Ossabaw岛K-12泛在教育网系统

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  编者按:物联网正改变着我们的生活,同时也改变着我们的教育方式。本期,“域外采风”栏目将对美国Ossabaw岛K-12泛在教育网系统的构建和应用进行介绍和探讨,以期帮助我国中小学教师了解当前世界上基于物联网技术的教育应用的最新发展动态。
  
  ● 当今世界物联网发展形势
  物联网(Internet of Things)又称为泛在网(Ubiquitous Network),是新一代信息技术和互联网的重要组成部分。物联网基于互联网存在,但又是互联网的延伸和扩展,它的最终目标是为地球上的任何一个物体提供可供感知的标签,并使得这些物体能够被智能地管理。
  物联网的技术实现方式,是通过射频识别(RFID)、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备,按约定的协议,把任何物品与互联网相连接,使其能够实现信息交换和通信,以实现对物品的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理。
  自2009年以来,一场物联网革命席卷了全球。2009年初,美国IBM提出“智慧地球”概念;6月,欧洲提出《欧盟物联网行动计划》;7月,日本实现了“U-Japan”(物联网日本)计划;8月,我国总理温家宝发表重要讲话,倡导发展物联网。2011年7月30日,我国发布了首部物联网蓝皮书──《中国物联网发展报告(2011)》。报告指出,当前我国物联网需要的自动控制、信息传感、射频识别等上游技术和产业都已成熟或基本成熟,而下游的应用也已广泛存在;而且我国物联网产业也已呈现电信运营商、高校、科研机构、传感器企业、系统集成、应用软件开发等环节迅速聚合联动之势,产业链条已经初步形成,物联网时代即将来临。
  教育应用作为物联网的重要应用之一,不可避免将在不久的将来来到教育工作者面前。
  ● 美国迫切地将物联网技术应用于教育的原因
  首先,美国人认为,人类处在一个信息时代,信息技术几乎遍及了生活的方方面面,在社会的所有阶层中越来越重要。在21世纪,计算机科学领域的主要焦点是研究计算机科学的计算概念和技术,计算机和计算技术已经充分整合到了其他学科领域。在任何领域,不使用计算机进行教育和研究都是不可思议的,必须将最新信息技术与教育应用进行高度深层的融合。
  其次,信息技术一直为世界经济的发展承担主要的牵引作用。目前,IT行业在全球经济中扮演着重要角色。近年来,与计算机领域相关的知识与技能已经融入到了美国大多数的新工作中,因此掌握IT技能对于个人获得当前和未来事业机会是至关重要的。
  第三,为了吸引和培养未来熟练的IT专业人士,教师和学生都应具有解决问题和批判性思维技能,具有学习新技能的动机和自信。技术的有效使用结合研究性教学和学习,可以对学生的学术成果产生积极影响。
  ● 项目简介
  1.项目特点
  本文介绍的电子学习系统是建设在Ossabaw岛上的K-12泛在教育网系统OssaBEST(Ossabaw E-Exploration for Students and Teachers)。这一项目获得了美国国家科学基金会(NSF:National Science Foundation)设立的教育信息技术体验基金项目(ITEST:Information Technology Experiences for Students and Teachers)的支持,已经设计和开发了多种向学生提供教育途径领导信息技术生涯为目标的系统。
  OssaBEST系统包括传感器网络和野外指南两部分。不同于普遍意义上的信息技术教育系统和活动的是,这一系统设立在独特的岛屿上,通过一系列电子系统和教学设计,为当地K-12教育中学习自然科学和数学学科的学生和教师,提供了大量生动有趣的与IT相关的学习体验,以帮助学生提高数学和科学水平。
  该项目的信息系统采用自下而上的模式设计,实现了从物理传感器网络操作到多媒体数据库和网络建设的多个操作模块。广泛的信息技术被整合到正在进行的野外工作中,并且有设计好的教育材料配套支持。
  在首轮试验中,用户反馈表明,这一设计在K-12教育阶段对学生效果明显,在提升学习者的IT技能知识、激励和自信方面,尤其有效。
  2.项目背景和环境
