基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧教室建設(shè)思路

戴運(yùn)籌

DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2016.14.126

摘 要：隨著以物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)為代表的新一代信息技術(shù)的日趨成熟，在教育領(lǐng)域，建設(shè)一套具有智慧技術(shù)、智慧應(yīng)用、智慧管理等特征的智慧教室成為新的熱點(diǎn)。該文從當(dāng)前多媒體教室的管理與使用角度出發(fā)，闡述了智慧教室的概念及特征，并根據(jù)對其中的設(shè)備控制、溫濕度控制等進(jìn)行了討論，提出了智慧教室的建設(shè)思路。

關(guān)鍵詞：智慧教室 物聯(lián)網(wǎng) 建設(shè)思路 建設(shè)架構(gòu)

中圖分類號：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）05（b）-0126-02

人類學(xué)習(xí)經(jīng)歷了從私塾、書院等私學(xué)，到太學(xué)、國子監(jiān)等官學(xué)，再到“班級授課制”這一具有現(xiàn)代意義的學(xué)習(xí)模式 從20世紀(jì)90年代后期，教育信息化已經(jīng)得到了迅猛的發(fā)展，教師上課從原來的“粉筆+黑板”，演變成了“計(jì)算機(jī)+投影”的模式，課堂教學(xué)也由“人灌”變成“電灌”，但這些教學(xué)改革還是停留在“表演”的形式上，這些并不利于培養(yǎng)學(xué)生將學(xué)習(xí)過程由被動(dòng)變主動(dòng)，知識的獲得由機(jī)械的記憶轉(zhuǎn)變成互動(dòng)的、體驗(yàn)的過程。

自從IBM提出“智慧地球”概念后，國內(nèi)外不少學(xué)者提出“智慧校園”的概念和解決方案。而作為智慧校園的重要組成部分——智慧教室在目前的國內(nèi)智慧校園方案中并沒有進(jìn)行詳細(xì)的探討。智慧教室，其英文名稱為SmarClassroom，Intelligent Classroom，F(xiàn)uture Classroom，因此，又稱為智能教室或未來教室，它指一種增強(qiáng)型教室，集成高科技軟硬件設(shè)備，實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)無所不在，視聽設(shè)備智能化、人性化，有利于資源無縫接入，能為各種先進(jìn)的教學(xué)設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持。智慧課室建設(shè)是學(xué)校信息化建設(shè)的進(jìn)一步延伸，是信息化發(fā)展的新階段。該文主要從教室設(shè)備有效管理的角度出發(fā)，提出了智慧教室的建設(shè)思路。

1 多媒體教室的現(xiàn)狀

1.1 管理維護(hù)難度大

傳統(tǒng)多媒體教室在管理上管理員需要定期對每臺多媒體計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件進(jìn)行升級，更新補(bǔ)丁，而且還要對重要數(shù)據(jù)進(jìn)行保護(hù)和備份。在出現(xiàn)故障的時(shí)候，往往需要管理人員進(jìn)行現(xiàn)場維護(hù)。由于這些多媒體教室分散在學(xué)校的各個(gè)角落，因此，管理維護(hù)工作量巨大，且無法及時(shí)、快速地響應(yīng)管理維護(hù)需求。

1.2 安全穩(wěn)定性不佳

多媒體計(jì)算機(jī)面臨的是多用戶的使用環(huán)境，不同的上課老師需要不同的課堂應(yīng)用環(huán)境，會(huì)經(jīng)常安裝拷貝一些文件，存在很大的安全隱患，容易感染病毒。另外，很多課程都需要訪問互聯(lián)網(wǎng)，也容易遭遇來自互聯(lián)網(wǎng)的攻擊。由于缺乏集中統(tǒng)一的管理，多媒體計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)安全環(huán)境很差，使得正常的上課環(huán)境受到影響。

1.3 使用成本高

每臺多媒體計(jì)算機(jī)都需安裝相應(yīng)的系統(tǒng)軟件、防殺毒軟件以及教學(xué)所需的各種應(yīng)用軟件，造成軟件資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。另外，操作系統(tǒng)的更新?lián)Q代、硬件的較易損壞，使得多媒體計(jì)算機(jī)的使用生命周期受到影響，一般為3～5年。折算下來，單臺多媒體計(jì)算機(jī)的年使用成本不菲。

