陳金華 陳奕彬 彭倩 李易俞 謝雨芮 鄧媛 周紅梅

[摘? ?要] 智慧教育物聯(lián)網(wǎng)的迅猛發(fā)展推動(dòng)了教育的智慧化變革，成就了智慧教育破繭成蝶，成為教育信息化2.0時(shí)代先進(jìn)的教育形態(tài)。為了推動(dòng)智慧教育的發(fā)展，采用文獻(xiàn)研究、關(guān)鍵詞時(shí)序知識圖譜分析、歸納與演繹等研究方法，對智慧教育環(huán)境發(fā)展態(tài)勢和智慧教育物聯(lián)網(wǎng)演進(jìn)進(jìn)行了透析，據(jù)此構(gòu)建了面向智慧教育的物聯(lián)網(wǎng)通信演進(jìn)模型和功能架構(gòu)模型，依據(jù)模型討論了面向智慧教育的物聯(lián)網(wǎng)智能感知、智慧管理、情感計(jì)算、設(shè)備共享和視景仿真等功能的實(shí)現(xiàn)路徑，并提出了面向智慧教育的物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展亟待解決的系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)、教育資源規(guī)范和數(shù)據(jù)安全保護(hù)等幾個(gè)關(guān)鍵問題。最后，指出了未來教育發(fā)展的新方向與智慧教育物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)對推動(dòng)智慧教育發(fā)展的重要價(jià)值。

[關(guān)鍵詞] 智慧教育; 物聯(lián)網(wǎng); 智慧教育物聯(lián)網(wǎng); 物聯(lián)網(wǎng)模型; 功能實(shí)現(xiàn)路徑

[中圖分類號] G434? ? ? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A

[作者簡介] 陳金華（1967—），男，重慶石柱人。教授，博士，主要從事基礎(chǔ)教育信息化、教育大數(shù)據(jù)與學(xué)習(xí)分析、學(xué)習(xí)空間建構(gòu)、人工智能與智慧教育等研究。E-mail：csdcjh@126.com。

一、引? ?言

近年來，在“智慧地球”理念的引導(dǎo)下，智慧教育破繭而出，躍居教育發(fā)展的高級階段并成為前沿焦點(diǎn)。智慧教育是在先進(jìn)的教育思想指導(dǎo)下，與云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、社交網(wǎng)絡(luò)、無線通信和物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)融合產(chǎn)生的新型教育形態(tài)。智慧教育的發(fā)展掀起了繼數(shù)字教育、移動(dòng)教育、泛在教育之后的第四次浪潮，成為當(dāng)前國際教育領(lǐng)域關(guān)注度最高的熱點(diǎn)之一。智慧教育關(guān)鍵技術(shù)主要是由射頻識別（RFID）、傳感器、網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)處理與融合等組成，通過使用RFID、傳感器、紅外感應(yīng)器、激光掃描器、全球定位系統(tǒng)等信息采集設(shè)備，把任何物品信息與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進(jìn)行通信和交互，實(shí)現(xiàn)智慧化感知、識別、計(jì)算、顯示、監(jiān)控、定位、跟蹤與管理。從2004年開始，智慧教育物聯(lián)網(wǎng)相繼被日本X-Japan、新加坡MP X“智慧國2015 計(jì)劃（iN2015）”、韓國Master Plan XSMART教育、美國Smart Planet、NETP X等列為全球領(lǐng)先的教育重點(diǎn)研發(fā)領(lǐng)域。目前，盡管物聯(lián)網(wǎng)研究較多，但以智慧教育為切入點(diǎn)來研究物聯(lián)網(wǎng)功能應(yīng)用的文獻(xiàn)還不多見。為了便于廣大研究者和應(yīng)用者進(jìn)一步深入了解和掌握面向智慧教育的物聯(lián)網(wǎng)模型及功能實(shí)現(xiàn)路徑，文章拋磚引玉，以期為物聯(lián)網(wǎng)的教育功能開發(fā)與智慧教育的發(fā)展提供有價(jià)值的參考。

二、相關(guān)研究綜述

物聯(lián)網(wǎng)是信息學(xué)領(lǐng)域最前沿、最重要的技術(shù)，為了更好地理解和應(yīng)用面向智慧教育的物聯(lián)網(wǎng)及其功能，利用國內(nèi)外數(shù)據(jù)庫文獻(xiàn)，對智慧教育環(huán)境發(fā)展態(tài)勢及智慧教育物聯(lián)網(wǎng)演進(jìn)進(jìn)行了深入研究。

