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[摘 要] 智慧教育物联网的迅猛发展推动了教育的智慧化变革，成就了智慧教育破茧成蝶，成为教育信息化2.0时代先进的教育形态。为了推动智慧教育的发展，采用文献研究、关键词时序知识图谱分析、归纳与演绎等研究方法，对智慧教育环境发展态势和智慧教育物联网演进进行了透析，据此构建了面向智慧教育的物联网通信演进模型和功能架构模型，依据模型讨论了面向智慧教育的物联网智能感知、智慧管理、情感计算、设备共享和视景仿真等功能的实现路径，并提出了面向智慧教育的物联网发展亟待解决的系统的标准、教育资源规范和数据安全保护等几个关键问题。最后，指出了未来教育发展的新方向与智慧教育物联网开发对推动智慧教育发展的重要价值。
[关键词] 智慧教育; 物联网; 智慧教育物联网; 物联网模型; 功能实现路径
[中图分类号] G434 [文献标志码] A
[作者简介] 陈金华（1967—），男，重庆石柱人。教授，博士，主要从事基础教育信息化、教育大数据与学习分析、学习空间建构、人工智能与智慧教育等研究。E-mail：csdcjh@126.com。
一、引 言
近年来，在“智慧地球”理念的引导下，智慧教育破茧而出，跃居教育发展的高级阶段并成为前沿焦点。智慧教育是在先进的教育思想指導下，与云计算、大数据、社交网络、无线通信和物联网等新一代信息技术融合产生的新型教育形态。智慧教育的发展掀起了继数字教育、移动教育、泛在教育之后的第四次浪潮，成为当前国际教育领域关注度最高的热点之一。智慧教育关键技术主要是由射频识别（RFID）、传感器、网络通信、数据处理与融合等组成，通过使用RFID、传感器、红外感应器、激光扫描器、全球定位系统等信息采集设备，把任何物品信息与互联网连接起来，进行通信和交互，实现智慧化感知、识别、计算、显示、监控、定位、跟踪与管理。从2004年开始，智慧教育物联网相继被日本X-Japan、新加坡MP X“智慧国2015 计划（iN2015）”、韩国Master Plan XSMART教育、美国Smart Planet、NETP X等列为全球领先的教育重点研发领域。目前，尽管物联网研究较多，但以智慧教育为切入点来研究物联网功能应用的文献还不多见。为了便于广大研究者和应用者进一步深入了解和掌握面向智慧教育的物联网模型及功能实现路径，文章抛砖引玉，以期为物联网的教育功能开发与智慧教育的发展提供有价值的参考。
二、相关研究综述
物联网是信息学领域最前沿、最重要的技术，为了更好地理解和应用面向智慧教育的物联网及其功能，利用国内外数据库文献，对智慧教育环境发展态势及智慧教育物联网演进进行了深入研究。
（一）智慧教育环境发展态势研究
智慧校园、智慧教室、智慧实验室和智慧图书馆是智慧教育环境的四个关键要素。通过选取 CNKI、万方、维普三种中文数据库以及 Web of Science、EBSCO、Science Direct、EI Compendex、Springer Link外文数据库作为来源数据库，以篇名和主题中包含“智慧校园”“智慧教室”“智慧实验室”“智慧图书馆”等中文词汇，以及“Smart Campus”OR“Intelligence Campus” OR“Intelligent Campus”，“Smart Classroom” OR“Intelligent Classroom”OR“Intelligence Classroom”，“Smart Laboratory” OR“Intelligence Laboratory” OR“Intelligent Laboratory”，“Smart Library”OR“Intelligence Library”OR“Intelligent Library”等英文关键词，对智慧教育环境2009年至2018年十年核心论文进行检索，通过人工阅读剔除重复文献与主题不符文献，最终得到有效文献385篇，其中，中文文献270篇，英文文献115篇。从四个关键要素的论文发文量（篇）看，智慧教育环境发展增长态势及文献量年度分布，如图1所示。
