link外文數(shù)據(jù)庫作為來源數(shù)據(jù)庫，以篇名和主題中包含“智慧校園”“智慧教室”“智慧實驗室”“智慧圖書館”等中文詞匯，以及“Smart Campus”O(jiān)R“Intelligence Campus” OR“Intelligent Campus”，“Smart Classroom” OR“Intelligent Classroom”O(jiān)R“Intelligence Classroom”，“Smart Laboratory” OR“Intelligence Laboratory” OR“Intelligent Laboratory”，“Smart Library”O(jiān)R“Intelligence Library”O(jiān)R“Intelligent Library”等英文關(guān)鍵詞，對智慧教育環(huán)境2009年至2018年十年核心論文進行檢索，通過人工閱讀剔除重復文獻與主題不符文獻，最終得到有效文獻385篇，其中，中文文獻270篇，英文文獻115篇。從四個關(guān)鍵要素的論文發(fā)文量（篇）看，智慧教育環(huán)境發(fā)展增長態(tài)勢及文獻量年度分布，如圖1所示。

四個關(guān)鍵要素顯示，智慧校園108篇、智慧教室71篇、智慧實驗室15篇、智慧圖書館191篇。智慧校園、智慧教室和智慧圖書館發(fā)文相對較多，這是因為它們是學生學習的主要場所，智慧實驗室發(fā)文較少，說明智慧實驗室正處于開發(fā)建設之中。同時，上圖也折射出智慧教育環(huán)境研究的態(tài)勢與智慧教育物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展及其功能演進有很大的相關(guān)性。

（二）智慧教育物聯(lián)網(wǎng)演進研究

智慧教育環(huán)境的發(fā)展取決于智慧教育物聯(lián)網(wǎng)的開發(fā)進程和力度，利用CiteSpace對智慧教育物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)關(guān)鍵詞進行時序知識圖譜分析，可以探尋到智慧教育物聯(lián)網(wǎng)演進的軌跡。其圖譜如圖2所示。

圖2中，字號的大小表示在某段時間內(nèi)該關(guān)鍵詞出現(xiàn)的頻次。根據(jù)時間段關(guān)鍵詞的出現(xiàn)頻次，從時序知識圖譜中可以看出，我國近十年智慧教育物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展迅速。特別是在2009年IBM公司錢大群提出“智慧地球”戰(zhàn)略和國務院原總理溫家寶視察無錫微納傳感網(wǎng)工程技術(shù)研發(fā)中心之后，智慧教育物聯(lián)網(wǎng)受到廣泛關(guān)注，相關(guān)研究呈現(xiàn)爆發(fā)式增長態(tài)勢[1]。以上圖譜表明：在2010至2012年間，尤其是從2011年12月《物聯(lián)網(wǎng)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》正式頒布之后，物聯(lián)網(wǎng)、教育信息化、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、智慧城市、智慧教育、智能感知、虛擬現(xiàn)實、智慧學習環(huán)境等關(guān)鍵詞字號增大，出現(xiàn)頻率較高。在2013至2015年間，相繼出現(xiàn)了智慧校園、云計算、智慧教室、翻轉(zhuǎn)課堂、智慧學習、智慧管理、智慧圖書館、設備共享、創(chuàng)客教育等熱門高頻關(guān)鍵詞，其中，智慧校園、云計算、智慧教室字號較大，因為云計算是物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)，智慧教室、智慧校園（包括智慧圖書館）是智慧教育環(huán)境的關(guān)鍵要素。在此期間，智慧校園、智慧教室和智慧圖書館以智慧教育的物化形態(tài)大量出現(xiàn)。在2015至2018年間，情感計算、視景仿真、智慧實驗室、智慧課堂、智慧教學、人工智能、教育信息化2.0等關(guān)鍵詞，成為智慧教育的熱詞，這一方面說明了智慧教育物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展趨勢，另一方面也表明智慧教育物聯(lián)網(wǎng)成熟的應用時代已經(jīng)來臨。