（一）智慧教育環(huán)境發(fā)展態(tài)勢研究

智慧校園、智慧教室、智慧實(shí)驗(yàn)室和智慧圖書館是智慧教育環(huán)境的四個(gè)關(guān)鍵要素。通過選取 CNKI、萬方、維普三種中文數(shù)據(jù)庫以及 Web of Science、EBSCO、Science Direct、EI Compendex、Springer Link外文數(shù)據(jù)庫作為來源數(shù)據(jù)庫，以篇名和主題中包含“智慧校園”“智慧教室”“智慧實(shí)驗(yàn)室”“智慧圖書館”等中文詞匯，以及“Smart Campus”O(jiān)R“Intelligence Campus” OR“Intelligent Campus”，“Smart Classroom” OR“Intelligent Classroom”O(jiān)R“Intelligence Classroom”，“Smart Laboratory” OR“Intelligence Laboratory” OR“Intelligent Laboratory”，“Smart Library”O(jiān)R“Intelligence Library”O(jiān)R“Intelligent Library”等英文關(guān)鍵詞，對智慧教育環(huán)境2009年至2018年十年核心論文進(jìn)行檢索，通過人工閱讀剔除重復(fù)文獻(xiàn)與主題不符文獻(xiàn)，最終得到有效文獻(xiàn)385篇，其中，中文文獻(xiàn)270篇，英文文獻(xiàn)115篇。從四個(gè)關(guān)鍵要素的論文發(fā)文量（篇）看，智慧教育環(huán)境發(fā)展增長態(tài)勢及文獻(xiàn)量年度分布，如圖1所示。

四個(gè)關(guān)鍵要素顯示，智慧校園108篇、智慧教室71篇、智慧實(shí)驗(yàn)室15篇、智慧圖書館191篇。智慧校園、智慧教室和智慧圖書館發(fā)文相對較多，這是因?yàn)樗鼈兪菍W(xué)生學(xué)習(xí)的主要場所，智慧實(shí)驗(yàn)室發(fā)文較少，說明智慧實(shí)驗(yàn)室正處于開發(fā)建設(shè)之中。同時(shí)，上圖也折射出智慧教育環(huán)境研究的態(tài)勢與智慧教育物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展及其功能演進(jìn)有很大的相關(guān)性。

（二）智慧教育物聯(lián)網(wǎng)演進(jìn)研究

智慧教育環(huán)境的發(fā)展取決于智慧教育物聯(lián)網(wǎng)的開發(fā)進(jìn)程和力度，利用CiteSpace對智慧教育物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)關(guān)鍵詞進(jìn)行時(shí)序知識圖譜分析，可以探尋到智慧教育物聯(lián)網(wǎng)演進(jìn)的軌跡。其圖譜如圖2所示。

圖2中，字號的大小表示在某段時(shí)間內(nèi)該關(guān)鍵詞出現(xiàn)的頻次。根據(jù)時(shí)間段關(guān)鍵詞的出現(xiàn)頻次，從時(shí)序知識圖譜中可以看出，我國近十年智慧教育物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展迅速。特別是在2009年IBM公司錢大群提出“智慧地球”戰(zhàn)略和國務(wù)院原總理溫家寶視察無錫微納傳感網(wǎng)工程技術(shù)研發(fā)中心之后，智慧教育物聯(lián)網(wǎng)受到廣泛關(guān)注，相關(guān)研究呈現(xiàn)爆發(fā)式增長態(tài)勢[1]。以上圖譜表明：在2010至2012年間，尤其是從2011年12月《物聯(lián)網(wǎng)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》正式頒布之后，物聯(lián)網(wǎng)、教育信息化、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、智慧城市、智慧教育、智能感知、虛擬現(xiàn)實(shí)、智慧學(xué)習(xí)環(huán)境等關(guān)鍵詞字號增大，出現(xiàn)頻率較高。在2013至2015年間，相繼出現(xiàn)了智慧校園、云計(jì)算、智慧教室、翻轉(zhuǎn)課堂、智慧學(xué)習(xí)、智慧管理、智慧圖書館、設(shè)備共享、創(chuàng)客教育等熱門高頻關(guān)鍵詞，其中，智慧校園、云計(jì)算、智慧教室字號較大，因?yàn)樵朴?jì)算是物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)，智慧教室、智慧校園（包括智慧圖書館）是智慧教育環(huán)境的關(guān)鍵要素。在此期間，智慧校園、智慧教室和智慧圖書館以智慧教育的物化形態(tài)大量出現(xiàn)。在2015至2018年間，情感計(jì)算、視景仿真、智慧實(shí)驗(yàn)室、智慧課堂、智慧教學(xué)、人工智能、教育信息化2.0等關(guān)鍵詞，成為智慧教育的熱詞，這一方面說明了智慧教育物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展趨勢，另一方面也表明智慧教育物聯(lián)網(wǎng)成熟的應(yīng)用時(shí)代已經(jīng)來臨。