四个关键要素显示，智慧校园108篇、智慧教室71篇、智慧实验室15篇、智慧图书馆191篇。智慧校园、智慧教室和智慧图书馆发文相对较多，这是因为它们是学生学习的主要场所，智慧实验室发文较少，说明智慧实验室正处于开发建设之中。同时，上图也折射出智慧教育环境研究的态势与智慧教育物联网技术发展及其功能演进有很大的相关性。
（二）智慧教育物联网演进研究
智慧教育环境的发展取决于智慧教育物联网的开发进程和力度，利用CiteSpace对智慧教育物联网相关关键词进行时序知识图谱分析，可以探寻到智慧教育物联网演进的轨迹。其图谱如图2所示。
图2中，字号的大小表示在某段时间内该关键词出现的频次。根据时间段关键词的出现频次，从时序知识图谱中可以看出，我国近十年智慧教育物联网发展迅速。特别是在2009年IBM公司钱大群提出“智慧地球”战略和国务院原总理温家宝视察无锡微纳传感网工程技术研发中心之后，智慧教育物联网受到广泛关注，相关研究呈现爆发式增长态势[1]。以上图谱表明：在2010至2012年间，尤其是从2011年12月《物联网“十二五”发展规划》正式颁布之后，物联网、教育信息化、物联网技术、智慧城市、智慧教育、智能感知、虚拟现实、智慧学习环境等关键词字号增大，出现频率较高。在2013至2015年间，相继出现了智慧校园、云计算、智慧教室、翻转课堂、智慧学习、智慧管理、智慧图书馆、设备共享、创客教育等热门高频关键词，其中，智慧校园、云计算、智慧教室字号较大，因为云计算是物联网的核心技术，智慧教室、智慧校园（包括智慧图书馆）是智慧教育环境的关键要素。在此期间，智慧校园、智慧教室和智慧图书馆以智慧教育的物化形态大量出现。在2015至2018年间，情感计算、视景仿真、智慧实验室、智慧课堂、智慧教学、人工智能、教育信息化2.0等关键词，成为智慧教育的热词，这一方面说明了智慧教育物联网的发展趋势，另一方面也表明智慧教育物联网成熟的应用时代已经来临。
三、智慧教育物联网通信演进与功能架构模型
通过对相关文献研究及智慧教育环境发展态势与演进进行深入分析，可以构建智慧教育物联网通信演进模型与功能架构模型，理清智慧教育物联网的发展机理与路径。
（一）通信演进模型
智慧教育物联网通信演进包括功能演进和场域演进，智慧教育通信必然是以物联网为基础，互联网和移动互联网为智慧教育智能交互提供了条件。面向智慧教育的物联网通信演进模型如图3所示。
智慧教育通信是以计算机与通信技术底层通信协议为基础迅速发展而来，通过物联网PAD、智能设备的RFID、传感器、GPS、PLC等感知与识别信息，获取音频、视频、图像等，由Zigbee、NFC、蓝牙近距离传播到泛在传感网络（USN）。智慧教育物联网通信演进经历了三个阶段：首先是物物通信（M2M）阶段，即计算机教育时代，这一阶段其感知信息分别向着IP化（场域演进）和智能化（功能演进）方向迅速发展;接着进入人与物通信阶段，即网络教育时代，通过电报电话、移动电话并借力移动互联网和互联网，实现人人通信（H2H），其感知信息持续演进朝着宽带化（场域演进）和移动化（功能演进）方向发展;最后进入教育通信阶段，随着人工智能技术的发展与应用，通过IPV6、教育云计算、教育大数据技术实现高级的教学交互，其感知信息向着泛在化和智慧化方向飞速发展，这一阶段也正是“人工智能+教育”的智慧教育时代。
（二）功能架构模型
