基于云平臺下的高校智慧教室的設(shè)計(jì)研究

吳炳志

摘要：該文從構(gòu)建高校智慧教室系統(tǒng)的實(shí)踐意義入手，隨即探討了高校智慧教室系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則，并以此為主要依據(jù)，進(jìn)行高校智慧教室教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，文中共進(jìn)行了五個方面的探討和研究：一是高校智慧教室系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì);二是高校智慧教室系統(tǒng)的整體架構(gòu)設(shè)計(jì);三是高校智慧教室系統(tǒng)軟件架構(gòu)的設(shè)計(jì);四是高校智慧教室系統(tǒng)的其他設(shè)計(jì);五是高校智慧教室系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：云平臺;高校智慧教室系統(tǒng);總體架構(gòu);設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

中圖分類號：TP311? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）32-0090-03

隨著云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，人們所處的社會環(huán)境、工作環(huán)境等都發(fā)生了巨大的變化。智慧城市、智慧交通、智慧生活等時代的特有產(chǎn)物，正在悄然無聲地改變著人們的生活方式。即使在神圣的教育領(lǐng)域也是一樣，過去那種傳統(tǒng)的教學(xué)模式，正伴隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的普遍應(yīng)用，被適應(yīng)時代發(fā)展的“智慧教室”模式所取代。智慧教室的教學(xué)模式，作為科學(xué)技術(shù)和時代發(fā)展的產(chǎn)物，在高校的教學(xué)實(shí)踐中很受學(xué)生歡迎，教學(xué)的效果也很顯著。為了更好地鞏固、發(fā)展好這一模式，本文基于在云平臺下，對高校智慧教室系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)做進(jìn)一步探討和研究。

1 構(gòu)建高校智慧教室系統(tǒng)的實(shí)踐意義

建立高校智慧教室的實(shí)踐意義在于：首先，可以創(chuàng)新教學(xué)模式，促進(jìn)教學(xué)改革，提高教學(xué)質(zhì)量，推進(jìn)和拓展優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源的推廣和應(yīng)用。其次，通過智慧教室系統(tǒng)，可以讓教者體會到學(xué)與教的快樂，讓學(xué)者通過對話與互動，感覺到學(xué)習(xí)的樂趣。所謂教者學(xué)與教的快樂，就是老師在制作課件的課程中，首先自己要學(xué)習(xí)新知識，然后才能享受教人的樂趣;所謂學(xué)者對話與互動的樂趣，就是說學(xué)生通過相互之間的對話，或?qū)W生與老師之間的對話，可以起到相互促進(jìn)，取長補(bǔ)短的作用。再次，可以將傳統(tǒng)的教學(xué)方法和智能的教學(xué)流程加以結(jié)合和創(chuàng)新，搭建一個以學(xué)生、老師互動教學(xué)為核心要素，以智慧教室技術(shù)為支撐，以物聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)為特征的智慧教室教學(xué)系統(tǒng)。不僅實(shí)現(xiàn)了優(yōu)質(zhì)資源的信息共享，而且還實(shí)現(xiàn)了教學(xué)質(zhì)量的全面提高[1]。

2 高校智慧教室系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則

高校智慧教室系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則有三：一是完備性原則。就是要根據(jù)高校智慧教室教學(xué)的業(yè)務(wù)需求，來進(jìn)行最完備的設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)教學(xué)質(zhì)量的有效提升;二是安全性原則。綜合考慮可能會出現(xiàn)的種種情況后，再對系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以確保其安全性和可靠性;三是規(guī)范化與標(biāo)準(zhǔn)化原則。在智慧教室系統(tǒng)的構(gòu)建與設(shè)計(jì)上，無論是硬件系統(tǒng)，還是軟件系統(tǒng)，均要與國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)相符合，均要符合相關(guān)的驗(yàn)收規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)[2]。

3 高校智慧教室教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 高校智慧教室系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

3.1.1 高校教室系統(tǒng)總體功能的設(shè)計(jì)