三、智慧教育物聯(lián)網(wǎng)通信演進與功能架構(gòu)模型

通過對相關(guān)文獻研究及智慧教育環(huán)境發(fā)展態(tài)勢與演進進行深入分析，可以構(gòu)建智慧教育物聯(lián)網(wǎng)通信演進模型與功能架構(gòu)模型，理清智慧教育物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展機理與路徑。

（一）通信演進模型

智慧教育物聯(lián)網(wǎng)通信演進包括功能演進和場域演進，智慧教育通信必然是以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，互聯(lián)網(wǎng)和移動互聯(lián)網(wǎng)為智慧教育智能交互提供了條件。面向智慧教育的物聯(lián)網(wǎng)通信演進模型如圖3所示。

智慧教育通信是以計算機與通信技術(shù)底層通信協(xié)議為基礎(chǔ)迅速發(fā)展而來，通過物聯(lián)網(wǎng)PAD、智能設備的RFID、傳感器、GPS、PLC等感知與識別信息，獲取音頻、視頻、圖像等，由Zigbee、NFC、藍牙近距離傳播到泛在傳感網(wǎng)絡（USN）。智慧教育物聯(lián)網(wǎng)通信演進經(jīng)歷了三個階段：首先是物物通信（M2M）階段，即計算機教育時代，這一階段其感知信息分別向著IP化（場域演進）和智能化（功能演進）方向迅速發(fā)展;接著進入人與物通信階段，即網(wǎng)絡教育時代，通過電報電話、移動電話并借力移動互聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)人人通信（H2H），其感知信息持續(xù)演進朝著寬帶化（場域演進）和移動化（功能演進）方向發(fā)展;最后進入教育通信階段，隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展與應用，通過IPV6、教育云計算、教育大數(shù)據(jù)技術(shù)實現(xiàn)高級的教學交互，其感知信息向著泛在化和智慧化方向飛速發(fā)展，這一階段也正是“人工智能+教育”的智慧教育時代。

（二）功能架構(gòu)模型

智慧教育物聯(lián)網(wǎng)的通信演進表明了其結(jié)構(gòu)功能的遞變。智慧教育物聯(lián)網(wǎng)具有智能化、感知化、互聯(lián)化和自動化等特征及其多態(tài)交互功能。基于相關(guān)文獻，根據(jù)智慧教育物聯(lián)網(wǎng)演進、智慧教育環(huán)境發(fā)展態(tài)勢以及智慧教育物聯(lián)網(wǎng)通信演進模型，并從對物聯(lián)網(wǎng)的概念模型、物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)層次（感知層、傳輸層和應用層）模型和社會物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)模型分析，對物聯(lián)網(wǎng)傳感器芯片（感應式讀寫器、各種傳感器）與其傳感網(wǎng)絡（包括WMSN）功能的詳細分析，對智慧教育應用（智慧校園、智慧教室、智慧實驗室和智慧圖書館等）及智慧教育發(fā)展架構(gòu)的分析入手，構(gòu)建了智慧教育物聯(lián)網(wǎng)功能架構(gòu)模型，如圖4所示。

智慧教育物聯(lián)網(wǎng)的感知技術(shù)和無線傳感網(wǎng)絡（WSN）是智慧教育通信的基礎(chǔ)，互聯(lián)網(wǎng)和移動網(wǎng)是人機交互的關(guān)鍵，其智能芯片、感應器和GPS對智慧教育環(huán)境信息進行感知，通過Zigbee、藍牙、Wifi、NFC等傳輸信息，進行網(wǎng)絡識別、定位、跟蹤、監(jiān)控、顯示和管理。通過“人—物”（H2T）、“人—機”（H2M）、“物—機”（T2M），以及“人—人”（H2H）、“物—物”（T2T）、“機—機”（M2M）之間的交互，為智慧學習提供服務，滿足學習者互動體驗的要求。人性化的多態(tài)交互，往往取決于“人—物”通信裝備的“智慧”和多模態(tài)“人—機”交互設計，智慧教育物聯(lián)網(wǎng)為人、機、物之間自然、便捷、高效的互動提供了支持，包括知識展示、人機互動、機機互動與聽覺識別、多通道整合等，并把信息傳輸給互聯(lián)網(wǎng)和移動網(wǎng)進行云計算、數(shù)據(jù)分析、普適計算、MR（混合現(xiàn)實）、智能存取、知識計算、可視化分析，以達到人際交流、學習分析、資源推送、信息共享、工具擇優(yōu)，實現(xiàn)智能感知、智慧管理、情感計算、設備共享、視景仿真的目的。

