基于物联网关键技术的智慧学习环境构建研究与实践—以《现代物流技术》课程学习为例

2015-08-15雷光临

物流技术 2015年8期

李俊，雷光临

（新乡医学院，河南新乡 453003）

1 引言

随着物联网、泛在网、智能传感等新技术在教育领域的应用，教育信息化迎来了新的机遇。在教育信息新机遇、新发展的大背景下，基于物联网技术的智慧学习环境构建，为学习者创设了更加自由、更加智慧、更加舒适的学习情境和空间，为学习者智能推送合适的学习资源和工具。

2 智慧学习环境

学习环境不仅包括正式的课堂学习环境，也包括非正式的和虚拟的学习环境，既包括集体的学习环境也包括个性化的、个体的学习环境。在网络技术日渐成熟和物联网技术的广泛应用下，学习环境的智慧性更加利于学习的进行和知识的习得。物联网使得虚实世界联通，让学习环境变得智能、智慧。物联网与网络技术能够实现虚拟与现实学习环境的无缝对接和无缝访问。构建智慧学习环境，其目标在于创设高效的情景化学习环境，促进学习者知识习得和创新智慧的培养。在智慧学习环境下完成学习者的差异性知识构建，并在知识内化过程中完善学生的人格。基于物联网技术的智慧学习环境分为智慧课堂学习环境和个性化的个体智慧学习环境。

2.1 智慧课堂学习环境

智慧课堂学习环境是指能感知物理环境，识别学习者个体特征和学习情境，提供无缝互通的网络通信，有效支持教学过程分析、评价和智能决策的开放教育教学环境。通过在物理学习环境中架设的传感器、摄像头等设备，全面感知学习过程，捕获并实时传递学习过程中产生的各种数据，利用学习分析技术对数据进行挖掘分析，依据分析结果为学习者创设个性化的学习情境，并推送合适的学习资源和学习工具。

智慧学习环境是教育信息化和智慧教育发展应用的新境界和重要组成部分，其依托物联网、大数据、通信技术等构建智能化、感知化和个性化的智慧学习环境，支持泛在学习、无缝学习等学习方式。智慧课堂学习环境具有以下特点：

（1）智能跟踪性。伴随着大数据和学习分析、数据挖掘等技术在教育中的应用，智慧课堂学习环境下，学习者学习过程中的各项数据将被记录，这些数据包括学习者的学习偏好、初始能力、认知风格、学习效果、评价等过程性的学习数据。这些海量数据通过数据聚合与挖掘技术、学习分析等技术分析处理后，生成学习者模型。学习过程中根据生成的学习者模型向学习者智能推送各种学习资源和学习工具。这种智能跟踪性将伴随学习者学习的全过程。

（2）智能推送性。智能推送技术包括推和送两个方面，推是指根据学习者个人学习偏好、学习风格等向学习者推送个性化的学习资源、学习工具，创设个性化的学习情景。送是指学习者可以自我控制学习进度和过程，根据个人需要定制学习资源、学习工具和定制适合的学习情境，这些满足学习者个性诉求的定制会在学习过程中智能推送给学习者，促进学习保持和知识习得。学习资源与工具的多样性以及智能推送性是智慧课堂学习环境的另一个特征。

2.2 个性化的个人智慧学习环境

基于物联网的个人学习环境是真实课堂学习场景的延伸，从真实的学习环境延伸到虚拟的学习场景中来。在虚拟的学习环境中同样可以激发学习者探究世界的兴趣和动力，加强与其他学习者或同伴的互动、沟通和资源共享。培养学习者的科学素养及解决问题的实践能力。

学习过程的动态感知以及学习工具和信息资源的智能推送是构成个性化智慧学习环境和开展个性化学习的基础。个性化智慧学习环境打破了传统的课堂学习环境对时空的限制，能够实现并满足师生随时随地、随需地学习、互动等诉求。个性化智慧学习环境中，由于学习者个体差异，其对学习资源及工具等的需求也存在差异，这就需要根据学习者的差异分别进行学习资源与学习工具的推送，促进学习者的学习进行和能力培养。个性化的学习环境能促使学习者自我激励，并自主掌控学习进度，根据个性化的学习偏好开展学习并完成学习任务。个人智慧学习环境是学习者、学习同伴、教师以及学习工具和学习资源之间建立的动态连接。其具有以下特点：

