楊桂松+徐慧芬+何杏宇+王莉

摘要：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)是當(dāng)前科技角逐和產(chǎn)業(yè)競爭的熱點(diǎn)技術(shù)，而物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展使得物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在應(yīng)用上有了很多的創(chuàng)新模式。物聯(lián)網(wǎng)在教學(xué)模式中的應(yīng)用則具有重大的社會(huì)價(jià)值和意義，本文基于對物聯(lián)網(wǎng)的內(nèi)涵、特征的把握，探討了物聯(lián)網(wǎng)在教育中的應(yīng)用，并針對物聯(lián)網(wǎng)的特性，使其和情景感知系統(tǒng)以及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)結(jié)合起來，提出了一種創(chuàng)新的教學(xué)模式，該模式將學(xué)習(xí)環(huán)境參數(shù)和學(xué)生的個(gè)體特征結(jié)合起來進(jìn)行融合處理，并通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為輸出，以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)和學(xué)習(xí)效率。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；情景感知；教學(xué)模式；虛擬現(xiàn)實(shí)。

引言

近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，探討物聯(lián)網(wǎng)在創(chuàng)新教研模式中的應(yīng)用則具有重要的實(shí)踐和理論意義。把現(xiàn)代科學(xué)和教研理論相結(jié)合，把新興技術(shù)與課堂教學(xué)完美融合則賦予教育更充實(shí)的內(nèi)涵和無限的想象力。

比如將實(shí)驗(yàn)器材附加傳感器網(wǎng)絡(luò)及數(shù)字化屬性，學(xué)生通過遠(yuǎn)程控制接人虛擬實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)器材，并且可以實(shí)時(shí)的觀察和采集實(shí)驗(yàn)過程中的數(shù)據(jù)和結(jié)果，并將分析過后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果通過遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給授課教師，同時(shí)，在操作過程中，虛擬實(shí)驗(yàn)器材還可以對實(shí)驗(yàn)的信息進(jìn)行提示教學(xué)，當(dāng)學(xué)生發(fā)生不正確的實(shí)驗(yàn)操作時(shí)，虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備還可以做出提示及報(bào)警，這樣還可以增加學(xué)生實(shí)驗(yàn)的安全性。

學(xué)校管理人員可以通過RFID射頻技術(shù)高效地管理學(xué)校內(nèi)的各種教學(xué)儀器設(shè)備。目前很多學(xué)校對于教學(xué)儀器、實(shí)驗(yàn)設(shè)備以及運(yùn)動(dòng)設(shè)施器材等的管理存在著分布離散，保養(yǎng)和維護(hù)不規(guī)范等問題。儀器設(shè)備被粘貼RFID標(biāo)簽后，可以方便快捷地了解當(dāng)前儀器的被使用狀況，使各種設(shè)施資源得到高效的共享和維護(hù)。

情景（context）的概念興起于上世紀(jì)90年代中期，1994年Schilit等人第一次使用了context aware這一詞，并將“情景”歸納為“位置、人和物體周圍的標(biāo)識(shí)和這些物體的變化”。直到2000年Dey等人在總結(jié)前人的基礎(chǔ)上將“情景”定義為：“情景是任何描述實(shí)體情形的信息。實(shí)體可以是人、場所、以及任何與用戶和應(yīng)用系統(tǒng)交互過程相關(guān)的對象，其包括用戶和應(yīng)用系統(tǒng)自身。在中，作者本將情感化設(shè)計(jì)理念應(yīng)用于全景虛擬校園的設(shè)計(jì)中，提出了傳統(tǒng)設(shè)備下全景虛擬校園的情感化設(shè)計(jì)層次模型，并對全景虛擬校園本能層感官設(shè)計(jì)、行為層功能設(shè)計(jì)和反思層指導(dǎo)設(shè)計(jì)的內(nèi)容和原則進(jìn)行了詳盡描述。

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能化情景感知教研的研究，具有其鮮明的理論意義和獨(dú)特的實(shí)踐意義。從理論意義上來說，把物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合在教育教學(xué)上屬于教育創(chuàng)新，教育創(chuàng)新的執(zhí)行離不開理念創(chuàng)新和技術(shù)創(chuàng)新，而物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在信息產(chǎn)業(yè)上的應(yīng)用必然會(huì)對教育創(chuàng)新和人才創(chuàng)新上發(fā)揮重要而深遠(yuǎn)的意義。從實(shí)踐意義上來說，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和產(chǎn)品運(yùn)用到教學(xué)的過程及資源的設(shè)計(jì)、開發(fā)、利用、管理和評價(jià)中，對改進(jìn)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的模式，促進(jìn)師生互動(dòng)，提升學(xué)生創(chuàng)新能力和教學(xué)質(zhì)量等均有很強(qiáng)的實(shí)踐價(jià)值。