四、智慧教育物聯(lián)網(wǎng)功能實現(xiàn)路徑

智慧教育物聯(lián)網(wǎng)通信演進已經(jīng)發(fā)展到能很好地將真實世界與虛擬世界進行“無縫”對接，能拓展學習活動場域的階段。從智慧教育物聯(lián)網(wǎng)功能架構(gòu)模型發(fā)現(xiàn)，其功能實現(xiàn)路徑主要有以下幾個方面：

（一）智能感知（Intelligent Sensing）

智能感知是智慧教育最基本的特征，智能感知包括準確定位、全面感知和可靠傳輸。智能感知通過傳感器節(jié)點感知有關(guān)學生的信息，為學生提供自主式、個性化和適應性的學習服務。智慧教育中的智能感知主要表現(xiàn)在三個方面： 一是學習環(huán)境智能感知。這些環(huán)境信息包括位置、煙霧、溫度、濕度，以及學生接觸過的物體設備等教學臨場、認知臨場和社會臨場，通過互動終端、學習書籍、學習活動、加工工具、智能空間、關(guān)聯(lián)資源、創(chuàng)新學習體等實現(xiàn)智能感知，收集與學習者相關(guān)的語境數(shù)據(jù)、學習者情緒、心理狀態(tài)等個體隱性信息，存入泛在環(huán)境服務器模塊和學生模型數(shù)據(jù)庫，記錄學生的電子檔案，包括課程安排、每個學生的先前知識、先前學習狀況與課程進展等情況。二是學習內(nèi)容智能感知。這些內(nèi)容信息包括學生的學習目標、學習方式、學習風格、學習動機、學習情緒、學習興趣、活動偏好、閱讀習慣及學習能力，解決學習困難與增強活動體驗，并根據(jù)學生的認知結(jié)構(gòu)、知識水平、學習需求及表現(xiàn)情況，為學生提供自主式、個性化、適應性的學習內(nèi)容、資源、技術(shù)、工具、活動和指導，從而引導學生進行更有意義的深度學習，進而提高“人—機—物”的交互質(zhì)量。三是學習情境智能感知。這些情境信息包括學生的手勢、言語、行為、心跳、脈搏、表情和姿態(tài)，以及學生與設備之間的“交流”狀況等。學習環(huán)境信息、內(nèi)容信息和情境信息的處理采用批處理方式，每一批信息中的不一致性、不完整性、不精確性均能在其推理之前清除完，從而使高層信息的不確定性能夠被限制在一個特定的程度。例如：學習情境信息感知，首先是學習情境的采集，從不同的傳感器中采集情境信息;其次是學習情境的適配，不一致性、不完整性、不精確性解析，解析并聚合產(chǎn)生高級情境;然后是學習情境的重構(gòu)，檢查相關(guān)性，更新情境池，有效情境被放入情境池，無效情境將被分離，刪除過時的、不正確的情境;最后，運用基于規(guī)則的推理來產(chǎn)生高層的情境，這些推理器均嵌入追蹤芯片，從而能夠在情境池中進行更新[2]。

（二）智慧管理（Smart Manage）

面向智慧教育的物聯(lián)網(wǎng)可以構(gòu)建具有師生身份識別和定位、教與學流程管理、學與教信息查詢及預警等功能，以師生交流、教學評價、學習測驗與信息追蹤為主題的智慧管理流程，如圖5所示。

