16、物联网助力学习分析与STEAM教育管理系统

最新推荐文章于 2025-12-04 19:45:48 发布

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分类专栏：物联网赋能智慧教育文章标签：物联网学习分析 STEAM教育

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物联网助力学习分析与STEAM教育管理系统

1. 学习分析与物联网在教育中的研究展望

在教育领域，学习分析工具和策略的应用程度研究具有前瞻性。了解学校环境中学习分析工具和策略在塑造教学和学习方面的应用程度，以及教育工作者对物联网增强学习分析的看法和对物联网数据收集、存储与处理用于学习分析目的的态度，对于规划教育的未来发展至关重要。

目前，已有众多关于学习分析和物联网在教育中应用的研究。比如，有研究探讨了基于物联网的学习分析架构、挑战和应用，还有研究聚焦于利用可穿戴设备的生物特征数据进行教学和学习活动的分析等。

从这些研究可以看出，物联网和学习分析在教育领域的应用正逐渐受到关注，但仍有许多方面需要深入探索。例如，在学校环境中，学习分析工具和策略的实际应用情况究竟如何，教育工作者对物联网数据的使用态度怎样，这些问题都有待进一步研究。

下面是一个简单的mermaid流程图，展示了学习分析研究的大致流程：

graph LR
    A[确定研究问题] --> B[收集相关数据]
    B --> C[分析数据]
    C --> D[得出研究结论]
    D --> E[指导教育实践]

2. 物联网与ICT在教育政策中的体现

联合国教科文组织指出，信息和通信技术（ICT）能够改善、丰富和变革教育。可持续发展目标中的目标4是实现优质教育，而ICT在实现这一目标中可以发挥关键作用。物联网技术使得所有物理对象都能连接到互联网，从而可以获取世界上所有物理对象的信息，并且该技术已扩展到不同领域。

在教育政策方面，一些国家积极推动ICT（包括物联网）的应用。以英国和日本为例：
- 英国：2014年，英国政府科学办公室强调了使用物联网的重要性以及相关教育的必要性。从2014年起，计算概念成为英国中小学的必修科目，同时鼓励学生日常使用ICT。
- 日本：日本国家课程也进行了修订以适应ICT和物联网的使用。文部科学省提出了“信息导向教育”的口号，总务省提出了“教育云平台”的口号。此外，日本政府试图利用ICT缩小城乡教育差距，长野县伊那市也在当地教育中积极推广ICT的应用。

然而，尽管ICT在正规教育中的有效性已得到证实，但物联网技术在正规教育中的应用成果相对较少。在高中和大学中，有许多关于ICT和物联网技术应用的案例，但在正规的中小学教育项目中，相关应用案例较少。

3. STEAM教育中数据管理的难题与解决方案

在科学、技术、工程、艺术和数学（STEAM）相关学科中，大多数课程都安排了测量活动，以培养学生的测量知识。但在标准实验中，学生和教师都难以管理原始数据的测量。

虽然在中小学有使用学习管理系统（LMS）或内容管理系统（CMS）作为教育课堂支持系统的案例，但这些系统大多仅用于学生下载报告或作业以及获取学习材料。如果LMS或CMS能够管理STEAM相关实验中的测量数据，那么学生和教师就能更好地利用这些数据。

例如，带有物联网技术的乐高机器人在一些工程实验中得到应用，但这些应用主要集中在大学或大学预科阶段。

为了解决这些问题，研究人员提出了一种新的学习方式，即实施基于物联网的学习材料及其管理系统，用于STEAM相关学科。该学习材料包括传感器和控制设备，管理系统包括云数据存储和用于在CMS中可视化测量数据的网站。自2017年以来，该系统已在长野县伊那地区的几所初中得到应用。

4. STEAM教育中的教学主题与实验困境

以日本初中7年级科学课程中的“物质状态”学习单元为例，该单元的目标是让学生通过测量物质状态变化的温度，了解以下内容：
- 理解每种物质的熔点和沸点是确定的。
- 通过测量熔点和沸点识别未知物质。
- 利用不同的沸点从混合物中分离物质。

这个学习单元并非日本学校独有，英国学校在低年级阶段也有类似的学习内容。在英国，学生需要学习比较和分类物质的状态，观察物质在加热或冷却时的状态变化并测量相关温度，以及了解蒸发和冷凝在水循环中的作用等。

