基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高校實踐課堂教學改革研究*

董君，張敏

(河南機電高等專科學校 實驗管理中心，河南 新鄉(xiāng) 453000)

摘要：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和應用是目前社會比較關(guān)注的一個話題，也是高校進行實踐課堂教學研究的重要課題之一。文章以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為支撐，提出了構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)實踐教學環(huán)境的方案，探討了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對高校實踐課堂教學帶來創(chuàng)新性改革的作用與意義。

關(guān)鍵詞:物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；實踐課堂；改革

收稿日期：2015-06-10

中圖分類號：G642

目前高校進行人才培養(yǎng)，不僅強調(diào)要具有扎實的理論基礎(chǔ)，而且更加注重培養(yǎng)實踐創(chuàng)新能力。隨著社會經(jīng)濟的高速發(fā)展，用人單位對人才的需求也提出了更高的要求，不再只局限于一紙文憑，更多的是要求其具有過硬的專業(yè)應用技能。因此高校教學也應適應經(jīng)濟市場的發(fā)展需求，轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的重理論輕實踐的教學理念，以社會需求為導向，轉(zhuǎn)變教學模式和內(nèi)容，重視實踐教學，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力[1]。如何高效地對高校實踐課堂進行教學創(chuàng)新改革是相關(guān)領(lǐng)域研究學者目前普遍關(guān)注的熱點問題之一。

2000年物聯(lián)網(wǎng)概念的提出，受到了社會各個領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。顧名思義，物聯(lián)網(wǎng)即“物物相連的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)”。其依據(jù)約定的規(guī)則協(xié)議，以高速發(fā)展的移動互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)為海量處理信息的基礎(chǔ)，實現(xiàn)對全網(wǎng)人、物等全面感知、快速識別、智能處理[2]。目前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的一些應用案例已經(jīng)被提出和實施，比如智能家居、智能交通系統(tǒng)、智能醫(yī)療等，物聯(lián)網(wǎng)必將是未來智能網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的趨勢之一。

1構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)教學環(huán)境

圖1　物聯(lián)網(wǎng)實踐教學環(huán)境

物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)主要分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層、業(yè)務(wù)邏輯層以及數(shù)據(jù)庫層。感知層主要完成對數(shù)據(jù)信息的采集和轉(zhuǎn)換，網(wǎng)絡(luò)層主要完成數(shù)據(jù)的傳輸和處理，業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)庫層則主要完成對數(shù)據(jù)的管理和應用。以有線網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合形成的全覆蓋傳感網(wǎng)絡(luò)是物聯(lián)網(wǎng)教學課堂構(gòu)建的基礎(chǔ)。感知層主要涉及RFID、WiFi等智能標簽，射頻識別設(shè)備、傳感器等，物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境課堂中多使用無線傳感網(wǎng)絡(luò)對傳感設(shè)備進行組網(wǎng)，結(jié)合相應的無線傳輸模塊，提高節(jié)點應用的靈活性，實現(xiàn)信息的高效采集。網(wǎng)絡(luò)層主要指通信網(wǎng)絡(luò)。由于實踐教學課堂中存在靜態(tài)的教學實驗儀器以及動態(tài)的教師、學生，前者可看作已知節(jié)點，后者可看作未知節(jié)點，實際應用中需要構(gòu)造融合二者的通信網(wǎng)絡(luò)。RFID無線通信技術(shù)局限于接收較短距離的已知節(jié)點，WiFi無線通信技術(shù)則主要適合移動和較遠距離的信號采集。兩者結(jié)合，能夠保證物聯(lián)網(wǎng)實踐課堂信息的有效傳輸。業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)庫層則分別來響應感知層的應用請求以及存儲各種應用狀態(tài)的數(shù)據(jù)信息[3]。

2應用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的教學改革

物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中的實踐教學課堂，需要搭建有線無線雙覆蓋的網(wǎng)絡(luò)通信環(huán)境，以實現(xiàn)對各種感知信息的接入和互聯(lián)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將課堂上的各種信息資源有機結(jié)合起來，設(shè)置的各個感知節(jié)點將其融合在一個網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點彼此之間進行數(shù)據(jù)傳輸和共享。在管理上，提供了一種新型的實時管理模式；在教學內(nèi)容上，使內(nèi)容完整有序，詳略可控，形式豐富多樣。物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的高校實踐教學課堂，管理上更加智能，豐富了實驗平臺，增加了實驗操作和環(huán)境的安全性；教學上提供了以學生為中心的網(wǎng)絡(luò)學習環(huán)境，根據(jù)每個學生的知識情況，實現(xiàn)個性化學習。

