基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的多媒體教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

葉惠文，柯銘健

（華南師范大學(xué)，廣東廣州 510631）

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的多媒體教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

葉惠文，柯銘健

（華南師范大學(xué)，廣東廣州 510631）

在傳統(tǒng)的多媒體教學(xué)系統(tǒng)中，硬件的中央控制器的使用，容易造成前后端、中間傳輸通道不一致性和系統(tǒng)維護(hù)、升級(jí)困難的問題。本研究以《多媒體教學(xué)環(huán)境的工程建設(shè)規(guī)范》為標(biāo)準(zhǔn)，用物聯(lián)網(wǎng)的理念及技術(shù)設(shè)計(jì)多媒體教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)備和構(gòu)建系統(tǒng)支撐環(huán)境。使用軟件中央控制器替代傳統(tǒng)的硬件控制器，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控和課室的桌面操作虛擬化及個(gè)性化。在運(yùn)維中能對(duì)各媒體設(shè)備透明管理，實(shí)現(xiàn)快捷、預(yù)警式系統(tǒng)維護(hù)和無障礙的升級(jí)。

物聯(lián)網(wǎng)；軟件中控；數(shù)據(jù)采集；遠(yuǎn)程維護(hù)；移動(dòng)管理

一、引言

21世紀(jì)，隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，掀起了教育信息技術(shù)在教學(xué)中應(yīng)用的高潮。學(xué)校的多媒體教學(xué)課室逐漸普及，教師應(yīng)用教育技術(shù)手段進(jìn)行教學(xué)的行為從個(gè)別轉(zhuǎn)為普遍，可以說今天每個(gè)老師每一節(jié)課都離不開信息化和多媒體。但是，隨著學(xué)校的多媒體教學(xué)系統(tǒng)的大量配置，如何超前發(fā)現(xiàn)故障，進(jìn)行快速處理，保障系統(tǒng)正常運(yùn)作，確保正常教學(xué)開展，成為學(xué)校信息化教學(xué)管理部門嚴(yán)重困惑的問題。

二、多媒體教學(xué)系統(tǒng)的現(xiàn)狀及存在問題

從事教育信息化教學(xué)保障的技術(shù)工程師和管理部門都知道，目前在學(xué)校里使用的多媒體設(shè)備種類多，標(biāo)準(zhǔn)各自為政，中控互換性能差，除了計(jì)算機(jī)設(shè)備外，多媒體教學(xué)系統(tǒng)設(shè)備的生產(chǎn)廠家大多數(shù)規(guī)模小，工廠的生命周期短，可持續(xù)性發(fā)展能力弱。所有這些給當(dāng)前學(xué)校多媒體教學(xué)系統(tǒng)的大規(guī)模建設(shè)、應(yīng)用以及維護(hù)帶來許多問題。主要表現(xiàn)在：

（1）多媒體教學(xué)系統(tǒng)的中控設(shè)備類型多，標(biāo)準(zhǔn)與通信協(xié)議各自獨(dú)立，相互不能替代，不能互聯(lián)互通，系統(tǒng)的維護(hù)及升級(jí)必須依托原生產(chǎn)廠商。

（2）產(chǎn)品廠家規(guī)模小，競(jìng)爭(zhēng)激烈，為了保證利潤(rùn)，各廠家不斷壓縮原材料成本，造成產(chǎn)品性能和穩(wěn)定性差。

（3）多媒體教學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)品涉及的技術(shù)種類多，但是學(xué)校維護(hù)人員技術(shù)覆蓋面窄，且人員不足。同時(shí)，由于這些管理部門都是教輔單位，難以穩(wěn)定高層次、高技術(shù)人才，造成維護(hù)服務(wù)困難。

（4）信息化管理程度低。雖然，很多學(xué)校采購的系統(tǒng)都兼有信息化的管理系統(tǒng)，但是，由于多媒體教學(xué)系統(tǒng)發(fā)展的歷史原因，大多數(shù)生產(chǎn)廠家目前主要的投入都是放在硬件上，有些供應(yīng)商的產(chǎn)品還不是自己開發(fā)的，而是OEM產(chǎn)品。因此，系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化管理性能不強(qiáng)，雖然有些廠商所開發(fā)的產(chǎn)品支持網(wǎng)絡(luò)接入，但是在整體上軟件開發(fā)能力較弱，開發(fā)的管理平臺(tái)跨平臺(tái)、跨網(wǎng)段功能較弱，結(jié)構(gòu)不合理，與學(xué)校其他教學(xué)系統(tǒng)互通、融入功能差。

