基于物聯(lián)網(wǎng)技術的智慧教室系統(tǒng)設計

摘 ?要：在以物聯(lián)網(wǎng)技術為代表的新興信息技術的發(fā)展和推動下，高校建設智慧教室，打通教室的物理空間和數(shù)字空間成為一種趨勢。通過從教室環(huán)境、設備管控、教學資源、教學互動四個方面分析智慧教室系統(tǒng)的功能需求，設計智慧教室架構(gòu)和硬件建設，并設計了基于物聯(lián)網(wǎng)技術的智慧教室系統(tǒng)功能，包括：多媒體設備智能管理、教室環(huán)境智能監(jiān)控、教學資源管理、互動教學系統(tǒng)四個部分。

關鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);智慧教室;系統(tǒng)設計

中圖分類號：TN92;G434 ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2021）06-0168-04

Design of Smart Classroom System Based on Internet of Things Technology

ZHANG Yun

（Information Network Center，South China Agricultural University，Guangzhou ?510642，China）

Abstract：With the development and promotion of the emerging information technology represented by the internet of things technology，it has become a trend for colleges to build smart classroom and get through the physical space and digital space of the classroom. This paper analyzes the functional requirements of smart classroom system from four aspects：classroom environment，equipment management and control，teaching resources and teaching interaction，designs the architecture and hardware construction of smart classroom，and designs the functions of smart classroom system based on internet of things technology，including four parts：multimedia equipment intelligent management，classroom environment intelligent monitoring，teaching resource management，interactive teaching system.

Keywords：internet of things;smart classroom;system design

0 ?引 ?言

近年來，隨著信息技術的快速發(fā)展和教育理論的不斷進步，教育界越來越多地倡導信息技術與教室環(huán)境的深度融合，多媒體教室及其裝備逐漸向全數(shù)字化、網(wǎng)絡化方向發(fā)展，“能優(yōu)化教學內(nèi)容呈現(xiàn)、便利學習資源獲取、促進課堂交互開展、具有情境感知和環(huán)境管理功能”的智慧教室成為教室環(huán)境發(fā)展的趨勢所在，以構(gòu)建全新的教室環(huán)境來提高學習質(zhì)量和效率。

基于物聯(lián)網(wǎng)技術建設的智慧教室，將人與設備、環(huán)境通過網(wǎng)絡相互連接，實現(xiàn)物物相連以及人和各類資源之間的關聯(lián)性，最終實現(xiàn)對教學過程的精準控制與高效管理。智慧教室系統(tǒng)集智能多媒體設備管控、智慧環(huán)境調(diào)節(jié)、智慧教學于一體，能更好地支持新型的教學模式，讓課堂變得簡單、高效、智能。

1 ?智慧教室系統(tǒng)的功能需求分析

智慧教室的“智慧性”主要體現(xiàn)在“內(nèi)容呈現(xiàn)、環(huán)境管理、資源獲取、及時互動、情境感知”五個維度[1]。在進行智慧教室系統(tǒng)設計時，應重點體現(xiàn)以下幾項需求：

（1）教室環(huán)境的人性化。研究表明人在適宜條件下學習、工作的效率會更高，智慧教室就是要使用傳感器技術進行實測，自動調(diào)節(jié)相關設備，給老師、學生營造出適宜的溫度、濕度、光度、聽覺、視覺等，能夠讓師生在一個舒適的環(huán)境下進行教與學活動。

（2）多媒體設備統(tǒng)一管控。形成統(tǒng)一、有效的管理平臺，對智慧教室中各項設備實現(xiàn)智能聯(lián)動和遠程控制：可以遠程監(jiān)看和管理教室以及設備狀態(tài);可對教室內(nèi)的投影機、電腦、音響等設備進行集中遠程控制;實現(xiàn)設備的智能聯(lián)動，如與課表對接后實現(xiàn)電腦定時開關機等功能。

（3）課堂教學資源的價值挖掘。智慧教室系統(tǒng)應能滿足高清常態(tài)化錄播資源、課堂講義和板書資源等課堂教學資源的開發(fā)和利用，形成開放、共享的教學資源體系;實現(xiàn)課堂教學過程數(shù)據(jù)的伴隨式采集以及即時化分析，通過信息采集、數(shù)據(jù)分析、質(zhì)量預警等功能，記錄和分析學習行為、學習過程和學習表現(xiàn)，支持教師實現(xiàn)精準的學情分析、學法指導和學業(yè)評價，滿足學習者、教學者和管理者的個性化需求。

