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【摘 要】物联网技术在中小学“智慧校园”建设，尤其在智能教学系统中的应用日趋重要。在教育信息化的背景下，结合国内外相关研究，分析系统要素，从交互内容、交互方式、交互界面和交互评价出发，建构了一个基于物联网技术的交互式学习系统模型，提出了一些具体的技术规范，旨在提升中小学生的学习效果，推动物联网技术尽快走进中小学的课堂。
【关键词】物联网；智能教学系统；交互式学习环境
【中图分类号】G40-057 【文献标识码】A
【论文编号】1671-7384（2016）05-0074-03
物联网技术近年发展迅速，它是在互联网技术的基础上延伸和扩展的一种网络，实现了任何物品之间的信息交换与通信，并将物品整合到互联网中来，使用者能够获得实时反馈信息，并与之进行有效的互动。
在教育领域，应用在门禁管理、安保管理、后勤管理等学校综合管理和学生日常管理方面的物联网技术正逐步推广。与此同时，人们的学习方式也随着技术的革新发生了转变，从原先的传统学习模式逐渐发展出了数字学习（e-Learning）、移动学习（m-Learning）以及泛在学习（u-Learning）的新模式。其中，基于计算机技术的泛在学习模式不仅提供给学习者海量的学习内容，而且通过结合虚拟和物理空间， 搭建随时随地的协同学习环境，使学习资源与学习者的不同需求相适应 。无论对于高等教育还是基础教育，正规教育还是非正规教育，物联网技术在学习者的学习过程中，都扮演着一个日趋重要的角色。
在教育信息化的背景下，广大中小学校作为教育领域的最前沿，是建设“智慧校园”的重要阵地。一方面，针对中小学生自制能力较差、自我保护意识较弱的特点，在校园基建领域对于物联网技术的引入较为迫切；另一方面，物联网智能教学系统的开发能够填补传统教学方式的缺陷，营造良好的学习环境，对于提升中小学校的教学质量，落实培养创新型人才的目标具有重要意义。在综合国内外相关研究和分析系统要素的基础上，本文建构了一个基于物联网技术的交互式学习系统模型，旨在提升中小学生的学习效果，推进物联网技术尽快走进中小学的课堂。
相关研究
物联网在教学领域应用的相关研究已有很多，例如Wang Y.关于互动英语教学的研究，通过设置语音和视觉传感器来获取学生的发音，根据学生反馈的情况及时进行教学调整。依据Wang Y.的观点，物联网之所以能够在教学领域开展应用，其动力机制在于方式新颖，有利于教师因材施教：教师甄选一些适合学生学习的基本材料；学生根据自身能力自定步调，自主学习，不会受限于一个为了大多数人的需求设计的程序，比如一门“慕课”。
另外几个有代表性的研究包括：Gonzalez’ G等人搭建了一个基于物联网技术的个人学习空间的基本框架，他的研究表明，利用NFC技术（近场通信技术）能够实现学习者在学习过程中使用到的物品间信息的流动和互通。Domingo M.等人在西班牙加泰罗尼亚开放大学进行的研究中设计了一个以用户为中心的物联网数字学习网络，旨在提高学生的学习经验。
综上，物联网技术在教学领域已经有了一些初步探索。国内外学者的研究结果表明，它是一个能提高教师教学质量，并让学生以更好的方式学习的工具。但是，以往的研究多停留在技术层面的探讨，缺乏对学习者本身情况的综合考虑。对于中小学的课堂教学而言，不能把国外大学实验室里的研究成果直接拿来，在进行系统设计时，应充分考虑到中小学生身心发展特点及其个体差异。进一步的，还要在技术层面探讨如何保护学习者的隐私等教育伦理范畴的内容。
系统建构的要素
1. 交互式的学习环境
“物物互联”使物联网的信息交互无所不在，而在教学领域，物联网至少要实现两种交互：一方面是维持其本身的，即学习者与学习对象间的交互，对于中小学生来说，这更可能是一种游戏性的交互，也就是通过一系列的操作如扫描二维码，打破传统的学习过程，激发出他们的好奇心和学习的兴趣；另一方面是提升其教育性的交互，即在学习情境和学习对象的元素中所承载的对于知识意义进行建构的学习型的交互，换句话说，就是学习者通过这一过程，将戴尔“经验之塔”底层的直接经验内化为自己的抽象经验的过程。