（1）学习自治性。在个性化的智慧学习环境中，学习者在学习过程中拥有高度的自治权，学习者根据自己的学习目标、学习兴趣、个人偏好等选取所需的学习资源和学习工具，随时随地开展个性化学习，不受时间和空间的限制。个性化的智慧学习环境为学习者提供了一个高度自治、自由的知识构建与交流共享的空间。

（2）分布式知识构建。个性化的个人学习环境中，学习者是身处不同网络节点的个体，学习者在利用学习资源和学习工具开展学习的过程中，与处于其他网络节点的学习者进行这样或那样的沟通、交流、会话以及协作来共同完成知识习得和知识构建。由于这些处于不同网络节点的学习者个体是分布在不同网络节点之上的，他们有各自的知识体系和知识架构。在彼此的交流与协作过程中，互相影响和思想碰撞，最后完成知识的构建，依据分布式认知理论，这种知识构建具有分布式知识构建性。这种分布式知识构建性是个性化个人智慧学习环境的一个显著特点。

3 物联网及关键技术

物联网及关键技术是构建高感知、高沉浸性智慧学习环境的技术基础。物联网将现实世界中的物与物进行互联互通，物联网传感技术能感知并收集物理空间中的湿度、温度、亮度等环境指标数据，对从传感器接收到的数据进行分析，并以此分析结果智能控制物理环境中学习资源等的状态，为智慧学习环境创设适合开展学习活动的情境，物联网技术是构建虚实融合的智慧学习环境的关键。

（1）物联网技术。物联网顾名思义就是将物与物互联的网络，它是通过各种信息传感设备、识别技术、通讯手段、定位系统等装置和技术，实时采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程，采集其声、光、热、位置等信息，与互联网结合形成的一个巨大网络。其目的是实现物与物、物与人、所有的物品与网络的连接，方便识别、管理和控制。物联网不仅提供了传感器的连接，其本身也具有智能处理的能力，能够对物体实施智能控制。

（2）传感器技术。是指能感受规定的被测量，利用物理效应、化学效应、生物效应，把被测的物理量、化学量、生物量等转换成符合需要的电量，并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。随着对传感器技术研究的日益深入和技术的日渐成熟，目前对无线传感器、微型传感器、多传感器融合等技术的研究成为了新热点。这些技术的日渐完善及其应用的快速普及，尤其在教育领域中的应用将极大地便利我们的学习。

在智慧学习环境构建过程中还需要用到大数据、学习分析和智能推送等技术，正是这些新技术的成熟与应用，为未来教育发展提供了技术保障和物质基础。

4 智慧学习环境构建

智慧学习环境构建主要涵盖了学习过程中的学习者、教师、环境中的软硬件资源、学习工具等要素。笔者主要从学习过程中人的构建、资源构建、学习情景构建、资源与工具的推送等几个方面进行介绍。

（1）人的构建：智慧学习环境构建过程中，人的构建即学习者和教师的构建是主要要素。无论是在智慧课堂学习环境还是智慧个人学习环境构建过程中，人的构建始终是第一位的。只是智慧课堂学习环境中，学习者是集中在一起的学习者群体，教师是学习活动的推动者和引导者，在该学习活动过程中需要在教师的推动和学习者的自主选择之间找到一个最佳平衡点，促使学习者在智慧学习环境中达到知识习得、知识构建以及人格的重塑和进化；而个人学习环境中，学习者是分布式的学习者个体，学习者有更多的自主权对自己的学习过程及学习活动进行控制，其间需要教师过滤和筛选合适的学习资源和工具并推送给学习者，以维持学习者学习活动的进行，需要分布在其他网络节点上的学习同伴的协助和协作完成学习任务。在这种个性化学习活动过程中，学习者、教师和学习同伴之间是一个持续的、动态的活动过程，目的就是促使分布在不同网络节点上的学习者分布式知识的习得与构建。

（2）资源的构建：资源构建是智慧学习环境构建的重要组成部分，学习资源分为预设性资源和生成性资源。预设性资源是学习活动开展和进行过程中呈现给学习者的资源，是事先制作并分类的资源，在学习过程中起到帮助学习者进行学习并生成新知识资源的作用。生成性资源是学习活动过程中再生出来的新资源，是预设资源的动态更新和持续进化。新形成的再生资源会成为下一个学习活动过程中的预设资源，预设资源与生成性资源是不断更迭、持续循环并实现资源更新和进化的动态过程。学习者智慧学习环境下的学习过程中，会遇到海量信息和知识碎片化问题，势必会造成学习者学习迷航和知识超负荷。面对此种状况，一方面需要提高学习者组织和联通学习资源的能力，另一方面也需要利用相关技术加强预设资源语义关联性，增强资源间的连通性和使用频率。在学习过程中通过资源的预设、生成和关联，达到资源的构建，以利于学习者学习的持续进行和知识的构建。