1.4 教學(xué)過程中出現(xiàn)問題處理麻煩

如果在上課時(shí)間多媒體出現(xiàn)故障，傳統(tǒng)的故障排除及保修會(huì)占用教學(xué)時(shí)間，導(dǎo)致學(xué)生的學(xué)習(xí)效果不佳，教學(xué)質(zhì)量無法有效評估。

2 智慧教室的概念及特征

智慧教室又叫智能教室、未來教室等，是為教學(xué)活動(dòng)提供智慧應(yīng)用服務(wù)的教室空間及其軟硬件裝備的總和。智慧教室是在物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等新興信息技術(shù)的推動(dòng)下，教室信息化建設(shè)的最新形態(tài)。立足教學(xué)活動(dòng)需求，提供智慧化的應(yīng)用服務(wù)是智慧教室的核心使命，達(dá)成最優(yōu)化的教學(xué)效果是智慧教室的終極目標(biāo)。運(yùn)用智慧技術(shù)，提供智慧服務(wù)，實(shí)現(xiàn)智慧管理是智慧教室區(qū)別于以往多媒體教室和網(wǎng)絡(luò)化教室的主要特征。智慧教室的“智慧性”涉及教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化呈現(xiàn)、學(xué)習(xí)資源的便利獲取、課堂教學(xué)的深度互動(dòng)、情景感知與檢測、教室布局與電氣管理等方面的內(nèi)容，可概括為內(nèi)容呈現(xiàn)（Showing）、環(huán)境管理（Manageable）、資源獲?。ˋccessible）、及時(shí)互動(dòng)（Real-time Interactive）、情境感知（Testing）五個(gè)維度，簡寫為“S.M.A.R.T”，這五個(gè)維度正好體現(xiàn)了智慧教室的特征，可稱為“SMART”概念模型。

3 智慧教室建設(shè)的架構(gòu)

智慧教室是一套非常復(fù)雜的系統(tǒng)工程，整個(gè)架構(gòu)包括感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺層、數(shù)據(jù)資源層和應(yīng)用層。涵蓋了智慧教室建設(shè)的方方面面，并且能很好地將整個(gè)信息化環(huán)境融合在一起。整體智慧教室建設(shè)架構(gòu)如圖1所示。

4 智慧教室的建設(shè)思路

4.1 多媒體設(shè)備集中管理

針對現(xiàn)在多媒體教室中遇到的設(shè)備使用頻率高、負(fù)載重、管理維護(hù)麻煩等問題，智慧教室采用“分布式部署，集中式管理”的方式，實(shí)現(xiàn)對學(xué)校內(nèi)所有教室的多媒體設(shè)備集中控制管理，提高管理部門的工作效率。智慧教室主要通過智能終端管理單元、智慧教室管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對前端設(shè)備的智能控制。能控制所有的智能管理單元的開啟或關(guān)閉情況。并且能實(shí)現(xiàn)教室設(shè)備的遠(yuǎn)程喚醒、設(shè)備運(yùn)行情況監(jiān)控、能耗監(jiān)控、設(shè)備與課表聯(lián)動(dòng)自動(dòng)開啟等功能。并保證斷網(wǎng)情況下，可通過客戶端正常使用設(shè)備進(jìn)行上課。同時(shí)在智慧教室中PC端采用桌面云部署方式，基于底層的硬件資源和中間層的虛擬化軟件，通過上層的桌面虛擬化應(yīng)用軟件，為智慧教室用戶提供虛擬桌面模式。桌面虛擬化不僅充分利用了服務(wù)器端的計(jì)算能力，而且提供了強(qiáng)大而靈活的用戶PC管理能力，同時(shí)具有很強(qiáng)的可擴(kuò)展性和顯著的能源節(jié)約優(yōu)勢，消除了傳統(tǒng)個(gè)人電腦管理模式中的很多缺點(diǎn)。

4.2 設(shè)備遠(yuǎn)程喚醒和自動(dòng)開啟

學(xué)校在傳統(tǒng)教學(xué)模式下，僅僅是通過后臺管理軟件開啟電腦的電源，但是還需要老師進(jìn)行手動(dòng)開機(jī)來開啟電腦上課。智慧教室能通過智慧教室管理系統(tǒng)與電腦中的網(wǎng)卡聯(lián)動(dòng)，遠(yuǎn)程喚醒電腦，即僅需要通過管理系統(tǒng)就能開啟電腦，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程喚醒功能，方便教師上課和節(jié)省開機(jī)時(shí)間。智慧教室在設(shè)備管理可實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一遠(yuǎn)程開關(guān)機(jī)，通過智慧教室管理系統(tǒng)與教務(wù)處的課表聯(lián)動(dòng)，在每節(jié)課的上課前，自動(dòng)開啟設(shè)備，提高老師的上課效率。由于整個(gè)多媒體教室管理中心能統(tǒng)一監(jiān)控所有的設(shè)備運(yùn)行情況，所以不會(huì)遇到老師忘帶或丟失一卡通對上課造成影響的情況。

