基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實驗教學(xué)體系

楊桂松+周亦敏+何杏宇+徐慧芬

摘 要：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在近幾年來取得了較大成就，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于實驗教學(xué)的場景是研究熱點。針對傳統(tǒng)實驗教學(xué)環(huán)節(jié)存在教學(xué)管理不方便、課堂教學(xué)渠道單一、課外輔助缺乏、實驗室管理不規(guī)范等諸多問題，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和教學(xué)實踐相結(jié)合，提出了一個基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實驗教學(xué)體系，為傳統(tǒng)實驗教學(xué)改革提供了新的思路。

關(guān)鍵詞：實驗教學(xué)；RFID；物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

DOIDOI：10.11907/rjdk.162593

中圖分類號：G434

文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1672-7800（2016）012-0182-03

0 引言

近幾年來，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究的熱點問題包括射頻識別（RFID）、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備。在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中，各設(shè)備按約定的協(xié)議都可以與互聯(lián)網(wǎng)相連接，并且所有聯(lián)網(wǎng)的物品可以進行信息交換，也可以進行通信，這樣就可以實現(xiàn)對物品的智能化識別、跟蹤、定位、監(jiān)控和管理。所有技術(shù)的研發(fā)都是為了更好地服務(wù)于人類社會，作為一項高新技術(shù)，只有將其應(yīng)用到合適的場景才能最大化其價值。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于教育教學(xué)領(lǐng)域，即是體現(xiàn)其價值的一個方面[1-2]。

實驗教學(xué)是現(xiàn)代高等教育的重點，其教學(xué)模式也在不斷發(fā)展和改進。為了滿足學(xué)生在學(xué)習(xí)時間和學(xué)習(xí)內(nèi)容上的選擇自由性[3]，提出了開放式實驗教學(xué)模式。然而在開放式教學(xué)模式下，教學(xué)對象、內(nèi)容、時間等因素的不確定性以及教學(xué)計劃的個性化使實驗教學(xué)管理的難度驟增，同時導(dǎo)致大量的實驗教學(xué)管理信息及處理任務(wù)量[4]產(chǎn)生。為了保證開放式教學(xué)模式的順利推進，可以利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對現(xiàn)有的實驗教學(xué)管理體系進行改革，為師生提供更為便利的開放式實驗教學(xué)環(huán)境，這樣不僅能夠鍛煉學(xué)生的實際動手能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神，更有利于學(xué)生專業(yè)綜合素質(zhì)和工程實踐能力的培養(yǎng)與提高[5]。

1 相關(guān)工作

在已有的一些研究中，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)被應(yīng)用于學(xué)校中的一些場景，研究提出了基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧教室[6-7]、基于物聯(lián)網(wǎng)的圖書館設(shè)計[8]、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在校園安全中的應(yīng)用[9]、基于物聯(lián)網(wǎng)的實驗室管理[10-12]等概念。

物聯(lián)網(wǎng)教室和傳統(tǒng)教室的功能相似——為學(xué)生提供舒適的學(xué)習(xí)環(huán)境，以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率[6]。由于傳感器節(jié)點對于環(huán)境溫濕度的精確感應(yīng)，使得物聯(lián)網(wǎng)教室可以高效、精確地為學(xué)生提供學(xué)習(xí)舒適性。通過物聯(lián)網(wǎng)所提供的大量的傳感技術(shù)、無線通信技術(shù)，以及微處理控制系統(tǒng)，使智能照明系統(tǒng)能夠“感知”環(huán)境，根據(jù)外界情況的變化作出相應(yīng)的應(yīng)對策略，還可以避免能源浪費。相比人工控制教學(xué)樓照明燈，物聯(lián)網(wǎng)控制實時性強，而且可以全天候工作[7]。

圖書館管理系統(tǒng)[8]通過RFID標(biāo)簽獲得對圖書的感知，并通過讀者隨身攜帶的智能手機對讀者進行感知。同時，師生還可以通過手機對借閱情況進行查詢，當(dāng)所借閱書本快要到期時，可以發(fā)送信息進行提醒。通過在學(xué)校圖書館應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以有效提高管理效率，提高自動化程度，降低人力成本，并大大方便師生的借閱活動。

基于物聯(lián)網(wǎng)的校園安保措施主要有以下幾種：在宿舍物品安全系統(tǒng)中添加報警裝置，構(gòu)成宿舍安全系統(tǒng)以防宿舍發(fā)生意外事件，從而保護學(xué)生的人身財產(chǎn)安全；在每棟公寓入口處安裝RFID門禁系統(tǒng)；在教學(xué)區(qū)域設(shè)置門禁系統(tǒng)，并將門禁系統(tǒng)分為安全通道和普通通道兩類，攜帶物品上貼有RFID標(biāo)簽，可實現(xiàn)物品的安全檢測[9]。

