蒋亦樟,　钱鹏江,　谢振平

(江南大学 数字媒体学院，江苏　无锡　214122)



“物云大智”在现代教育中的应用与思考

蒋亦樟,钱鹏江,谢振平

(江南大学 数字媒体学院，江苏无锡214122)

随着社会信息化的不断加快，传统的教育模式已不再适用于现代人们的教育需求。物联网、云计算、大数据、智能技术等现代信息化技术的出现，催生着更加现代、更具创新意义的教育模式的出现。本文通过对物联网、云计算、大数据、智能技术(简称“物云大智”)的介绍，将其引入到现代教育中去，对“物云大智”在教育中的应用和思考进行了详细的研究与分析。

物联网； 云计算； 大数据； 智能技术； 现代教育

随着社会信息化的不断加快，各种信息化技术如物联网、云计算、大数据、智能技术等相继诞生并流行开来。文献[1]将“物云大智”技术对当今社会的机遇与挑战进行了详细分析，指出以“物云大智”为代表的信息化技术必将引领我国各个行业的转型。事实正是如此，随着科技的发展、信息的爆炸式增长，传统的教育模式已经不能满足当今学生的学习需求。一种新的、更具创造性、更加符合现代科技潮流的教育模式被迫切需求。

基于上述背景，本文将目前较为流行的几种信息化技术即“物云大智”技术应用于传统的教育模式中，构建了基于现代信息化技术的教育模式。该教育模式是新时代的教育模式，是能够适应我国教育需求的教育模式。

1　“物云大智”简介

1.1“物云大智”定义

“物云大智”即物联网、云计算、大数据、智能技术这几种信息化技术的简称。

物联网(IOT)技术，即各种不同的事物通过网络而联系在一起。可以按照如下两种思路理解:1)物联网是基于互联网而产生的，可以说是互联网的扩展版和升级版；2)物联网的用户端需要用到各个事物间的相互通信[2]。

对于云计算(cloud computing)技术的定义较多，有定义说云计算主要建立在公开的标准和服务上，以互联网为中心，提供无风险、快速、方便的数据存储与计算服务。还有定义说云计算是一个虚拟的资源池，一种非传统的IT资源提供方式。大众较为认同的定义为：云计算即“计算服务”(Computing as a Service，Caa S)，将数据资源作为“服务”可以通过互联网来获取[3]。

大数据(Big data)技术，大数据即多数据或海量数据。所谓大数据技术则是在一定时间内将大量数据进行收集、处理、分析、存储，最终转变成为对人们有帮助的信息数据[4-5]。

智能技术又叫作人工智能技术(Artificial intellectual technology)，所含核心内容如下：专家系统、知识表示、自动推理和搜索方法、机器学习、模式识别、知识处理系统、自然语言理解、计算机视觉、智能机器人、自动定理证明、博弈、智能决定支持系统和人工神经网络、自动程序设计等。智能技术的最终目的是使机器智能化，使机器代替人类去完成某些危险、重复、烦琐的工作[6]。

1.2“物云大智”特点

物联网的特征主要有连通性、技术性、智能性、嵌入性四种特征。

其中，连通性又包含时间连通性、地点连通性、物体连通性；技术性主要包含射频识别技术、传感技术、纳米技术、智能嵌入技术等；智能性是指物体间的联系智能化，网络服务智能化，感知性智能化，物联网能够智能化感知人们的生产生活环境，尽可能帮助人们更好地分析、利用各种环境资源；嵌入性主要指各种不同的事物被嵌入在人们生活生产中，各种网络服务被嵌入到人们的生产生活中。

云计算的特征主要有以数据为中心、以服务为中心、以用户为中心三种特征。

其中，以数据为中心体现在数据是云计算的核心。云计算依靠分布式数据处理技术，能够较好地解决网络中各种信息的检索、存取、管理等问题；以服务为中心主要体现在高效的云服务是吸引用户的法宝， 安全、人性化的服务是云计算具备核心竞争力的关键因素；以用户为中心主要体现在用户是云服务的服务对象，数据和服务均为用户服务，一旦下达任务，计算机便能执行和完成任务。