1物聯(lián)網(wǎng)在教育領(lǐng)域中的應(yīng)用

將計(jì)算機(jī)最前沿的技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)領(lǐng)域可以取得很好的效果，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也可以用于構(gòu)建智能交互的教研環(huán)境。在教室，實(shí)驗(yàn)室，辦公室及學(xué)生宿舍里布置各種傳感器節(jié)點(diǎn)，這些傳感器節(jié)點(diǎn)可以被用來感應(yīng)環(huán)境的溫濕度和光線強(qiáng)弱等參數(shù)，控制系統(tǒng)在識(shí)別分析數(shù)據(jù)后進(jìn)行調(diào)節(jié)，并根據(jù)人員的進(jìn)入或離開自動(dòng)控制照明、空調(diào)、電腦的電源開關(guān)。

在教學(xué)課堂上，學(xué)生通過佩戴帶有傳感器的手表、眼鏡等可穿戴設(shè)備可以實(shí)時(shí)上傳學(xué)生在聽課過程中的緊張程度、注意力狀況、動(dòng)腦思考等學(xué)習(xí)情況，授課教師可以以此為依據(jù)及時(shí)調(diào)整教學(xué)進(jìn)度。

物聯(lián)網(wǎng)可以運(yùn)用于實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)等實(shí)操考核中，遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)更能體現(xiàn)它的優(yōu)勢。無論在平時(shí)的實(shí)驗(yàn)過程中或者是期末實(shí)操考核中，利用內(nèi)嵌電子標(biāo)簽或傳感器的實(shí)驗(yàn)器材，對每一個(gè)已識(shí)別身份的學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手操作過程進(jìn)行全程跟蹤監(jiān)控，將學(xué)生的每一步操作反饋到終端并且完整保存，教師可以從容查看學(xué)生操作過程并進(jìn)行準(zhǔn)確的評價(jià)，從而避免了傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)成績的評價(jià)僅僅依據(jù)學(xué)生提交實(shí)驗(yàn)結(jié)果、實(shí)驗(yàn)報(bào)告，不能全面準(zhǔn)確地反映學(xué)生的實(shí)際操作水平的弊端。

2情景感知系統(tǒng)

2.1情景感知系統(tǒng)

一個(gè)情景感知系統(tǒng)必須能夠模擬人的能力認(rèn)識(shí)和利用蘊(yùn)含的環(huán)境信息，以便推動(dòng)其功能性的操作。為此，一個(gè)情景感知系統(tǒng)須收集環(huán)境或用戶態(tài)勢的信息并將這些信息翻譯成適當(dāng)格式，同時(shí)組合情景信息，生成更高級的情景信息，將其他情景信息歸并后導(dǎo)出的情景信息；基于檢索到的信息自動(dòng)采取動(dòng)作；使信息能讓用戶隨時(shí)存取和易于存取，幫助用戶更好地完成任務(wù)。

情景感知可分為直接的顯示感知（輸入）和內(nèi)部的蘊(yùn)含感知（輸入）兩類，前者如位置信息、時(shí)間信息和設(shè)備環(huán)境信息等，后者如用戶的特點(diǎn)、習(xí)慣、知識(shí)層次和喜好等。

2.2興趣標(biāo)簽

標(biāo)簽可以對資源進(jìn)行合理的分類，實(shí)質(zhì)是按照關(guān)鍵字對用戶感興趣的資源進(jìn)行主觀描述。這種描述形式不僅可以豐富資源本身的屬性還可以明確的顯示用戶對于資源的關(guān)注點(diǎn)在哪。興趣標(biāo)簽已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于web技術(shù)，自由定義、小組分享、檢索方便這些優(yōu)勢使標(biāo)簽系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)上越來越受歡迎。興趣標(biāo)簽?zāi)壳霸诮逃I(lǐng)域的應(yīng)用集中于圖書館管理系統(tǒng)。在標(biāo)簽系統(tǒng)中所有設(shè)定都能實(shí)現(xiàn)個(gè)性化。因?yàn)樗袠?biāo)簽都是用戶自己選擇的，所以這些標(biāo)簽的組合也都是有針對性的。因此能通過不通的組合形式可以滿足不同用戶的個(gè)性化需求。

利用興趣標(biāo)簽可以對資源進(jìn)行合理的分類，并按照資源信息里包含的關(guān)鍵字對自己感興趣的資源進(jìn)行個(gè)人主觀描述。這種描述形式不僅可以豐富資源本身的屬性還可以明確的顯示用戶對于資源的關(guān)注點(diǎn)在哪。

