基于物联网技术的实验教学体系

杨桂松+周亦敏+何杏宇+徐慧芬

摘 要：物联网技术在近几年来取得了较大成就，将物联网技术应用于实验教学的场景是研究热点。针对传统实验教学环节存在教学管理不方便、课堂教学渠道单一、课外辅助缺乏、实验室管理不规范等诸多问题，将物联网技术和教学实践相结合，提出了一个基于物联网技术的实验教学体系，为传统实验教学改革提供了新的思路。

关键词：实验教学；RFID；物联网技术

DOIDOI：10.11907/rjdk.162593

中图分类号：G434

文献标识码：A文章编号：1672-7800（2016）012-0182-03

0 引言

近几年来，物联网技术研究的热点问题包括射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备。在物联网技术中，各设备按约定的协议都可以与互联网相连接，并且所有联网的物品可以进行信息交换，也可以进行通信，这样就可以实现对物品的智能化识别、跟踪、定位、监控和管理。所有技术的研发都是为了更好地服务于人类社会，作为一项高新技术，只有将其应用到合适的场景才能最大化其价值。将物联网技术应用于教育教学领域，即是体现其价值的一个方面[1-2]。

实验教学是现代高等教育的重点，其教学模式也在不断发展和改进。为了满足学生在学习时间和学习内容上的选择自由性[3]，提出了开放式实验教学模式。然而在开放式教学模式下，教学对象、内容、时间等因素的不确定性以及教学计划的个性化使实验教学管理的难度骤增，同时导致大量的实验教学管理信息及处理任务量[4]产生。为了保证开放式教学模式的顺利推进，可以利用物联网技术对现有的实验教学管理体系进行改革，为师生提供更为便利的开放式实验教学环境，这样不仅能够锻炼学生的实际动手能力，培养学生的创新精神，更有利于学生专业综合素质和工程实践能力的培养与提高[5]。

1 相关工作

在已有的一些研究中，物联网技术被应用于学校中的一些场景，研究提出了基于物联网的智慧教室[6-7]、基于物联网的图书馆设计[8]、物联网技术在校园安全中的应用[9]、基于物联网的实验室管理[10-12]等概念。

物联网教室和传统教室的功能相似——为学生提供舒适的学习环境，以提高学生的学习效率[6]。由于传感器节点对于环境温湿度的精确感应，使得物联网教室可以高效、精确地为学生提供学习舒适性。通过物联网所提供的大量的传感技术、无线通信技术，以及微处理控制系统，使智能照明系统能够“感知”环境，根据外界情况的变化作出相应的应对策略，还可以避免能源浪费。相比人工控制教学楼照明灯，物联网控制实时性强，而且可以全天候工作[7]。

图书馆管理系统[8]通过RFID标签获得对图书的感知，并通过读者随身携带的智能手机对读者进行感知。同时，师生还可以通过手机对借阅情况进行查询，当所借阅书本快要到期时，可以发送信息进行提醒。通过在学校图书馆应用物联网技术，可以有效提高管理效率，提高自动化程度，降低人力成本，并大大方便师生的借阅活动。

基于物联网的校园安保措施主要有以下几种：在宿舍物品安全系统中添加报警装置，构成宿舍安全系统以防宿舍发生意外事件，从而保护学生的人身财产安全；在每栋公寓入口处安装RFID门禁系统；在教学区域设置门禁系统，并将门禁系统分为安全通道和普通通道两类，携带物品上贴有RFID标签，可实现物品的安全检测[9]。

随着技术的发展，物联网专业也急需大量专业人才，对人才的需求上，要求其具有一定的理论基础及动手能力，这对实验室的要求也有所提高[10]。物联网实验室需要将光载无线通信、WiFi 无线局域网、移动通信、嵌入式设备服务器和射频识别几种前沿技术融为一体，构建基于移动通信的无线信息网络系统[11]。将RFID技术系统应用到实验设备的管理上，不仅使设备的统计效率大大提高，而且能实现实验设备资源的合理统筹[12]。传统的对于物联网实验室特别是实验设备的管理成本高而效率低，这给实验室的使用带来了一定的影响，目前我国大部分学校的实验室管理普遍存在计算机系统的自动化程度低，实验室管理不严、监管不力等问题，因而，实验室管理在学校管理和教学环节具有重要的意义[13]。