智慧教育物联网的通信演进表明了其结构功能的递变。智慧教育物联网具有智能化、感知化、互联化和自动化等特征及其多态交互功能。基于相关文献，根据智慧教育物联网演进、智慧教育环境发展态势以及智慧教育物联网通信演进模型，并从对物联网的概念模型、物联网体系架构层次（感知层、传输层和应用层）模型和社会物联网架构模型分析，对物联网传感器芯片（感应式读写器、各种传感器）与其传感网络（包括WMSN）功能的详细分析，对智慧教育应用（智慧校园、智慧教室、智慧实验室和智慧图书馆等）及智慧教育发展架构的分析入手，构建了智慧教育物联网功能架构模型，如图4所示。
智慧教育物联网的感知技术和无线传感网络（WSN）是智慧教育通信的基础，互联网和移动网是人机交互的关键，其智能芯片、感应器和GPS对智慧教育环境信息进行感知，通过Zigbee、蓝牙、Wifi、NFC等传输信息，进行网络识别、定位、跟踪、监控、显示和管理。通过“人—物”（H2T）、“人—机”（H2M）、“物—机”（T2M），以及“人—人”（H2H）、“物—物”（T2T）、“机—机”（M2M）之间的交互，为智慧学习提供服务，满足学习者互动体验的要求。人性化的多态交互，往往取决于“人—物”通信装备的“智慧”和多模态“人—机”交互设计，智慧教育物联网为人、机、物之间自然、便捷、高效的互动提供了支持，包括知识展示、人机互动、机机互动与听觉识别、多通道整合等，并把信息传输给互联网和移动网进行云计算、数据分析、普适计算、MR（混合现实）、智能存取、知识计算、可视化分析，以达到人际交流、学习分析、资源推送、信息共享、工具择优，实现智能感知、智慧管理、情感计算、设备共享、视景仿真的目的。
四、智慧教育物联网功能实现路径
智慧教育物联网通信演进已经发展到能很好地将真实世界与虚拟世界进行“无缝”对接，能拓展学习活动场域的阶段。从智慧教育物联网功能架构模型发现，其功能实现路径主要有以下几个方面：
（一）智能感知（Intelligent Sensing）
智能感知是智慧教育最基本的特征，智能感知包括准确定位、全面感知和可靠传输。智能感知通过传感器节点感知有关学生的信息，为学生提供自主式、个性化和适应性的学习服务。智慧教育中的智能感知主要表现在三个方面： 一是學习环境智能感知。这些环境信息包括位置、烟雾、温度、湿度，以及学生接触过的物体设备等教学临场、认知临场和社会临场，通过互动终端、学习书籍、学习活动、加工工具、智能空间、关联资源、创新学习体等实现智能感知，收集与学习者相关的语境数据、学习者情绪、心理状态等个体隐性信息，存入泛在环境服务器模块和学生模型数据库，记录学生的电子档案，包括课程安排、每个学生的先前知识、先前学习状况与课程进展等情况。二是学习内容智能感知。这些内容信息包括学生的学习目标、学习方式、学习风格、学习动机、学习情绪、学习兴趣、活动偏好、阅读习惯及学习能力，解决学习困难与增强活动体验，并根据学生的认知结构、知识水平、学习需求及表现情况，为学生提供自主式、个性化、适应性的学习内容、资源、技术、工具、活动和指导，从而引导学生进行更有意义的深度学习，进而提高“人—机—物”的交互质量。三是学习情境智能感知。这些情境信息包括学生的手势、言语、行为、心跳、脉搏、表情和姿态，以及学生与设备之间的“交流”状况等。学习环境信息、内容信息和情境信息的处理采用批处理方式，每一批信息中的不一致性、不完整性、不精确性均能在其推理之前清除完，从而使高层信息的不确定性能够被限制在一个特定的程度。例如：学习情境信息感知，首先是学习情境的采集，从不同的传感器中采集情境信息;其次是学习情境的适配，不一致性、不完整性、不精确性解析，解析并聚合产生高级情境;然后是学习情境的重构，检查相关性，更新情境池，有效情境被放入情境池，无效情境将被分离，删除过时的、不正确的情境;最后，运用基于规则的推理来产生高层的情境，这些推理器均嵌入追踪芯片，从而能够在情境池中进行更新[2]。