智慧管理的機理是通過RFID傳感器芯片讀寫信息，然后通過讀寫器與信息數(shù)據(jù)庫進行信息交換，通過面向智慧教育的物聯(lián)網(wǎng)“PC管理終端”查詢、發(fā)布、呈現(xiàn)信息與管理。運用傳感器、RFID和Zigbee整合教師、教學、評價、交流、學生、學習、測驗、追蹤等信息到一卡通或智能手環(huán)，進行智慧管理。目前，面向智慧教育的物聯(lián)網(wǎng)常見管理功能包括：（1）定位管理，實現(xiàn)學習者定位、校園實驗室引導、校園導游等。（2）出入管理，通過物聯(lián)網(wǎng)天線遠距離感應實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)卡無接觸式自動檢查登記，系統(tǒng)自動閱讀智能卡信息進行自動管理。（3）宿舍管理，當學習者通過住宿出入口時，無接觸式感應學習者進出情況，統(tǒng)計學習者住宿樓的住宿人數(shù)并給出短信提示，解決夜不歸宿的問題，同時，可以自動發(fā)送信息給管理人員實現(xiàn)可視化管理。（4）考勤管理，利用教學樓天線遠距離感應，精確識別身份并記錄學習者出勤情況。凡經(jīng)過各教學樓一樓出入口的學習者均能被識別系統(tǒng)感應到，以實現(xiàn)可視化管理。（5）會議管理，智慧會議室有傳感器椅子和有記憶功能的白板，與會者可以在任何角落通過使用智能手持式終端來啟動投影儀。識別裝置嵌入智慧會議室門禁，擬參會人員配備有可識別參會證，出入無須簽到，系統(tǒng)將通過物聯(lián)網(wǎng)自動進行身份識別，并顯示于屏幕，實現(xiàn)座位自動引導，同時，可以設置來賓歡迎短信和歡迎語音。

（三）情感計算（Affective Computing）

情感計算是通過人機接口感知芯片進行智能感知、識別和理解人體數(shù)據(jù)信息，提取人臉情感、手勢情感、人體姿勢、語音情感、嗅覺情感和觸覺情感等信息，且能針對人的情感做出靈活、智慧、人本反應的計算過程。面向智慧教育物聯(lián)網(wǎng)的情感計算主要針對智慧管理、精準教學、學習分析、質(zhì)量跟蹤等典型應用的情境數(shù)據(jù)獲取、解析、處理與定制服務。情感計算模型如圖6所示。

情感計算通過高精度的傳感器接口（麥克風、攝像頭、虛擬傳感器、網(wǎng)絡爬蟲等）采集數(shù)據(jù)（語音、文字、表情、姿勢和生理數(shù)據(jù)等）、提取信息（音頻、文本、圖像、視頻和脈沖等），根據(jù)信息進行情感計算，包括學生在普適學習活動中的人臉情感識別、手勢動作識別、人體姿勢識別、語音情感識別、嗅覺情感識別和觸覺情感識別，最后將情感計算信息提供給智慧教育服務平臺。平臺建立有學生的表情數(shù)據(jù)庫、姿勢數(shù)據(jù)庫、學科知識數(shù)據(jù)庫、學科試題庫、學生知識水平數(shù)據(jù)庫、學生知識結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫等，通過智能情感計算和情感感知計算，實現(xiàn)情感交互和個性化作業(yè)[3]。面向智慧教育物聯(lián)網(wǎng)的情感計算：一是感覺（視、聽、觸、嗅）通道的情感計算，如應用稀疏表示的人臉檢測技術(shù)實時捕獲學生學習過程中的面部表情，根據(jù)表情特征與訓練樣本庫，參照表情分類字典計算學生的學習情感，包括表情特征提取、人臉檢測和分類器設計等關(guān)鍵環(huán)節(jié);二是文本通道的情感計算，構(gòu)建學生常用情感詞典，以情感詞為核心構(gòu)建情感語義塊，計算文本的情感值，通過網(wǎng)絡爬蟲或文本頁面提供的API，獲取學生在學習社區(qū)的留言，分析提取學生在學習過程中的學習情感傾向，建立情感交互內(nèi)容分析模型，將情感計算信息提供給智慧教育平臺。