（4）支持實時、靈活的教學互動。大學生具有一定的專業(yè)背景和相對較強的自學與思考能力，課堂不再是單純的教師講授，而是老師和學生之間、學生與學生之間互動的場所。智慧教室系統(tǒng)應具備支持教學互動及人機互動的能力，支持視頻、語音、文本互動，記錄互動軌跡，促進合作探究等教育教學模式改革。

2 ?基于物聯(lián)網(wǎng)技術的智慧教室架構(gòu)設計及硬件建設

在智慧教室系統(tǒng)中，利用物聯(lián)網(wǎng)技術將教室環(huán)境中的教學硬件設備通過智能感知和互聯(lián)網(wǎng)連接起來，實現(xiàn)物物相連。智慧教室系統(tǒng)架構(gòu)可分為感知層、網(wǎng)絡層、應用層[2]，各層功能如圖1所示。

感知層位于系統(tǒng)的最底層，其主要作用是采集基礎數(shù)據(jù)，包括傳感器、RFID、控制器、智能終端、視頻采集設備等[3]。亮度傳感器、溫濕度傳感器、位置傳感器，分別為燈光、空調(diào)、窗簾等智能控制提供數(shù)據(jù);平板電腦、手機、投影等智能終端通過無線或有線網(wǎng)絡接入智慧教室系統(tǒng);物聯(lián)網(wǎng)中央控制器接收傳感器的數(shù)據(jù)，通過智慧教室系統(tǒng)進行智能處理，控制多媒體教學設備、燈光、空調(diào)、窗簾的狀態(tài)。

網(wǎng)絡層主要提供移動網(wǎng)絡、無線網(wǎng)絡、有線網(wǎng)絡、ZigBee網(wǎng)絡等服務，實現(xiàn)各層之間以及設備控制器之間安全、實時、可靠的數(shù)據(jù)交互。

應用層包括具體的應用：空調(diào)管理、照明管理、通風換氣系統(tǒng)、多媒體設備管理、錄播直播、學生考勤、教學互動系統(tǒng)、教學資源管理系統(tǒng)等。應用層通過對感知層采集數(shù)據(jù)的計算、處理和知識挖掘，結(jié)合具體的業(yè)務，對教室設備進行智能控制，實現(xiàn)教學過程的高效管理和智能決策。

3 ?基于物聯(lián)網(wǎng)技術的智慧教室系統(tǒng)功能設計

3.1 ?多媒體設備智能管理系統(tǒng)

多媒體設備是課室主要教學設備，通過智能管理系統(tǒng)能夠協(xié)助管理員實現(xiàn)課前設備開啟課后設備關閉、設備之間的相互聯(lián)動、設備運行狀態(tài)記錄、設備故障報修和日常維護。系統(tǒng)界面如圖2所示。

3.1.1 ?教學設備本地/遠程控制

對教室內(nèi)的電腦、投影機、音響、麥克風等教學設備進行集中控制，教師在本地通過中控一鍵開啟/關閉設備、信號切換、音量調(diào)節(jié)等。教師也可通過手機或電腦登錄智慧教室系統(tǒng)，根據(jù)自己的需求開啟或關閉教學設備，減少課前等待的時間。在開展大規(guī)模直播課堂等情境下，管理員可遠程一鍵開啟電腦、投影燈設備，統(tǒng)一發(fā)送命令，如推送直播網(wǎng)址等。

3.1.2 ?教學設備狀態(tài)遠程監(jiān)控

能實時了解教室內(nèi)教學設備的狀態(tài)，如設備的開關、音箱和麥克風的音量、投影儀的亮度等，避免管理人員每次都需要現(xiàn)場處理。智慧教室系統(tǒng)提供了豐富的日志記錄數(shù)據(jù)庫，教學設備的運行細節(jié)都以日志的形式分門別類地進行記錄，這些記錄將作為整個系統(tǒng)的運行基礎數(shù)據(jù)庫，可以隨時支持各種字段查詢，如設備的開關機時間、設備的利用率等，可以直接生成統(tǒng)計圖表，極大地提高教室管理的效率。

3.1.3 ?教學設備的智能聯(lián)動

在智慧教室系統(tǒng)中實現(xiàn)教學設備與課表的智能聯(lián)動：上課前，自動開啟多媒體教學設備，并根據(jù)教師使用習慣開啟常用軟件，節(jié)省課前準備時間，降低系統(tǒng)誤操作和設備故障率，提高教學實效;下課后，檢測到師生離開課室，能自動關閉多媒體教學設備，達到節(jié)能環(huán)保的效果;有課堂錄播需要時，可以根據(jù)課表設置自動提前將攝像頭調(diào)整到合適的預置位。將課表與課程信息（如應到人數(shù)）等結(jié)合起來，根據(jù)上課時間實施自動考勤，并將考勤結(jié)果自動上傳課程空間。