教室系統(tǒng)的總體功能有：知識、安全、考試、學(xué)習(xí)四種管理功能以及功能設(shè)備列表、學(xué)員中心、和查詢統(tǒng)計(jì)等七項(xiàng)[3]。其中：知識管理主要包括：知識推薦、知識地圖和知識內(nèi)容管理等;安全管理主要包括：用戶、角色、系統(tǒng)、部門、職位、日志等;設(shè)備列表有：視頻監(jiān)控、控制系統(tǒng)、環(huán)境系統(tǒng)、門禁考勤、安防系統(tǒng)以及音頻系統(tǒng)等;學(xué)員中心主要包括：知識中心、考試中心、學(xué)習(xí)中心和個人檔案等;考試管理主要包括：考試結(jié)果、考試管理、題庫管理和試卷管理等;學(xué)習(xí)管理主要包括：學(xué)習(xí)結(jié)果、學(xué)習(xí)過程監(jiān)控、選課管理、測驗(yàn)管理和課程管理等;查詢統(tǒng)計(jì)主要包括：考試結(jié)果查詢、個人學(xué)習(xí)情況分析查詢、課程學(xué)習(xí)情況分析查詢等[4]。具體可詳見圖1所示。

3.1.2 高校智慧教室系統(tǒng)的整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

對于該系統(tǒng)的整體架構(gòu)設(shè)計(jì)，共涵蓋三個結(jié)構(gòu)部分，第一部分為平臺總體結(jié)構(gòu)，第二部分為主端結(jié)構(gòu)，第三部分為子端結(jié)構(gòu)。該教學(xué)系統(tǒng)為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用系統(tǒng)，分布式無線系統(tǒng)以及光載無線交換機(jī)是其主要的核心組成結(jié)構(gòu)。其全部設(shè)備系統(tǒng)的接入方式共包括兩種，一種為智能網(wǎng)關(guān)有線接入，另一種為標(biāo)準(zhǔn)Wi-Fi模塊無線接入。

1）綜合平臺總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

綜合平臺總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方式為堆疊構(gòu)建方式。具體分布是：子端平臺在下層，二級主端平臺在中層，一級主端平臺在上層[5]。

2）智慧教室的主端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

智慧教室系統(tǒng)的平臺主端由應(yīng)用工作站/維護(hù)/調(diào)度以及Web服務(wù)器/流媒體/數(shù)據(jù)庫/前置通信等，通過網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)進(jìn)行連接并接入各設(shè)備子系統(tǒng)數(shù)據(jù)。

3）智慧教室的子端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

智慧教室系統(tǒng)的子端由智能接入，涉及的結(jié)構(gòu)較多，如子端平臺軟件、網(wǎng)關(guān)、光載無線以及音視頻系統(tǒng)等。其中，音視頻系統(tǒng)相對獨(dú)立，光載無線交換機(jī)可用Wi-Fi方式接入設(shè)備終端。

3.1.3 高校智慧教室系統(tǒng)軟件架構(gòu)的設(shè)計(jì)

實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，其宗旨為面向服務(wù)對象，極大程度上滿足用戶的跨平臺需求，靈活配置模塊。本文設(shè)計(jì)分為接口適配層、數(shù)據(jù)處理層、功能應(yīng)用層和數(shù)據(jù)表示層等[6]。具體詳見圖2所示。

3.1.4 高校智慧教室系統(tǒng)軟件的組成

高校智慧教室平臺系統(tǒng)的軟件組成主要有：操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集軟件、進(jìn)程管理軟件、維護(hù)管理軟件、系統(tǒng)圖形軟件、調(diào)度監(jiān)控軟件、報(bào)表軟件、系統(tǒng)安全軟件、值班日志軟件、故障管理軟件、遠(yuǎn)程診斷軟件、數(shù)據(jù)庫軟件等。

3.2 高校智慧教室系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)

智慧教室系統(tǒng)的功能，本文結(jié)合智慧教學(xué)的建設(shè)實(shí)際，主要考慮了兩個方面的功能設(shè)計(jì)：一是智慧教室系統(tǒng)主要模塊方面。包括內(nèi)容有：設(shè)備列表模塊（主要提供音頻、控制、安防、環(huán)境、門禁和視頻監(jiān)控等子功能）、知識管理模塊（內(nèi)容有知識內(nèi)容、知識推薦、知識地圖）、安全管理模塊、學(xué)習(xí)管理模塊、部門管理模塊等;二是智慧教室系統(tǒng)其他功能模塊方面。主要有獲取知識庫信息模塊和遠(yuǎn)程控制試卷訪問模塊兩大功能。