当代建构主义强调在学习过程中要充分发挥学习者的主动性，认为学习是学习者主动建构自己的认识经验的过程，是学习者在一定的情境下，借助他人的帮助，利用必要的学习资料，通过意义建构的方式获得的，而不是通过教师的讲授获得。依据这一原理，物联网交互学习系统需要保证学生个体认知过程和知识生成过程的交互性，即确保学习者与学习对象间及学习者与学习者间、学习者与教师间的交互。除此之外，北京师范大学陈丽教授还指出，在信息技术支持下的学习交互还应包括学生原有概念和新概念之间的交互，也就是通过新旧知识的碰撞获得更新的知识。
2. 尊重学生个体差异和隐私
了解学生的个体差异，按照教学对象的不同提供不同的学习支持，是教师实施有效教学的重要条件之一。物联网交互学习系统所提供的平台必须满足教师对教学环境、教学内容进行预设和实时调整的需求，并且贯穿上课前、上课中及教学评价的始终。学生的个体差异包括智力差异、学习风格差异、社会文化背景差异和性别差异等，中小学生处于个体个性化高速发展的时期，这些个体差异在常规的班级授课制的情况下难以区分和处理，尤其要引起重视。以学习风格为例，在学习过程中，有的人习惯通过读来学习，有的人则习惯通过听和做来学习。对于设计者来说，一方面要建立一个精密的、方便读取的学习对象数据库，允许教师进行及时分析调整；另一方面要结合其他关键技术，对学习者的学习习惯自行评估和分类，减少教师工作量。
然而，一旦录入大量的学生信息，就会产生新的隐私保护的问题。事实上，物联网中的隐私保护一直是个热点话题，很多学者也对物联网中存在的隐私信息和保护模式进行了总结和分类，但由于教育活动的特殊性，一些相关措施也要有所调整。比如学生的身份和数据类隐私信息，必须对教师可见，方便因材施教，但也不能向所有人公开，相应的数据加密和信息隐藏技术仍很必要。此外，必须明确技术只是辅助手段，学生的隐私保护问题根本上还要诉诸教师的职业道德培养。 物联网交互式学习系统模型建构
基于交互式学习环境建构和尊重学生个体差异、保护学生隐私的原则，在系统设计的过程中从交互内容、交互方式、交互界面和交互评价这几个方面加以落实，要让学生和学习环境中的物理对象，或者说和那些应用程序进行“人物互动”，进而“人人互动”，提升其学习效果。该物联网系统的结构如图1所示。
图1 物联网交互式学习系统结构
1. 信息录入与网络接入
从交互内容出发，要将大量的文本信息赋予参与教学的物理对象，这些内容都应是教师预先设计好的。从交互方式出发，所有资源都应包含一个或多个可视标签，即NFC（近场通信技术）标签或我们熟悉的QR CODE（矩阵二维码），每个标签都含有识别物理对象的唯一数据，并能与虚拟对象相连接。该系统应支持多种媒体资源的读取，包括超文本、音频、视频、动画等，所有参与教学的移动设备都应配备NFC和QR CODE识别技术的端口，方便学生与物理对象间进行的互动。为了保证教学的即时性，应选择最优的接入模式，最大限度地减小客户端、服务器与HTTP（超文本传输协议）之间的延迟。为了迎合教学场所的不固定性，应保证师生都可以通过无线网或3G、4G移动设备接入互联网。
2. 搭建服务器
教师在上课前要对学生学习活动中用到的相关物理对象进行预先设置，对象管理界面会显示出这些新增的物理对象信息。为将信息准确有效地传递给学生，系统服务器要处理两种不同类型资源，并将资源存储在两个不同的数据库中。一个数据库负责存储学生学习活动和评估结果的记录，这类数据包含有学生的个人信息和隐私，仅对教师可见；另一个数据库则负责存储扩充的学习对象的信息，方便教师及时编辑上传和学生随时读取学习。
3. 设计客户端应用程序