  在过去的十几年里,美国在K-12教育中的学生和教师管理领域使用了大量的信息技术系统。美国政府明确表示,为培养美国的IT员工队伍,国家科学基金会将为培养具有信息技术专长的学生和教师提供资金,开发各种为美国的学生和教师服务的计算机程序,如地理信息系统(GIS)软件和STELLA数值建模软件。
  在美国国家科学基金会教育信息技术体验基金项目学习资源中心(ITEST Learning Resource Center,http://www2.edc.org/itestlrc/),可以查阅到许多成功案例。其中一个成功案例是利用北极气候模型程序将数学和物理科学现象主题融入课堂,帮助学生关注气候对社区日常生活的影响,特别是对生活在阿拉斯加东北半岛上的土著人的影响。在另一个案例中,研究者在美国南加利福尼亚州招募教师和学生参加地理信息系统(GIS)应用工作,并且到圣克鲁斯岛参加夏令营。通过参与这些活动,学生可以获得基于信息技术的学习经验,从而有助于他们完成符合科学与数学教育美国国家标准的学习。
  3.项目设计
  在本文介绍的OssaBEST系统中,研究人员实现了一套新颖的信息技术教育设计,设计了适合学生和教师的Ossabaw岛的基于泛在互联网的电子探索计划。
  这个设计的实施环境是独一无二的,Ossabaw岛是乔治亚州海岸的屏障岛屿之一,位于萨凡纳南部7英里,只能坐船前往。这个岛屿是该州专门为教育、文化和科学研究所保留的,提供居住和日常活动的工具。Ossabaw岛屿的面积为26000亩,被定为乔治亚州的第一个自然遗产,岛上拥有9000亩海岸橡树林、18000亩的盐泽、淡水沼泽湿地和大量的沼泽生物,岛上有丰富的栖息生物、各类野生动物,全年都可以找到几种受保护的和濒危的物种,为自然科学的研究以及学习提供了一个天然的宝库。研究人员的设计也充分利用了当地独特的环境。
  这一计划设立了一个以计算机技术为主题的夏令营,向位于热带草原Chatham市的公立学校系统(SCCPSS)的7到10年级的90名教师和120名学生发出邀请,该校的初中和高中学生、教师将有机会利用先进的计算机技术探索Ossabaw岛。夏令营为学生和教师提供了丰富多彩的IT训练。此外,研究人员还为参与夏令营的教师提供了一个星期的教育课程计划辅导。面向学生和教师的两个IT培训的课程计划辅导由研究人员在阿姆斯特朗大西洋州立大学(AASU)进行。
  夏令营结束之后就是基于大学生活的实战,学员们将在岛上研究、创建文档和共享收集来的数据。研究人员设计和准备了教师和学生使用的各式各样的综合信息技术工具,可供在这个独特的区域海洋环境中使用。通过活动,参与者将加深对乔治亚州海岸环境的理解。在夏令营里,研究人员将当前的乔治亚州学习标准与教育课程辅导整合,这既有助于教师对课程的设计与开发,也能吸引更多对信息技术和计算机科学感兴趣的学生。
  ● 项目技术支持
  OssaBEST系统的两部分各自承担不同的学习目标,并由不同的实践活动组成。
  1.传感器网络
  利用传感器网络,参与项目的学生和教师可以从Ossabaw岛收集岛屿数据和录像。所有数据都将通过一个无线局域网(LAN)被传输到Ossabaw岛上的一个服务器,然后将数据从Ossabaw塔传输到位于市中心的SCAD塔上。来自气象站和水感测器的数据将会通过网络传输到位于AASU的一个数据中心,AASU数据中心将会把接收的数据存档,人们在AASU计算机学校可以进入网站使用现有的支持设备、软件和技术。图1中指出了该项目的网络基础设施。
  岛上的传感器网络将为学员提供记录各种条件的机会,如大气条件及地下水质。图2显示了当前在岛上分布的传感器网络。将收集到的数据分析整理成一个多媒体的野外指南传送到学校,并在整个州用于课堂教学。数据测量值就可以从放置在岛上的传感器发出。其中,气象台主要检测温度、气压、风向等;水传感器主要监督地面和地下平衡水,包括水平衡、温度、pH值和浊度等;数码摄像机视频可监控北海滩和码头。
  通过在夏令营的两天信息技术培训,以及野外数据采集实践经验和将数据上传到AASU服务器,学生理解了信息技术相关的重要概念和应用,如电子传感器、数据采集和传输技术、无线通信技术和局域网、数据库建设和管理。与此同时,学生也利用HTML标签、CSS和Java的脚本练习开发网页,引导学生在使用项目信息系统的基础上创造他们自己的多媒体野外指南。
  2.野外指南