三、智慧教育物聯(lián)網(wǎng)通信演進(jìn)與功能架構(gòu)模型

通過對相關(guān)文獻(xiàn)研究及智慧教育環(huán)境發(fā)展態(tài)勢與演進(jìn)進(jìn)行深入分析，可以構(gòu)建智慧教育物聯(lián)網(wǎng)通信演進(jìn)模型與功能架構(gòu)模型，理清智慧教育物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展機(jī)理與路徑。

（一）通信演進(jìn)模型

智慧教育物聯(lián)網(wǎng)通信演進(jìn)包括功能演進(jìn)和場域演進(jìn)，智慧教育通信必然是以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)為智慧教育智能交互提供了條件。面向智慧教育的物聯(lián)網(wǎng)通信演進(jìn)模型如圖3所示。

智慧教育通信是以計(jì)算機(jī)與通信技術(shù)底層通信協(xié)議為基礎(chǔ)迅速發(fā)展而來，通過物聯(lián)網(wǎng)PAD、智能設(shè)備的RFID、傳感器、GPS、PLC等感知與識別信息，獲取音頻、視頻、圖像等，由Zigbee、NFC、藍(lán)牙近距離傳播到泛在傳感網(wǎng)絡(luò)（USN）。智慧教育物聯(lián)網(wǎng)通信演進(jìn)經(jīng)歷了三個(gè)階段：首先是物物通信（M2M）階段，即計(jì)算機(jī)教育時(shí)代，這一階段其感知信息分別向著IP化（場域演進(jìn)）和智能化（功能演進(jìn)）方向迅速發(fā)展;接著進(jìn)入人與物通信階段，即網(wǎng)絡(luò)教育時(shí)代，通過電報(bào)電話、移動(dòng)電話并借力移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)人人通信（H2H），其感知信息持續(xù)演進(jìn)朝著寬帶化（場域演進(jìn)）和移動(dòng)化（功能演進(jìn)）方向發(fā)展;最后進(jìn)入教育通信階段，隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，通過IPV6、教育云計(jì)算、教育大數(shù)據(jù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)高級的教學(xué)交互，其感知信息向著泛在化和智慧化方向飛速發(fā)展，這一階段也正是“人工智能+教育”的智慧教育時(shí)代。

（二）功能架構(gòu)模型

智慧教育物聯(lián)網(wǎng)的通信演進(jìn)表明了其結(jié)構(gòu)功能的遞變。智慧教育物聯(lián)網(wǎng)具有智能化、感知化、互聯(lián)化和自動(dòng)化等特征及其多態(tài)交互功能?；谙嚓P(guān)文獻(xiàn)，根據(jù)智慧教育物聯(lián)網(wǎng)演進(jìn)、智慧教育環(huán)境發(fā)展態(tài)勢以及智慧教育物聯(lián)網(wǎng)通信演進(jìn)模型，并從對物聯(lián)網(wǎng)的概念模型、物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)層次（感知層、傳輸層和應(yīng)用層）模型和社會物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)模型分析，對物聯(lián)網(wǎng)傳感器芯片（感應(yīng)式讀寫器、各種傳感器）與其傳感網(wǎng)絡(luò)（包括WMSN）功能的詳細(xì)分析，對智慧教育應(yīng)用（智慧校園、智慧教室、智慧實(shí)驗(yàn)室和智慧圖書館等）及智慧教育發(fā)展架構(gòu)的分析入手，構(gòu)建了智慧教育物聯(lián)網(wǎng)功能架構(gòu)模型，如圖4所示。

智慧教育物聯(lián)網(wǎng)的感知技術(shù)和無線傳感網(wǎng)絡(luò)（WSN）是智慧教育通信的基礎(chǔ)，互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)網(wǎng)是人機(jī)交互的關(guān)鍵，其智能芯片、感應(yīng)器和GPS對智慧教育環(huán)境信息進(jìn)行感知，通過Zigbee、藍(lán)牙、Wifi、NFC等傳輸信息，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)識別、定位、跟蹤、監(jiān)控、顯示和管理。通過“人—物”（H2T）、“人—機(jī)”（H2M）、“物—機(jī)”（T2M），以及“人—人”（H2H）、“物—物”（T2T）、“機(jī)—機(jī)”（M2M）之間的交互，為智慧學(xué)習(xí)提供服務(wù)，滿足學(xué)習(xí)者互動(dòng)體驗(yàn)的要求。人性化的多態(tài)交互，往往取決于“人—物”通信裝備的“智慧”和多模態(tài)“人—機(jī)”交互設(shè)計(jì)，智慧教育物聯(lián)網(wǎng)為人、機(jī)、物之間自然、便捷、高效的互動(dòng)提供了支持，包括知識展示、人機(jī)互動(dòng)、機(jī)機(jī)互動(dòng)與聽覺識別、多通道整合等，并把信息傳輸給互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)網(wǎng)進(jìn)行云計(jì)算、數(shù)據(jù)分析、普適計(jì)算、MR（混合現(xiàn)實(shí)）、智能存取、知識計(jì)算、可視化分析，以達(dá)到人際交流、學(xué)習(xí)分析、資源推送、信息共享、工具擇優(yōu)，實(shí)現(xiàn)智能感知、智慧管理、情感計(jì)算、設(shè)備共享、視景仿真的目的。