利用NFC技术和QR CODE技术在客户端搭建一个方便学生与物理对象进行交互的混合界面。当学生把自己的移动设备靠近物理对象时，他们可以选择交互界面中的任一模式：NFC或是QR CODE码。如果学生选择了NFC读取，移动设备会立即从物体上的NDEF（NFC数据交换格式）标签捕获到相关信息，NDEF会对服务器上新增的物体进行识别。也就是说，该算法先对NDEF进行解码，然后将数据上传到服务器中。最终，虚拟对象会通过图形展示的方式将学习资源呈现在学生的移动设备上。从交互界面出发，设计者要遵循简洁明快、易学易懂的原则设计一个适合中小学生使用的界面。如果学生选择了QR CODE码读取，原理同上，阅读器会对标签上的信息进行解码，用户界面就会呈现出相关的学习资源，这些学习资源可能是一个动画、一个网站亦或是一个简单的文本或音频，具体是什么，要依据不同学生的接受度和学习风格差异进行预先设定。
4. 设计交互评价系统
在必要情况下，当学生完成一项学习活动后，他们学习的结果都将通过他们的移动设备上传到服务器。教师可以对学生学习情况的数据分析，进行教学评价，改进教学策略，实现师生间的交互。为了保证学生隐私，学生的学习情况将对其他学习者不可见，学生可以自行与同伴和教师分享学习经历和感受，改善学习效果。
结 语
当今的中小学生深受数字化时代生活环境的影响，思维模式和学习方式正发生着巨大的转变，作为“数字移民”的中小学教育者，只有不断改革教育方法和内容，才能消除与“数字原住民”之间的“数字代沟”。
随着中小学校园无线网络信号的覆盖，基于物联网技术的交互学习模式具有了更广阔的发展前景，这对于中小学课堂教学模式的革新和中小学“智慧校园”的建设颇具价值。期望这样一个多维互动的、生态化的智能学习系统能尽快付诸实践，让物联网技术更好地为中小学教育教学活动服务。
（作者单位：南京邮电大学教育科学与技术学院）
参考文献
贺志强，庄君明.物联网在教育中的应用及发展趋势[J].现代远距离教育，2011（2）：77-82.
Wang Y. English Interactive Teaching Model which based upon Internet of Things keywords- Internet of things[J].International Conference on Computer Application
【关键词】物联网；智能教学系统；交互式学习环境
【中图分类号】G40-057 【文献标识码】A
【论文编号】1671-7384（2016）05-0074-03
物联网技术近年发展迅速，它是在互联网技术的基础上延伸和扩展的一种网络，实现了任何物品之间的信息交换与通信，并将物品整合到互联网中来，使用者能够获得实时反馈信息，并与之进行有效的互动。
在教育领域，应用在门禁管理、安保管理、后勤管理等学校综合管理和学生日常管理方面的物联网技术正逐步推广。与此同时，人们的学习方式也随着技术的革新发生了转变，从原先的传统学习模式逐渐发展出了数字学习（e-Learning）、移动学习（m-Learning）以及泛在学习（u-Learning）的新模式。其中，基于计算机技术的泛在学习模式不仅提供给学习者海量的学习内容，而且通过结合虚拟和物理空间， 搭建随时随地的协同学习环境，使学习资源与学习者的不同需求相适应 。无论对于高等教育还是基础教育，正规教育还是非正规教育，物联网技术在学习者的学习过程中，都扮演着一个日趋重要的角色。
在教育信息化的背景下，广大中小学校作为教育领域的最前沿，是建设“智慧校园”的重要阵地。一方面，针对中小学生自制能力较差、自我保护意识较弱的特点，在校园基建领域对于物联网技术的引入较为迫切；另一方面，物联网智能教学系统的开发能够填补传统教学方式的缺陷，营造良好的学习环境，对于提升中小学校的教学质量，落实培养创新型人才的目标具有重要意义。在综合国内外相关研究和分析系统要素的基础上，本文建构了一个基于物联网技术的交互式学习系统模型，旨在提升中小学生的学习效果，推进物联网技术尽快走进中小学的课堂。
相关研究