（3）学习情景的构建。学习情境是为学习者创设利于学习进行和知识习得的现实情境、虚拟场景、现实与虚拟融合的空间场景。智慧课堂学习环境下学习情境的构建，是对摸得着看得到的资源、工具、灯光、多媒体设备等周边环境的智能控制与重组，智能控制与重组目的就是创设更利于学习进行的情境，促使学习者在便捷、舒适、高效环境下学习的发生与保持。例如利用声光、温度等传感器技术以及云计算技术实现对学习环境中灯光、多媒体音箱、空调设备等的智能开启与调节，创设一个基于真实问题的学习情境，更好地促使学习者进行探究和协作学习。个性化的个人智慧学习环境中，需要利用大数据和学习分析技术，对学习者学习过程中的数据进行聚合和挖掘，为学习者创设虚拟的或虚实融合的学习情境，并为学习者推送适合的学习资源和工具，促使并保持学习者虚拟学习情境下的学习进行及知识习得。

（4）资源与工具的推送。资源是智慧学习环境的重要组成部分，工具又是学习者进行学习必不可少的帮手，尤其在个性化的智慧学习环境下，资源、工具的推送和定制显得尤为重要。智慧学习环境中学习者面对海量的学习资源和工具会显得无所适从，同时学习者进行个性化的学习需要特定的资源和工具，这就要求既要通过学习分析技术向学习者推送资源和工具，又要根据学习者的个性需求定制资源和工具。在智慧学习环境中通过采集学习者与学习环境之间的显性和隐性交互数据，经过协同过滤机制，向学习者推送个性化以及个性化定制的资源和工具，使其在创设的智慧学习环境和情境下保持学习和高阶智慧的提升。

5 《现代物流技术》课程智慧学习环境构建

《现代物流技术》一书分为现代物流导论、现代物流作业技术、现代物流信息技术等几个部分，由于现代物流作业技术章节中包括自动化立体仓储、包装与装卸、自动化分拣与配送、集装箱码头等一整套的现代物流实训流程与环节，也更便于采用3D影片等多媒体融合技术呈现，以达到更加震撼和直观地快速了解现代物流作业技术的流程与环节的效果。故本文节选现代物流作业技术章节中的部分内容作为素材进行智慧学习环境构建，情境构建与呈现过程如下：

（1）情境构建：①智慧课堂学习过程中人的要素主要包括教师和学生，教师是课堂教学的引导者和教授者，学生是学习活动的参与者、知识的自我构建者。②智慧学习过程中用到的资源和工具主要包括呈现自动化立体仓储、包装与装卸、自动化分拣与配送、集装箱码头等实训流程与环节所用到的3D影片和多媒体融合素材，这些3D影片和多媒体素材能更直观和震撼地再现完整真实的现代物流流程与环节，通过整个过程的呈现能快速提升学习者的专业技能和素养。③智慧学习场景可以置于演播室、录播教室等多媒体教室，需要用到且可以智能调控的硬件设备比较丰富，包括空调、灯光、电动窗帘、幕布、摄像头、3D眼镜、音响、投影等多媒体影音设备。这些设备是构建智慧学习环境及呈现智慧学习过程的必要用具和技术保障。

（2）呈现过程：①智慧课堂学习过程中，灯光、空调、窗帘等周边设施通过智能感知技术实现自动开关和调控；音响、摄像头、投影等多媒体设备会于上课之前开启进入工作状态。摄像头、拍摄灯光等设施能通过红外感应等技术自动跟踪授课教师及与教师进行互动的学生。②智慧学习过程中，最精彩和震撼的是完整呈现整个现代物流流程与环节的自动化立体仓储、包装与装卸、自动化分拣与配送、集装箱码头等教学内容的3D影片和多媒体素材，通过佩戴3D眼镜观看提前制作好的3D影片，使学生仿佛置身于真实的物流企业操作车间之中，身临其境的学习现代物流的整个流程与环节，快速体验教学实训和物流企业运营模式。

通过对现代物流作业技术部分章节内容智慧学习环境的构建，能使学生在足不出户的情况下真实、直观地体验教学实训，快速提升学生的专业素养和技能。