基于物联网技术的高校实践课堂教学改革研究

基于物联网技术的高校实践课堂教学改革研究*

董君，张敏

(河南机电高等专科学校 实验管理中心，河南 新乡 453000)

摘要：物联网技术的发展和应用是目前社会比较关注的一个话题，也是高校进行实践课堂教学研究的重要课题之一。文章以物联网技术为支撑，提出了构建物联网实践教学环境的方案，探讨了物联网技术对高校实践课堂教学带来创新性改革的作用与意义。

关键词:物联网技术；实践课堂；改革

收稿日期：2015-06-10

中图分类号：G642

目前高校进行人才培养，不仅强调要具有扎实的理论基础，而且更加注重培养实践创新能力。随着社会经济的高速发展，用人单位对人才的需求也提出了更高的要求，不再只局限于一纸文凭，更多的是要求其具有过硬的专业应用技能。因此高校教学也应适应经济市场的发展需求，转变传统的重理论轻实践的教学理念，以社会需求为导向，转变教学模式和内容，重视实践教学，培养学生的创新能力[1]。如何高效地对高校实践课堂进行教学创新改革是相关领域研究学者目前普遍关注的热点问题之一。

2000年物联网概念的提出，受到了社会各个领域的广泛关注。顾名思义，物联网即“物物相连的互联网络”。其依据约定的规则协议，以高速发展的移动互联网络为海量处理信息的基础，实现对全网人、物等全面感知、快速识别、智能处理[2]。目前物联网技术的一些应用案例已经被提出和实施，比如智能家居、智能交通系统、智能医疗等，物联网必将是未来智能网络发展的趋势之一。

1构建物联网教学环境

图1　物联网实践教学环境

物联网体系结构主要分为感知层、网络层、业务逻辑层以及数据库层。感知层主要完成对数据信息的采集和转换，网络层主要完成数据的传输和处理，业务逻辑层和数据库层则主要完成对数据的管理和应用。以有线网络和无线网络相结合形成的全覆盖传感网络是物联网教学课堂构建的基础。感知层主要涉及RFID、WiFi等智能标签，射频识别设备、传感器等，物联网环境课堂中多使用无线传感网络对传感设备进行组网，结合相应的无线传输模块，提高节点应用的灵活性，实现信息的高效采集。网络层主要指通信网络。由于实践教学课堂中存在静态的教学实验仪器以及动态的教师、学生，前者可看作已知节点，后者可看作未知节点，实际应用中需要构造融合二者的通信网络。RFID无线通信技术局限于接收较短距离的已知节点，WiFi无线通信技术则主要适合移动和较远距离的信号采集。两者结合，能够保证物联网实践课堂信息的有效传输。业务逻辑层和数据库层则分别来响应感知层的应用请求以及存储各种应用状态的数据信息[3]。

2应用物联网技术的教学改革

物联网环境中的实践教学课堂，需要搭建有线无线双覆盖的网络通信环境，以实现对各种感知信息的接入和互联。物联网技术将课堂上的各种信息资源有机结合起来，设置的各个感知节点将其融合在一个网络中，节点彼此之间进行数据传输和共享。在管理上，提供了一种新型的实时管理模式；在教学内容上，使内容完整有序，详略可控，形式丰富多样。物联网环境下的高校实践教学课堂，管理上更加智能，丰富了实验平台，增加了实验操作和环境的安全性；教学上提供了以学生为中心的网络学习环境，根据每个学生的知识情况，实现个性化学习。