（5）學(xué)校注重系統(tǒng)的建設(shè)，系統(tǒng)維護(hù)經(jīng)費(fèi)投入少。

針對(duì)上述諸多問題，一些有一定能力的廠商試圖開發(fā)所謂智能化的系統(tǒng)，完善多媒體教學(xué)系統(tǒng)管理功能。但是，往往還是依照傳統(tǒng)思維進(jìn)行開發(fā)，沒有從根本和發(fā)展性方面進(jìn)行思考，即設(shè)備生產(chǎn)沒有從國(guó)標(biāo)化、設(shè)備的互換性、管理信息化和可視化、維護(hù)服務(wù)的遠(yuǎn)程化等方面進(jìn)行思考；沒有注重軟件管理平臺(tái)的研發(fā)和投入，沒能注重應(yīng)用的個(gè)性化和多用性。

圍繞這些問題，本文提出了利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)原理，用軟件技術(shù)構(gòu)建中央控制器的理念，設(shè)計(jì)和構(gòu)建硬件系統(tǒng)，形成個(gè)性化操作界面，實(shí)現(xiàn)操作、控制、維護(hù)可視化、透明化和遠(yuǎn)程化。

三、基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的多媒體教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想

物聯(lián)網(wǎng)是指通過各種信息傳感設(shè)備，如傳感器、射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)、全球定位系統(tǒng)、紅外感應(yīng)器、激光掃描器、氣體感應(yīng)器等各種裝置與技術(shù)，實(shí)時(shí)采集任何需要監(jiān)控、連接、互動(dòng)的物體或過程，采集其聲、光、熱、電、力學(xué)、化學(xué)、生物、位置等各種需要的信息，與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合形成的一個(gè)巨大網(wǎng)絡(luò)。其目的是實(shí)現(xiàn)物與物、物與人，所有的物品與網(wǎng)絡(luò)的連接，方便識(shí)別、管理和控制。[2]

從定義可以得出物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的最大特點(diǎn)是：①所聯(lián)的物可視化、透明化。對(duì)于用戶來說，通過各種傳感器和采集器件，可以一覽無遺地看到設(shè)備的功能、性能、參數(shù)以及輸入輸出結(jié)果，非常方便應(yīng)用和管理；②物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的重要支撐條件是應(yīng)用領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)和智能化管理平臺(tái)以及專業(yè)知識(shí)資源庫。

根據(jù)上述特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)以中國(guó)教育技術(shù)協(xié)會(huì)制定的《多媒體教學(xué)環(huán)境工程建設(shè)規(guī)范》[1]為指導(dǎo)準(zhǔn)則，統(tǒng)一多媒體教學(xué)設(shè)備互換技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)；在硬件設(shè)計(jì)上將所有多媒體系統(tǒng)所需設(shè)備內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議硬軟件模塊和設(shè)備自檢、數(shù)據(jù)采集和信號(hào)檢測(cè)模塊；在應(yīng)用平臺(tái)上，開發(fā)出透明化、可視化的管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)的遠(yuǎn)程管理、跨網(wǎng)段管理；所有的控制操作在統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)條件下，開發(fā)軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)多媒體設(shè)備聯(lián)動(dòng)控制的集成、控制與操作。

四、基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的多媒體教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.系統(tǒng)架構(gòu)

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的多媒體教學(xué)系統(tǒng)由兩大部分組成：硬件部分和軟件部分。大家都知道，目前的應(yīng)用系統(tǒng)大多數(shù)是以單片機(jī)技術(shù)為核心的硬件系統(tǒng)。然而，僅僅由硬件組成的系統(tǒng)只能是一個(gè)裸系統(tǒng)或是其功能得不到最大化、最優(yōu)化應(yīng)用的系統(tǒng)。因此，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的多媒體教學(xué)系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)、數(shù)據(jù)傳感與采集技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)以及智能技術(shù)的集成。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.硬件系統(tǒng)構(gòu)成

（1）系統(tǒng)管理中心

主要硬件有計(jì)算機(jī)、顯示設(shè)備和數(shù)據(jù)處理服務(wù)器。結(jié)構(gòu)如圖2所示。

（2）支撐系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)：由原有教學(xué)課室網(wǎng)絡(luò)完成，組建無線（WIFI）網(wǎng)絡(luò)。

