基于物联网技术的情景感知教学模式

杨桂松+徐慧芬+何杏宇+王莉

摘要：物联网技术已经是当前科技角逐和产业竞争的热点技术，而物联网的快速发展使得物联网技术在应用上有了很多的创新模式。物联网在教学模式中的应用则具有重大的社会价值和意义，本文基于对物联网的内涵、特征的把握，探讨了物联网在教育中的应用，并针对物联网的特性，使其和情景感知系统以及虚拟现实技术结合起来，提出了一种创新的教学模式，该模式将学习环境参数和学生的个体特征结合起来进行融合处理，并通过虚拟现实技术作为输出，以提高学生的学习体验和学习效率。

关键词：物联网；情景感知；教学模式；虚拟现实。

引言

近年来，随着物联网技术的蓬勃发展，探讨物联网在创新教研模式中的应用则具有重要的实践和理论意义。把现代科学和教研理论相结合，把新兴技术与课堂教学完美融合则赋予教育更充实的内涵和无限的想象力。

比如将实验器材附加传感器网络及数字化属性，学生通过远程控制接人虚拟实验室的实验器材，并且可以实时的观察和采集实验过程中的数据和结果，并将分析过后的实验结果通过远程网络发送给授课教师，同时，在操作过程中，虚拟实验器材还可以对实验的信息进行提示教学，当学生发生不正确的实验操作时，虚拟实验设备还可以做出提示及报警，这样还可以增加学生实验的安全性。

学校管理人员可以通过RFID射频技术高效地管理学校内的各种教学仪器设备。目前很多学校对于教学仪器、实验设备以及运动设施器材等的管理存在着分布离散，保养和维护不规范等问题。仪器设备被粘贴RFID标签后，可以方便快捷地了解当前仪器的被使用状况，使各种设施资源得到高效的共享和维护。

情景（context）的概念兴起于上世纪90年代中期，1994年Schilit等人第一次使用了context aware这一词，并将“情景”归纳为“位置、人和物体周围的标识和这些物体的变化”。直到2000年Dey等人在总结前人的基础上将“情景”定义为：“情景是任何描述实体情形的信息。实体可以是人、场所、以及任何与用户和应用系统交互过程相关的对象，其包括用户和应用系统自身。在中，作者本将情感化设计理念应用于全景虚拟校园的设计中，提出了传统设备下全景虚拟校园的情感化设计层次模型，并对全景虚拟校园本能层感官设计、行为层功能设计和反思层指导设计的内容和原则进行了详尽描述。

基于物联网技术的智能化情景感知教研的研究，具有其鲜明的理论意义和独特的实践意义。从理论意义上来说，把物联网技术结合在教育教学上属于教育创新，教育创新的执行离不开理念创新和技术创新，而物联网技术在信息产业上的应用必然会对教育创新和人才创新上发挥重要而深远的意义。从实践意义上来说，将物联网技术和产品运用到教学的过程及资源的设计、开发、利用、管理和评价中，对改进创新型人才培养的模式，促进师生互动，提升学生创新能力和教学质量等均有很强的实践价值。

1物联网在教育领域中的应用

将计算机最前沿的技术应用于教学领域可以取得很好的效果，物联网技术也可以用于构建智能交互的教研环境。在教室，实验室，办公室及学生宿舍里布置各种传感器节点，这些传感器节点可以被用来感应环境的温湿度和光线强弱等参数，控制系统在识别分析数据后进行调节，并根据人员的进入或离开自动控制照明、空调、电脑的电源开关。

在教学课堂上，学生通过佩戴带有传感器的手表、眼镜等可穿戴设备可以实时上传学生在听课过程中的紧张程度、注意力状况、动脑思考等学习情况，授课教师可以以此为依据及时调整教学进度。

物联网可以运用于实验实训等实操考核中，远程教学系统更能体现它的优势。无论在平时的实验过程中或者是期末实操考核中，利用内嵌电子标签或传感器的实验器材，对每一个已识别身份的学生的实际动手操作过程进行全程跟踪监控，将学生的每一步操作反馈到终端并且完整保存，教师可以从容查看学生操作过程并进行准确的评价，从而避免了传统的实验成绩的评价仅仅依据学生提交实验结果、实验报告，不能全面准确地反映学生的实际操作水平的弊端。

2情景感知系统

2.1情景感知系统

一个情景感知系统必须能够模拟人的能力认识和利用蕴含的环境信息，以便推动其功能性的操作。为此，一个情景感知系统须收集环境或用户态势的信息并将这些信息翻译成适当格式，同时组合情景信息，生成更高级的情景信息，将其他情景信息归并后导出的情景信息；基于检索到的信息自动采取动作；使信息能让用户随时存取和易于存取，帮助用户更好地完成任务。

情景感知可分为直接的显示感知（输入）和内部的蕴含感知（输入）两类，前者如位置信息、时间信息和设备环境信息等，后者如用户的特点、习惯、知识层次和喜好等。

2.2兴趣标签

标签可以对资源进行合理的分类，实质是按照关键字对用户感兴趣的资源进行主观描述。这种描述形式不仅可以丰富资源本身的属性还可以明确的显示用户对于资源的关注点在哪。兴趣标签已经广泛的应用于web技术，自由定义、小组分享、检索方便这些优势使标签系统在网络上越来越受欢迎。兴趣标签目前在教育领域的应用集中于图书馆管理系统。在标签系统中所有设定都能实现个性化。因为所有标签都是用户自己选择的，所以这些标签的组合也都是有针对性的。因此能通过不通的组合形式可以满足不同用户的个性化需求。

利用兴趣标签可以对资源进行合理的分类，并按照资源信息里包含的关键字对自己感兴趣的资源进行个人主观描述。这种描述形式不仅可以丰富资源本身的属性还可以明确的显示用户对于资源的关注点在哪。

