طراحی شبکه ارتباطی مدرسه، زیرساخت اینترنت اشیا (IoT) برای هوشمندسازی کلاس ها و انتقال داده های آموزشی

پژوهش حاضر با هدف طراحی و ارزیابی یک شبکه ارتباطی مدرسه مبتنی بر زیرساخت اینترنت اشیا (IoT) برای هوشمندسازی کلاس ها و انتقال داده های آموزشی انجام شد. روش پژوهش از نوع آمیخته اکتشافی (کیفی-کمی) با رویکرد طراحی سیستم (System Design) و اعتبارسنجی تجربی بود. در بخش کیفی، با استفاده از روش تحلیل نیازسنجی و مصاحبه با ۲۵ مدیر مدرسه، معلم و متخصص فناوری آموزشی در شهر تهران، مولفه ها و الزامات کلیدی یک شبکه مبتنی بر IoT شناسایی شدند. در بخش کمی، یک نمونه آزمایشی از شبکه در مقیاس کوچک (شامل ۳ کلاس هوشمند با ۶۰ دانش آموز، ۳ معلم و یک سرور مرکزی در یک مدرسه دولتی پسرانه منطقه ۵ تهران) طی ۴ ماه پیاده سازی و ارزیابی شد. زیرساخت شامل حسگرهای دما، رطوبت، نور، حضور دانش آموز، برچسب های RFID برای حضور و غیاب، تخته های هوشمند، تبلت های دانش آموزی، گیت وی ارتباطی (Zigbee و Wi-Fi) و سرور ابری (Cloud) برای ذخیره و تحلیل داده ها بود. داده های جمع آوری شده شامل ۱۸,۴۵۰ رکورد از فعالیت های کلاسی (زمان پاسخدهی، نمرات آزمون های کوتاه، میزان مشارکت، شاخص های محیطی) بود که با استفاده از الگوریتم های یادگیری ماشین (خوشه بندی K-Means و رگرسیون لجستیک) تحلیل شدند. یافته ها نشان داد که شبکه IoT طراحی شده توانست ۹۸/۷٪ از داده ها را با تاخیر میانگین ۱/۲ ثانیه انتقال دهد (پهنای باند موثر ۲۵ مگابیت بر ثانیه). همچنین، هوشمندسازی مبتنی بر IoT باعث افزایش ۲۳/۵ درصدی مشارکت فعال دانش آموزان، کاهش ۳۱/۲ درصدی زمان انتظار برای دریافت بازخورد از معلم و بهبود ۱۸/۷ درصدی نمرات آزمون های هفتگی در مقایسه با کلاس های سنتی (کنترل) شد (p < ۰/۰۱). الگوریتم خوشه بندی سه الگوی یادگیری متمایز را شناسایی کرد: «یادگیرندگان سریع با مشارکت بالا» (۲۲٪)، «یادگیرندگان با تامل بالا» (۴۵٪) و «یادگیرندگان با مشارکت پایین» (۳۳٪). سیستم هشداردهنده مبتنی بر IoT توانست ۸۹ درصد از موارد «خطر افت تحصیلی» را حداقل دو هفته زودتر از روش های سنتی پیش بینی کند (حساسیت ۰/۸۵، ویژگی ۰/۹۲). همچنین، حسگرهای محیطی نشان دادند که دمای مطلوب کلاس (۲۱-۲۳ درجه سانتی گراد) با نمرات بالاتر (r = ۰/۴۷) و شدت نور مطلوب (۴۰۰-۵۰۰ لوکس) با کاهش خطاهای دیداری (r = -۰/۳۸) همراه است. نتیجه نهایی اینکه طراحی شبکه ارتباطی IoT برای مدارس نه تنها از نظر فنی شدنی است، بلکه مزایای آموزشی قابل اندازه گیری (افزایش مشارکت، بازخورد به موقع، شخصی سازی یادگیری) و مدیریتی (کاهش هزینه های انرژی، حضور و غیاب خودکار، نگهداری پیش بینانه تجهیزات) به همراه دارد. چالش های اصلی شامل هزینه اولیه تجهیزات، نیاز به آموزش معلمان و امنیت داده ها (حفظ حریم خصوصی دانش آموزان) است که راهکارهایی برای آن ها پیشنهاد شده است.

کلیدواژه ها:

اینترنت اشیا (IoT) ، هوشمندسازی مدارس ، شبکه ارتباطی آموزشی ، داده های یادگیری ، کلاس هوشمند