2.1实践课堂管理模式改革

在传统的高校实践教学课堂中，实验室管理人员对实验室环境、各种设备和参与实验的学生情况等进行管理，存在着管理难度较大、信息琐碎等各种问题。引入物联网教学，可以在实践课堂设置有线及无线网络环境，布置各种类型的传感器感知节点，通过终端控制器接收，进行判断处理并发送给相关职责部门。同时将数据信息存储在后台数据库中，形成历史曲线，便于状态的预测。比如教室各个角落设置噪音节点，一旦超过设定值，则向相关部门发出报警信号；教室安装光亮传感器，可以根据天气情况、室外光照强度等调整窗帘状态以及室内电灯的自动开关，为教师和学生打造一个舒适的教与学的环境，在教室环境管理上达到一个智能的状态。在设备管理上，可以为每台设备植入其独一无二的RFID标签，自动识别判断自身是否处于高温、高湿等状态中，一旦异常，立即切断电源并报警，在设备管理上达到一个安全的状态。在学生信息管理上，让每位学生佩戴植入传感器节点的腕带，能够将自己的学习状态和需求反馈给教师，教师也能够时刻关注学生的实践操作是否符合要求和规范，及时纠正和指导[4]。物联网教学环境构造动态的上课学生、上课教师和静态的各种设备仪器处于一个平等的地位，彼此间互通信息，进行数据传输处理。实践课堂的管理由传统上的单向管理转变为交互式的集中平等式管理。

图2　物联网课堂智能管理模式示意图

2.2实践课堂教学内容改革

图3　本体语义网络图

基于物联网的情境感知系统是实现其情境推理的基础。物联网实践教学课堂应用中，针对学生上课时对当前知识点的反馈情况利用本体建模工具，构建OWL知识本体类模型，创建具有逻辑性的情境关系实体，并借助基于Java的开源语义包Jena实现对OWL文件的解析推理。推理机制的实现，能够在现有知识库的基础上，实时掌握每一位学生的知识接受能力，并根据学生程度的不同预测其在此基础上特有的知识兴趣点，拓宽知识讲授面。OWL本体建模中共包含6种主要的实体关系，分别为组成、类属、属性、实例、比较以及等同，描述为G=(P,T,A,I,C,S)[5]。以《计算机文化基础》课程为例，图3为其本体语义网络建构图。在其基础上生成《计算机文化基础》操作系统章节的知识库，通过对知识库的检索，找出相关联问题的答案。教师教授计算机操作系统章节知识时，可搜索计算机等级考试题库，结合教学大纲有针对性地进行讲解。同时由计算机操作系统介绍延伸到功能讲解和操作讲解，再依次去挖掘身边接触到的操作系统，如智能手机操作系统。让学生主动将书本上枯燥的知识转变为生活中感兴趣的话题。学生在学习过程中提出的问题，若原知识库中没有答案，则向老师发出求解信号，由老师主动解答，并将答案扩充到知识库建设体系中，进一步拓宽知识来源和广度，丰富知识库实体关系内容。

在物联网实践教学课堂上，创建课程知识本体，自动生成问题和答案。而在传统课堂上学生发现问题、提出问题，老师搜集常见问题并解答。本文通过搜集常见问题解决案例进行比较，结果如表1所示:

表1　重合度比较

3结语

高校实践教学中实现“应用型”与“创新型”人才培养目标，是目前高校提高实践教学质量水平的重点。本文通过对高校实践教学课堂引入物联网技术所能带来的创新性改革进行深入分析和研究，探讨了物联网技术在高校实践课堂教学中的应用，对教学改革有着积极的促进作用。

(责任编辑吕春红)

参考文献：

[1] 杨怀宏，肖华茂．高校实践教学的重要作用[J]．文学教育，2009(6)：138-139．

[2] 卢艳兰，刘静春，黄力．基于物联网技术的图书馆知识服务创新[J]．池河学院学报，2012，32(6)：117-123．

[3] 刘岚，翟鸿雁，陈宁．基于物联网技术的智慧校园建设方案探讨[J]．科技视界，2012(7)：175-176．

[4] 李丽丽．物联网在高校教育中的应用[J]．计算机时代，2015(2)：67-69．

[5] 刘红梅．基于知识本体的智能答疑系统知识库——以“大学计算机基础”课程为例[J]．计算机教育，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