四、智慧教育物聯(lián)網(wǎng)功能實(shí)現(xiàn)路徑

智慧教育物聯(lián)網(wǎng)通信演進(jìn)已經(jīng)發(fā)展到能很好地將真實(shí)世界與虛擬世界進(jìn)行“無縫”對接，能拓展學(xué)習(xí)活動(dòng)場域的階段。從智慧教育物聯(lián)網(wǎng)功能架構(gòu)模型發(fā)現(xiàn)，其功能實(shí)現(xiàn)路徑主要有以下幾個(gè)方面：

（一）智能感知（Intelligent Sensing）

智能感知是智慧教育最基本的特征，智能感知包括準(zhǔn)確定位、全面感知和可靠傳輸。智能感知通過傳感器節(jié)點(diǎn)感知有關(guān)學(xué)生的信息，為學(xué)生提供自主式、個(gè)性化和適應(yīng)性的學(xué)習(xí)服務(wù)。智慧教育中的智能感知主要表現(xiàn)在三個(gè)方面： 一是學(xué)習(xí)環(huán)境智能感知。這些環(huán)境信息包括位置、煙霧、溫度、濕度，以及學(xué)生接觸過的物體設(shè)備等教學(xué)臨場、認(rèn)知臨場和社會臨場，通過互動(dòng)終端、學(xué)習(xí)書籍、學(xué)習(xí)活動(dòng)、加工工具、智能空間、關(guān)聯(lián)資源、創(chuàng)新學(xué)習(xí)體等實(shí)現(xiàn)智能感知，收集與學(xué)習(xí)者相關(guān)的語境數(shù)據(jù)、學(xué)習(xí)者情緒、心理狀態(tài)等個(gè)體隱性信息，存入泛在環(huán)境服務(wù)器模塊和學(xué)生模型數(shù)據(jù)庫，記錄學(xué)生的電子檔案，包括課程安排、每個(gè)學(xué)生的先前知識、先前學(xué)習(xí)狀況與課程進(jìn)展等情況。二是學(xué)習(xí)內(nèi)容智能感知。這些內(nèi)容信息包括學(xué)生的學(xué)習(xí)目標(biāo)、學(xué)習(xí)方式、學(xué)習(xí)風(fēng)格、學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)、學(xué)習(xí)情緒、學(xué)習(xí)興趣、活動(dòng)偏好、閱讀習(xí)慣及學(xué)習(xí)能力，解決學(xué)習(xí)困難與增強(qiáng)活動(dòng)體驗(yàn)，并根據(jù)學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)、知識水平、學(xué)習(xí)需求及表現(xiàn)情況，為學(xué)生提供自主式、個(gè)性化、適應(yīng)性的學(xué)習(xí)內(nèi)容、資源、技術(shù)、工具、活動(dòng)和指導(dǎo)，從而引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行更有意義的深度學(xué)習(xí)，進(jìn)而提高“人—機(jī)—物”的交互質(zhì)量。三是學(xué)習(xí)情境智能感知。這些情境信息包括學(xué)生的手勢、言語、行為、心跳、脈搏、表情和姿態(tài)，以及學(xué)生與設(shè)備之間的“交流”狀況等。學(xué)習(xí)環(huán)境信息、內(nèi)容信息和情境信息的處理采用批處理方式，每一批信息中的不一致性、不完整性、不精確性均能在其推理之前清除完，從而使高層信息的不確定性能夠被限制在一個(gè)特定的程度。例如：學(xué)習(xí)情境信息感知，首先是學(xué)習(xí)情境的采集，從不同的傳感器中采集情境信息;其次是學(xué)習(xí)情境的適配，不一致性、不完整性、不精確性解析，解析并聚合產(chǎn)生高級情境;然后是學(xué)習(xí)情境的重構(gòu)，檢查相關(guān)性，更新情境池，有效情境被放入情境池，無效情境將被分離，刪除過時(shí)的、不正確的情境;最后，運(yùn)用基于規(guī)則的推理來產(chǎn)生高層的情境，這些推理器均嵌入追蹤芯片，從而能夠在情境池中進(jìn)行更新[2]。

