基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧教室設(shè)計(jì)

王 建,劉欣彤,王 猛,馬晶晶

(九州職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江蘇 徐州 221000)

0 引言

智能化技術(shù)、信息技術(shù)等新型技術(shù),在教育領(lǐng)域中的應(yīng)用已屬常見(jiàn),如多媒體教室。傳統(tǒng)的多媒體教室雖然擁有很多現(xiàn)代化教學(xué)設(shè)備,可以在一定程度上提高教學(xué)效率,提升教學(xué)質(zhì)量。然而,傳統(tǒng)的多媒體教室是各個(gè)智能化設(shè)備的“單打獨(dú)斗”,未能與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)真正結(jié)合,導(dǎo)致智慧教學(xué)浮于表面,在創(chuàng)新教學(xué)、高效教學(xué)方面,具有一定局限性,智慧教室名不副實(shí)。在“互聯(lián)網(wǎng)+”浪潮的影響下,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)全面普及,為真正的智慧教室的建設(shè)提供了有利環(huán)境。基于此,本文對(duì)基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧教室設(shè)計(jì)展開研究,具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[1]。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧教室建設(shè)的原則與目標(biāo)

1.1 智慧教室建設(shè)的原則

智慧教室建設(shè)的原則主要包括4個(gè)方面:第一,實(shí)用性原則,即智慧教室建設(shè)要以滿足教學(xué)與教研發(fā)展的根本需求為目標(biāo),以確保教學(xué)活動(dòng)的展開能夠適應(yīng)教學(xué)未來(lái)發(fā)展的總體趨勢(shì)。實(shí)用性也是智慧教室建設(shè)最基礎(chǔ)的原則之一[2]。第二,先進(jìn)性原則,即智慧教室要在滿足當(dāng)下教學(xué)需求的基礎(chǔ)上,采用更具有前瞻性的建設(shè)方法,以適應(yīng)日新月異的發(fā)展趨勢(shì),為此智慧教室在設(shè)計(jì)過(guò)程中要盡可能多地采用最先進(jìn)的技術(shù)與創(chuàng)新技術(shù)。第三,可靠性原則,即智慧教室建設(shè)過(guò)程中,應(yīng)選擇成熟且穩(wěn)定的軟硬件系統(tǒng),并制定完善的設(shè)計(jì)方案,為智慧教室的可靠性、安全性提供保障。第四,拓展性原則,即智慧教室內(nèi)部的軟硬件設(shè)備不僅應(yīng)具有可進(jìn)行擴(kuò)展的性質(zhì)以及較強(qiáng)的兼容性,還要考慮到智慧教室系統(tǒng)未來(lái)的拓展。

1.2 智慧教室建設(shè)的目標(biāo)

智慧教室建設(shè)的目標(biāo)可以歸納為以下幾點(diǎn):首先,智慧教室是傳統(tǒng)多媒體教學(xué)方法的一種升級(jí),提高智慧教學(xué)的覆蓋面。其次,促進(jìn)師生溝通,提高師生之間的交流效果。在智慧教室中,教師與學(xué)生的教學(xué)終端是相互連接的,二者可以定向的交流互動(dòng)、屏幕內(nèi)容傳送等,甚至還可以實(shí)現(xiàn)教師對(duì)學(xué)生的實(shí)時(shí)評(píng)價(jià),以及教室的智能化管理。再次,進(jìn)一步挖掘多媒體信息資源的利用價(jià)值,提高教學(xué)資源的利用效率。最后,提高師生對(duì)教學(xué)設(shè)備的主觀使用感受,增加其對(duì)教育領(lǐng)域中應(yīng)用的信息技術(shù)的了解。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧教室的架構(gòu)與設(shè)計(jì)