2.1實踐課堂管理模式改革

在傳統(tǒng)的高校實踐教學課堂中，實驗室管理人員對實驗室環(huán)境、各種設(shè)備和參與實驗的學生情況等進行管理，存在著管理難度較大、信息瑣碎等各種問題。引入物聯(lián)網(wǎng)教學，可以在實踐課堂設(shè)置有線及無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，布置各種類型的傳感器感知節(jié)點，通過終端控制器接收，進行判斷處理并發(fā)送給相關(guān)職責部門。同時將數(shù)據(jù)信息存儲在后臺數(shù)據(jù)庫中，形成歷史曲線，便于狀態(tài)的預測。比如教室各個角落設(shè)置噪音節(jié)點，一旦超過設(shè)定值，則向相關(guān)部門發(fā)出報警信號；教室安裝光亮傳感器，可以根據(jù)天氣情況、室外光照強度等調(diào)整窗簾狀態(tài)以及室內(nèi)電燈的自動開關(guān)，為教師和學生打造一個舒適的教與學的環(huán)境，在教室環(huán)境管理上達到一個智能的狀態(tài)。在設(shè)備管理上，可以為每臺設(shè)備植入其獨一無二的RFID標簽，自動識別判斷自身是否處于高溫、高濕等狀態(tài)中，一旦異常，立即切斷電源并報警，在設(shè)備管理上達到一個安全的狀態(tài)。在學生信息管理上，讓每位學生佩戴植入傳感器節(jié)點的腕帶，能夠?qū)⒆约旱膶W習狀態(tài)和需求反饋給教師，教師也能夠時刻關(guān)注學生的實踐操作是否符合要求和規(guī)范，及時糾正和指導[4]。物聯(lián)網(wǎng)教學環(huán)境構(gòu)造動態(tài)的上課學生、上課教師和靜態(tài)的各種設(shè)備儀器處于一個平等的地位，彼此間互通信息，進行數(shù)據(jù)傳輸處理。實踐課堂的管理由傳統(tǒng)上的單向管理轉(zhuǎn)變?yōu)榻换ナ降募衅降仁焦芾怼?/p>

圖2　物聯(lián)網(wǎng)課堂智能管理模式示意圖

2.2實踐課堂教學內(nèi)容改革

圖3　本體語義網(wǎng)絡(luò)圖

基于物聯(lián)網(wǎng)的情境感知系統(tǒng)是實現(xiàn)其情境推理的基礎(chǔ)。物聯(lián)網(wǎng)實踐教學課堂應用中，針對學生上課時對當前知識點的反饋情況利用本體建模工具，構(gòu)建OWL知識本體類模型，創(chuàng)建具有邏輯性的情境關(guān)系實體，并借助基于Java的開源語義包Jena實現(xiàn)對OWL文件的解析推理。推理機制的實現(xiàn)，能夠在現(xiàn)有知識庫的基礎(chǔ)上，實時掌握每一位學生的知識接受能力，并根據(jù)學生程度的不同預測其在此基礎(chǔ)上特有的知識興趣點，拓寬知識講授面。OWL本體建模中共包含6種主要的實體關(guān)系，分別為組成、類屬、屬性、實例、比較以及等同，描述為G=(P,T,A,I,C,S)[5]。以《計算機文化基礎(chǔ)》課程為例，圖3為其本體語義網(wǎng)絡(luò)建構(gòu)圖。在其基礎(chǔ)上生成《計算機文化基礎(chǔ)》操作系統(tǒng)章節(jié)的知識庫，通過對知識庫的檢索，找出相關(guān)聯(lián)問題的答案。教師教授計算機操作系統(tǒng)章節(jié)知識時，可搜索計算機等級考試題庫，結(jié)合教學大綱有針對性地進行講解。同時由計算機操作系統(tǒng)介紹延伸到功能講解和操作講解，再依次去挖掘身邊接觸到的操作系統(tǒng)，如智能手機操作系統(tǒng)。讓學生主動將書本上枯燥的知識轉(zhuǎn)變?yōu)樯钪懈信d趣的話題。學生在學習過程中提出的問題，若原知識庫中沒有答案，則向老師發(fā)出求解信號，由老師主動解答，并將答案擴充到知識庫建設(shè)體系中，進一步拓寬知識來源和廣度，豐富知識庫實體關(guān)系內(nèi)容。

在物聯(lián)網(wǎng)實踐教學課堂上，創(chuàng)建課程知識本體，自動生成問題和答案。而在傳統(tǒng)課堂上學生發(fā)現(xiàn)問題、提出問題，老師搜集常見問題并解答。本文通過搜集常見問題解決案例進行比較，結(jié)果如表1所示:

表1　重合度比較

3結(jié)語

高校實踐教學中實現(xiàn)“應用型”與“創(chuàng)新型”人才培養(yǎng)目標，是目前高校提高實踐教學質(zhì)量水平的重點。本文通過對高校實踐教學課堂引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)所能帶來的創(chuàng)新性改革進行深入分析和研究，探討了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在高校實踐課堂教學中的應用，對教學改革有著積極的促進作用。

(責任編輯呂春紅)

參考文獻：

[1] 楊懷宏，肖華茂．高校實踐教學的重要作用[J]．文學教育，2009(6)：138-139．

[2] 盧艷蘭，劉靜春，黃力．基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的圖書館知識服務(wù)創(chuàng)新[J]．池河學院學報，2012，32(6)：117-123．

[3] 劉嵐，翟鴻雁，陳寧．基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧校園建設(shè)方案探討[J]．科技視界，2012(7)：175-176．

[4] 李麗麗．物聯(lián)網(wǎng)在高校教育中的應用[J]．計算機時代，2015(2)：67-69．

[5] 劉紅梅．基于知識本體的智能答疑系統(tǒng)知識庫——以“大學計算機基礎(chǔ)”課程為例[J]．計算機教育，2012(22)：107-110．

Teaching Reform and Innovation of Practice Classroom in the

University Based on The Internet of Things Technology

DONG Jun, et al

(Henan Mechanical and Electrical Engineering College The Experimental

Management Center , Xinxiang 453000,China)

Abstract:Development and application of the Internet of things technology is a concern topic of current sociology.In addition,it is one of the important research topic of curriculum reform in the university.The construction scheme of the practice teaching environment is proposed in this paper which takes the Internet of things technology as support ,also the function and meaning of the Internet of things technology for practice teaching in the university is discussed.

Key words:the Internet of things technology;practice classroom;innovation