（二）智慧管理（Smart Manage）

面向智慧教育的物聯(lián)網(wǎng)可以構(gòu)建具有師生身份識別和定位、教與學(xué)流程管理、學(xué)與教信息查詢及預(yù)警等功能，以師生交流、教學(xué)評價(jià)、學(xué)習(xí)測驗(yàn)與信息追蹤為主題的智慧管理流程，如圖5所示。

智慧管理的機(jī)理是通過RFID傳感器芯片讀寫信息，然后通過讀寫器與信息數(shù)據(jù)庫進(jìn)行信息交換，通過面向智慧教育的物聯(lián)網(wǎng)“PC管理終端”查詢、發(fā)布、呈現(xiàn)信息與管理。運(yùn)用傳感器、RFID和Zigbee整合教師、教學(xué)、評價(jià)、交流、學(xué)生、學(xué)習(xí)、測驗(yàn)、追蹤等信息到一卡通或智能手環(huán)，進(jìn)行智慧管理。目前，面向智慧教育的物聯(lián)網(wǎng)常見管理功能包括：（1）定位管理，實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)者定位、校園實(shí)驗(yàn)室引導(dǎo)、校園導(dǎo)游等。（2）出入管理，通過物聯(lián)網(wǎng)天線遠(yuǎn)距離感應(yīng)實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)卡無接觸式自動(dòng)檢查登記，系統(tǒng)自動(dòng)閱讀智能卡信息進(jìn)行自動(dòng)管理。（3）宿舍管理，當(dāng)學(xué)習(xí)者通過住宿出入口時(shí)，無接觸式感應(yīng)學(xué)習(xí)者進(jìn)出情況，統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)者住宿樓的住宿人數(shù)并給出短信提示，解決夜不歸宿的問題，同時(shí)，可以自動(dòng)發(fā)送信息給管理人員實(shí)現(xiàn)可視化管理。（4）考勤管理，利用教學(xué)樓天線遠(yuǎn)距離感應(yīng)，精確識別身份并記錄學(xué)習(xí)者出勤情況。凡經(jīng)過各教學(xué)樓一樓出入口的學(xué)習(xí)者均能被識別系統(tǒng)感應(yīng)到，以實(shí)現(xiàn)可視化管理。（5）會議管理，智慧會議室有傳感器椅子和有記憶功能的白板，與會者可以在任何角落通過使用智能手持式終端來啟動(dòng)投影儀。識別裝置嵌入智慧會議室門禁，擬參會人員配備有可識別參會證，出入無須簽到，系統(tǒng)將通過物聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)進(jìn)行身份識別，并顯示于屏幕，實(shí)現(xiàn)座位自動(dòng)引導(dǎo)，同時(shí)，可以設(shè)置來賓歡迎短信和歡迎語音。

（三）情感計(jì)算（Affective Computing）

情感計(jì)算是通過人機(jī)接口感知芯片進(jìn)行智能感知、識別和理解人體數(shù)據(jù)信息，提取人臉情感、手勢情感、人體姿勢、語音情感、嗅覺情感和觸覺情感等信息，且能針對人的情感做出靈活、智慧、人本反應(yīng)的計(jì)算過程。面向智慧教育物聯(lián)網(wǎng)的情感計(jì)算主要針對智慧管理、精準(zhǔn)教學(xué)、學(xué)習(xí)分析、質(zhì)量跟蹤等典型應(yīng)用的情境數(shù)據(jù)獲取、解析、處理與定制服務(wù)。情感計(jì)算模型如圖6所示。

情感計(jì)算通過高精度的傳感器接口（麥克風(fēng)、攝像頭、虛擬傳感器、網(wǎng)絡(luò)爬蟲等）采集數(shù)據(jù)（語音、文字、表情、姿勢和生理數(shù)據(jù)等）、提取信息（音頻、文本、圖像、視頻和脈沖等），根據(jù)信息進(jìn)行情感計(jì)算，包括學(xué)生在普適學(xué)習(xí)活動(dòng)中的人臉情感識別、手勢動(dòng)作識別、人體姿勢識別、語音情感識別、嗅覺情感識別和觸覺情感識別，最后將情感計(jì)算信息提供給智慧教育服務(wù)平臺。平臺建立有學(xué)生的表情數(shù)據(jù)庫、姿勢數(shù)據(jù)庫、學(xué)科知識數(shù)據(jù)庫、學(xué)科試題庫、學(xué)生知識水平數(shù)據(jù)庫、學(xué)生知識結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫等，通過智能情感計(jì)算和情感感知計(jì)算，實(shí)現(xiàn)情感交互和個(gè)性化作業(yè)[3]。面向智慧教育物聯(lián)網(wǎng)的情感計(jì)算：一是感覺（視、聽、觸、嗅）通道的情感計(jì)算，如應(yīng)用稀疏表示的人臉檢測技術(shù)實(shí)時(shí)捕獲學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的面部表情，根據(jù)表情特征與訓(xùn)練樣本庫，參照表情分類字典計(jì)算學(xué)生的學(xué)習(xí)情感，包括表情特征提取、人臉檢測和分類器設(shè)計(jì)等關(guān)鍵環(huán)節(jié);二是文本通道的情感計(jì)算，構(gòu)建學(xué)生常用情感詞典，以情感詞為核心構(gòu)建情感語義塊，計(jì)算文本的情感值，通過網(wǎng)絡(luò)爬蟲或文本頁面提供的API，獲取學(xué)生在學(xué)習(xí)社區(qū)的留言，分析提取學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的學(xué)習(xí)情感傾向，建立情感交互內(nèi)容分析模型，將情感計(jì)算信息提供給智慧教育平臺。