隨著技術(shù)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)也急需大量專業(yè)人才，對人才的需求上，要求其具有一定的理論基礎(chǔ)及動手能力，這對實驗室的要求也有所提高[10]。物聯(lián)網(wǎng)實驗室需要將光載無線通信、WiFi 無線局域網(wǎng)、移動通信、嵌入式設(shè)備服務(wù)器和射頻識別幾種前沿技術(shù)融為一體，構(gòu)建基于移動通信的無線信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[11]。將RFID技術(shù)系統(tǒng)應(yīng)用到實驗設(shè)備的管理上，不僅使設(shè)備的統(tǒng)計效率大大提高，而且能實現(xiàn)實驗設(shè)備資源的合理統(tǒng)籌[12]。傳統(tǒng)的對于物聯(lián)網(wǎng)實驗室特別是實驗設(shè)備的管理成本高而效率低，這給實驗室的使用帶來了一定的影響，目前我國大部分學(xué)校的實驗室管理普遍存在計算機系統(tǒng)的自動化程度低，實驗室管理不嚴(yán)、監(jiān)管不力等問題，因而，實驗室管理在學(xué)校管理和教學(xué)環(huán)節(jié)具有重要的意義[13]。

在文獻[14]中，作者通過對物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)構(gòu)架與關(guān)鍵技術(shù)的分析，利用Zigbee短距離無線通信技術(shù)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)智能組網(wǎng)技術(shù)，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)視頻網(wǎng)關(guān)、多種傳感器采集、控制節(jié)點與現(xiàn)有Internet網(wǎng)絡(luò)、3G網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建了物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。傳統(tǒng)的實驗室存在工作繁瑣、效率低下等弊端，如學(xué)生不能及時了解實驗內(nèi)容，必須到實驗室去預(yù)約并由教師登記等。隨著技術(shù)的發(fā)展，針對智能化管理實驗室的需求，提出了基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧實驗室，如機房自動管理系統(tǒng)等，這些方案在實驗室信息管理、人員管理、設(shè)備管理等方面展示了優(yōu)勢[15-16]。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實驗教學(xué)體系

本文將物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來，充分發(fā)揮兩者優(yōu)勢，提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實驗教學(xué)體系。該體系服務(wù)于實驗教學(xué)和管理工作， 在開放的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下促進教學(xué)手段改革和保證教學(xué)、管理質(zhì)量的督導(dǎo)體系建設(shè)，既滿足了學(xué)生個性化需求，也充分合理地利用了實驗室資源，實現(xiàn)了教學(xué)管理的自動化。該體系的構(gòu)建包括軟件系統(tǒng)建設(shè)和硬件系統(tǒng)建設(shè)兩個方面。

2.1 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實驗教學(xué)軟件系統(tǒng)

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實驗教學(xué)軟件系統(tǒng)建設(shè)主要以校園網(wǎng)為依托，以實驗教學(xué)管理區(qū)塊為核心，實驗課堂教學(xué)區(qū)塊為主體，實驗室課外輔助區(qū)塊和實驗室網(wǎng)絡(luò)管理區(qū)塊為輔助，構(gòu)建立體化的開放式教學(xué)環(huán)境。該系統(tǒng)同時面向教師和學(xué)生這兩類有著不同需求的用戶對象，將在功能實現(xiàn)的基礎(chǔ)上提供一個友好的操作界面，采用實名注冊登錄制。該軟件系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)如圖1示，下面將對其包含的各個區(qū)塊進行詳細(xì)的功能介紹：

（1）實驗教學(xué)管理區(qū)塊。該區(qū)塊不僅可以方便學(xué)生進行網(wǎng)上選課，參與網(wǎng)上評教，也可以方便教師在線發(fā)布實驗考試成績。學(xué)生在預(yù)約實驗課時需要對實驗設(shè)備進行預(yù)約，做到每位學(xué)生對應(yīng)一臺實驗設(shè)備，學(xué)生完成實驗后，設(shè)備會對學(xué)生的實驗結(jié)果進行記錄，也可以避免實驗設(shè)備的損壞。另外，該區(qū)塊還對教師和學(xué)生的個人信息以及實驗教學(xué)數(shù)據(jù)進行存儲和維護。