（二）智慧管理（Smart Manage）
面向智慧教育的物联网可以构建具有师生身份识别和定位、教与学流程管理、学与教信息查询及预警等功能，以师生交流、教学评价、学习测验与信息追踪为主题的智慧管理流程，如图5所示。
智慧管理的机理是通过RFID传感器芯片读写信息，然后通过读写器与信息数据库进行信息交换，通过面向智慧教育的物联网“PC管理终端”查询、发布、呈现信息与管理。运用传感器、RFID和Zigbee整合教师、教学、评价、交流、学生、学习、测验、追踪等信息到一卡通或智能手环，进行智慧管理。目前，面向智慧教育的物联网常见管理功能包括：（1）定位管理，实现学习者定位、校园实验室引导、校园导游等。（2）出入管理，通过物联网天线远距离感应实现物联网卡无接触式自动检查登记，系统自动阅读智能卡信息进行自动管理。（3）宿舍管理，当学习者通过住宿出入口时，无接触式感应学习者进出情况，统计学习者住宿楼的住宿人数并给出短信提示，解决夜不归宿的问题，同时，可以自动发送信息给管理人员实现可视化管理。（4）考勤管理，利用教学楼天线远距离感应，精确识别身份并记录学习者出勤情况。凡经过各教学楼一楼出入口的学习者均能被识别系统感应到，以实现可视化管理。（5）会议管理，智慧会议室有传感器椅子和有记忆功能的白板，与会者可以在任何角落通过使用智能手持式终端来启动投影仪。识别装置嵌入智慧会议室门禁，拟参会人员配备有可识别参会证，出入无须签到，系统将通过物联网自动进行身份识别，并显示于屏幕，实现座位自动引导，同时，可以设置来宾欢迎短信和欢迎语音。
（三）情感计算（Affective Computing）
情感计算是通过人机接口感知芯片进行智能感知、识别和理解人体数据信息，提取人脸情感、手势情感、人体姿势、语音情感、嗅觉情感和触觉情感等信息，且能针对人的情感做出灵活、智慧、人本反应的计算过程。面向智慧教育物联网的情感计算主要针对智慧管理、精准教学、学习分析、质量跟踪等典型应用的情境数据获取、解析、处理与定制服务。情感计算模型如图6所示。
情感计算通过高精度的传感器接口（麦克风、摄像头、虚拟传感器、网络爬虫等）采集数据（语音、文字、表情、姿势和生理数据等）、提取信息（音频、文本、图像、视频和脉冲等），根据信息进行情感计算，包括学生在普适学习活动中的人脸情感识别、手势动作识别、人体姿势识别、语音情感识别、嗅觉情感识别和触觉情感识别，最后将情感计算信息提供给智慧教育服务平台。平台建立有学生的表情数据库、姿势数据库、学科知识数据库、学科试题库、学生知识水平数据库、学生知识结构数据库等，通过智能情感计算和情感感知计算，实现情感交互和个性化作业[3]。面向智慧教育物联网的情感计算：一是感觉（视、听、触、嗅）通道的情感计算，如应用稀疏表示的人脸检测技术实时捕获学生学习过程中的面部表情，根据表情特征与训练样本库，参照表情分类字典计算学生的学习情感，包括表情特征提取、人脸检测和分类器设计等关键环节;二是文本通道的情感计算，构建学生常用情感词典，以情感词为核心构建情感语义块，计算文本的情感值，通过网络爬虫或文本页面提供的API，获取学生在学习社区的留言，分析提取学生在学习过程中的学习情感倾向，建立情感交互内容分析模型，将情感计算信息提供给智慧教育平台。
（四）设备共享（Equipment Sharing）