大数据的特征主要有规模大、速度快、种类多、价值高。

其中，规模大是指数据的存储量大，目前存储容量已经达到YB及以上级别；速度快指对数据处理的速度快，通常能够在秒级时间范围内检索出查询信息；种类多指存储的数据类型多，主要有网页信息、系统日志、图片、视频等信息；价值高指大数据的宗旨是挖掘出大量数据潜在的有价值的信息。

智能技术的特征主要为智能化。人工智能技术能够使机器也具备一定的智能，使机器智能化。

1.3“物云大智”研究现状

近年来，国内外专家针对“物云大智”的研究从未间断过。

其中，物联网发展中比较具有影响力的事件主要有：2006年，日本提出了基于物联网技术的U-Japan计划[7]，该计划的目标是到2010年基本实现泛在网络社会。2008年，IBM提出了基于物联网的全球战略——智慧地球[8]。

目前，云计算不仅是在学术上得到了研究应用，在商业上也已经开展了初步应用。如Google推出的Google搜索、Google Earth、Google Docs等;IBM推出的“Blue Cloud”计划[9];我国在无锡市建立了无锡软件园云计算中心，该云计算中心为我国云计算计划的诞生地。

大数据技术是“物云大智”研究中最为火热的一门技术。从2012年3月29日，美国政府宣布启动《大数据研究与发展计划》开始，其他国家也相继推出了发展大数据的相关计划。英国于2013年投资1.89亿英镑在大数据技术发展上。日本于2013年6月公布了IT战略——“创造最尖端IT国家宣言”。宣言阐述了2013-2020年期间以发展开放公共数据和大数据为核心的日本新IT国家战略。为了推动国内大数据技术的发展，我国在2012年也提出了要构建大数据研究平台，大力推进国家发改委和中科院基础研究大数据平方平台应用示范项目，广东率先启动大数据战略推动政府转型，北京正积极探索政府公布大数据供社会开发，上海也启动大数据研发三年行动计划。

人工智能技术是历史较悠久的一门技术。20世纪50年代人工智能概念被提出。到了60年代末70年代初，人工智能的发展已经迈进了实用化。80年代，人工智能的研究形成了一股热潮。到了90年代，由于网络技术的发展，人工智能技术由单个的智能主体转向分布式人工智能研究。从这一阶段起，人工智能技术已深入到人们生产生活中的各环节。

1.4“物云大智”技术框架

“物云大智”是四种独立不同的技术，但各技术之间又存在一定联系。

物联网技术主要分为感知层、网络层、应用层。感知层是利用各种传感设备来采集数据；网络层是是用来传输感知层采集到的各种数据；应用层是基于各种数据搭建的应用服务,如图1[10]。

图1　物联网技术架构

云计算的核心是云服务器，云服务器是由多台高性能计算机组成的大数据存储与处理中心。用户不需要知道数据的存储计算是在哪里进行的，就能够随时随地获取各种云服务,如图2[11]。

图2　云计算架构

大数据技术主要包括数据准备、存储管理、计算处理、数据分析、知识展现五部分,如图3[12]。

智能技术的核心是专家系统也就是上图的推理机。推理机根据采集的数据、知识进行分析，提供领域专业知识供用户使用,如图4[13]。

2　“物云大智”在现代教育中的应用

2.1“物云大智”与现代教育的关系

当讨论到“物云大智”对于现代教育的影响和发展时，首先需要对两者的关系进行简要阐述。现代教育与“物云大智”间的关系不是简单的应用和被应用的关系，而应该是相互促进又相互制约的多元化关系。现代教育模式不仅要引入“物云大智”技术以满足日益增长的大众受教育的需要，“物云大智”技术的发展也必须依赖与教育这一受众庞大的知识体系。

图3　大数据技术架构

图4　智能技术架构

(1) 促进关系。“物云大智”作为应用技术，为教育模式的现代化、信息化提供了工具，促使教育模式发生了巨大的变化。这种变化主要体现在以下三个方面：①针对人才培养，“物云大智”改变了传统的授课方式。在授课方式上，采用了更加现代化、信息化、个性化的授课模式，使教学过程更有趣、丰富了教学文化，不仅有助于学生的学，还有助于老师的教。在丰富学校校园生活上，“物云大智”能够提供更多的渠道增加学生的交流，能够提供更多的平台丰富学生的在校生活；②针对科研方面，“物云大智”能够提供更加快捷、全面的科研资料以及科研交流平台；③针对高校学生服务社会方面，“物云大智”能够使学校学生、老师更加清楚地了解社会需求，加强与社会的普遍联系，为学生提供更多的社会服务机会；现代教育对于“物云大智”的促进作用主要表现在：①高校的各种资源如学校各种信息、各种需求为“物云大智”技术提供了基础；②学校庞大的资源与需求能够促进“物云大智”技术的不断发展和完善。