（四）設(shè)備共享（Equipment Sharing）

面向智慧教育的物聯(lián)網(wǎng)是先進(jìn)教育設(shè)備共享不可或缺的“神經(jīng)”系統(tǒng)[4]。設(shè)備共享通過多種不同功能的傳感器節(jié)點(diǎn)測定位移、速度、聲音、光電、引力等信息，通過設(shè)備數(shù)據(jù)計(jì)算完成對其信息的傳輸、分析、存儲以及顯示[5]。設(shè)備共享以大數(shù)據(jù)為核心，以移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，以教育感知網(wǎng)為神經(jīng)末梢，以自適應(yīng)、個(gè)性化的用戶交互為手段，以智慧教育應(yīng)用服務(wù)為目標(biāo)，支持各類終端，提供多屏交互。面向智慧教育的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備共享系統(tǒng)（平臺）架構(gòu)從下到上分為四層：第一層（底層）為智慧感知層。底層具有共享設(shè)備（繪圖儀、iMac、傳真機(jī)、打印機(jī)、服務(wù)器等），通過在共享設(shè)備上安裝RFID標(biāo)簽和各種傳感器，運(yùn)用感知技術(shù)（WSN、RFID 、Zigbee）實(shí)時(shí)采集設(shè)備數(shù)據(jù)，全面掌握運(yùn)行狀態(tài)的各種參數(shù)，為智慧化設(shè)備管理提供信息。第二層為網(wǎng)絡(luò)通信層。本層利用寬帶網(wǎng)絡(luò)、通信技術(shù)（IPV4/IPV6 、WIFI 、4G/5G），無線與有線相結(jié)合，及時(shí)高速傳輸數(shù)據(jù)。第三層為數(shù)據(jù)處理層。一是存儲計(jì)算，包括Storage、Iaas 、HPC操作;二是應(yīng)用支持，包括數(shù)據(jù)挖掘和數(shù)據(jù)分析等。第四層為應(yīng)用交互層。該層包括用戶（學(xué)生、教師、設(shè)備管理員）和共享交互工具（電腦、iPAD、智能終端、手機(jī)等），這一層是面向智慧教育的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備共享的關(guān)鍵層，也是建設(shè)的重點(diǎn)。應(yīng)用交互內(nèi)容包括設(shè)備共享、監(jiān)控、報(bào)廢、借用、采購、報(bào)表、管理，通過互動(dòng)工具為師生共享提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)。面向智慧教育的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備共享系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)監(jiān)控，進(jìn)行統(tǒng)一管理和調(diào)度。當(dāng)設(shè)備閑置時(shí)，第一時(shí)間告知管理員，從顯示屏了解設(shè)備的位置和狀態(tài)，交給需要者使用;當(dāng)設(shè)備工作時(shí)，讀取設(shè)備信息，并匹配攜帶者身份信息，說明設(shè)備處于使用狀態(tài)，通過短信平臺提供可視化管理。