面向智慧教育的物联网是先进教育设备共享不可或缺的“神经”系统[4]。设备共享通过多种不同功能的传感器节点测定位移、速度、声音、光电、引力等信息，通过设备数据计算完成对其信息的传输、分析、存储以及显示[5]。设备共享以大数据为核心，以移动互联网为神经网络，以教育感知网为神经末梢，以自适应、个性化的用户交互为手段，以智慧教育应用服务为目标，支持各类终端，提供多屏交互。面向智慧教育的物联网设备共享系统（平台）架构从下到上分为四层：第一层（底层）为智慧感知层。底层具有共享设备（绘图仪、iMac、传真机、打印机、服务器等），通过在共享设备上安装RFID标签和各种传感器，运用感知技术（WSN、RFID 、Zigbee）实时采集设备数据，全面掌握运行状态的各种参数，为智慧化设备管理提供信息。第二层为网络通信层。本层利用宽带网络、通信技术（IPV4/IPV6 、WIFI 、4G/5G），无线与有线相结合，及时高速传输数据。第三层为数据处理层。一是存储计算，包括Storage、Iaas 、HPC操作;二是应用支持，包括数据挖掘和数据分析等。第四层为应用交互层。该层包括用户（学生、教师、设备管理员）和共享交互工具（电脑、iPAD、智能终端、手机等），这一层是面向智慧教育的物联网设备共享的关键层，也是建设的重点。应用交互内容包括设备共享、监控、报废、借用、采购、报表、管理，通过互动工具为师生共享提供优质服务。面向智慧教育的物联网设备共享系统通过实时监控，进行统一管理和调度。当设备闲置时，第一时间告知管理员，从显示屏了解设备的位置和状态，交给需要者使用;当设备工作时，读取设备信息，并匹配携带者身份信息，说明设备处于使用状态，通过短信平台提供可视化管理。
（五）视景仿真（Visual Simulation）
视景仿真又称虚拟仿真，即逼真地仿真人在自然环境中的一种高端人机接口，包括视、听、触、动觉等多种感觉路径的实时仿真和实时交互。情感计算是计算机科学与思维科学相结合的感知媒介。智慧教育物联网中的视景仿真的传感器装备有鼠标器、跟踪球、数据衣、传感手套、操纵杆、头部跟踪器、頭盔式显示器等[6]，通过多媒体传感器呈现教学信息，通过手写键盘、语音、鼠标等输入设备进行操作和控制，使学生得到感官上的刺激感知，具有多感、交互、沉浸、构想四个基本特征和自主、智能、兴趣三个教育特性[7]，体现出直观性、高仿真、智能化特点。视景仿真分别于2006、2010、2011、2016、2018年五次被美国新媒体联盟Horizon Report列为预测技术[8]，成为教育的前沿热点，代表着教育领域的技术应用风向标。目前，我国每年都批准建设国家级视景仿真实验教学中心，典型的有武汉大学网络安全国家级视景仿真平台、北京师范大学化学视景仿真平台和厦门大学医学视景仿真平台等。视景仿真能使人完全沉浸在计算机创造的可进行操作和控制的一种特殊环境中，实现多感官同步交互，获得“感觉穿越”和“身临其境”的感受与体会。原理上，视景仿真通过类别穿透式、视频式叠加信息场景，产生虚实融合、沉浸和互动，具身认知寓学习于生活，形象构思产生计算机高级认知[9]，仿真生成其真实的视、听、触、嗅觉等感觉器官功能，并能够通过表情、语言、手势、姿态等自然的方式与之进行实时“交流”，从而成为一种适人化的多维仿真信息空间，这种空间能够将真实场景虚拟到计算机上以再现“真实”[6]。视景仿真可以突破真实空间的局限，实现师生体验、探究、交流与创作，具有降低学习焦虑、增强学习动机、激发高阶思维、实现情境学习、强化知识体验和学习成效的效果[10]。
五、亟待解决的几个关键问题
（一）系统的标准问题
