智慧教室監(jiān)控管理架構(gòu)分析

沈萍萍　王波　戴旭　陸瑩

摘要：將傳感技術(shù)、無線通信技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、Android開發(fā)技術(shù)等應(yīng)用于教室監(jiān)控和教學(xué)管理，分析了智慧教室管理系統(tǒng)的整體架構(gòu)和模塊設(shè)計方案。實踐證明，該系統(tǒng)應(yīng)用在教室環(huán)境參數(shù)采集、安防監(jiān)控、窗簾、風(fēng)扇、電燈等設(shè)備的智能總控、課堂考勤登記、手機移動端查詢教室信息、課堂交互等方面，效果良好。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；智慧教室；監(jiān)控；管理；架構(gòu)

中圖分類號：TP311 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）30-0213-02

Study on Intelligent Classroom Monitoring and Management under Internet of Things

SHEN Ping-ping， WANG Bo， DAI Xu， LU Ying

（Suzhou Vocational University， School of Computer Engineering， Suzhou 215104， China）

Abstract： Technologies， such as sensor， wireless communication， database， Android etc.， were applied in classroom monitoring and management. The holistic framework and module design of intelligent classroom management system was analyzed. Practical application verified that this system has good efficiency in collection of classroom environment parameters， safety monitoring， intelligent control of facilities such as curtains， fans and lights， class attendance record， information inquiry via mobile phone， classroom interaction etc.

Key words：Internet of Things； intelligent classroom； monitoring； management； framework

國內(nèi)各類院校教室主要提供的設(shè)備以照明設(shè)備、溫控設(shè)備以及多媒體設(shè)備為主，這些設(shè)備的使用和管理大都處于粗放的全手工或半手工管理狀態(tài)，造成一定程度的能源浪費和安全隱患。實際教學(xué)中，教師上課必須在教室管理員處獲取教室多媒體設(shè)備的開關(guān)鑰匙或IC智能卡，學(xué)生使用教室也必須進行實地搜，管理人員更無法查詢教室的實時使用狀態(tài)信息，無法對在該教室上課的學(xué)生進行出勤考核等，針對這些問題，課題通過物聯(lián)網(wǎng)感知和控制技術(shù)，整合軟硬件設(shè)備條件，希望可以實現(xiàn)教室智慧化高效管理的目的。

智慧教室，另外的名詞是未來教室或智能教室，其英文名稱為Smart Classroom， Future Classroom，Intelligent Classroom。智慧教室概念在國內(nèi)有多種觀點，聶風(fēng)華等[1]認為智慧教室為教學(xué)活動提供智慧應(yīng)用服務(wù)的教室空間及其軟硬件裝備，陳衛(wèi)東等[2]認為智能教室是以自然的人機交互為特征，集成高科技軟硬件設(shè)備，方便對教室的聲、光、電等設(shè)備進行控制和操作，并能適應(yīng)遠程教學(xué)等多種學(xué)習(xí)方式的增強型教室，可以依靠智能空間技術(shù)實現(xiàn)。黃榮懷等[3]認為在傳感技術(shù)、云計算技術(shù)、人工智能等技術(shù)充分發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)信息時代，教室應(yīng)具有情景感知和監(jiān)控管理功能，能優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容呈現(xiàn)、便利學(xué)習(xí)資源獲取、促進課堂交互開展。通過參考文獻從不同角度對智慧教室的特征闡述可以發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)外共同的研究趨勢是關(guān)注利用新技術(shù)創(chuàng)建、創(chuàng)新教學(xué)環(huán)境，促進教學(xué)資源的個性化呈現(xiàn)、教學(xué)效果的多元化展示。智慧教室是教室信息化建設(shè)的必然成果，是一種典型的智慧學(xué)習(xí)環(huán)境[4]，課題以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為背景，闡述智慧教室建設(shè)的系統(tǒng)設(shè)計思路、系統(tǒng)框架體系。