現(xiàn)階段,我國(guó)大部分高校均配置了多媒體教學(xué)設(shè)備、照明設(shè)備等。學(xué)校方面與教室相關(guān)的信息化系統(tǒng),主要包括學(xué)生管理系統(tǒng)、教務(wù)管理系統(tǒng)等,而就教室本身而言,其功能主要是為師生提供教學(xué)、學(xué)習(xí)場(chǎng)所。目前,大部分高校教室中的設(shè)備,都處在手工或者半手工狀態(tài),即教師在上課時(shí),需要先在管理人員處獲得多媒體設(shè)備的鑰匙。學(xué)生上自習(xí)課,需要按教室找以發(fā)現(xiàn)處在閑置狀態(tài)下的教室,管理人員無(wú)法實(shí)時(shí)了解教室的使用狀態(tài),而且教室也不具有能夠自動(dòng)記錄考勤的功能。這種粗放的管理模式,造成了大量能源浪費(fèi)。本文所設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧教室,可以顯著現(xiàn)存問(wèn)題,為師生提供更加人性化的服務(wù)。

2.1 體系架構(gòu)

結(jié)合高校信息化建設(shè)的現(xiàn)狀以及目前可用的新設(shè)備、新技術(shù),將智慧教室的體系架構(gòu)分為4層,即感知層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)層與控制層,如圖1所示。

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧教室整體架構(gòu)

2.1.1 感知層

感知層是整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)中最基礎(chǔ)的一部分,更是確保系統(tǒng)功能得以實(shí)現(xiàn)的重要保障之一。系統(tǒng)的感知層由RFID、無(wú)線通信設(shè)備以及存儲(chǔ)設(shè)備組成,本文研究的智慧教室系統(tǒng)的感知層,是通過(guò)在教室內(nèi)部與外部,安裝射頻感知器、溫濕度采集器、光線感知器等傳感設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)的,功能是采集教室的各項(xiàng)數(shù)據(jù)。其中,射頻感知器是用來(lái)驗(yàn)證師生身份,并記錄考勤次數(shù)的；溫濕度采集器主要用來(lái)監(jiān)測(cè)教室內(nèi)的環(huán)境；光線感知器主要負(fù)責(zé)教室內(nèi)的燈光；而智能多媒體系統(tǒng)用來(lái)進(jìn)行課件展示,并為師生提供互動(dòng)問(wèn)答等功能。此外,教師的多媒體主機(jī)以及投影設(shè)備均要配備傳感裝置,以提高系統(tǒng)獲得相關(guān)設(shè)備信息的準(zhǔn)確性,并提升多媒體教室的教學(xué)質(zhì)量。

2.1.2 網(wǎng)絡(luò)層

作為系統(tǒng)架構(gòu)的中間層,網(wǎng)絡(luò)層的功能是連接感知層與應(yīng)用層,使二者可以高效、穩(wěn)定的聯(lián)系。為了確保系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性,智慧教室的網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計(jì),要以穩(wěn)定、可靠、安全為首要原則,科學(xué)、合理的選擇通信協(xié)議。智慧教室的網(wǎng)絡(luò)層主要由總線-以太網(wǎng)、星形網(wǎng)絡(luò)與無(wú)線網(wǎng)絡(luò)組成。其中,以太網(wǎng)中主要配置了智能傳感器、以太網(wǎng)協(xié)議、TCP/IP協(xié)議與傳感器內(nèi)置處理器芯片,在內(nèi)置處理器芯片上編程就可以對(duì)感知器收集到的所有數(shù)據(jù),進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)與處理。而星形網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)將傳感器數(shù)據(jù)傳送到中央服務(wù)器中,進(jìn)行存儲(chǔ),便于系統(tǒng)管理工作人員隨時(shí)查閱[3]。

2.1.3 數(shù)據(jù)層

相對(duì)而言,數(shù)據(jù)層的功能是較為簡(jiǎn)單的,即對(duì)智能感知設(shè)備所收集的數(shù)據(jù)展開語(yǔ)義轉(zhuǎn)化,并將經(jīng)過(guò)處理的數(shù)據(jù)信息,在數(shù)據(jù)服務(wù)器中進(jìn)行存儲(chǔ)。智慧教室的主服務(wù)器與學(xué)校的主業(yè)務(wù)服務(wù)器之間是相互連接的。所以,系統(tǒng)管理工作人員可以隨時(shí)通過(guò)調(diào)取數(shù)據(jù),得知智慧教室的相關(guān)數(shù)據(jù),如教師信息、學(xué)生信息、教室占用情況等,之后再通過(guò)控制平臺(tái),均衡分配各智慧教室使用。