（3）課室物聯(lián)網(wǎng)多媒體教學(xué)系統(tǒng)

1）多媒體教學(xué)系統(tǒng)設(shè)備

課室多媒體教學(xué)系統(tǒng)設(shè)備由計(jì)算機(jī)、有線及無線拾音設(shè)備、音頻擴(kuò)音設(shè)備、視音頻信號(hào)切換設(shè)備、顯示設(shè)備、信號(hào)源播放設(shè)備等構(gòu)成。

各媒體設(shè)備內(nèi)嵌TCP/IP通信接口與協(xié)議和設(shè)備功能數(shù)據(jù)檢測(cè)與采集模塊。如圖3所示。

2）課堂教學(xué)錄制系統(tǒng)

課堂教學(xué)錄制系統(tǒng)主要是課堂教學(xué)錄播設(shè)備，如攝像機(jī)、視音頻信號(hào)數(shù)字化處理器、錄播服務(wù)器及存儲(chǔ)設(shè)備。隨著教育的發(fā)展，信息化、個(gè)性化、自主化學(xué)習(xí)在教與學(xué)中顯得更為突出，數(shù)字化的教學(xué)資源將是今后各個(gè)學(xué)校重點(diǎn)建設(shè)的工作，所以，物聯(lián)網(wǎng)多媒體教學(xué)系統(tǒng)既是信息化教學(xué)系統(tǒng)，又是教學(xué)資源制作系統(tǒng)。

3）多媒體設(shè)備網(wǎng)絡(luò)交換系統(tǒng)

多媒體設(shè)備網(wǎng)絡(luò)交換系統(tǒng)主要由兩個(gè)部分構(gòu)成：①通用的網(wǎng)絡(luò)交換與路由設(shè)備，并各課室完成內(nèi)部子網(wǎng)；②內(nèi)部的無線WIFI網(wǎng)絡(luò)，完成系統(tǒng)無線接入設(shè)備的鏈接，如移動(dòng)操作控制，無線拾音和無線擴(kuò)音等設(shè)備互聯(lián)。

4）移動(dòng)管理系統(tǒng)

移動(dòng)管理系統(tǒng)主要由移動(dòng)終端設(shè)備構(gòu)成，如iPad、移動(dòng)平板、手提平板終端和智能手機(jī)等。

（4）物聯(lián)網(wǎng)多媒體教學(xué)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)多媒體教學(xué)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3.軟件系統(tǒng)構(gòu)成

物聯(lián)網(wǎng)多媒體教學(xué)系統(tǒng)的軟件部分由四個(gè)模塊組成：課室多媒體教學(xué)系統(tǒng)的軟件中央控制器；多媒體教學(xué)課室的系統(tǒng)管理中心；遠(yuǎn)程管理與維護(hù)中心；教學(xué)錄播制作系統(tǒng)。

（1）軟件中央控制器

由于物聯(lián)網(wǎng)多媒體教學(xué)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)上在每個(gè)媒體設(shè)備內(nèi)嵌入了TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)通信接口和數(shù)據(jù)采集、檢測(cè)器件，所有設(shè)備在《多媒體教學(xué)環(huán)境的工程建設(shè)規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)下，通過內(nèi)部子網(wǎng)將各種媒體的功能集成到軟件中央控制器平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)本地或遠(yuǎn)程操作。

（2）系統(tǒng)管理中心

1）系統(tǒng)設(shè)備的信息收集

通過網(wǎng)絡(luò)將各課室的多媒體設(shè)備（模塊）自身檢測(cè)、采集和感應(yīng)的數(shù)據(jù)收集到本中心，經(jīng)過分類并歸處理，形成設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息圖。管理人員可以根據(jù)該運(yùn)行圖，隨時(shí)進(jìn)行控制、操作。

2）課室教學(xué)管理

課室的教學(xué)管理主要任務(wù)是根據(jù)教學(xué)管理部門的課室安排信息導(dǎo)入該系統(tǒng)，然后，根據(jù)課室的授課人與專業(yè)課程以及教學(xué)的需要，將多媒體教學(xué)桌面與對(duì)應(yīng)人和課室關(guān)聯(lián)起來。