3.3 智慧教室系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)用來存儲信息的為MysQL數(shù)據(jù)庫。該數(shù)據(jù)庫中的所有信息都存放在一個文件中，無論是管理還是維護(hù)都極為方便，更為方便的是，還可以在多個進(jìn)程的同一時間，從統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫進(jìn)行讀取，并能獨(dú)占鎖定和確保安全。從教學(xué)業(yè)務(wù)流程的實(shí)際考慮，本設(shè)計(jì)創(chuàng)建的數(shù)據(jù)庫表主要有：學(xué)習(xí)信息表、用戶登錄信息表、監(jiān)測數(shù)據(jù)記錄表、告警信息記錄表、設(shè)備信息記錄表、考試信息表以及知識庫信息表等，基本包括了所有的功能模塊。

3.4 高校智慧教室系統(tǒng)的其他設(shè)計(jì)

本文所指高校智慧教室系統(tǒng)的其他設(shè)計(jì)主旨：一是照明通風(fēng)的接入。主要包括采用智能控制器的幕布、電動窗簾、抽風(fēng)機(jī)、燈光等，智能控制器通過網(wǎng)關(guān)接入;二是門禁考勤接入。門禁考勤器分在線和脫機(jī)兩種：在線狀態(tài)時，主機(jī)中可以接收到通過控制器傳過來的門狀態(tài)以及刷卡信息，同時，還能對各出入口的人員進(jìn)出情況進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控。當(dāng)主機(jī)因故障中斷時，門禁控制器可脫機(jī)將有關(guān)信息存儲在控制器上，以便備查;三是空調(diào)系統(tǒng)的接入。共分為兩種情況，第一種情況，若為智能空調(diào)，可以按照供應(yīng)商提供的通訊規(guī)約直接轉(zhuǎn)換即可。如是非智能空調(diào)則需先采集空調(diào)的信息數(shù)據(jù)，然后，再通過RS-485或UuFi接口將相關(guān)數(shù)據(jù)接入智慧教室教學(xué)系統(tǒng);四是環(huán)境系統(tǒng)的接入。主要包括光照亮度檢測、溫濕度檢測、二氧化碳檢測等;五是音頻系統(tǒng)的接入。主要包括話筒、音頻處理器、中央控制主機(jī)、功放機(jī)、音箱以及數(shù)字/模擬調(diào)音臺等;六是視頻監(jiān)控的接入。智慧教室主要是把視頻監(jiān)控系統(tǒng)統(tǒng)一融入綜合平臺界面上;七是安防系統(tǒng)的接入。主要包括消防系統(tǒng)、紅外雙鑒探測器、煙霧傳感器、紅外對射傳感器等。

3.5 高校智慧教室系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

3.5.1 總體流程

對于智慧教室系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)流程而言，共包括兩個方面，第一個方面為服務(wù)器與客戶端的連接流程。在該流程中，第一步，生成用戶名及密碼，第二步，需要在客戶端將用戶名及密碼輸入到系統(tǒng)中，第三步，服務(wù)器對其進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證成功才能進(jìn)行連接。第二個方面是在客戶端功能實(shí)現(xiàn)的流程方面。詳見圖3所示。

3.5.2 主要功能模塊的實(shí)現(xiàn)

其功能的實(shí)現(xiàn)問題，本文選擇其中主要部分探討如下。

1）智慧教室設(shè)備列表模塊的實(shí)現(xiàn)。第一，由設(shè)備列表模塊對輸入設(shè)備做出選擇，第二，再進(jìn)入各個設(shè)備子系統(tǒng)模塊流程中，在這一過程中，若需要添加或者刪除設(shè)備，需要經(jīng)過權(quán)限判別，第三，若通過判別，才能進(jìn)入到管理界面進(jìn)行操作。

2）智慧教室知識管理模塊的實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)對這個功能的實(shí)現(xiàn)，首先，獲取知識庫信息表，然后，返回知識庫代碼、知識庫類型、知識目錄、知識標(biāo)簽等，最后，按照用戶選擇，進(jìn)行功能實(shí)現(xiàn)。

3）智慧教室安全管理模塊的實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)對該功能的實(shí)現(xiàn)，第一步，通過服務(wù)管理類InformationManager的GetUserId（）形式得到用戶ID;第二步，對用戶信息表進(jìn)行查詢，了解實(shí)際狀態(tài)后，將相關(guān)信息返回;第三步，將執(zhí)行狀態(tài)結(jié)果返回客戶端。

綜上所述，本文重點(diǎn)探討了高校智慧教室系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，從總體框架結(jié)構(gòu)、總體功能需求、總體軟件系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方面進(jìn)行了系統(tǒng)全面的探討和研究，對高校智慧教室系統(tǒng)的建設(shè)具有一定的啟示作用。

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