兴趣标签能在大量的数据中搜寻到用户所感兴趣的内容并提供重要帮助，并且它还能不断提高用户所需的个性化服务质量。兴趣标签有三大特征：随意性、动态、共享。在本文中，我们将兴趣标签作为情景感知系统中的内部蕴含感知模块。

3教学中的虚拟现实

虚拟现实（Virtual Reality，VR）是把客观上存在的或并不存在的东西，通过运用计算机技术，在用户眼前生成一个虚拟的环境，使人感到像真实存在的一种技术。虚拟现实技术是在综合计算机图形学、计算机动模拟与仿真、传感技术、显示技术等许多计算机学科的基础上发展起来的一种计算机应用新领域。图2所示是最新一代的头戴视透显示器，头戴显示器是虚拟现实的核心辅助装置，它寻求的是通过信息或者计算机生成的仿真物来补充（增强）而非取代（现有模式下）实际的周边环境。在第4节中将被用作情景感知系统的输出，将知识以更加生动的方式展示在学生眼前。

虚拟现实应用于教学主要表现在以下两个方面：课堂教学中，实验教学。课堂教学是教学的主要方式，也是虚拟现实运用于教学的主要战场。根据不同的学科，虚拟现实发挥着不同的作用，主要有以下方面的应用：立体物体的展示，立体空间的展示，展品的介绍，虚拟空间的营造与构建，虚拟场景的构造。

一般学校现有的条件下，有许多实验是根本不可能做的。利用VR技术，可以有效地解决实验条件与实验效果之间的矛盾。在教学中，许多昂贵的实验、培训器材，由于受价格的限制而无法普及。如果利用VR技术，在多媒体计算机上建立虚拟实验室，学习者便可以走进这个虚拟实验室，身临其境般的操作虚拟仪器，操作结果可以通过仪表显示身体的感受反馈给学生，来判断操作是否正确。这种实验既不消耗器材，也不受场地等外界条件限制，可重复操作，直至得出满意结果。VR实验室的优点还在于其良好的安全性，通过VR操作失误不会造成人身事故。此外，通过虚拟现实技术打破了传统教学的局限性，可以方便地把远端的实景带到课堂里，尤其是由于时间、经费或安全性等条件限制接触不到的一些演示演练。例如对于生物专业的学习，学生可以将生物或农作物的生长过程通过物联网中的传感器系统录制下来传送到课堂里供学生观摩，通过各种实验环境的虚拟或演示这些身临其境的教学手段，加速学生对相关知识的理解和体验。

4基于物联网技术的情景感知教学模式

本文提出一种基于物联网技术的情景感知教学模式，本模式以传感器节点，手持设备，和兴趣标签等作为输入因素，并以VR设备作为输出，同时学生还可以根据输出通告手持设备进行主动的反馈，如图3所示。其中，环境感知由传感器节点负责，作为环境感知系统的显示感知部分。兴趣标签和手持设备则作为情景感知系统的蕴含感知部分，且手持设备可以实时接收教师或学生给情景感知系统的反馈。

4.1环境感知

通过在教室或实验室内布置温度、湿度、感光的传感器节点，以获得学生所处环境的温湿度和光线强弱等参数，并判断学生的学习环境是在室内还是户外，将这些参数作为模式的环境感知输入部分，用来调节学习环境中的照明和温度以及做出和学生所处环境相适应的输出等，可以使学生所处的物理环境更加舒适，从而减少学生注意力的分散。同时还要负责识别学生的身份，并对学生的操作过程进行全程跟踪监控，将学生的每一步操作反馈到终端并且完整保存。

4.2兴趣标签及手持设备

学生通过手持设备在首次登陆时进行个人账号注册，注册账号会录入到数据库中，学生每次在进人学习环境时需登录个人账号。在注册账号时，学生需要先录入个人的资料如性别、年龄和专业方向等会对学生兴趣产生影响的字段。除了这些基本资料外，注册时还需要学生自行选择一些感兴趣的关键词作为自定义兴趣标签。但是，注册时所标注的关键词只是学生当时所感兴趣的标签，这类标签也不是一直存在的。在学习过程中，随着模型的更新，这些自定义标签也会随之出现增强或衰减。兴趣标签包括学科分类等内容，学生可以在大的分类下选择自己感兴趣的小分类，以此使教学变得有针对性。

4.3情景感知和虚拟现实输出

学习者在远程学习过程中，周围也会存在丰富的情景信息。为更好地进行学习服务发现，需要对学习者的学习情景进行有效刻画，并在此基础上为情景建模。如图2中环境感知和手持设备作为情景感知的显示感知输入，而兴趣标签作为情景感知的蕴含感知输入，这两个部分共同作为情景感知模块的输入部分供情景感知模块进行分析。通过这两部分的输入，情景感知模块将这些信息进行融合及处理，然后得出相应的方案，最后使用VR设备作为输出提供适合于不同学生的学习服务。此外，学生还可以根据VR输入的内容进行反馈，即和VR进行互动，在此是通过手持设备实现的。

5教师及学生对系统的反馈

为了验证本系统的教学效果，分别对老师及学生进行了体验调研。对于教师来说，主要体现在学风纪律，学习过程以及学习效果中学生的表现。表1为教师对学生表现评价表，表2为学生对教师的评价表，从表中我们可以看出，本系统可以提高学生的学习主动性和积极性，并且学习效果是很好的。

6总结

本文将物联网技术和情景感知技术融合起来提出了一种创新的教学模式一基于物联网技术的情景感知教学模式，该模式利用了这两种技术的优势改善了学生的学习环境，并使学生获得了传统教学模式不能提供的学习体验，可以使学生更好的理解和运用知识。