（2）實驗課堂教學(xué)區(qū)塊。該區(qū)塊包括5個主要功能：①為學(xué)生提供在線實驗預(yù)習(xí)服務(wù)，也即學(xué)生可以通過該區(qū)塊在網(wǎng)上提前熟悉實驗內(nèi)容和實驗儀器的操作方法；②該區(qū)塊將實時監(jiān)控學(xué)生的課堂實驗操作，確保學(xué)生能夠安全和規(guī)范地使用實驗儀器；③該區(qū)塊可以將學(xué)生課程的實際測量數(shù)據(jù)根據(jù)教學(xué)時間、地點和內(nèi)容存入其個人信息庫，以供學(xué)生課后登錄個人系統(tǒng)進行查看和下載；④該區(qū)塊在線為學(xué)生提供虛擬儀器和仿真平臺服務(wù)，并且可以將學(xué)生的課堂仿真結(jié)果存入其個人信息庫；⑤學(xué)生可以通過該區(qū)塊提交電子實驗報告。

（3）實驗課外輔助區(qū)塊。為了促進學(xué)生的課后學(xué)習(xí)，為學(xué)生答疑解惑，該區(qū)塊可以方便教師上傳課件和教學(xué)演示視頻、提供師生交流論壇，以及在線答疑輔導(dǎo)網(wǎng)上應(yīng)用空間。此外，可以進一步利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)課堂互動的智能化。

（4）實驗室管理區(qū)塊。一方面為了實驗教學(xué)的正常開展，該區(qū)塊可以為師生提供在線預(yù)約實驗室和實驗儀器的服務(wù)，并在線管理實驗儀器的使用記錄；另一方面，為了保障實驗室的安全運行，該區(qū)塊對實驗環(huán)境進行監(jiān)控，實時顯示實驗室的環(huán)境數(shù)據(jù)（例如溫濕度、有害氣體指標(biāo)等），并帶有安全報警功能。另外，該區(qū)塊可以在線維護實驗儀器的故障信息，以方便實驗儀器的維修和整理。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用使得實驗室的管理更加科學(xué)規(guī)范。

2.2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實驗教學(xué)硬件系統(tǒng)

硬件建設(shè)需要對原有實驗室基礎(chǔ)設(shè)施（主要為強電、弱電、網(wǎng)絡(luò)改造）進行基本改造，然后增加監(jiān)控、門禁、物聯(lián)網(wǎng)終端等硬件設(shè)備，整合原有教學(xué)系統(tǒng)軟件，進行軟硬件系統(tǒng)集成。①利用RFID，實現(xiàn)教室門鎖、控制臺鎖的定時關(guān)閉和開啟，為防止鎖人現(xiàn)象出現(xiàn)，需在鎖關(guān)閉前進行聲音提示；②利用傳感器節(jié)點，采集教室內(nèi)溫度、濕度等指標(biāo)，由中控計算機進行數(shù)據(jù)搜集處理，并根據(jù)預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)觸發(fā)報警裝置；③利用虛擬終端技術(shù)，實現(xiàn)教室中控臺的網(wǎng)絡(luò)遠程控制，所有控制臺操作均可通過虛擬控制臺實現(xiàn)；④利用Telnet技術(shù)，可實現(xiàn)對聯(lián)網(wǎng)試驗儀器的遠程管理，解決計算機軟件故障；⑤利用監(jiān)控攝像頭，實現(xiàn)遠程視頻圖像同步傳輸，并利用室內(nèi)音箱，實現(xiàn)遠程音頻同步傳輸。當(dāng)遇到設(shè)備死機、線路故障、物理連接問題等導(dǎo)致遠程控制失效時，可通過音頻遠程指導(dǎo)任課教師進行操作。

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實驗教學(xué)硬件系統(tǒng)將使用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的BSDA （Browser/Sever/Database/Application）結(jié)構(gòu)，即客戶端/服務(wù)器/數(shù)據(jù)庫/應(yīng)用程序結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)通信方面采用C/S（客戶端/服務(wù)器）和B/S（瀏覽器/服務(wù)器）模式相結(jié)合的方式，包括服務(wù)器、聯(lián)網(wǎng)的實驗儀器以及網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

（1）應(yīng)用服務(wù)器。服務(wù)器主要提供3類服務(wù)：①支持實驗教學(xué)管理數(shù)據(jù)交互與存儲，主要包括學(xué)生和教師的注冊登錄信息管理以及與實驗教學(xué)管理相關(guān)的教師教學(xué)計劃錄入、學(xué)生選課信息、學(xué)生評教信息、實驗報告以及實驗考試數(shù)據(jù)的管理；②提供實驗教學(xué)資源數(shù)據(jù)庫服務(wù)，存儲教學(xué)課件、演示視頻，預(yù)習(xí)內(nèi)容、虛擬平臺以及實驗儀器介紹等教學(xué)資源；③與實驗教學(xué)服務(wù)相關(guān)的應(yīng)用服務(wù)，例如提供師生交流論壇、QQ以及微信平臺相關(guān)的應(yīng)用服務(wù)，以供師生隨時隨地進行實驗教學(xué)交流。