“没有规矩不成方圆”，标准对于面向智慧教育的物联网发展和应用十分重要。智慧教育物联网感知层面向不同的教育场景采集数据信息。由于存在设备种类多、感知手段各异、标准各不相同的情况，如果系统标准不统一，数据信息格式不一致，就会导致感知层设备不兼容，使整个系统最终无从集中调配。感知系统必须遵循相同的数据格式标准，使用兼容的软件，使数据能共享、交换与统一管理，以提高数据信息管控水平。面向智慧教育的物联网领域应用的特点是规模大、系统复杂、应用多元。因此，尽快建立标准体系，规范智慧教育物联网结构和内容，突出智慧教育特色是关键，包括编码标志、体系架构、通信协议、物联网安全等。面向智慧教育的物联网建设是一项长期浩繁的系统工程，建设必须完全遵循国家和有关行业的规范标准。在总体设计上，要借鉴各类系统的成功经验;在相应设备选购上，应根据实际的财力、物力水平，尽可能选择国内外先进、成熟技术设计的设备;在系统的开发上，要严格按照软件工程的标准和面向对象的理论来设计，保证系统的先进性;在具体建设的过程中，必须采取科学严谨的态度，整体规划分步实施，在充分考虑建设规模和了解实际情况的前提下开展建设工作。
（二）教育资源的相关问题
面向智慧教育的物联网教育资源按照教育部《教育资源建设技术规范》，应遵循统一的标准，实现智慧教育资源的动态调配和按需使用[11]。数字化资源不同于传统的纸质文档，需在物联网环境下实现智慧教育探究，要求学生扫描课本上的二维码，连接现实情境开展整合教学，特别是一卡通或手环应是结合了非接触式智能卡技术、网络通信技术、知识计算技术，实现多种不同应用功能的智能综合管理，且可与第三方系统互联互通，取代师生生活和学校管理中需用到的现金支付手段和所有证件。面向智慧教育的物联网教育资源目前存在着许多问题：一是统一存储如存储介质能量供应、存储容量、标志格式和数据格式;二是异构物联网教育资源的接入;三是与国际接轨的RFID标准体系的制定;四是其他标识感知技术有待挖掘;五是用户智慧化改造的研究。面向智慧教育的物联网教育资源表现为数据来源的多样性、数据流接收的动态性、数据地域的时效性、数据安全的复杂性等，这些问题亟待进一步解决。
（三）数据安全保护问题
智慧教育物联网承载着海量的数据信息，加之其开放性构架，除了存在传统网络的安全问题外，无疑存在着潜在的新的安全与隐私问题。如对学生进行感知交互的数据保密性以及未经授权不能进行身份识别和跟踪等，这些问题在教育中显得尤为突出。非法用户可能伪造RFID 标签向阅读器发送信息，致使学校信息系统处理混乱，对师生的信息安全造成严重威胁;电子简历记录了师生的基本信息和教学信息，这都属于师生的隐私，必须严格保证其数据安全，否则将会威胁师生的合法权益。RFID中任何一个识别码或标签的标识都可以不受控制地在远处被扫描、定位和追踪，而且会实时地、不加区别地将其所存储的信息，包括师生的行动、习惯以及偏好等反馈给阅读器，这势必会导致存储的个人信息被泄露，个人的隐私问题存在着潜在的风险。所以，后台的智慧教育数据中心服务器必须保持对非授权访问途径的严格禁止，必须防止信息的非法访问和篡改，以免造成教育信息的非法盈利或数据信息丢失。
六、结 语
随着5G时代的到来，教育信息化2.0快速推进，面向智慧教育的物联网开发与应用已经引起了国内外教育界的高度重视，智慧教育将成为未来教育的主要发展方向。本研究关于智慧教育环境发展态势与智慧教育物联网演进的研究，智慧教育物联网演进模型和功能架构模型的构建，以及智慧教育物联网功能实现路径的探讨，都充分证实了智慧教育物联网在促进智慧教育产生质变过程中的重要价值。一方面，面向智慧教育的物联网前沿技术引发了教育管理模式、教學模式的变革，深刻地改变着师生的学习和生活方式，能促进学生创新能力的培养;另一方面，面向智慧教育的物联网具有巨大的应用潜力，有助于更好地促进学生成长，提高教学质量和效率，开创教育发展的新未来。时不待我，必须加快、加大智慧教育物联网及其功能的研究和开发力度，以助推智慧教育的高水平、高质量发展。
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