（四）設備共享（Equipment Sharing）

面向智慧教育的物聯(lián)網(wǎng)是先進教育設備共享不可或缺的“神經(jīng)”系統(tǒng)[4]。設備共享通過多種不同功能的傳感器節(jié)點測定位移、速度、聲音、光電、引力等信息，通過設備數(shù)據(jù)計算完成對其信息的傳輸、分析、存儲以及顯示[5]。設備共享以大數(shù)據(jù)為核心，以移動互聯(lián)網(wǎng)為神經(jīng)網(wǎng)絡，以教育感知網(wǎng)為神經(jīng)末梢，以自適應、個性化的用戶交互為手段，以智慧教育應用服務為目標，支持各類終端，提供多屏交互。面向智慧教育的物聯(lián)網(wǎng)設備共享系統(tǒng)（平臺）架構(gòu)從下到上分為四層：第一層（底層）為智慧感知層。底層具有共享設備（繪圖儀、iMac、傳真機、打印機、服務器等），通過在共享設備上安裝RFID標簽和各種傳感器，運用感知技術(shù)（WSN、RFID 、Zigbee）實時采集設備數(shù)據(jù)，全面掌握運行狀態(tài)的各種參數(shù)，為智慧化設備管理提供信息。第二層為網(wǎng)絡通信層。本層利用寬帶網(wǎng)絡、通信技術(shù)（IPV4/IPV6 、WIFI 、4G/5G），無線與有線相結(jié)合，及時高速傳輸數(shù)據(jù)。第三層為數(shù)據(jù)處理層。一是存儲計算，包括Storage、Iaas 、HPC操作;二是應用支持，包括數(shù)據(jù)挖掘和數(shù)據(jù)分析等。第四層為應用交互層。該層包括用戶（學生、教師、設備管理員）和共享交互工具（電腦、iPAD、智能終端、手機等），這一層是面向智慧教育的物聯(lián)網(wǎng)設備共享的關(guān)鍵層，也是建設的重點。應用交互內(nèi)容包括設備共享、監(jiān)控、報廢、借用、采購、報表、管理，通過互動工具為師生共享提供優(yōu)質(zhì)服務。面向智慧教育的物聯(lián)網(wǎng)設備共享系統(tǒng)通過實時監(jiān)控，進行統(tǒng)一管理和調(diào)度。當設備閑置時，第一時間告知管理員，從顯示屏了解設備的位置和狀態(tài)，交給需要者使用;當設備工作時，讀取設備信息，并匹配攜帶者身份信息，說明設備處于使用狀態(tài)，通過短信平臺提供可視化管理。