在文献[14]中，作者通过对物联网系统构架与关键技术的分析，利用Zigbee短距离无线通信技术、无线传感器网络智能组网技术，结合物联网视频网关、多种传感器采集、控制节点与现有Internet网络、3G网络，构建了物联网系统。传统的实验室存在工作繁琐、效率低下等弊端，如学生不能及时了解实验内容，必须到实验室去预约并由教师登记等。随着技术的发展，针对智能化管理实验室的需求，提出了基于物联网的智慧实验室，如机房自动管理系统等，这些方案在实验室信息管理、人员管理、设备管理等方面展示了优势[15-16]。

2 基于物联网技术的实验教学体系

本文将物联网和互联网结合起来，充分发挥两者优势，提出了一种基于物联网技术的实验教学体系。该体系服务于实验教学和管理工作， 在开放的网络环境下促进教学手段改革和保证教学、管理质量的督导体系建设，既满足了学生个性化需求，也充分合理地利用了实验室资源，实现了教学管理的自动化。该体系的构建包括软件系统建设和硬件系统建设两个方面。

2.1 基于物联网技术的实验教学软件系统

基于物联网技术的实验教学软件系统建设主要以校园网为依托，以实验教学管理区块为核心，实验课堂教学区块为主体，实验室课外辅助区块和实验室网络管理区块为辅助，构建立体化的开放式教学环境。该系统同时面向教师和学生这两类有着不同需求的用户对象，将在功能实现的基础上提供一个友好的操作界面，采用实名注册登录制。该软件系统的具体结构如图1示，下面将对其包含的各个区块进行详细的功能介绍：

（1）实验教学管理区块。该区块不仅可以方便学生进行网上选课，参与网上评教，也可以方便教师在线发布实验考试成绩。学生在预约实验课时需要对实验设备进行预约，做到每位学生对应一台实验设备，学生完成实验后，设备会对学生的实验结果进行记录，也可以避免实验设备的损坏。另外，该区块还对教师和学生的个人信息以及实验教学数据进行存储和维护。

（2）实验课堂教学区块。该区块包括5个主要功能：①为学生提供在线实验预习服务，也即学生可以通过该区块在网上提前熟悉实验内容和实验仪器的操作方法；②该区块将实时监控学生的课堂实验操作，确保学生能够安全和规范地使用实验仪器；③该区块可以将学生课程的实际测量数据根据教学时间、地点和内容存入其个人信息库，以供学生课后登录个人系统进行查看和下载；④该区块在线为学生提供虚拟仪器和仿真平台服务，并且可以将学生的课堂仿真结果存入其个人信息库；⑤学生可以通过该区块提交电子实验报告。

（3）实验课外辅助区块。为了促进学生的课后学习，为学生答疑解惑，该区块可以方便教师上传课件和教学演示视频、提供师生交流论坛，以及在线答疑辅导网上应用空间。此外，可以进一步利用物联网技术实现课堂互动的智能化。

（4）实验室管理区块。一方面为了实验教学的正常开展，该区块可以为师生提供在线预约实验室和实验仪器的服务，并在线管理实验仪器的使用记录；另一方面，为了保障实验室的安全运行，该区块对实验环境进行监控，实时显示实验室的环境数据（例如温湿度、有害气体指标等），并带有安全报警功能。另外，该区块可以在线维护实验仪器的故障信息，以方便实验仪器的维修和整理。物联网技术的应用使得实验室的管理更加科学规范。

2.2 基于物联网技术的实验教学硬件系统

硬件建设需要对原有实验室基础设施（主要为强电、弱电、网络改造）进行基本改造，然后增加监控、门禁、物联网终端等硬件设备，整合原有教学系统软件，进行软硬件系统集成。①利用RFID，实现教室门锁、控制台锁的定时关闭和开启，为防止锁人现象出现，需在锁关闭前进行声音提示；②利用传感器节点，采集教室内温度、湿度等指标，由中控计算机进行数据搜集处理，并根据预设标准触发报警装置；③利用虚拟终端技术，实现教室中控台的网络远程控制，所有控制台操作均可通过虚拟控制台实现；④利用Telnet技术，可实现对联网试验仪器的远程管理，解决计算机软件故障；⑤利用监控摄像头，实现远程视频图像同步传输，并利用室内音箱，实现远程音频同步传输。当遇到设备死机、线路故障、物理连接问题等导致远程控制失效时，可通过音频远程指导任课教师进行操作。