3.1.4 ?遠程報障與維護

老師在教室通過掃描講臺的二維碼，實現(xiàn)故障的實時上報，智慧教室系統(tǒng)可實時追蹤到故障內(nèi)容、故障教室、故障樓號、報修人、報修日期等并及時告知維護人員解決故障問題。維護人員通過攝像頭遠程調(diào)用現(xiàn)場畫面，對故障進行排查，如遠程對電腦系統(tǒng)進行檢測、軟件下載、故障修補，遠程監(jiān)聽音響的效果，判斷音響是否存在異常等。

3.2 ?教室環(huán)境的智能監(jiān)控系統(tǒng)

通過傳感器采集教室內(nèi)的相關數(shù)據(jù)，利用物聯(lián)集中管控平臺自動對教室內(nèi)的溫度、空氣凈化、亮度、門禁等設備進行智能控制，使教室內(nèi)部的溫度、濕度、光照度等均能夠被調(diào)整到一個相對適宜的水平，為學生創(chuàng)造更有利的學習環(huán)境[4]。

3.2.1 ?空調(diào)、空氣凈化控制子系統(tǒng)

系統(tǒng)通過溫度傳感器感知教室各區(qū)域溫度，自動控制空調(diào)的開、閉狀態(tài)，并能夠根據(jù)溫度的升降狀態(tài)自動調(diào)整溫度高低和風速大小;多個傳感器組合聯(lián)動，能夠?qū)崿F(xiàn)室內(nèi)溫度分區(qū)調(diào)節(jié)，為師生上課提供一個舒適的環(huán)境。

空氣凈化系統(tǒng)能夠通過空氣質(zhì)量探頭實時監(jiān)測教室內(nèi)空氣質(zhì)量，如PM2.5、二氧化碳、甲醛、苯等含量，根據(jù)設定的參數(shù)自動啟動空氣凈化系統(tǒng)，保持教室內(nèi)空氣質(zhì)量始終優(yōu)良。

3.2.2 ?光照強度控制子系統(tǒng)

系統(tǒng)設置的自動控制策略可以根據(jù)教室光照強度，優(yōu)先自動控制單個或多個窗簾的開啟與關閉，實現(xiàn)室內(nèi)自然光線調(diào)節(jié)。在自然光不足的情況下，根據(jù)光照強度自動開關照明燈并調(diào)整亮度。結(jié)合人體紅外感應器，智能燈光系統(tǒng)還能智能控制一定區(qū)域內(nèi)的照明，當有人走進感應區(qū)內(nèi)，并且達到照明需求時，自動開啟燈光并根據(jù)人體周圍光照強度自動調(diào)節(jié)燈光亮度;當人體離開感應區(qū)后燈光調(diào)暗或關閉，達到節(jié)能效果。

3.2.3 ?門禁控制子系統(tǒng)

系統(tǒng)能夠檢測門的開關狀態(tài)，并將狀態(tài)信息實時上傳至服務器。門禁系統(tǒng)支持IC卡、指紋、手機APP以及輸入密碼等多種驗證方式開啟。除了教室門外，在窗戶處安裝紅外對照感應器，能夠?qū)崟r檢測窗戶的閉合狀態(tài)，并在人走室空時自動進入布控狀態(tài)，在有非法侵入時自動報警。

3.2.4 ?能耗管理

智慧教室能耗管理系統(tǒng)對課室用水、用電、用氣等設備進行分類計量，實現(xiàn)對能耗量的實時測量，包括有電力儀表、水表等，并經(jīng)數(shù)據(jù)采集裝置將數(shù)據(jù)上傳至能耗監(jiān)測系統(tǒng)。

3.3 ?智慧教學系統(tǒng)

智慧教學系統(tǒng)能夠整合課室的攝像頭，智能分析學生學習狀態(tài)，實現(xiàn)智能考勤;常態(tài)化錄播除了可以實現(xiàn)多平臺同步直播外，還是教學資源的重要來源。結(jié)合大數(shù)據(jù)分析的互動教學系統(tǒng)能夠構(gòu)建學生學習畫像，實現(xiàn)個性化教學。

3.3.1 ?人臉識別智能考勤系統(tǒng)