（五）視景仿真（Visual Simulation）

視景仿真又稱虛擬仿真，即逼真地仿真人在自然環(huán)境中的一種高端人機接口，包括視、聽、觸、動覺等多種感覺路徑的實時仿真和實時交互。情感計算是計算機科學與思維科學相結(jié)合的感知媒介。智慧教育物聯(lián)網(wǎng)中的視景仿真的傳感器裝備有鼠標器、跟蹤球、數(shù)據(jù)衣、傳感手套、操縱桿、頭部跟蹤器、頭盔式顯示器等[6]，通過多媒體傳感器呈現(xiàn)教學信息，通過手寫鍵盤、語音、鼠標等輸入設備進行操作和控制，使學生得到感官上的刺激感知，具有多感、交互、沉浸、構(gòu)想四個基本特征和自主、智能、興趣三個教育特性[7]，體現(xiàn)出直觀性、高仿真、智能化特點。視景仿真分別于2006、2010、2011、2016、2018年五次被美國新媒體聯(lián)盟Horizon Report列為預測技術(shù)[8]，成為教育的前沿熱點，代表著教育領(lǐng)域的技術(shù)應用風向標。目前，我國每年都批準建設國家級視景仿真實驗教學中心，典型的有武漢大學網(wǎng)絡安全國家級視景仿真平臺、北京師范大學化學視景仿真平臺和廈門大學醫(yī)學視景仿真平臺等。視景仿真能使人完全沉浸在計算機創(chuàng)造的可進行操作和控制的一種特殊環(huán)境中，實現(xiàn)多感官同步交互，獲得“感覺穿越”和“身臨其境”的感受與體會。原理上，視景仿真通過類別穿透式、視頻式疊加信息場景，產(chǎn)生虛實融合、沉浸和互動，具身認知寓學習于生活，形象構(gòu)思產(chǎn)生計算機高級認知[9]，仿真生成其真實的視、聽、觸、嗅覺等感覺器官功能，并能夠通過表情、語言、手勢、姿態(tài)等自然的方式與之進行實時“交流”，從而成為一種適人化的多維仿真信息空間，這種空間能夠?qū)⒄鎸崍鼍疤摂M到計算機上以再現(xiàn)“真實”[6]。視景仿真可以突破真實空間的局限，實現(xiàn)師生體驗、探究、交流與創(chuàng)作，具有降低學習焦慮、增強學習動機、激發(fā)高階思維、實現(xiàn)情境學習、強化知識體驗和學習成效的效果[10]。

五、亟待解決的幾個關(guān)鍵問題

（一）系統(tǒng)的標準問題

“沒有規(guī)矩不成方圓”，標準對于面向智慧教育的物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展和應用十分重要。智慧教育物聯(lián)網(wǎng)感知層面向不同的教育場景采集數(shù)據(jù)信息。由于存在設備種類多、感知手段各異、標準各不相同的情況，如果系統(tǒng)標準不統(tǒng)一，數(shù)據(jù)信息格式不一致，就會導致感知層設備不兼容，使整個系統(tǒng)最終無從集中調(diào)配。感知系統(tǒng)必須遵循相同的數(shù)據(jù)格式標準，使用兼容的軟件，使數(shù)據(jù)能共享、交換與統(tǒng)一管理，以提高數(shù)據(jù)信息管控水平。面向智慧教育的物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域應用的特點是規(guī)模大、系統(tǒng)復雜、應用多元。因此，盡快建立標準體系，規(guī)范智慧教育物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)和內(nèi)容，突出智慧教育特色是關(guān)鍵，包括編碼標志、體系架構(gòu)、通信協(xié)議、物聯(lián)網(wǎng)安全等。面向智慧教育的物聯(lián)網(wǎng)建設是一項長期浩繁的系統(tǒng)工程，建設必須完全遵循國家和有關(guān)行業(yè)的規(guī)范標準。在總體設計上，要借鑒各類系統(tǒng)的成功經(jīng)驗;在相應設備選購上，應根據(jù)實際的財力、物力水平，盡可能選擇國內(nèi)外先進、成熟技術(shù)設計的設備;在系統(tǒng)的開發(fā)上，要嚴格按照軟件工程的標準和面向?qū)ο蟮睦碚搧碓O計，保證系統(tǒng)的先進性;在具體建設的過程中，必須采取科學嚴謹?shù)膽B(tài)度，整體規(guī)劃分步實施，在充分考慮建設規(guī)模和了解實際情況的前提下開展建設工作。

