物联网在高校教育中的应用

1、物联网在高校教育中的应用Application of Internet of things in college educationLi Lili（Heze University Department of Mathematics， Heze ，Shandong 274015， China ）：The Internet of thing （ IOT）is developed ，expanded and extended based on the Internet. Through sensor devices ， a variety of items can interchange to fo

2、rm a new network which can communicate information. The basic concepts of IOT， basic characteristics and main techniques are introduced. The modern education techniques of network ， digitization， intelligence based on the development ofinternet of things are discussed. The application of IOT in coll

3、ege classroom teaching ， experiment teaching ， management and developing extracurricular teaching activities are proposed.0 引言物联网的概念于1999年由麻省理工学院（MIT）提出，由2005年国际电信联盟(ITU)出版的世界互联网发展年度报告 物 联网(In ternet of Thin gs ， IOT)推向更高的发展层面1。 我国的物联网发展，是在 2009年 8月温家宝总理视察无锡时提 出了“感知中国”理念，从而使物联网的发展得到了推动和重 视，物联网在军事、物流

4、、医疗卫生、教育、交通、平安家居、 工业监测、农林业、环境保护、防灾救灾等多个领域之中得到广 泛应用。1物联网概念物联网即物物相连的互联网( The Internet of Things )， 仍然以互联网作为其核心技术， 是以互联网为基础的网络的延伸 和扩展，使得网络的客户端成为任何物品与物品之间进行信息交 换和通信 2 。物联网将基础的物理设施与 IT 基础设置结合起 来，将物品、芯片、宽带通过可视化的界面连接起来，使其作为 生活中的基础设施， 加强了人与物的对话与交流， 让没有生命的 物品能够通过语言表达为人们的日常生活服务。 物联网的定义很 简单：即通过射频识别(RFID)、红外感应器

5、、全球定位系统、 激光扫描器、气体感应器等信息传感设备，按约定的协议，把任 何物品与互联网连接起来， 进行信息交换和通讯， 以实现智能化 识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。 物联网是一种网络， 通过射频识别等信息传感设备将所有物品与互联网连接起来， 通 过网络实现各种物品间的信息交换，从而实现智能化识别和管 理。即物联网是通过各类传感器连接物品和互联网并最终由计算 机处理的技术。物联网作为新兴的基于互联网的技术， 有着互联网没有的技 术优势与应用优势。物联网的主要特征有以下 3 。传感器是机器感知物质世界的感觉器官”， 可以感知 连通性：连通性是物联网的本质特征之一。国际电信联 盟认为，

6、 物联网的“连通性”有三个维度： 一是任意时间的连通 性(any time connection ), 二是任意地点的连通性(any placeconnection )，三是任意物体的连通性( any thing connection )4 。 技术性：物联网是技术变革的产物，代表着未来计算与 通信技术的发展趋势， 而其发展又依赖众多技术的支持， 尤其是 射频识别( Radio-frequency identification，简称 RFID )技术、传感技术、纳米技术、智能嵌入技术。 智能性：物联网使得人们所处的物质世界得以极大程度 地数字化、 网络化， 使得世界中的物体不仅以传感方式也以智

7、能 化方式关联起来， 网络服务也得以智能化。 物联网具有智能化感 知性，它可以感知人们所处的环境， 最大限度地支持人们更好地 洞察、利用各种环境资源以便做出正确的判断。 嵌入性：物联网的嵌入性表现在两个方面，一是各种各 样的物件本身被嵌入在人所生活的环境中， 二是由物联网提供的 网络服务将被无缝地嵌入到人们日常工作与生活中。2物联网实现技术2.1传感器技术 每个物品上，然后将某些物品上的传感器组成无限传感器网络。 由此，物联网可以通过各个物品上的传感器及其他们组成的传感 器网络来感知、响应它们之间的通信。 传感器网络中的 每个传感器结合其他部件组成了传感器网络节点， 传感器网络节 点由以下基本