在日本的这个学习单元中，学生需要测量水、酒精和混合物的沸点或熔点，进行混合物的蒸馏实验，以及观察盐和冰对水温的影响。通常，温度测量按教师指定的时间间隔进行，测量数据记录在表格中并绘制成时间序列折线图。测量实验后，学生要根据记录的数据和绘制的图表进行科学讨论和总结。

一般来说，三到四名学生组成一个学习小组，每个学生在实验中都有不同的角色：
- 计时员 ：通过看时钟或秒表检查测量间隔。
- 读数员 ：读取条形温度计的刻度并告知记录员。
- 记录员 ：记录温度值和记录时间。
- 观察员 ：观察物质状态的变化。

然而，通过对日本初中科学课的观察以及对师生的访谈发现，学生在进行这些实验时存在困难：
- 学生需要管理自己在实验中的角色，如计时、读取温度、记录数据等，这对他们来说具有一定难度。
- 实验过程中，学生难以准确记录和分析数据，影响了对科学规则的发现和理解。

下面是一个mermaid流程图，展示了这个实验的大致流程：

graph LR
    A[开始实验] --> B[分组并分配角色]
    B --> C[进行测量实验]
    C --> D[记录数据]
    D --> E[绘制图表]
    E --> F[科学讨论与总结]
    F --> G[教师总结指导]

物联网助力学习分析与STEAM教育管理系统

5. 基于物联网的学习材料及管理系统的应用

基于上述在STEAM教育实验中遇到的问题，研究人员所提出的基于物联网的学习材料及其管理系统就显得尤为重要。该系统主要由两部分构成：
- 学习材料 ：包含各类传感器（如温度计、气压计、湿度计、照度计、氧气计、二氧化碳密度计、加速度计和振动计等）和控制设备。这些传感器能够精准测量STEAM相关实验中的各种参数，为实验提供丰富的数据支持。
- 管理系统 ：由云数据存储和用于在CMS中可视化测量数据的网站组成。云数据存储可以安全地保存大量的实验数据，而可视化网站则能将这些数据以直观的图表和图形形式展示出来，方便学生和教师进行分析和理解。

6. 系统应用案例及效果分析

以“物质状态”学习单元中的实验为例，展示该系统的具体应用过程和效果。

在传统实验中，学生需要手动记录温度数据，过程繁琐且容易出错。而使用基于物联网的学习材料及管理系统后，实验流程发生了改变：
1. 实验准备 ：将传感器安装在实验设备上，确保其正常工作，并将数据传输到云数据存储中。
2. 实验进行 ：学生按照实验步骤进行操作，传感器自动采集温度等数据，并实时上传到云存储。
3. 数据可视化 ：学生和教师可以通过网站查看实时数据和可视化图表，如折线图、柱状图等，直观地观察物质状态变化与温度之间的关系。
4. 分析与讨论 ：根据可视化数据，学生进行科学讨论和分析，总结实验结果。教师可以引导学生发现科学规律，并进行总结和指导。

通过实际应用，该系统取得了以下效果：
- 学生参与度提高 ：系统的便捷性和可视化功能吸引了学生的兴趣，提高了他们在实验中的参与度。
- 数据准确性提升 ：传感器自动采集数据，避免了人为记录的误差，提高了数据的准确性。
- 科学思维培养 ：学生通过观察可视化数据和进行讨论分析，培养了科学思维和数据分析能力。

7. 未来展望与研究方向

基于物联网的学习材料及其管理系统在STEAM教育中展现出了巨大的潜力，但仍有一些方面需要进一步研究和改进。以下是未来的研究方向：
- 系统功能拓展 ：进一步完善系统的功能，如增加数据分析工具、提供更多的可视化方式等，以满足不同实验和教学的需求。
- 跨学科应用 ：探索该系统在更多学科和领域的应用，促进跨学科学习和创新。
- 教育评价 ：建立科学的教育评价体系，评估该系统对学生学习效果和教师教学质量的影响。

下面是一个mermaid流程图，展示了未来研究方向的大致框架：

graph LR
    A[系统功能拓展] --> B[增加数据分析工具]
    A --> C[提供更多可视化方式]
    D[跨学科应用] --> E[探索多学科应用场景]
    D --> F[促进跨学科学习创新]
    G[教育评价] --> H[建立评价体系]
    G --> I[评估学习与教学效果]

综上所述，物联网技术在学习分析和STEAM教育管理系统中的应用具有重要意义。通过解决数据管理难题、提高学习效率和培养学生科学思维，该系统为教育的发展提供了新的途径。未来，随着技术的不断发展和研究的深入，相信物联网将在教育领域发挥更大的作用。