基于物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)的智慧教室建構(gòu)的研究

鄭廣成 朱翠苗

摘 要：針對(duì)智慧教室智慧性要求，結(jié)合高職現(xiàn)有多媒體教室、理實(shí)一體化機(jī)房、智能錄播室建設(shè)基礎(chǔ)，提出了基于物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)的智慧教室建構(gòu)體系，并從智慧教室建構(gòu)原則、功能、基于物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)體系等方面進(jìn)行設(shè)計(jì)，給出了基于物聯(lián)網(wǎng)三層結(jié)構(gòu)的智慧教室架構(gòu)，對(duì)感知層智慧場(chǎng)所設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)層通信服務(wù)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、應(yīng)用層系統(tǒng)總控和對(duì)外繼承等方面，進(jìn)行明確說(shuō)明和設(shè)計(jì)，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)智慧教室建設(shè)方案給出了幾點(diǎn)建議，該建構(gòu)體系更適合高職院校進(jìn)行智慧教室建設(shè)。

關(guān)鍵詞：智慧教室；物聯(lián)網(wǎng)；建構(gòu)體系

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A、

Abstract：According to the wisdom requirements of the smart classroom，the paper proposes the construction system of the smart classroom based on the internet of things，with the current infrastructure of multimedia classrooms and theory-practice integrated computer classrooms in higher vocational colleges.The smart classroom is designed from the construction principle，the function of the smartclassroom and the architecture based on the internet of things.The smart classroom is structured based on the 3-layered architecture of the internet of things.The paper elaborates on the classroom equipment on the perception layer，the communication service and the network protocol on the network layer，and the general control and the external inheritance on the application layer，etc..Some constructive suggestions are provided on the construction of the smart classroom based on the internet of things.This construction system is more suitable for the construction of the smart classroom in higher vocational colleges.

Keywords：the smart classroom；the internet of things；construction system

1 引言（Introduction）

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的成熟，實(shí)現(xiàn)了教育信息化的大跨越，面向移動(dòng)學(xué)習(xí)和大數(shù)據(jù)時(shí)代，高職院校在數(shù)字化教學(xué)資源平臺(tái)建設(shè)的基礎(chǔ)上，陸續(xù)探索和實(shí)踐智慧教室的建設(shè)工程，尤其采用物聯(lián)網(wǎng)感知實(shí)現(xiàn)信息的識(shí)別、智能處理和共享推送，為信息化學(xué)習(xí)、移動(dòng)學(xué)習(xí)和多樣化學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)，而智慧教室建設(shè)必須充分考慮技術(shù)的穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性、控制自動(dòng)化、系統(tǒng)集成性[1，2]，必須充分考慮傳感節(jié)點(diǎn)設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)通信和信息資源處理的有效整合，實(shí)現(xiàn)智慧教室與教學(xué)資源平臺(tái)的實(shí)時(shí)對(duì)接。為此，本文將主要討論基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高職智慧教室建構(gòu)體系和建設(shè)方案 。

2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（Technology of internet and things）

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、Internet的技術(shù)升級(jí)，按照協(xié)議規(guī)定，可以將任何物體與互聯(lián)網(wǎng)連接，實(shí)現(xiàn)智能化、自動(dòng)化的互聯(lián)和交互，為人們生活、生產(chǎn)、學(xué)習(xí)帶來(lái)了更加便利的服務(wù)，涵蓋了信息識(shí)別、讀取、傳送、處理、存儲(chǔ)、應(yīng)用的全過(guò)程，尤其是終端智能設(shè)備、傳感設(shè)備的作用得到了充分發(fā)揮和利用，為教育信息化、自動(dòng)化、現(xiàn)代化提供更加理想的解決方案。