（2）聯(lián)網(wǎng)的實驗儀器。為了構(gòu)建基于物聯(lián)網(wǎng)的實驗教學(xué)硬件系統(tǒng)，所有實驗儀器也將進行相應(yīng)的更新?lián)Q代，均帶有網(wǎng)絡(luò)通信功能，其更新主要從3個方面進行：①測量儀器帶有聯(lián)網(wǎng)功能，例如帶有無線通信功能的示波器和萬用表能夠?qū)崟r地將測量數(shù)據(jù)上傳網(wǎng)絡(luò)，以供學(xué)生課后進行在線分析；②仿真和虛擬儀器平臺聯(lián)網(wǎng)，以供學(xué)生能夠提前進行實驗預(yù)習(xí)；③為了保證學(xué)生的用電安全，所有實驗儀器的電源都可以進行網(wǎng)絡(luò)在線控制。

（3）網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)。為了保證學(xué)生安全和實驗室的正常運行，構(gòu)建實驗室監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)將由傳感器、攝像頭、無線插座等監(jiān)控終端設(shè)備組成，實現(xiàn)如下功能：①實現(xiàn)對實驗室環(huán)境的監(jiān)控，杜絕實驗室火災(zāi)、有害物質(zhì)泄漏、儀器丟失等狀況發(fā)生；②對學(xué)生實驗操作進行實時監(jiān)控，確保學(xué)生的操作規(guī)范和用電安全；③對實驗室儀器的使用狀態(tài)進行在線監(jiān)控，以配合實驗室和實驗儀器的外借預(yù)約服務(wù)以及實驗設(shè)備的故障維護工作。

3 教學(xué)評價

傳統(tǒng)的實驗教學(xué)模式是：授課教師先講，講完之后學(xué)生做實驗，實驗內(nèi)容和實驗?zāi)Ｊ绞枪潭ǖ?，學(xué)生在課堂上學(xué)習(xí)的知識是有限的，時間被限制在課堂上的短暫時間內(nèi)，對知識點的掌握和利用很有限[17]。基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實驗教學(xué)模式從傳統(tǒng)的以教為主發(fā)展轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫W(xué)生動手為主，更加注重學(xué)生在實驗中學(xué)到了什么，并注重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

現(xiàn)代教育理論認(rèn)為[18]，在教學(xué)中要以學(xué)生為主體，在教師的引導(dǎo)下，提高學(xué)生的獨立思考能力，多開設(shè)計性課程，讓學(xué)生主動去探索新知識。采用基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實驗教學(xué)體系，不僅可以使學(xué)生扎實地掌握基礎(chǔ)知識，鍛煉動手能力，開闊視野，而且在減輕教師管理工作的前提下提高了實驗室利用率。

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實驗教學(xué)軟件系統(tǒng)非常適合學(xué)生的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以在網(wǎng)上在線選擇實驗課程，查看考試成績，并對教師進行評教。學(xué)習(xí)過程中，可以在線預(yù)習(xí)，使用虛擬儀器存儲實驗數(shù)據(jù)，并在線提交報告。系統(tǒng)對于課外輔助也有很好的幫助，比如課件閱讀、經(jīng)驗交流、在線答疑。系統(tǒng)的實驗室管理模塊能夠?qū)崿F(xiàn)管理員對實驗室的科學(xué)規(guī)范管理?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)的實驗教學(xué)硬件系統(tǒng)非常高效，實驗儀器都支持聯(lián)網(wǎng)，便于在線操作，極大提高了實驗儀器的利用率。網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)不僅可以保證學(xué)生實驗操作的安全性，而且可以避免實驗器材丟失。

總體而言，基于物聯(lián)網(wǎng)的實驗教學(xué)系統(tǒng)根據(jù)現(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，改善了傳統(tǒng)的實驗室管理方法，極大地方便了使用者，又體現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)所帶來的優(yōu)勢，是典型的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用范例，對于實驗教學(xué)的改革提供了指導(dǎo)方向，具有重要意義，值得推廣。

4 結(jié)語

本文將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合提出了一種新型的實驗教學(xué)體系。該體系由軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)組成，以學(xué)生為主體，通過教師的引導(dǎo)，激發(fā)學(xué)生探索新知識的熱情，在提高實驗器材管理效率的同時，還保證了學(xué)生的人身安全及儀器設(shè)備使用安全。同時，通過利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，方便了實驗室實驗儀器的管理與維護，使實驗室的管理更加科學(xué)規(guī)范和高效。

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（責(zé)任編輯：孫 娟）