（二）教育資源的相關(guān)問題

面向智慧教育的物聯(lián)網(wǎng)教育資源按照教育部《教育資源建設技術(shù)規(guī)范》，應遵循統(tǒng)一的標準，實現(xiàn)智慧教育資源的動態(tài)調(diào)配和按需使用[11]。數(shù)字化資源不同于傳統(tǒng)的紙質(zhì)文檔，需在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下實現(xiàn)智慧教育探究，要求學生掃描課本上的二維碼，連接現(xiàn)實情境開展整合教學，特別是一卡通或手環(huán)應是結(jié)合了非接觸式智能卡技術(shù)、網(wǎng)絡通信技術(shù)、知識計算技術(shù)，實現(xiàn)多種不同應用功能的智能綜合管理，且可與第三方系統(tǒng)互聯(lián)互通，取代師生生活和學校管理中需用到的現(xiàn)金支付手段和所有證件。面向智慧教育的物聯(lián)網(wǎng)教育資源目前存在著許多問題：一是統(tǒng)一存儲如存儲介質(zhì)能量供應、存儲容量、標志格式和數(shù)據(jù)格式;二是異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)教育資源的接入;三是與國際接軌的RFID標準體系的制定;四是其他標識感知技術(shù)有待挖掘;五是用戶智慧化改造的研究。面向智慧教育的物聯(lián)網(wǎng)教育資源表現(xiàn)為數(shù)據(jù)來源的多樣性、數(shù)據(jù)流接收的動態(tài)性、數(shù)據(jù)地域的時效性、數(shù)據(jù)安全的復雜性等，這些問題亟待進一步解決。

（三）數(shù)據(jù)安全保護問題

智慧教育物聯(lián)網(wǎng)承載著海量的數(shù)據(jù)信息，加之其開放性構(gòu)架，除了存在傳統(tǒng)網(wǎng)絡的安全問題外，無疑存在著潛在的新的安全與隱私問題。如對學生進行感知交互的數(shù)據(jù)保密性以及未經(jīng)授權(quán)不能進行身份識別和跟蹤等，這些問題在教育中顯得尤為突出。非法用戶可能偽造RFID 標簽向閱讀器發(fā)送信息，致使學校信息系統(tǒng)處理混亂，對師生的信息安全造成嚴重威脅;電子簡歷記錄了師生的基本信息和教學信息，這都屬于師生的隱私，必須嚴格保證其數(shù)據(jù)安全，否則將會威脅師生的合法權(quán)益。RFID中任何一個識別碼或標簽的標識都可以不受控制地在遠處被掃描、定位和追蹤，而且會實時地、不加區(qū)別地將其所存儲的信息，包括師生的行動、習慣以及偏好等反饋給閱讀器，這勢必會導致存儲的個人信息被泄露，個人的隱私問題存在著潛在的風險。所以，后臺的智慧教育數(shù)據(jù)中心服務器必須保持對非授權(quán)訪問途徑的嚴格禁止，必須防止信息的非法訪問和篡改，以免造成教育信息的非法盈利或數(shù)據(jù)信息丟失。

六、結(jié)? ?語

隨著5G時代的到來，教育信息化2.0快速推進，面向智慧教育的物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)與應用已經(jīng)引起了國內(nèi)外教育界的高度重視，智慧教育將成為未來教育的主要發(fā)展方向。本研究關(guān)于智慧教育環(huán)境發(fā)展態(tài)勢與智慧教育物聯(lián)網(wǎng)演進的研究，智慧教育物聯(lián)網(wǎng)演進模型和功能架構(gòu)模型的構(gòu)建，以及智慧教育物聯(lián)網(wǎng)功能實現(xiàn)路徑的探討，都充分證實了智慧教育物聯(lián)網(wǎng)在促進智慧教育產(chǎn)生質(zhì)變過程中的重要價值。一方面，面向智慧教育的物聯(lián)網(wǎng)前沿技術(shù)引發(fā)了教育管理模式、教學模式的變革，深刻地改變著師生的學習和生活方式，能促進學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng);另一方面，面向智慧教育的物聯(lián)網(wǎng)具有巨大的應用潛力，有助于更好地促進學生成長，提高教學質(zhì)量和效率，開創(chuàng)教育發(fā)展的新未來。時不待我，必須加快、加大智慧教育物聯(lián)網(wǎng)及其功能的研究和開發(fā)力度，以助推智慧教育的高水平、高質(zhì)量發(fā)展。

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