（五）視景仿真（Visual Simulation）

視景仿真又稱虛擬仿真，即逼真地仿真人在自然環(huán)境中的一種高端人機(jī)接口，包括視、聽、觸、動(dòng)覺等多種感覺路徑的實(shí)時(shí)仿真和實(shí)時(shí)交互。情感計(jì)算是計(jì)算機(jī)科學(xué)與思維科學(xué)相結(jié)合的感知媒介。智慧教育物聯(lián)網(wǎng)中的視景仿真的傳感器裝備有鼠標(biāo)器、跟蹤球、數(shù)據(jù)衣、傳感手套、操縱桿、頭部跟蹤器、頭盔式顯示器等[6]，通過多媒體傳感器呈現(xiàn)教學(xué)信息，通過手寫鍵盤、語音、鼠標(biāo)等輸入設(shè)備進(jìn)行操作和控制，使學(xué)生得到感官上的刺激感知，具有多感、交互、沉浸、構(gòu)想四個(gè)基本特征和自主、智能、興趣三個(gè)教育特性[7]，體現(xiàn)出直觀性、高仿真、智能化特點(diǎn)。視景仿真分別于2006、2010、2011、2016、2018年五次被美國新媒體聯(lián)盟Horizon Report列為預(yù)測技術(shù)[8]，成為教育的前沿?zé)狳c(diǎn)，代表著教育領(lǐng)域的技術(shù)應(yīng)用風(fēng)向標(biāo)。目前，我國每年都批準(zhǔn)建設(shè)國家級視景仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，典型的有武漢大學(xué)網(wǎng)絡(luò)安全國家級視景仿真平臺、北京師范大學(xué)化學(xué)視景仿真平臺和廈門大學(xué)醫(yī)學(xué)視景仿真平臺等。視景仿真能使人完全沉浸在計(jì)算機(jī)創(chuàng)造的可進(jìn)行操作和控制的一種特殊環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)多感官同步交互，獲得“感覺穿越”和“身臨其境”的感受與體會。原理上，視景仿真通過類別穿透式、視頻式疊加信息場景，產(chǎn)生虛實(shí)融合、沉浸和互動(dòng)，具身認(rèn)知寓學(xué)習(xí)于生活，形象構(gòu)思產(chǎn)生計(jì)算機(jī)高級認(rèn)知[9]，仿真生成其真實(shí)的視、聽、觸、嗅覺等感覺器官功能，并能夠通過表情、語言、手勢、姿態(tài)等自然的方式與之進(jìn)行實(shí)時(shí)“交流”，從而成為一種適人化的多維仿真信息空間，這種空間能夠?qū)⒄鎸?shí)場景虛擬到計(jì)算機(jī)上以再現(xiàn)“真實(shí)”[6]。視景仿真可以突破真實(shí)空間的局限，實(shí)現(xiàn)師生體驗(yàn)、探究、交流與創(chuàng)作，具有降低學(xué)習(xí)焦慮、增強(qiáng)學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)、激發(fā)高階思維、實(shí)現(xiàn)情境學(xué)習(xí)、強(qiáng)化知識體驗(yàn)和學(xué)習(xí)成效的效果[10]。

五、亟待解決的幾個(gè)關(guān)鍵問題

（一）系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)問題

“沒有規(guī)矩不成方圓”，標(biāo)準(zhǔn)對于面向智慧教育的物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展和應(yīng)用十分重要。智慧教育物聯(lián)網(wǎng)感知層面向不同的教育場景采集數(shù)據(jù)信息。由于存在設(shè)備種類多、感知手段各異、標(biāo)準(zhǔn)各不相同的情況，如果系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，數(shù)據(jù)信息格式不一致，就會導(dǎo)致感知層設(shè)備不兼容，使整個(gè)系統(tǒng)最終無從集中調(diào)配。感知系統(tǒng)必須遵循相同的數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)，使用兼容的軟件，使數(shù)據(jù)能共享、交換與統(tǒng)一管理，以提高數(shù)據(jù)信息管控水平。面向智慧教育的物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域應(yīng)用的特點(diǎn)是規(guī)模大、系統(tǒng)復(fù)雜、應(yīng)用多元。因此，盡快建立標(biāo)準(zhǔn)體系，規(guī)范智慧教育物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)和內(nèi)容，突出智慧教育特色是關(guān)鍵，包括編碼標(biāo)志、體系架構(gòu)、通信協(xié)議、物聯(lián)網(wǎng)安全等。面向智慧教育的物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)是一項(xiàng)長期浩繁的系統(tǒng)工程，建設(shè)必須完全遵循國家和有關(guān)行業(yè)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。在總體設(shè)計(jì)上，要借鑒各類系統(tǒng)的成功經(jīng)驗(yàn);在相應(yīng)設(shè)備選購上，應(yīng)根據(jù)實(shí)際的財(cái)力、物力水平，盡可能選擇國內(nèi)外先進(jìn)、成熟技術(shù)設(shè)計(jì)的設(shè)備;在系統(tǒng)的開發(fā)上，要嚴(yán)格按照軟件工程的標(biāo)準(zhǔn)和面向?qū)ο蟮睦碚搧碓O(shè)計(jì)，保證系統(tǒng)的先進(jìn)性;在具體建設(shè)的過程中，必須采取科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度，整體規(guī)劃分步實(shí)施，在充分考慮建設(shè)規(guī)模和了解實(shí)際情況的前提下開展建設(shè)工作。