(2) 制约关系。目前，我国绝大多数学校都已经实现了信息化管理，特别是高等学校。教育系统的信息化意味着学校每天会产生许多结构不同、分布各异的数据，也意味着学校的各种资源需要通过网络进行相互连接。高校对各种设备、数据的维护、存储、处理均需要较大的成本，不选用“物云大智”支撑的现代教育模式的话，则无法满足日益增长的现代化教育需求。对于“物云大智”技术来说，缺乏教育领域的应用支撑，该技术的完善和发展就不够全面、缺乏底层需求支撑。并且，“物云大智”技术的继承与发展所需人才也依赖于高校的支持。综上，现代教育对于“物云大智”技术的认可和支持在一定程度上影响着该技术的发展进度。

2.2“物云大智”在现代教育中的应用

物联网技术在现代教育中的应用主要有：

(1) 提供智能化的教学环境。传统教育模式不适用于当今的教育需求，完全虚拟的教学环境缺少与现实世界的交互。物联网技术的引入，可以很好地解决这一难题。物联网可以将现实世界中的各种事情通过网络进行连接。实现人机交互、人人交互、人物交互。例如，老师可以通过计算机设备连接到异地计算机设备，了解相关的教学信息等，物联网技术使得教学环境更加智能化、智慧化。

(2) 促进实验教学。实验教学的目的是培养和提高学生动手能力，但有些实验或由于成本原因或由于安全问题等原因，学生不能亲自动手进行实验。物联网技术则能够保障实验教学环境的安全性、共享性、智能化。例如，各实验器材均提供数字化的使用说明信息，实验器材使用不正确时发出提醒等。

(3) 促进教学管理。物联网技术主要应用于教学管理中的学校老师、学生、教职工的考勤管理，学校图书馆管理、教学资源管理等。该技术的应用中较著名的例子为台湾利用超高频技术实现学校安全管理[14]。超高频技术为物联网技术中的核心技术。利用超高频技术实现的安全管理系统可以保障学生在校的人身安全、为老师提供学生考勤情况等。

(4) 丰富课外教学活动。课外教学比课堂教学更具吸引力，更能开阔学生的视野、激发学生的学习兴趣。例如，我国北京、广州等地区的中小学利用物联网技术建设了校园气象台，通过传感设备获取气象信息并在校内发布和校外资源共享。

云计算在现代教育中的应用主要有：

(1) 构建共享资源库。教学资源存在信息不共享、资源分布不均、资源重复等特征。云计算提供了集中存储地，所有资源均被存储在存储容量巨大的服务器上，会有专业的技术团队保障存储在服务器上数据的安全性等要求。用户还可以在任何终端获取资源信息，可随时随地进行资源共享。

(2) 建设现代化图书馆。各图书馆的服务器不仅需要支持数字资源的检索下载，还需要支持图书信息的管理以及学生借还图书的信息管理。为了保证服务器内数据资源的安全性，服务器的最大服务响应数量会有一定的限制，超出限制数就不再响应。云计算的云端服务器性能强大，能够保障数据安全以及服务的快速响应。

(3) 建设开源教育“云”环境。云计算发展的最终目标是将云计算平台搭建在开源软件上，使得大量的软件服务为开源软件服务，降低用户使用成本，提高服务使用率。同理，云环境下的现代教育也应该紧跟其步伐，推出各种开源教育。将大量的开源软件应用于教学中。提升教师的教学水平，挖掘出更多更优秀的教学资源，发展更加多元化的教学风格。国内开源教育的典型代表为Ubuntu开源操作系统的教学中的推广。