物聯(lián)網(wǎng)主要包括RFID、中間件、互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用三部分構(gòu)成，RFID主要提供信息識(shí)別，從終端節(jié)點(diǎn)設(shè)備獲取信息，然后通過(guò)中間件（Savant）對(duì)信息進(jìn)行分析、傳輸、存儲(chǔ)，通過(guò)Internet網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)個(gè)性化的應(yīng)用服務(wù)，整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層，感知層是物聯(lián)網(wǎng)的底層，是有無(wú)數(shù)個(gè)節(jié)點(diǎn)（各類傳感設(shè)備）構(gòu)成，通過(guò)WIFI、ZigBee等方式接入互聯(lián)網(wǎng)[3]，完成信息分析、傳輸、存儲(chǔ)，最后通過(guò)應(yīng)用層軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘、處理、操作和信息決策，為用戶提供各種操作服務(wù)[4-6]。物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧教室建構(gòu)體系（Construction

system of smart classrooms based on construction

of internet and things）

智慧教室將成為現(xiàn)代教育重要平臺(tái)和手段，是未來(lái)課堂的主要形式.諸多院校都有多媒體教室、理實(shí)一體化機(jī)房、智能錄播室等具有一定信息化的場(chǎng)室，這些場(chǎng)室具有一定信息化，但缺乏“智慧性”，即自動(dòng)化、系統(tǒng)化、協(xié)同化，將繁瑣的教學(xué)資源和信息通過(guò)半人工方式收集顯然不能滿足現(xiàn)代職業(yè)教育教與學(xué)的需求[7]，必須借助物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，構(gòu)建以智慧教室為載體的智慧學(xué)習(xí)平臺(tái)，成為高職教育信息化教學(xué)改革主要目標(biāo)和任務(wù)，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)將課堂教學(xué)活動(dòng)、教學(xué)內(nèi)容記錄、存儲(chǔ)，并與教學(xué)資源平臺(tái)、移動(dòng)學(xué)習(xí)平臺(tái)無(wú)縫對(duì)接成為智慧教室建設(shè)重點(diǎn)，結(jié)合蘇州健雄職業(yè)技術(shù)學(xué)院智慧教室建設(shè)基礎(chǔ)，考慮現(xiàn)有多媒體教室、智能錄播室、理實(shí)一體化機(jī)房中的各種設(shè)備有效地控制、協(xié)同工作，從整體到局部進(jìn)行智慧教室建構(gòu)。

3.1 架構(gòu)原則

（1）充分利用現(xiàn)有設(shè)備和條件

現(xiàn)有教學(xué)場(chǎng)室已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了信息化教學(xué)，具有半智能化功能，多媒體教室、機(jī)房、智能錄播室已經(jīng)具備高清數(shù)字電視、電子白板、短焦投影儀、實(shí)物展臺(tái)、無(wú)線麥克、智能變焦、智能錄播軟件、音響設(shè)備、攝像頭、空調(diào)等硬件，必須基于這些設(shè)備[4]，采取優(yōu)化、改進(jìn)和補(bǔ)充的方式，進(jìn)行智慧教室的集成性設(shè)計(jì)。

（2）準(zhǔn)確定位智慧教室的功能

智慧教室主要功能是記錄、收集、存儲(chǔ)授課過(guò)程和內(nèi)容，提高學(xué)習(xí)效率、易于課堂控制、方便學(xué)生多樣化學(xué)習(xí)，方便與教學(xué)資源平臺(tái)對(duì)接，實(shí)現(xiàn)資源共享，智慧教室的功能定位如圖2所示。

圖2 智慧教室功能設(shè)計(jì)

Fig.2 Feature design of smart classroom

（3）以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為核心

智慧教室主要實(shí)現(xiàn)物與物的互聯(lián)、人與設(shè)備的識(shí)別、自動(dòng)交互，只有使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將智慧教室的設(shè)備、物品連接成一個(gè)智慧教室系統(tǒng)，才能實(shí)現(xiàn)智慧化教學(xué)控制、管理[5]。

（4）與信息化教學(xué)平臺(tái)對(duì)接

智慧教室錄制的優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源，要及時(shí)在信息化教學(xué)平臺(tái)更新，滿足學(xué)生課外鞏固學(xué)習(xí)、移動(dòng)學(xué)習(xí)的需要，才能彰顯它強(qiáng)大的教育功能。

（5）方便設(shè)備接入與擴(kuò)展

師生自己的手機(jī)、筆記本電腦、平板等終端設(shè)備應(yīng)很容易接入，成為智慧學(xué)習(xí)的輔助工具實(shí)現(xiàn)教學(xué)過(guò)程控制、交互和信息通訊的教具。