興趣標(biāo)簽?zāi)茉诖罅康臄?shù)據(jù)中搜尋到用戶所感興趣的內(nèi)容并提供重要幫助，并且它還能不斷提高用戶所需的個(gè)性化服務(wù)質(zhì)量。興趣標(biāo)簽有三大特征：隨意性、動(dòng)態(tài)、共享。在本文中，我們將興趣標(biāo)簽作為情景感知系統(tǒng)中的內(nèi)部蘊(yùn)含感知模塊。

3教學(xué)中的虛擬現(xiàn)實(shí)

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）是把客觀上存在的或并不存在的東西，通過運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)，在用戶眼前生成一個(gè)虛擬的環(huán)境，使人感到像真實(shí)存在的一種技術(shù)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是在綜合計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)動(dòng)模擬與仿真、傳感技術(shù)、顯示技術(shù)等許多計(jì)算機(jī)學(xué)科的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種計(jì)算機(jī)應(yīng)用新領(lǐng)域。圖2所示是最新一代的頭戴視透顯示器，頭戴顯示器是虛擬現(xiàn)實(shí)的核心輔助裝置，它尋求的是通過信息或者計(jì)算機(jī)生成的仿真物來補(bǔ)充（增強(qiáng)）而非取代（現(xiàn)有模式下）實(shí)際的周邊環(huán)境。在第4節(jié)中將被用作情景感知系統(tǒng)的輸出，將知識(shí)以更加生動(dòng)的方式展示在學(xué)生眼前。

虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用于教學(xué)主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：課堂教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)教學(xué)。課堂教學(xué)是教學(xué)的主要方式，也是虛擬現(xiàn)實(shí)運(yùn)用于教學(xué)的主要戰(zhàn)場。根據(jù)不同的學(xué)科，虛擬現(xiàn)實(shí)發(fā)揮著不同的作用，主要有以下方面的應(yīng)用：立體物體的展示，立體空間的展示，展品的介紹，虛擬空間的營造與構(gòu)建，虛擬場景的構(gòu)造。

一般學(xué)校現(xiàn)有的條件下，有許多實(shí)驗(yàn)是根本不可能做的。利用VR技術(shù)，可以有效地解決實(shí)驗(yàn)條件與實(shí)驗(yàn)效果之間的矛盾。在教學(xué)中，許多昂貴的實(shí)驗(yàn)、培訓(xùn)器材，由于受價(jià)格的限制而無法普及。如果利用VR技術(shù)，在多媒體計(jì)算機(jī)上建立虛擬實(shí)驗(yàn)室，學(xué)習(xí)者便可以走進(jìn)這個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)室，身臨其境般的操作虛擬儀器，操作結(jié)果可以通過儀表顯示身體的感受反饋給學(xué)生，來判斷操作是否正確。這種實(shí)驗(yàn)既不消耗器材，也不受場地等外界條件限制，可重復(fù)操作，直至得出滿意結(jié)果。VR實(shí)驗(yàn)室的優(yōu)點(diǎn)還在于其良好的安全性，通過VR操作失誤不會(huì)造成人身事故。此外，通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)打破了傳統(tǒng)教學(xué)的局限性，可以方便地把遠(yuǎn)端的實(shí)景帶到課堂里，尤其是由于時(shí)間、經(jīng)費(fèi)或安全性等條件限制接觸不到的一些演示演練。例如對于生物專業(yè)的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以將生物或農(nóng)作物的生長過程通過物聯(lián)網(wǎng)中的傳感器系統(tǒng)錄制下來傳送到課堂里供學(xué)生觀摩，通過各種實(shí)驗(yàn)環(huán)境的虛擬或演示這些身臨其境的教學(xué)手段，加速學(xué)生對相關(guān)知識(shí)的理解和體驗(yàn)。

4基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的情景感知教學(xué)模式

本文提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的情景感知教學(xué)模式，本模式以傳感器節(jié)點(diǎn)，手持設(shè)備，和興趣標(biāo)簽等作為輸入因素，并以VR設(shè)備作為輸出，同時(shí)學(xué)生還可以根據(jù)輸出通告手持設(shè)備進(jìn)行主動(dòng)的反饋，如圖3所示。其中，環(huán)境感知由傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)，作為環(huán)境感知系統(tǒng)的顯示感知部分。興趣標(biāo)簽和手持設(shè)備則作為情景感知系統(tǒng)的蘊(yùn)含感知部分，且手持設(shè)備可以實(shí)時(shí)接收教師或?qū)W生給情景感知系統(tǒng)的反饋。