大数据在现代教育中的应用主要有：

(1) 教育数据挖掘。此处的教育数据主要是指各种在线的学习系统、各种学习论坛、智能学习辅导系统中采集的数据。通过一些数据挖掘软件我们可以挖掘和分析出数据中潜在的规律，并根据这些规律建立预测模型，便于快速了解和掌握学生的学习规律，从而有效指导学生的学习。教育数据挖掘不仅可以预测学生的成绩,还可以研究学生学习表现与课程满意度的关系,以及学生兴趣度与成绩的关系等指标[15]。

(2) 学习行为分析。通过传感器、网络等设备采集到学生的到课时间、上课表现度、课堂参与与提问情况、作业完成情况、课后学习情况等数据，可以通过数据挖掘软件挖掘出学生学习作息的相关规律。比如，有学生经常旷课或者上课总是瞌睡，课堂表现不积极，系统会挖掘出该学生的异常情况，并发出提示信息，报知老师。老师收到该信息后，可以对学生进行关注和教育，尽快使学生走上高效的学习道路。

(3) 学校舆论分析。通过物联网等设备采集到校内学生在校内各论坛、网站、微博、QQ交流群中的关注与交流信息，对这些信息进行分析挖掘，及时了解和预测当前学生学习、生活方面关注的焦点事件。当针对某一事件出现大量评论或转发时，容易使得舆论影响事件的发展态势，影响学生在校的学习、生活以及思想。所以，学校舆论分析对于校园管理来说，非常重要。

(4) 师资力量评估。学校的师资力量关乎学校的声誉以及学校资质的评估，最重要的是关乎着学生受教育的高效性、先进性。所以，监督和提高教师的教学质量，是学校一项持续不断的长久的规划。可以通过传感器、摄像机等设备采集教师上课的情况，如上课是否照着书读、语速是否过快或过慢、上课时学生的积极程度、课堂的纪律怎么样等信息。通过对这些数据的分析，可以得出老师对该课程授课的熟悉程度、教学的技巧、受学生的欢迎程度等。老师可以从分析结果里进行思考总结，扬长补短，提高自己的教学水平。

从上面的描述可以推出，在人才培养方面，大数据技术的应用不仅可以推进学校对学生人才的培养，还能使师资力量得到提高。在学校管理方面，大数据技术能够提前预测学生学习、生活、思想等方面的发展动向，进行更好的管理；在学校资源方面，大数据技术能够收集、存储、挖掘分析出许多学习资源，供广大师生学习使用。

智能技术在现代教育中的应用主要体现在教学“智能体”、机器人教育以及各种智能型计算机辅助教学系统。具体如下：

(1) 智能技术可以实现教学“智能体”。所谓教学“智能体”又叫智能教学代理技术。智能教学代理是一个能够自适应自学习的软件系统。该系统的主要特点有：通信性、移动性、自主性、反应性、协同性、开放性。使用智能教学代理技术能够提升教学水平、丰富教学内容、增加教学风格。将该技术应用于学生信息管理系统，能够有效跟踪、分析学生的学习情况，建立学生在校的“全生命学习周期”反馈表。该技术还能使学生与学生之间、学生与老师直接进行协同学习，为学生与学生、学生与老师之间相互学习、相互交流提供平台。该技术还能分析和挖掘教学系统的需求，根据需求做出设计方案，系统功能上体现智能性。

(2) 机器人教育。所谓机器人教育是指利用机器人去优化教学模式。这里的优化教学模式主要包括优化教学效果、优化师生的劳动方式。所谓优化教学效果则是利用最少的教学投入换取最大的教学效果，效果指的是学生能够很好地掌握所教的理论知识与实践技能、能够培养高尚的道德情操。所谓优化师生劳动方式是指减少老师学生的教学任务，降低劳动强度与劳动时间，从而提高劳动效率。随着人工智能技术的发展，其应用于机器人教育中也是必然趋势。基于人工智能技术的机器人教育将会颠覆传统的教学模式，对传统的教育模式、教材、教学评价体系等都将产生重大变革。

(3) 建立各种智能型计算机辅助教学系统。代表系统主要有：智能决策支持系统、智能教学专家系统、智能导学系统、智能仿真技术、智能硬件网络、智能网络组卷系统、智能信息检索引擎[16]。