2.1.4 控制層

控制層指的是每一間智慧教室的智能代理控制平臺(tái)。該平臺(tái)為控制層主要功能是對(duì)實(shí)時(shí)智能監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集與處理,而且還能夠按照教學(xué)活動(dòng)開展的實(shí)際情況,由教師人工手動(dòng)進(jìn)行控制。學(xué)校應(yīng)在開設(shè)了智能教室的教學(xué)樓中,設(shè)置分中心控制平臺(tái),對(duì)大樓內(nèi)所有智慧教室的使用情況進(jìn)行監(jiān)測(cè),同時(shí)監(jiān)測(cè)教室外部環(huán)境情況[6]。學(xué)校則通過(guò)中心主控平臺(tái),對(duì)校內(nèi)所有智慧教室展開實(shí)時(shí)的全局監(jiān)控,并負(fù)責(zé)完成不同智能代理平臺(tái)的授權(quán)管理與身份驗(yàn)證。

2.2 功能模塊設(shè)計(jì)

2.2.1 主要技術(shù)

智慧教室中的智能考勤模塊設(shè)計(jì)主要通過(guò)無(wú)線電頻率識(shí)別技術(shù)(Radio Frequency Identification, RFID)展開設(shè)計(jì),該模塊由閱讀器、標(biāo)簽、管理平臺(tái)組成。RFID標(biāo)簽包括主動(dòng)與被動(dòng)兩種模式,無(wú)論是標(biāo)簽還是閱讀器,都應(yīng)以特定的頻率進(jìn)行設(shè)置。目前,RFID技術(shù)已經(jīng)在高校智慧化校園建設(shè)中有廣泛應(yīng)用,如校園一卡通,一卡通系統(tǒng)具備了門禁、圖書館借閱、食堂消費(fèi)等多種功能。

2.2.2 具體開發(fā)過(guò)程

本文將智能考勤模塊設(shè)計(jì)開發(fā)的過(guò)程分為3個(gè)階段,依次是情景設(shè)計(jì)、系統(tǒng)規(guī)劃與測(cè)試驗(yàn)證。其中,情景階段要定義問(wèn)題,即統(tǒng)計(jì)學(xué)生遲到與曠課行為,于智慧教室設(shè)置考勤模式；系統(tǒng)規(guī)劃階段,以第一步所收集到的信息為依據(jù),定義RFID智能點(diǎn)名機(jī)的操作流程以及硬件規(guī)范,同時(shí)展開系統(tǒng)分析、編碼；在測(cè)試驗(yàn)證階段,安裝軟硬件系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)的場(chǎng)景與功能進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證。

3 結(jié)語(yǔ)

人工智能、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的發(fā)展,為教育領(lǐng)域帶來(lái)了新的發(fā)展活力,現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)各大高校均開始著手建設(shè)智慧校園,而智慧教室建設(shè)是重中之重。智慧教室建設(shè)并非單純的在教室內(nèi)外配備信息化設(shè)施,重要的是要考慮建筑物與教學(xué)方面的需求,并將各種新型技術(shù)與設(shè)備整合形成智能化系統(tǒng)。在本文研究中,闡述了基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧教室設(shè)計(jì)的重要意義、目標(biāo)以及原則,以此為基礎(chǔ),對(duì)基于物聯(lián)網(wǎng)智慧教室的體系架構(gòu)設(shè)計(jì)展開了深入研究。總而言之,基于物聯(lián)網(wǎng)智慧教室的設(shè)計(jì),有利于提升學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn),提高教學(xué)效果,各大高校均應(yīng)重視智慧教室建設(shè),通過(guò)大力發(fā)展智慧教室,為智慧校園的實(shí)現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。