個(gè)性化應(yīng)用設(shè)置。在學(xué)校教學(xué)中，每位教師都有自己的教學(xué)方法和教學(xué)個(gè)性，本系統(tǒng)里不僅僅是控制操作媒體設(shè)備，更重要的是為教師設(shè)置一個(gè)個(gè)性化的桌面，將其所常用到的工具軟件或網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)的鏈接嵌入桌面中，更好地進(jìn)行教學(xué)。

共享應(yīng)用軟件及資源服務(wù)庫管理。信息化教學(xué)過程中，各類專業(yè)都有共享的軟件、課件和資源，系統(tǒng)建立一個(gè)共享的軟件和資源庫，方便教學(xué)中即時(shí)應(yīng)用。

3）遠(yuǎn)程管理與維護(hù)中心

遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程管理和維護(hù)。目前在我國(guó)各類型各層次的學(xué)校都存在多校區(qū)的布局，尤其是高校更為普遍。隨著社會(huì)發(fā)展，社會(huì)分工越來越細(xì)，越來越精，很多學(xué)校的教學(xué)服務(wù)系統(tǒng)委托一些專業(yè)公司維護(hù)，為了保障系統(tǒng)的正常、良好運(yùn)作，系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要跨校區(qū)、跨網(wǎng)段，以便于統(tǒng)一管理，這樣各課堂系統(tǒng)的操作與控制、預(yù)警故障服務(wù)、軟件升級(jí)、系統(tǒng)檢測(cè)與檢查等等就可以通過遠(yuǎn)程完成。

4）移動(dòng)服務(wù)管理

移動(dòng)管理是當(dāng)今信息化管理的一種新模式，由于這種管理是利用智能移動(dòng)終端，實(shí)現(xiàn)流動(dòng)式管理，這樣可以大大減少管理人員，不僅可以提高管理的效率，還可以降低管理的成本。在物聯(lián)網(wǎng)多媒體教學(xué)系統(tǒng)里，匯集在系統(tǒng)管理中心的設(shè)備狀態(tài)信息、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和操作控制命令都可以通過無線網(wǎng)絡(luò)，發(fā)送到移動(dòng)終端，管理人員隨時(shí)了解到所有課室設(shè)備運(yùn)行中的各種信息和故障，可以即時(shí)進(jìn)行操控和維護(hù)，或向用戶提供信息化教學(xué)所需的服務(wù)。

4.教學(xué)錄播制作與資源管理系統(tǒng)[3]

（1）課堂教學(xué)過程自動(dòng)錄制?！?0后”的大學(xué)生最大的特點(diǎn)是學(xué)習(xí)的個(gè)性化和自主化。但是，要滿足學(xué)生的求知欲，學(xué)校必須提供大量的優(yōu)質(zhì)的信息化學(xué)習(xí)資源，而教師的課堂教學(xué)過程就是最直接的資源。因此，將教師課堂教學(xué)過程錄制下來上傳到網(wǎng)上，供學(xué)生自主學(xué)習(xí)。本系統(tǒng)中利用廣州某公司新研制的高清錄播系統(tǒng)成果，構(gòu)成系統(tǒng)的自動(dòng)錄播工具。

（2）錄制資源搜索瀏覽與推送學(xué)習(xí)。目前現(xiàn)有視頻課程資源由于技術(shù)問題，尚不能隨機(jī)選擇某片段進(jìn)行瀏覽學(xué)習(xí)，給學(xué)生進(jìn)行選擇性學(xué)習(xí)帶來了困難。所以，本系統(tǒng)嵌入利用了視頻標(biāo)注技術(shù)課程資源管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)視頻搜索瀏覽和學(xué)習(xí)推送功能。該軟件可以根據(jù)知識(shí)點(diǎn)在對(duì)應(yīng)的視頻中加注釋，在瀏覽時(shí)可以根據(jù)所學(xué)習(xí)的知識(shí)點(diǎn)關(guān)鍵詞快速搜索到對(duì)應(yīng)的視頻進(jìn)行播放；同時(shí)，還可以根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)的困惑，將知識(shí)點(diǎn)的視頻片段推送給學(xué)生。

5.系統(tǒng)的特點(diǎn)

（1）依據(jù)中國(guó)教育技術(shù)協(xié)會(huì)制定的《多媒體教學(xué)環(huán)境的工程建設(shè)規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)，通過物聯(lián)網(wǎng)媒體設(shè)備，實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通。避免了在系統(tǒng)建設(shè)時(shí)，一旦中標(biāo)，升級(jí)和維護(hù)永遠(yuǎn)跟設(shè)備供應(yīng)商走的弊端。