2.3“物云大智”在现代教育中的思考

随着“物云大智”在现代教育应用中的逐渐推广，其在教育中存在的问题也渐渐凸显。主要问题归结如下：

(1) 技术低下。我国的物联网、云计算、大数据、智能技术均处于快速发展时期，技术还不够成熟，大多处于理论实现阶段，在实际生活与生产中的应用尚不成熟，无法实现大范围、大批量的应用。如物联网技术还无法实现不同类型教育资源的互相联通，其在现代教育中的应用模式还需进一步提高，物联网联通的事物的安全性还需得到有效的保障；云计算缺乏统一的标准和实现方式，使得数据迁移成本较大，如何标准化数据接口是一项亟须解决的问题。云计算的数据安全和保密也需要完善和加强，目前云计算服务泄密事件也常有发生。硬件基础设施性能的提升与质量的保障是有效应用云计算服务的前提，解决硬件基础设施的质量与性能问题是云计算得以有效应用的根本保证。大数据技术面临数据集成与共享难得问题，教育的许多数据均分散在不同的机构，无法实现数据集成与共享，而这个问题的解决只能依靠政府出面或牵头解决。即使数据最终能够实现集成与共享，如何对这些数量庞大、结构复杂、种类繁多的数据进行分类利用，如何获取高利用率的数据目前也是一个难题。如何实现数据之间的有效融合，如何挖掘出数据之间的联系等问题目前来说还没有一个统一、有效的解决方案。智能技术在现代教育中的应用还缺乏更深程度的智能性，人机交互程度不够。

(2) 资金短缺。物联网、云计算、大数据、智能技术均要求高性能的硬件作为支持，这必然需要雄厚的资金为保障。如物联网技术中所需要的RFID射频标签的制作成本就很高，要大批量的应用则需要很高的成本。云计算对网络带宽的要求很高，大数据对设备存储性能的要求很高，智能技术对硬件设备的要求很高等一系列问题，都要求大量的资金保障。

(3) 应用困难。“物云大智”在现代教育中的应用还不够广泛和深入，已有的应用大多属于浅显的应用，并未真正达到深入应用阶段。“物云大智”技术更多的应用于智能家居、智能工业等领域，智能化教育的发展和研究还并未引起专家的重视。加之资金的短缺、技术的欠缺，导致智能化教育的发展还处于起步阶段，无法实现广泛应用。

3　总结

随着“物云大智”技术的快速发展，其在现代教育中的研究和应用也会逐渐成熟。本文首先介绍了“物云大智”技术的特点、研究现状，然后阐述了基于“物云大智”的现代教育模式，最后分析了现阶段将“物云大智”技术应用于现代教育中存在的诸多问题。目前，“物云大智”技术应用于智慧城市、智慧旅游、智慧家居等领域较为广泛，广泛应用于现代教育则是未来几十年教育行业发展的必然趋势，这是顺应时代发展的必然要求。

[1]邬贺铨. 移动互联网已进入“大智移云”时代. [EB/OL]. (2014-05-09)[2016-03-12]http://news.xinhuanet.com/info/2014-08/14/c_133555534.htm.

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[16]苏新彦,陈三丽.人工智能技术在计算机网络教育中的应用[J].中北大学学报,2005,21(2):90-92.

责任编辑俞林

The applications and thinking of the "ICBI" in modern education

JIANGYizhang,QIANPengjiang,XIEZhenping

(School of Digital Media, Jiangnan University, Wuxi214122, China)

With the acceleration of social informationization, the traditional education mode is no longer suitable for the educational needs of modern people. Modern information technology such as internet of things, cloud computing, big data, intelligent technology gives the birth of a more modern, more innovative educational mode. In this paper, we introduce Internet of things, Cloud computing, Big data and Intellectual technology ("ICBI") into the modern education, and give a detailed research and analysis to the application and thinking of "ICBI" in education.

Internet of things； Cloud computing； Big data； Intellectual technology； modern education

2016-05-02

项目来源：江苏省自然科学基金项目(BK20130155);江苏省产学研前瞻性联合研究项目(BY2013015-02)

蒋亦樟(1988—)，男，江苏无锡人，讲师，博士，研究方向：人工智能、大数据。

10.13750/j.cnki.issn.1671-7880.2016.04.001

G 40-012

A

1671-7880(2016)04-0001-06