4.1環(huán)境感知

通過在教室或?qū)嶒?yàn)室內(nèi)布置溫度、濕度、感光的傳感器節(jié)點(diǎn)，以獲得學(xué)生所處環(huán)境的溫濕度和光線強(qiáng)弱等參數(shù)，并判斷學(xué)生的學(xué)習(xí)環(huán)境是在室內(nèi)還是戶外，將這些參數(shù)作為模式的環(huán)境感知輸入部分，用來調(diào)節(jié)學(xué)習(xí)環(huán)境中的照明和溫度以及做出和學(xué)生所處環(huán)境相適應(yīng)的輸出等，可以使學(xué)生所處的物理環(huán)境更加舒適，從而減少學(xué)生注意力的分散。同時(shí)還要負(fù)責(zé)識(shí)別學(xué)生的身份，并對學(xué)生的操作過程進(jìn)行全程跟蹤監(jiān)控，將學(xué)生的每一步操作反饋到終端并且完整保存。

4.2興趣標(biāo)簽及手持設(shè)備

學(xué)生通過手持設(shè)備在首次登陸時(shí)進(jìn)行個(gè)人賬號(hào)注冊，注冊賬號(hào)會(huì)錄入到數(shù)據(jù)庫中，學(xué)生每次在進(jìn)人學(xué)習(xí)環(huán)境時(shí)需登錄個(gè)人賬號(hào)。在注冊賬號(hào)時(shí)，學(xué)生需要先錄入個(gè)人的資料如性別、年齡和專業(yè)方向等會(huì)對學(xué)生興趣產(chǎn)生影響的字段。除了這些基本資料外，注冊時(shí)還需要學(xué)生自行選擇一些感興趣的關(guān)鍵詞作為自定義興趣標(biāo)簽。但是，注冊時(shí)所標(biāo)注的關(guān)鍵詞只是學(xué)生當(dāng)時(shí)所感興趣的標(biāo)簽，這類標(biāo)簽也不是一直存在的。在學(xué)習(xí)過程中，隨著模型的更新，這些自定義標(biāo)簽也會(huì)隨之出現(xiàn)增強(qiáng)或衰減。興趣標(biāo)簽包括學(xué)科分類等內(nèi)容，學(xué)生可以在大的分類下選擇自己感興趣的小分類，以此使教學(xué)變得有針對性。

4.3情景感知和虛擬現(xiàn)實(shí)輸出

學(xué)習(xí)者在遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)過程中，周圍也會(huì)存在豐富的情景信息。為更好地進(jìn)行學(xué)習(xí)服務(wù)發(fā)現(xiàn)，需要對學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)情景進(jìn)行有效刻畫，并在此基礎(chǔ)上為情景建模。如圖2中環(huán)境感知和手持設(shè)備作為情景感知的顯示感知輸入，而興趣標(biāo)簽作為情景感知的蘊(yùn)含感知輸入，這兩個(gè)部分共同作為情景感知模塊的輸入部分供情景感知模塊進(jìn)行分析。通過這兩部分的輸入，情景感知模塊將這些信息進(jìn)行融合及處理，然后得出相應(yīng)的方案，最后使用VR設(shè)備作為輸出提供適合于不同學(xué)生的學(xué)習(xí)服務(wù)。此外，學(xué)生還可以根據(jù)VR輸入的內(nèi)容進(jìn)行反饋，即和VR進(jìn)行互動(dòng)，在此是通過手持設(shè)備實(shí)現(xiàn)的。

5教師及學(xué)生對系統(tǒng)的反饋

為了驗(yàn)證本系統(tǒng)的教學(xué)效果，分別對老師及學(xué)生進(jìn)行了體驗(yàn)調(diào)研。對于教師來說，主要體現(xiàn)在學(xué)風(fēng)紀(jì)律，學(xué)習(xí)過程以及學(xué)習(xí)效果中學(xué)生的表現(xiàn)。表1為教師對學(xué)生表現(xiàn)評價(jià)表，表2為學(xué)生對教師的評價(jià)表，從表中我們可以看出，本系統(tǒng)可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性和積極性，并且學(xué)習(xí)效果是很好的。

6總結(jié)

本文將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和情景感知技術(shù)融合起來提出了一種創(chuàng)新的教學(xué)模式一基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的情景感知教學(xué)模式，該模式利用了這兩種技術(shù)的優(yōu)勢改善了學(xué)生的學(xué)習(xí)環(huán)境，并使學(xué)生獲得了傳統(tǒng)教學(xué)模式不能提供的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，可以使學(xué)生更好的理解和運(yùn)用知識(shí)。