8、单元构成：热、力、光、电、声、位移等信号，为网络系统的处理、传输、分析和反馈提供最原始的信息5 。将传感器安装到需要通信的 传感单元：由模数转换功能模块和传感器组成； 处理单元：由嵌入式操作系统、存储器和CPU组成； 通信单元：由各种无线通信模块组成； 电源：用于提供设备工作的器件。传感器网络的组成步骤： 首先， 传感器网络节点安置在被感 知物品的附近或者内部； 其次，传感器网络节通过自组织的方式 构成无线传感器网络，以协作的方式实时感知、收集、处理并响 应网络覆盖区域中的信息；最后， Sink 节点链路经多跳网络将 整个无线网络区域内的信息和数据传送到远程管理中心。 另一方 面，远程管理中心

9、可以实时监督、 控制并操纵无线传感器网络节 点。2.2射频识别（FRID）技术RFID （Radio Frequency Identification ，射频识别）射频 识别是无须人工干预的识别过程， 这种非接触式的识别技术， 可 以用于各种恶劣的工作环境， 由射频信号自动识别目标对象并获 取相关数据6。FRTD由标签、阅读器和天线组成，各组成部分 的功能如下。 射频标签（Tag）:具有惟一的电子编码，放在各物品上 用于标识目标对象。由耦合元件和芯片组成。读写器（Reader）:用于写入并读取标签信息，可人工 设计为手持式或固定式。 数据管理系统:用于对数据信息的存储和管理，以及对 标签进行读

10、写的控制。在RFID系统中，射频标签含有惟一的标识码，并黏贴在待 识别的物体上；读写器通过耦合元件与射频信号进行空间耦合， 对标签的信息进行读取和写入， 根据时序关系， 在耦合的通道实 现能量的传递和数据的交换，并使用相应的协议进行网络通信， 进而获取、解码、识别和管理射频标签的信息；最后通过数据管 理系统对射频标签进行读写控制、 对采集到的数据信息进行管理 和存储。2.3 M2M 技术M2M是机器对机器（machine-to-machine ）通信的简称2 目前，M2MB B点在于机器对机器的无线通信，存在以下三种方式：机器对机器，机器对移动电话（如用户远程监视），移动电话对 机器（如用户远

11、程控制）。3物联网对高校教育的影响高等教育领域已经成为物联网发展的领域。 信息技术应用到 教育教学过程后，使学习环境、学习资源、学习方式都向数字化 方向发展。3.1网络化教学网络化教学是指具有一定自学、 自律能力的学生基于计算机 网络，利用多媒体计算机在本地或远程通过与计算机的交互而实 现的一种主动学习为主， 以教师的指导和计算机智能模块的协调 为辅的教学形式 7 。网络化教学要求学生做到主动学习 ( Active Learning )、仿真学习( Simulative Learning )、互动学习(Interactive Learning )、累积学习(Accumulative Learn

12、ing )。3.2数字化学习信息技术和网络的飞速发展， 对人类的生活和学习产生了重 大的影响。葛洛蒂指出，信息时代是一个数字化的世界 8 。它 有四根支柱， 一是自然界的一切信息都可以通过数字表示； 二是 计算机只是用数字 1和 0来处理所有数据； 三是计算机处理信息 方法是通过对 1和 0的数字处理来实现的； 四是通过跨空间运送 1 和 0 来把信息传送到全世界 (葛洛蒂，数字化世界 ，1999 )。 数字化学习是指学习者在数字化的学习环境中， 利用数字化学习 资源，以数字化方式进行学习的过程。 它包含三个基本要素， 即： 数字化学习环境、数字化学习资源和数字化学习方式。 数字化学习环境：是

13、指经过数字化信息处理具有信息显 示多媒体化、 信息传输网络化、 信息处理智能化和教学环境虚拟 化特征的学习环境。 数字化学习资源：是指经过数字化处理，可以在多媒体 计算机上或网络环境下运行的多媒体材料。 数字化学习方式：数字化学习与传统的学习方式不同， 学习者的学习不是依赖于教师的讲授与课本的学习， 而是利用数 字化平台和数字化资源，教师、学生之间开展协商讨论、合作学 习，并通过对资源的收集利用、 探究知识、 发现知识、 创造知识、 展示知识的方式进行学习。3.3智能化教学 智能化教学模式主要是提供了一个以学生为中心的网上学 习环境， 实现个性化学习， 所以在课程的知识设计中应能按照每 个学生