通過網(wǎng)絡攝像頭，讀取網(wǎng)絡視頻流，使用視覺分析算法，對教室監(jiān)控畫面視頻流的幀進行人員檢測，自動識別匹配學生人臉，實現(xiàn)無感智能考勤[5]。同時提供熱力圖分析功能，對監(jiān)控畫面分析人員分布，據(jù)此自動處理復雜的物體存在的區(qū)域，分區(qū)開啟燈光、空調(diào)等設備，識別講臺區(qū)域的人員，畫出教師行動軌跡，識別教室區(qū)域人頭得出抬頭率、前排就座率等。

3.3.2 ?常態(tài)化錄播管理系統(tǒng)

常態(tài)化錄播模塊由攝像頭、硬盤錄像機、全向麥克風及中央控制器聯(lián)動運行。除課堂實錄外，同時提供課件錄制，能對文件中的每一個流進行剪輯、合成、上傳、發(fā)布以及分類管理。視頻信號可快速推流到各大主流直播平臺，實現(xiàn)多平臺同步直播，方便教務處對教學質(zhì)量和教學效果進行監(jiān)督、檢查和綜合評價。

3.3.3 ?教學資源管理系統(tǒng)

教師通過本地上傳授課教案、課件、錄像、電子教材、實驗指導等多類型材料積累教學資源，以目錄樹的組織結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)，方便師生查找管理;學生不僅可以在線瀏覽、離線閱讀教學資源，還支持學生上傳編輯自有資源，與教師共建課程資源;支持圖形圖像、動畫、音頻、視頻等多媒體素材的在線編輯;教師可靈活控制學習內(nèi)容的發(fā)布對象、狀態(tài)、權(quán)限，可隨時根據(jù)教學進度需要，控制教學模塊的增加、修改、刪除和順序調(diào)整以及面向不同用戶的開放狀態(tài)。課堂教學中積累的教學資源如課堂實錄、課件、板書、互動數(shù)據(jù)等實時同步到智慧教室系統(tǒng)，學生在課后可以反復觀看學習。

3.3.4 ?互動教學系統(tǒng)

互動教學系統(tǒng)以課程為中心，提供全面的互動教學功能，包括通知、答疑、音視頻與文字互動、在線作業(yè)、在線測試與考試、小組協(xié)作學習等功能，充分發(fā)揮系統(tǒng)在教與學活動中的作用，可實現(xiàn)遠程直播答疑授課、輔導。使用交互式觸控投影屏幕，課堂上學生用微信掃描二維碼即可保存板書內(nèi)容用于課后復習，用手機、平板掃描屏幕二維碼并連接，就可以實現(xiàn)與投影屏幕聯(lián)屏互動以及師生間的資源共享。

3.3.5 ?大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)

大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)主要包括教學數(shù)據(jù)管理、智能教學助手、智能學習助手等功能：通過分析學生課堂行為構(gòu)建學生綜合畫像，根據(jù)學生學習特點，結(jié)合所學課程信息，實現(xiàn)個性化學習內(nèi)容推送，學習路徑規(guī)劃等功能;為教師的智能教學提供數(shù)據(jù)服務，實現(xiàn)教學成果數(shù)據(jù)化呈現(xiàn)，教學內(nèi)容智能化推送。

4 ?結(jié) ?論

在通常的智慧教室架構(gòu)中，我們更傾向于設備的智能化應用，缺乏人機交互的設計。而基于物聯(lián)網(wǎng)技術的智慧教室系統(tǒng)通過引入物聯(lián)網(wǎng)相關的感知和控制技術，整合教室軟硬件資源，實現(xiàn)教室的智慧化：強調(diào)通過人機交互營造人性化的教室環(huán)境，實現(xiàn)多媒體設備統(tǒng)一管控，并在教學資源和互動教學方面提供有力支持，輔助教師打破傳統(tǒng)的教學模式，變革教學方式、學習方式和互動方式。

在下一步的研究中，我們將大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)全面引入整合，對教室使用率、設備數(shù)量、設備日常使用率、設備故障率等數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，整合課堂可量化行為數(shù)據(jù)和主觀行為數(shù)據(jù)，如：多媒體使用次數(shù)、學生回答問題次數(shù)、教師走下講臺頻次，對此類與教學質(zhì)量監(jiān)測相關度較高的數(shù)據(jù)進行收集和分析，最終輸出可視化圖表，方便學校領導、督導巡視員等能直觀地查看教學過程。還可以將設備課程使用特征、教師使用特點等進行綜合分析，結(jié)合課表安排，更加智能化、自動化的控制教室設備的使用。

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作者簡介：張蕓（1979—），女，漢族，廣東饒平人，工程師，碩士研究生，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)教育應用。