（二）教育資源的相關(guān)問題

面向智慧教育的物聯(lián)網(wǎng)教育資源按照教育部《教育資源建設(shè)技術(shù)規(guī)范》，應(yīng)遵循統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)智慧教育資源的動(dòng)態(tài)調(diào)配和按需使用[11]。數(shù)字化資源不同于傳統(tǒng)的紙質(zhì)文檔，需在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)智慧教育探究，要求學(xué)生掃描課本上的二維碼，連接現(xiàn)實(shí)情境開展整合教學(xué)，特別是一卡通或手環(huán)應(yīng)是結(jié)合了非接觸式智能卡技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、知識計(jì)算技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多種不同應(yīng)用功能的智能綜合管理，且可與第三方系統(tǒng)互聯(lián)互通，取代師生生活和學(xué)校管理中需用到的現(xiàn)金支付手段和所有證件。面向智慧教育的物聯(lián)網(wǎng)教育資源目前存在著許多問題：一是統(tǒng)一存儲如存儲介質(zhì)能量供應(yīng)、存儲容量、標(biāo)志格式和數(shù)據(jù)格式;二是異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)教育資源的接入;三是與國際接軌的RFID標(biāo)準(zhǔn)體系的制定;四是其他標(biāo)識感知技術(shù)有待挖掘;五是用戶智慧化改造的研究。面向智慧教育的物聯(lián)網(wǎng)教育資源表現(xiàn)為數(shù)據(jù)來源的多樣性、數(shù)據(jù)流接收的動(dòng)態(tài)性、數(shù)據(jù)地域的時(shí)效性、數(shù)據(jù)安全的復(fù)雜性等，這些問題亟待進(jìn)一步解決。

（三）數(shù)據(jù)安全保護(hù)問題

智慧教育物聯(lián)網(wǎng)承載著海量的數(shù)據(jù)信息，加之其開放性構(gòu)架，除了存在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的安全問題外，無疑存在著潛在的新的安全與隱私問題。如對學(xué)生進(jìn)行感知交互的數(shù)據(jù)保密性以及未經(jīng)授權(quán)不能進(jìn)行身份識別和跟蹤等，這些問題在教育中顯得尤為突出。非法用戶可能偽造RFID 標(biāo)簽向閱讀器發(fā)送信息，致使學(xué)校信息系統(tǒng)處理混亂，對師生的信息安全造成嚴(yán)重威脅;電子簡歷記錄了師生的基本信息和教學(xué)信息，這都屬于師生的隱私，必須嚴(yán)格保證其數(shù)據(jù)安全，否則將會威脅師生的合法權(quán)益。RFID中任何一個(gè)識別碼或標(biāo)簽的標(biāo)識都可以不受控制地在遠(yuǎn)處被掃描、定位和追蹤，而且會實(shí)時(shí)地、不加區(qū)別地將其所存儲的信息，包括師生的行動(dòng)、習(xí)慣以及偏好等反饋給閱讀器，這勢必會導(dǎo)致存儲的個(gè)人信息被泄露，個(gè)人的隱私問題存在著潛在的風(fēng)險(xiǎn)。所以，后臺的智慧教育數(shù)據(jù)中心服務(wù)器必須保持對非授權(quán)訪問途徑的嚴(yán)格禁止，必須防止信息的非法訪問和篡改，以免造成教育信息的非法盈利或數(shù)據(jù)信息丟失。

六、結(jié)? ?語

隨著5G時(shí)代的到來，教育信息化2.0快速推進(jìn)，面向智慧教育的物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)與應(yīng)用已經(jīng)引起了國內(nèi)外教育界的高度重視，智慧教育將成為未來教育的主要發(fā)展方向。本研究關(guān)于智慧教育環(huán)境發(fā)展態(tài)勢與智慧教育物聯(lián)網(wǎng)演進(jìn)的研究，智慧教育物聯(lián)網(wǎng)演進(jìn)模型和功能架構(gòu)模型的構(gòu)建，以及智慧教育物聯(lián)網(wǎng)功能實(shí)現(xiàn)路徑的探討，都充分證實(shí)了智慧教育物聯(lián)網(wǎng)在促進(jìn)智慧教育產(chǎn)生質(zhì)變過程中的重要價(jià)值。一方面，面向智慧教育的物聯(lián)網(wǎng)前沿技術(shù)引發(fā)了教育管理模式、教學(xué)模式的變革，深刻地改變著師生的學(xué)習(xí)和生活方式，能促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng);另一方面，面向智慧教育的物聯(lián)網(wǎng)具有巨大的應(yīng)用潛力，有助于更好地促進(jìn)學(xué)生成長，提高教學(xué)質(zhì)量和效率，開創(chuàng)教育發(fā)展的新未來。時(shí)不待我，必須加快、加大智慧教育物聯(lián)網(wǎng)及其功能的研究和開發(fā)力度，以助推智慧教育的高水平、高質(zhì)量發(fā)展。

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