1 智慧教室管理系統(tǒng)設(shè)計思路

教室發(fā)展經(jīng)歷了傳統(tǒng)教室--電子教室--多媒體教室--數(shù)字教室--智慧教室的演變，智慧教室的發(fā)展經(jīng)歷了從單一設(shè)備智能化到設(shè)備控制智能化，最后到教學(xué)系統(tǒng)環(huán)境智能化這三個階段[5]。由于每個學(xué)校的性質(zhì)不同，學(xué)生的學(xué)情不同，因此在設(shè)計教室之前，還應(yīng)考慮具體的實際背景，設(shè)計出適合的智慧教室方案和教學(xué)應(yīng)用模式[6]。

以我們高職院校為例，假設(shè)教室比較多，教室除了日常上課以外，其余很多時間用于學(xué)生的自我學(xué)習(xí)?？傮w來說，課題研究的智慧教室管理系統(tǒng)主要實現(xiàn)兩個方面的效果：一是教室環(huán)境參數(shù)感知和設(shè)備監(jiān)控，二是利用移動終端進行交互查詢，總之，智慧教室的設(shè)計應(yīng)結(jié)合實際背景，應(yīng)用智慧技術(shù)、提供有效的智慧服務(wù)、進行有效的智慧管理、最終實現(xiàn)智慧教學(xué)的思路[7]。

1.1 教學(xué)環(huán)境安全舒適

首先通過組建無線傳感網(wǎng)，可以感知教室的環(huán)境信息，包括溫度、濕度、光照度、煙霧等環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，當(dāng)溫度過高時，自動啟動空調(diào)；當(dāng)光照過暗時，自動打開窗簾，當(dāng)煙霧達到警戒值時立即報警。

1.2 教室設(shè)備方便維護

管理員可以通過管理系統(tǒng)可以遠程查詢教室設(shè)備的狀態(tài)信息，比如遠程監(jiān)控教室的燈、空調(diào)等設(shè)備，假如發(fā)現(xiàn)教室內(nèi)沒有人員而設(shè)備仍開啟時可以選擇遠程將其關(guān)閉。另外通過安裝的攝像頭，可以實現(xiàn)無人監(jiān)考。

1.3 日?？记诤唵我撞?/p>

教師或?qū)W生通過手機APP登錄，管理系統(tǒng)顯示進入教室的人員信息，管理員可以登錄系統(tǒng)查看考勤記錄，教師也可以通過管理系統(tǒng)完成點名。教師或?qū)W生通過手機可以查看自己的課表和教室的位置，以便第一時間找到教室，管理員也可以第一時間通知公告信息。

1.4 教學(xué)互動效果良好

課堂教學(xué)中，教師可以分發(fā)章節(jié)習(xí)題，學(xué)生可以利用手機移動設(shè)備進行答題，教師查看答題情況并標(biāo)注錯誤。通過這種教學(xué)互動，教師較好地掌握學(xué)生學(xué)習(xí)動態(tài)，調(diào)整教學(xué)內(nèi)容和進度。

2 智慧教室管理系統(tǒng)架構(gòu)體系

智慧教室管理系統(tǒng)從低到高可以分為四個層次，分別為：基礎(chǔ)感知、網(wǎng)絡(luò)通信、應(yīng)用服務(wù)、終端交互，如圖1所示。

2.1 基礎(chǔ)感知層

基礎(chǔ)感知層為智慧教室的教學(xué)和管理提供必要的物理平臺，具體包括： 教室的空調(diào)、照明、窗簾等基礎(chǔ)設(shè)施、多媒體教學(xué)設(shè)備、教室桌椅、計算機、投影儀、幕布、音箱、話筒、功放、RFID、傳感器、攝像頭等。

2.2 網(wǎng)絡(luò)通信層

基礎(chǔ)感知層通過Zigbee協(xié)議建立無線傳感網(wǎng)，獲取底層感知數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器獲取傳感數(shù)據(jù)和繼電器狀態(tài)信息并通過串口連接上位機，最終上位機顯示接收到的數(shù)據(jù)，存儲在服務(wù)器中。IIS服務(wù)器通過JSON數(shù)據(jù)格式實現(xiàn)和移動端的通信。