14、的知识背景及所要学习的内容动态地组织知识材料， 以满 足自主、个性化学习的需要 9 。4物联网在高校教育中的应用 在教育中引入物联网的技术极大地提高了教学质量和教学 效果，促进了教学改革的发展。 物联网在教育中的应用主要有如 下几个方面。 利用物联网优化教学、学习环境。教学环境直接影响着 教师的教学效果，进而影响学生吸收和消化知识的效果。同时， 学习环境也很大程度上影响着学生的学习效率。传统教学环境中的教学资源有限， 物联网丰富并优化了教学 环境。通过物联网实现了物理空间与数字化信息空间的互联， 能 够有效的支持人机交互、 人与物品之间的交互、 人与人之间的社 会性交互。物联网使现实教学环境中

15、的每个部件都具有数字化、 网络化、智能化的特性，可以与数字化的信息空间进行整合，从 而可以即时的捕捉、 分析师生的教与学的需求信息， 并进行相应 的调整，为师生提供智能化的教学环境与教学资源。学校的教学环境会产生大量的噪声， 噪声不仅会影响学生的 听力更会影响师生的交流， 对学生学习产生消极影响， 会影响学 生的学习注意力、 阅读计算力和整体学业成绩， 特别是对那些学 习有困难、听力损失或用非母语学习的儿童。同时，噪声的影响 也会使教师在教学过程中无意识地嗓门提高， 长期提高嗓门会导 致声带拉伤。 引入物联网后可在教室里布置传感器节点 检测教室各角落的噪音情况， 一旦超过设定值， 则报警通知有

16、关 部门处理。 如对墙壁、 天花板等部件做隔音处理以降低噪音传输 和混响声音。 教室的光线强弱会影响学生的视力， 在教室里安装 光线传感器， 能够随时监考光线亮度并自动调节室内照明灯亮度 和计算机屏幕亮度，并根据室外光照强度调整窗帘高度。另外， 传感器也可以根据室内二氧化碳浓度、 室内温度自动调节通风情 况和空调温度。 总之， 物联网可以为教师和学生提供一个舒适的 教与学的环境，提高教师教的效果，增强学生学效率。 利用物联网指导实验教学、丰富实验教学。通过实验教 学科研加强学生对课堂理论知识的理解， 巩固课堂知识， 能够培 养学生设计、观察、分析和解决问题的能力，培养学生动手能力 和创新思维能

17、力， 使学生做到学以致用， 是培养应用型学生的重 要手段。 但是学生在实验过程中， 一旦遇到了自己无法解决的问 题或者实验有误时， 其积极性与热情会瞬间下滑， 导致实验敷衍 了事，抄袭或猜测实验结果， 甚至会影响学生对后续课程和实验 的信心与兴趣。并且，传统的实验教学设备有限，比如一些化学 实验、物理实验等学科的实验，实验器材存在危险性，或者缺少 实验器材，无法让学生亲自动手。物联网的引入，丰富了实验平台，增加了实验安全性。例如 让学生佩戴传感器设备， 教师可以及时发现学生实验过程中出现 的错误， 进而进行指导。 教师还可以在实验器材上标明数字化属 性和使用帮助信息， 当实验器材使用不当时，

18、实验器材启动自动 报警系统，教师可以对实验进行及时的指导。另外，教师可以通 过分析实验过程中典型问题， 进行后续教学的改进， 提高教学效 率。对于存在安全隐患的实验， 可以通过物联网远程控制异地的 实验器材， 实时采集实验数据， 并以适当的方式将实验数据传递 给实验者，实现实验教学的共享性、安全性。 利用物联网支持学校安全、仪器设备管理。学校作为一 个大的教学单位，拥有大量的各种仪器设备，包括教学仪器、会 议设备、运动设备等，这些设备分布在学校各个部门中，存在着 管理难度大、无人管理、无人及时保养的问题。利用物联网中的 传感器或 RFID 技术，可以对学校大量的仪器设备进行统一管理 和调度， 能有效防止仪器设备的丢失， 当仪器设备出现故障时启 动自动报警装备， 通知有关人员进行处理。 学校安全管理包括学 校门禁、 学校访客和校园火灾管理等。 学校门禁可以与学生的一 卡通绑定， 进出宿舍、 校园、 教室等学校场所， 刷本人的一卡通， 并通过机器进行识别， 能够