物联网在教学领域应用的相关研究已有很多，例如Wang Y.关于互动英语教学的研究，通过设置语音和视觉传感器来获取学生的发音，根据学生反馈的情况及时进行教学调整。依据Wang Y.的观点，物联网之所以能够在教学领域开展应用，其动力机制在于方式新颖，有利于教师因材施教：教师甄选一些适合学生学习的基本材料；学生根据自身能力自定步调，自主学习，不会受限于一个为了大多数人的需求设计的程序，比如一门“慕课”。
另外几个有代表性的研究包括：Gonzalez’ G等人搭建了一个基于物联网技术的个人学习空间的基本框架，他的研究表明，利用NFC技术（近场通信技术）能够实现学习者在学习过程中使用到的物品间信息的流动和互通。Domingo M.等人在西班牙加泰罗尼亚开放大学进行的研究中设计了一个以用户为中心的物联网数字学习网络，旨在提高学生的学习经验。
综上，物联网技术在教学领域已经有了一些初步探索。国内外学者的研究结果表明，它是一个能提高教师教学质量，并让学生以更好的方式学习的工具。但是，以往的研究多停留在技术层面的探讨，缺乏对学习者本身情况的综合考虑。对于中小学的课堂教学而言，不能把国外大学实验室里的研究成果直接拿来，在进行系统设计时，应充分考虑到中小学生身心发展特点及其个体差异。进一步的，还要在技术层面探讨如何保护学习者的隐私等教育伦理范畴的内容。
系统建构的要素
1. 交互式的学习环境
“物物互联”使物联网的信息交互无所不在，而在教学领域，物联网至少要实现两种交互：一方面是维持其本身的，即学习者与学习对象间的交互，对于中小学生来说，这更可能是一种游戏性的交互，也就是通过一系列的操作如扫描二维码，打破传统的学习过程，激发出他们的好奇心和学习的兴趣；另一方面是提升其教育性的交互，即在学习情境和学习对象的元素中所承载的对于知识意义进行建构的学习型的交互，换句话说，就是学习者通过这一过程，将戴尔“经验之塔”底层的直接经验内化为自己的抽象经验的过程。
当代建构主义强调在学习过程中要充分发挥学习者的主动性，认为学习是学习者主动建构自己的认识经验的过程，是学习者在一定的情境下，借助他人的帮助，利用必要的学习资料，通过意义建构的方式获得的，而不是通过教师的讲授获得。依据这一原理，物联网交互学习系统需要保证学生个体认知过程和知识生成过程的交互性，即确保学习者与学习对象间及学习者与学习者间、学习者与教师间的交互。除此之外，北京师范大学陈丽教授还指出，在信息技术支持下的学习交互还应包括学生原有概念和新概念之间的交互，也就是通过新旧知识的碰撞获得更新的知识。
2. 尊重学生个体差异和隐私
了解学生的个体差异，按照教学对象的不同提供不同的学习支持，是教师实施有效教学的重要条件之一。物联网交互学习系统所提供的平台必须满足教师对教学环境、教学内容进行预设和实时调整的需求，并且贯穿上课前、上课中及教学评价的始终。学生的个体差异包括智力差异、学习风格差异、社会文化背景差异和性别差异等，中小学生处于个体个性化高速发展的时期，这些个体差异在常规的班级授课制的情况下难以区分和处理，尤其要引起重视。以学习风格为例，在学习过程中，有的人习惯通过读来学习，有的人则习惯通过听和做来学习。对于设计者来说，一方面要建立一个精密的、方便读取的学习对象数据库，允许教师进行及时分析调整；另一方面要结合其他关键技术，对学习者的学习习惯自行评估和分类，减少教师工作量。
然而，一旦录入大量的学生信息，就会产生新的隐私保护的问题。事实上，物联网中的隐私保护一直是个热点话题，很多学者也对物联网中存在的隐私信息和保护模式进行了总结和分类，但由于教育活动的特殊性，一些相关措施也要有所调整。比如学生的身份和数据类隐私信息，必须对教师可见，方便因材施教，但也不能向所有人公开，相应的数据加密和信息隐藏技术仍很必要。此外，必须明确技术只是辅助手段，学生的隐私保护问题根本上还要诉诸教师的职业道德培养。 物联网交互式学习系统模型建构