2.3 應(yīng)用服務(wù)層

用戶通過感知數(shù)據(jù)查詢教室環(huán)境數(shù)據(jù)，并根據(jù)設(shè)置的閾值實現(xiàn)安防報警和設(shè)備的聯(lián)動控制。系統(tǒng)記錄用戶在線信息，實現(xiàn)考勤點名功能；系統(tǒng)顯示教室資產(chǎn)設(shè)備狀態(tài)，管理員可以在線查看教室人員和設(shè)備信息，實現(xiàn)教室巡邏。應(yīng)用服務(wù)層為智慧教室教學(xué)實施和智能管理等提供信息化公共支撐環(huán)境[8]。

2.4 終端交互層

各類用戶（包括教師、學(xué)生、管理員）、各類終端（包括固網(wǎng)PC、移動端手機、移動端平板電腦）可以通過有線或無線環(huán)境連接到服務(wù)器，可以查看智慧教室的設(shè)備信息和課表情況。課堂教學(xué)中，教師和學(xué)生之間可以實現(xiàn)互動。

3 智慧教室管理系統(tǒng)應(yīng)用條件

基于以上設(shè)計思路和體系結(jié)構(gòu)開發(fā)的智慧教室管理系統(tǒng)分別支持在互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下及本地局域網(wǎng)環(huán)境中使用。每個教室的教師機同時作為該教室的服務(wù)器。在互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，教師和學(xué)生的移動終端都能夠連接互聯(lián)網(wǎng)，在課堂上的應(yīng)答活動只需要移動設(shè)備即可完成。對于沒有連接互聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境中，使用本地服務(wù)模式需要建立無線網(wǎng)絡(luò)來支持該系統(tǒng)的運行，管理員可以使用帶有WIFI 功能的家用路由器來在課堂中搭建臨時的無線網(wǎng)絡(luò)。

4 結(jié)束語

智慧學(xué)習(xí)環(huán)境是當(dāng)今信息技術(shù)發(fā)展的必然結(jié)果，對教與學(xué)的建設(shè)改革有著革命性的影響[9]。課題以高職學(xué)校教室通用的監(jiān)控管理需求出發(fā)，提出相應(yīng)的軟硬件設(shè)計開發(fā)思路，但還有待于進一步實踐應(yīng)用。在今后的工作中，我們還需發(fā)揮云計算技術(shù)支持系統(tǒng)以及各智能終端的功能[10]，實現(xiàn)現(xiàn)實教室與虛擬教室之間的互動，實現(xiàn)教與學(xué)資源共享和交流互動，實現(xiàn)正式學(xué)習(xí)和非正式學(xué)習(xí)無縫連接[11]。

參考文獻：

[1] 聶風(fēng)華， 鐘曉流， 宋述強. 智慧教室：概念特征、系統(tǒng)模型與建設(shè)案例[J]. 現(xiàn)代教育技術(shù)， 2013（7）：5-8.

[2] 陳衛(wèi)東， 葉新東， 張際平. 智能教室研究現(xiàn)狀與未來展望[J]. 遠程教育雜志， 2011（4）：39-45.

[3] 黃榮懷， 胡永斌， 楊俊鋒， 等. 智慧教室的概念及特征[J]. 開放教育研究， 2012（2）： 22-27.

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[5] 銳取智慧錄播教室吸引眾多參觀者[EB/OL]. [2014-10-6]. http：//www.ceiea.com/cpl9290/newsDetail_5687.htm.

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[8] 祝智庭. 以智慧教育引領(lǐng)教育信息化創(chuàng)新發(fā)展[J]. 中國教育信息化， 2014（9）：4-8.

[9] 未來的課堂： 顛倒的教室[EB/OL]. [2014-10-6].http：//www.jyb.cn/ad news/201110/t201110_456993.html.

[10] 李瑋瑩. 云計算架構(gòu)下的移動學(xué)習(xí)[J]. 實驗室研究與探索， 2013（2）： 236-242.

[11] 葉新東， 陳衛(wèi)東， 張際平. 未來課堂環(huán)境的設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 中國電化教育， 2014（1）：82-87.