（6）配備智能錄播和信息采集軟件

智慧教室的智慧性就是由完美科學(xué)的中控軟件，對(duì)攝像、監(jiān)控頭、聲音、人員行為能夠智能識(shí)別、區(qū)別記錄、自動(dòng)存儲(chǔ)等功能，必須配備一定的智慧軟件才能實(shí)現(xiàn)，可以說(shuō)智慧軟件是智慧教室管理、協(xié)同和控制的核心。

3.2 智慧教室設(shè)備組成

智慧教室的主要設(shè)備包括：燈光、攝像頭、音箱公放、采集話筒、電子白板、變焦攝像頭、電腦、筆記本、中央處理器、實(shí)物展臺(tái)、移動(dòng)設(shè)備（接口）等，還要包括空調(diào)、通風(fēng)、隔音等輔助條件。智慧教室場(chǎng)室屬于智慧教室的感知層，主要用來(lái)信息采集、控制，如圖3所示。

3.3 基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧教室層次架構(gòu)

（1）智慧教室感知層設(shè)計(jì)

在智慧教室機(jī)柜中安裝RFID系統(tǒng)，用射頻IC卡、手機(jī)、指紋等手段驗(yàn)證身份，可以使用智慧教室[6]；在教室安裝2—3個(gè)變焦攝像頭和多個(gè)監(jiān)控?cái)z像頭，實(shí)時(shí)根據(jù)教師和學(xué)生移動(dòng)、動(dòng)作自動(dòng)捕捉教學(xué)場(chǎng)景，配備計(jì)算機(jī)、投影儀、電子白板、功放、電動(dòng)窗簾、教室前排燈光、音響、實(shí)物展臺(tái)等感知設(shè)備；RFID、攝像頭和傳感器所構(gòu)筑的智慧教室感知層隨時(shí)監(jiān)視教學(xué)情況，通過(guò)傳感器設(shè)備監(jiān)測(cè)教室設(shè)備狀態(tài)和運(yùn)行參數(shù)，全方位“實(shí)時(shí)感知、動(dòng)態(tài)控制和智慧處理智慧教室中各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)和場(chǎng)景。如圖4所示。

classroom

（2）智慧教室網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計(jì)

作為中間層，網(wǎng)絡(luò)層將感知層采集獲取的信息通過(guò)以太、無(wú)線、移動(dòng)等網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)時(shí)傳送，實(shí)現(xiàn)智慧教室通訊網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)質(zhì)計(jì)算、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)高效通信、無(wú)線傳輸，主要采用IPv6作為通用協(xié)議，比IPv4具有更加穩(wěn)定的通信能力，同時(shí)考慮與校園網(wǎng)的對(duì)接，為進(jìn)一步集成現(xiàn)有的教學(xué)資源平臺(tái)、課程資源平臺(tái)甚至為魔課、SPOC提供支持，網(wǎng)絡(luò)層通信的主要目的是服務(wù)好應(yīng)用層，完成人與物、物與物的智慧通信。

（3）智慧教室應(yīng)用層設(shè)計(jì)

智慧教室場(chǎng)室多、設(shè)備多、連接復(fù)雜、數(shù)據(jù)多樣，必須采取云計(jì)算技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用層管理與控制，通過(guò)云計(jì)算節(jié)點(diǎn)控制平臺(tái)對(duì)智慧教室系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、控制和故障分析，同時(shí)通過(guò)云數(shù)據(jù)分析和處理技術(shù)[6]，將不同的智慧信息和數(shù)據(jù)分類發(fā)送到不同平臺(tái)用戶進(jìn)行處理，將智慧教室的優(yōu)質(zhì)資源分享給廣大學(xué)習(xí)者。

4 智慧教室建設(shè)方案建議（Recommendations of

smart classroom construction program）

4.1 硬件裝備

智慧教室首先是計(jì)算出每個(gè)場(chǎng)室需要設(shè)備的類型、數(shù)量以及報(bào)價(jià)，同時(shí)考慮對(duì)場(chǎng)室基本環(huán)境的改造要求，例如：空調(diào)、窗簾、隔音墻、弱點(diǎn)強(qiáng)點(diǎn)布線等工程造價(jià)，再統(tǒng)計(jì)場(chǎng)室數(shù)量，整體進(jìn)行設(shè)備采購(gòu)套數(shù)、數(shù)量、規(guī)格進(jìn)行界定，設(shè)計(jì)設(shè)備采購(gòu)表。