基于交互式学习环境建构和尊重学生个体差异、保护学生隐私的原则，在系统设计的过程中从交互内容、交互方式、交互界面和交互评价这几个方面加以落实，要让学生和学习环境中的物理对象，或者说和那些应用程序进行“人物互动”，进而“人人互动”，提升其学习效果。该物联网系统的结构如图1所示。
图1 物联网交互式学习系统结构
1. 信息录入与网络接入
从交互内容出发，要将大量的文本信息赋予参与教学的物理对象，这些内容都应是教师预先设计好的。从交互方式出发，所有资源都应包含一个或多个可视标签，即NFC（近场通信技术）标签或我们熟悉的QR CODE（矩阵二维码），每个标签都含有识别物理对象的唯一数据，并能与虚拟对象相连接。该系统应支持多种媒体资源的读取，包括超文本、音频、视频、动画等，所有参与教学的移动设备都应配备NFC和QR CODE识别技术的端口，方便学生与物理对象间进行的互动。为了保证教学的即时性，应选择最优的接入模式，最大限度地减小客户端、服务器与HTTP（超文本传输协议）之间的延迟。为了迎合教学场所的不固定性，应保证师生都可以通过无线网或3G、4G移动设备接入互联网。
2. 搭建服务器
教师在上课前要对学生学习活动中用到的相关物理对象进行预先设置，对象管理界面会显示出这些新增的物理对象信息。为将信息准确有效地传递给学生，系统服务器要处理两种不同类型资源，并将资源存储在两个不同的数据库中。一个数据库负责存储学生学习活动和评估结果的记录，这类数据包含有学生的个人信息和隐私，仅对教师可见；另一个数据库则负责存储扩充的学习对象的信息，方便教师及时编辑上传和学生随时读取学习。
3. 设计客户端应用程序
利用NFC技术和QR CODE技术在客户端搭建一个方便学生与物理对象进行交互的混合界面。当学生把自己的移动设备靠近物理对象时，他们可以选择交互界面中的任一模式：NFC或是QR CODE码。如果学生选择了NFC读取，移动设备会立即从物体上的NDEF（NFC数据交换格式）标签捕获到相关信息，NDEF会对服务器上新增的物体进行识别。也就是说，该算法先对NDEF进行解码，然后将数据上传到服务器中。最终，虚拟对象会通过图形展示的方式将学习资源呈现在学生的移动设备上。从交互界面出发，设计者要遵循简洁明快、易学易懂的原则设计一个适合中小学生使用的界面。如果学生选择了QR CODE码读取，原理同上，阅读器会对标签上的信息进行解码，用户界面就会呈现出相关的学习资源，这些学习资源可能是一个动画、一个网站亦或是一个简单的文本或音频，具体是什么，要依据不同学生的接受度和学习风格差异进行预先设定。
4. 设计交互评价系统
在必要情况下，当学生完成一项学习活动后，他们学习的结果都将通过他们的移动设备上传到服务器。教师可以对学生学习情况的数据分析，进行教学评价，改进教学策略，实现师生间的交互。为了保证学生隐私，学生的学习情况将对其他学习者不可见，学生可以自行与同伴和教师分享学习经历和感受，改善学习效果。
结 语
当今的中小学生深受数字化时代生活环境的影响，思维模式和学习方式正发生着巨大的转变，作为“数字移民”的中小学教育者，只有不断改革教育方法和内容，才能消除与“数字原住民”之间的“数字代沟”。
随着中小学校园无线网络信号的覆盖，基于物联网技术的交互学习模式具有了更广阔的发展前景，这对于中小学课堂教学模式的革新和中小学“智慧校园”的建设颇具价值。期望这样一个多维互动的、生态化的智能学习系统能尽快付诸实践，让物联网技术更好地为中小学教育教学活动服务。
（作者单位：南京邮电大学教育科学与技术学院）
参考文献
贺志强，庄君明.物联网在教育中的应用及发展趋势[J].现代远距离教育，2011（2）：77-82.
Wang Y. English Interactive Teaching Model which based upon Internet of Things keywords- Internet of things[J].International Conference on Computer Application