（2）采用軟件中央控制器替代硬件中央控制器。在《多媒體教學(xué)環(huán)境的工程建設(shè)規(guī)范》下，軟件中控器平臺(tái)的開發(fā)完全不需了解各媒體的硬件性能及參數(shù)。所以軟件開發(fā)實(shí)力較強(qiáng)的廠商（公司）可以無需關(guān)注和了解硬件設(shè)備的結(jié)構(gòu)，充分利用軟件開發(fā)的特長(zhǎng)，開發(fā)出功能強(qiáng)大、智能化的控制平臺(tái)，尤其是具備虛擬桌面技術(shù)的團(tuán)隊(duì)，可以引入虛擬桌面技術(shù)，根據(jù)各校、各專業(yè)、各教師的教學(xué)特點(diǎn)，將操作控制及個(gè)性化教學(xué)開發(fā)融為一個(gè)桌面，為教師教學(xué)提供更好的操控界面。

（3）系統(tǒng)所有媒體設(shè)備實(shí)現(xiàn)透明監(jiān)控、遠(yuǎn)程維護(hù)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)的多媒體設(shè)備最大的特點(diǎn)是設(shè)備所有功能、性能、參數(shù)以及運(yùn)行狀態(tài)對(duì)使用者是透明的，設(shè)備一旦通電運(yùn)行，管理者可以隨時(shí)了解系統(tǒng)運(yùn)行的所有信息和狀況。

（4）根據(jù)應(yīng)用需求制定個(gè)性化虛擬操作控制桌面。物聯(lián)網(wǎng)多媒體教學(xué)系統(tǒng)中，應(yīng)用了軟件控制技術(shù)替代硬件控制技術(shù)，因而可以直接引入當(dāng)今先進(jìn)的虛擬桌面技術(shù)進(jìn)行個(gè)性化桌面制定和移動(dòng)管理。隨著云計(jì)算的發(fā)展，可以說今后的多媒體教學(xué)系統(tǒng)將完全依托“云端”進(jìn)行超前預(yù)警、即時(shí)監(jiān)控、即時(shí)服務(wù)。

五、發(fā)展預(yù)測(cè)

多媒體教學(xué)系統(tǒng)是今后數(shù)字校園和智慧校園的重要組成部分，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的多媒體教學(xué)系統(tǒng)，所有設(shè)備采用規(guī)范、統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，容易實(shí)現(xiàn)物聯(lián)，實(shí)現(xiàn)可視化、透明化管理，使系統(tǒng)的運(yùn)維、預(yù)警式服務(wù)得到更好地體現(xiàn)，可以有力地保障信息化教學(xué)的順利進(jìn)行。同時(shí)，本系統(tǒng)除了實(shí)現(xiàn)多媒體教學(xué)外，還具有課堂教學(xué)的自動(dòng)錄播功能，是一個(gè)教學(xué)及資源制作的集成系統(tǒng)。該系統(tǒng)的應(yīng)用將會(huì)更好地促進(jìn)教學(xué)信息化的應(yīng)用。☉

[1]中國(guó)教育技術(shù)協(xié)會(huì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì).多媒體教學(xué)環(huán)境工程工程建設(shè)規(guī)范[S].北京:清華大學(xué)出版社,2011.8.

[2]物聯(lián)網(wǎng)[DB/OL].百度百科，2011.10.20.

[3]葉惠文,杜炫杰.精品課程錄播系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)及實(shí)施[J].中國(guó)電化教育,2009(9).

[4]葉惠文,沈云云.基于觸摸技術(shù)的LCD多屏組合多媒體教學(xué)系統(tǒng)[J].現(xiàn)代教育技術(shù)，2010(9).

[5]劉典文.數(shù)字多媒體中央控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].湖南大學(xué)碩士學(xué)位論文,2007.

[6]楊紹先.多媒體教學(xué)軟件設(shè)計(jì)與開發(fā)[M].北京:高等教育出版社,2008.

[7]雷斌.移動(dòng)終端在自動(dòng)化倉庫管理中的應(yīng)用[J].蘭州交通大學(xué)學(xué)報(bào),2009(4).

[8]付翠云.基于多媒體教學(xué)系統(tǒng)的研究[DB/OL].中國(guó)科技論文在線,2011-10-17.

（編輯：金冉）

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1673-8454(2012)11-0046-04