基于物联网技术的实验教学硬件系统将使用互联网技术中的BSDA （Browser/Sever/Database/Application）结构，即客户端/服务器/数据库/应用程序结构，网络通信方面采用C/S（客户端/服务器）和B/S（浏览器/服务器）模式相结合的方式，包括服务器、联网的实验仪器以及网络监控系统，其系统结构如图2所示。

（1）应用服务器。服务器主要提供3类服务：①支持实验教学管理数据交互与存储，主要包括学生和教师的注册登录信息管理以及与实验教学管理相关的教师教学计划录入、学生选课信息、学生评教信息、实验报告以及实验考试数据的管理；②提供实验教学资源数据库服务，存储教学课件、演示视频，预习内容、虚拟平台以及实验仪器介绍等教学资源；③与实验教学服务相关的应用服务，例如提供师生交流论坛、QQ以及微信平台相关的应用服务，以供师生随时随地进行实验教学交流。

（2）联网的实验仪器。为了构建基于物联网的实验教学硬件系统，所有实验仪器也将进行相应的更新换代，均带有网络通信功能，其更新主要从3个方面进行：①测量仪器带有联网功能，例如带有无线通信功能的示波器和万用表能够实时地将测量数据上传网络，以供学生课后进行在线分析；②仿真和虚拟仪器平台联网，以供学生能够提前进行实验预习；③为了保证学生的用电安全，所有实验仪器的电源都可以进行网络在线控制。

（3）网络监控系统。为了保证学生安全和实验室的正常运行，构建实验室监控系统。该系统将由传感器、摄像头、无线插座等监控终端设备组成，实现如下功能：①实现对实验室环境的监控，杜绝实验室火灾、有害物质泄漏、仪器丢失等状况发生；②对学生实验操作进行实时监控，确保学生的操作规范和用电安全；③对实验室仪器的使用状态进行在线监控，以配合实验室和实验仪器的外借预约服务以及实验设备的故障维护工作。

3 教学评价

传统的实验教学模式是：授课教师先讲，讲完之后学生做实验，实验内容和实验模式是固定的，学生在课堂上学习的知识是有限的，时间被限制在课堂上的短暂时间内，对知识点的掌握和利用很有限[17]。基于物联网技术的实验教学模式从传统的以教为主发展转变为以学生动手为主，更加注重学生在实验中学到了什么，并注重培养学生的创新能力。

现代教育理论认为[18]，在教学中要以学生为主体，在教师的引导下，提高学生的独立思考能力，多开设计性课程，让学生主动去探索新知识。采用基于物联网技术的实验教学体系，不仅可以使学生扎实地掌握基础知识，锻炼动手能力，开阔视野，而且在减轻教师管理工作的前提下提高了实验室利用率。

基于物联网技术的实验教学软件系统非常适合学生的学习，学生可以在网上在线选择实验课程，查看考试成绩，并对教师进行评教。学习过程中，可以在线预习，使用虚拟仪器存储实验数据，并在线提交报告。系统对于课外辅助也有很好的帮助，比如课件阅读、经验交流、在线答疑。系统的实验室管理模块能够实现管理员对实验室的科学规范管理。基于物联网技术的实验教学硬件系统非常高效，实验仪器都支持联网，便于在线操作，极大提高了实验仪器的利用率。网络监控系统不仅可以保证学生实验操作的安全性，而且可以避免实验器材丢失。

总体而言，基于物联网的实验教学系统根据现有的物联网技术，改善了传统的实验室管理方法，极大地方便了使用者，又体现了物联网技术所带来的优势，是典型的物联网技术的应用范例，对于实验教学的改革提供了指导方向，具有重要意义，值得推广。

4 结语

本文将物联网技术和互联网技术相结合提出了一种新型的实验教学体系。该体系由软件系统和硬件系统组成，以学生为主体，通过教师的引导，激发学生探索新知识的热情，在提高实验器材管理效率的同时，还保证了学生的人身安全及仪器设备使用安全。同时，通过利用物联网技术，方便了实验室实验仪器的管理与维护，使实验室的管理更加科学规范和高效。

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（责任编辑：孙 娟）