  为了支持数据分析、演示和管理,研究人员将OssaBEST信息系统开发成一个辅助学生设计多媒体野外指南,以及实现生生与师生相互沟通的交流平台。如图3,该信息系统是基于客户、服务器结构设计的。该框架由两个主要模块组成:中央服务器,它充当数据收集的仓库和系统服务供应商;客户设备,如笔记本电脑、台式计算机、掌上电脑等。通过有线网络,信息系统和台式计算机相联;通过无线网络,信息系统和移动设备相联。
  图4显示的是OssaBEST信息系统的功能组件图。该系统是由四个子系统组成:管理员子系统(AS),教师子系统(TS),学生子系统(SS)以及公众子系统(PS),他们都位于一个中央数据库组件中并且自身包括一群系统模块。这些子系统为不同用户提供系统接口。例如,在学生子系统模块中,每个学生都拥有自己的日程表,用来查看教师分配的任务;查询模块允许学生通过姓名、学校和任务来搜索团队成员,可以通过作者、时间、题目和学校来搜索任务;对于选择的一个任务,学生可以通过报告模块来查看它的详细内容;通过论坛模块,学生可以相互分享他们在夏令营获得的经验;一个任务完成后,野外指南模块允许学生使用从岛上采集到的数据开发多媒体野外指南。通过这个模块,学生练习了基于标签的超文本技术,它类似于学生在AASU两天的信息技术训练所学到的HTML文件开发技术。一旦上传的野外指南通过教师的审核,它们将作为学生的作品登载在设计网页上。
  ● 信息系统的实现及其应用
  OssaBEST信息系统是一个开放性结构的模块化系统,它由一系列带有不同目标和功能的独立单元组成(如图4)。系统模块的接口是社会标准化的,过时的模块可以很容易地从系统中移除,新的模块可以被插入到开放的系统中以升级或提高。该系统是一个双层客户/服务器模型(如图3)。第一层是由网上用户(即系统管理员、教师、同学)组成,该用户可以通过因特网进入系统;第二层是网站、应用程序服务器和数据库服务器。
  在这个设计中,系统开发使用的资源,全部是从网络上获得的开放资源产品。服务器使用的是Linux操作系统,主机服务器功能包括网络服务和数据库服务。网络服务器建立在Apache 2.2.8上。PHP 5.2.6和CakePHP 1.2控制教师、学生、管理员和公共子系统。数据库管理系统MySQL5.0管理存储系统用户和任务信息。PHP报告发生器是为管理员输出模块和教师/学生报告模块产生不同的报告。除了在线系统存取和数据分析的同步模式,OssaBEST系统也支持异步模式,它是通过提供脱机数据的采集和处理能力实现的。例如,教师和学生可以将用来制作野外指南文件的分析数据和报告下载到本地磁盘,该系统提供的功能出口数据为RTF/CSV格式。例如,图5显示的是教师使用的学生任务的日程表;图6显示的是一个包括文本和图片的完整的野外指南的预览页面。
  研究人员已经完成了OssaBEST信息系统的开发,开始设计实地测试和应用。在第一个项目年里,研究人员已经招募了30名教师和40名学生,他们来自于SCCPSS的11所中学和7所高中。根据问卷调查显示,超过90%的教师和学生在本次学习中认为设计系统是具有挑战性的、有益于参与的人了解最新的计算产品及应用。反馈分析已经给出了有益于改进的信息。特别是,使用评论系统的便捷性受到学生的一致好评。与此同时,教师们享受到了最易于使用的任务创建和分配。设计不理想的两块区域主要是技术问题(如CPU和网络传输速度、计算机存储不足,并且缺乏控制)和有关细节内容。在以后的系统应用中,研究人员表示会尽量解决这些硬件问题,以满足学生的学习要求,而且还将使用更加详细的描述和插图来精心制作网页。
  ● 总结及未来研究
  目前,已有90名教师和120名学生在当地独特的岛屿环境中使用OssaBEST信息系统从事了一系列的计算机应用活动。该计划包括传感器网络和多媒体的野外指南两方面。跟踪传感器网络,通过对原位传感器收集的数据进行分析,可以更细致地观察岛上的各种物理现象。野外指南部分,允许学生使用从岛屿上收集的数据开发的基于网页的多媒体野外指南,并为教师和学生提供了一个相互交流的平台。目前该设计信息系统正处于测试阶段,已相继获得比较积极的反馈,在未来两年中,研究人员将继续开发包括更多信息技术在内的新颖的相关计算机活动,还会扩展项目信息系统去支持更多功能模块,传播到其他州和国家实施K-12教育的学校。该项设计具有更广泛的影响,是因为OssaBEST系统可以很容易地适应支持不同的程序和学科。
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