4.3 設(shè)備運(yùn)行情況監(jiān)控及能耗監(jiān)控

智慧教室的管理系統(tǒng)不僅代替了傳統(tǒng)中控，解決傳統(tǒng)中控連線多，管理維護(hù)麻煩等問題，更強(qiáng)化了智慧教室的管理功能，通過后臺的智慧教室管理軟件，對教室內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行智能監(jiān)控，在管理界面上可看到設(shè)備開啟情況，指示燈顯示情況等信息，做到問題出現(xiàn)的及時(shí)監(jiān)控及維護(hù)。即使遇到更換教室的問題，管理員也能通過后臺的軟件開啟指定教室的智能單元設(shè)備，能做到問題發(fā)現(xiàn)解決及時(shí)，更換靈活方便。同時(shí)，智慧教室在設(shè)計(jì)中利用物聯(lián)網(wǎng)的概念，結(jié)合智能供電系統(tǒng)，將所有用于教學(xué)的設(shè)備的電能進(jìn)行控制。智慧教室管理系統(tǒng)能對每個(gè)模塊開斷的日期，時(shí)間點(diǎn)，時(shí)長，供電開斷情況進(jìn)行詳細(xì)統(tǒng)計(jì)，從而能夠更加細(xì)化的監(jiān)控到整個(gè)多媒體教室的能耗。

4.4 教室環(huán)境控制

良好的教學(xué)環(huán)境能有效促進(jìn)教學(xué)活動(dòng)，智慧教室應(yīng)具有教室門的開關(guān)、風(fēng)扇空調(diào)的開關(guān)、燈光等控制等基本功能。校建設(shè)的智慧教室，需要結(jié)合計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)、嵌入式編程、Zigbee、RF射頻、紅外傳感等先進(jìn)的技術(shù)，并將其有機(jī)整合到智慧教室環(huán)境控制模塊當(dāng)中，通過統(tǒng)一管理平臺將與教室內(nèi)有關(guān)的各種子系統(tǒng)有機(jī)地組合成一個(gè)系統(tǒng)。溫濕度控制為智慧教室環(huán)境控制模塊一主要的功能，通過使用溫濕度傳感器對整個(gè)學(xué)校的教室溫濕度進(jìn)行監(jiān)管，并可以對正在使用的教室的溫濕度進(jìn)行有效的控制。燈是教室中不可或缺的元素，傳統(tǒng)意義上的一燈一開關(guān)，或者一開關(guān)幾個(gè)燈已經(jīng)漸漸的不滿足學(xué)校師生的需求。智慧教室環(huán)境控制模塊能對教室里面的燈光進(jìn)行統(tǒng)一并精細(xì)化的控制，前端通過無線紅外傳感器對學(xué)生進(jìn)行信息獲取，并收集學(xué)生位置，反饋到統(tǒng)一控制平臺；統(tǒng)一平臺經(jīng)過預(yù)先設(shè)定好的判斷原則與策略對目標(biāo)教室進(jìn)行自動(dòng)化操作，并將操作指令通過IP網(wǎng)絡(luò)傳到智慧教室控制單元進(jìn)行處理。

5 結(jié)語

結(jié)合以太網(wǎng)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等前沿技術(shù)建設(shè)一套智慧教室系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)基于網(wǎng)絡(luò)對教學(xué)資源的統(tǒng)一控制，對環(huán)境如溫度、光線、能耗的智能調(diào)節(jié)。在管理方面，實(shí)現(xiàn)師生的上課智能考勤、設(shè)備智能開啟等，并可以實(shí)現(xiàn)智能化的故障診斷以及無障礙升級。該文從教室設(shè)備管理的智慧化進(jìn)行了討論，提出了基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧教室建設(shè)思路，將對教學(xué)活動(dòng)的智慧開展起著巨大作用。

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