4.2 軟件子系統(tǒng)配備

結(jié)合不同設(shè)備集成后的功能，建設(shè)一個(gè)綜合物聯(lián)網(wǎng)智慧教室應(yīng)用系統(tǒng)，智慧教室系統(tǒng)應(yīng)包括以下子系統(tǒng)[8]：（1）授課管理系統(tǒng)：實(shí)現(xiàn)師生交互式課堂管理與教學(xué)；（2）教學(xué)展示系統(tǒng)：用于顯示上課課程、班級(jí)、教師、到課率和各傳感器數(shù)據(jù)信息；（3）考勤管理系統(tǒng)：采用RFID標(biāo)簽（校園卡）或手機(jī)進(jìn)行考勤，識(shí)別學(xué)員身份，支持遠(yuǎn)程考勤與打印等；（4）設(shè)備管理系統(tǒng)：對(duì)場(chǎng)室設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)控、能直接識(shí)別非法設(shè)備；（5）燈光控制系統(tǒng)：根據(jù)人員活動(dòng)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，尤其是教室走動(dòng)到哪里，又該有燈光跟隨；（6）窗簾控制系統(tǒng)：能夠自動(dòng)來(lái)開(kāi)關(guān)閉，能根據(jù)光線強(qiáng)度自動(dòng)拉動(dòng)補(bǔ)光或全關(guān)閉；（7）溫濕度控制系統(tǒng)：通過(guò)溫濕度傳感器監(jiān)測(cè)室內(nèi)溫度，自動(dòng)關(guān)閉、開(kāi)啟、停歇空調(diào)和加濕器；（8）安全保護(hù)系統(tǒng)：實(shí)施對(duì)窗戶的自動(dòng)監(jiān)視和報(bào)警；（9）通風(fēng)控制系統(tǒng)：根據(jù)CO2濃度，自動(dòng)開(kāi)啟或關(guān)閉抽風(fēng)機(jī)；（10）視頻錄制系統(tǒng)：分為界面視頻錄制和教學(xué)活動(dòng)監(jiān)控，教學(xué)活動(dòng)有局部變焦監(jiān)控和全場(chǎng)定焦監(jiān)控[9]。

4.3 通過(guò)招標(biāo)聘請(qǐng)專業(yè)人員施工

智慧教室的施工對(duì)系統(tǒng)是否穩(wěn)定、是否通暢有重要的作用，尤其對(duì)設(shè)備參數(shù)配置、設(shè)備連接、設(shè)備調(diào)試、設(shè)備整體優(yōu)化影響較大，因此，高職院校建設(shè)智慧教室在明確目標(biāo)要求前提下，通過(guò)招標(biāo)采購(gòu)正品設(shè)備、招聘專業(yè)施工隊(duì)進(jìn)行智慧教室建設(shè)至關(guān)重要。

5 結(jié)論（Conclusion）

智慧教室是高職信息化教學(xué)改革和智慧校園建設(shè)核心工作，也是目前高職教學(xué)改革的熱門(mén)話題，同時(shí)也是IT行業(yè)新型服務(wù)業(yè)務(wù)，智慧教室必須充分考慮智慧性，將物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等現(xiàn)代信息技術(shù)綜合應(yīng)用，與現(xiàn)有教學(xué)資源系統(tǒng)等平臺(tái)對(duì)接，才能發(fā)揮出智慧教室的智能性，智慧教室實(shí)施最重要的就是建構(gòu)方案，不僅考慮教學(xué)的便利性、高效性，更要考慮信息交互的通暢性，場(chǎng)室的安全性和舒適性，智慧教室建設(shè)還處于起步階段，有待于不斷探索和創(chuàng)新。

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作者簡(jiǎn)介：

鄭廣成（1978-），男，碩士，高級(jí)工程師，副教授.研究領(lǐng)域：云軟件架構(gòu)技術(shù)，移動(dòng)互聯(lián)應(yīng)用技術(shù)，高職現(xiàn)代學(xué)徒制教育改革與信息化教學(xué)研究.

朱翠苗（1976-），女，碩士，副教授.研究領(lǐng)域：軟件算法，物聯(lián)網(wǎng)，職業(yè)技術(shù)教育.