基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高校智慧教室系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：傳統(tǒng)高校課堂教學(xué)存在管理困難、課堂互動方式單一、學(xué)生課堂行為難以量化等諸多問題。為解決上述問題，各大高校采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)出輔助高校課堂教學(xué)的智能化、規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化智慧教室系統(tǒng)。文章以某學(xué)院的智慧教室系統(tǒng)建設(shè)為例，主要從智慧教室功能需求設(shè)計(jì)、智慧教室分層架構(gòu)設(shè)計(jì)、智慧教室核心模塊實(shí)現(xiàn)等方面闡述基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高校智慧教室系統(tǒng)設(shè)計(jì)，為學(xué)院其他專業(yè)智慧教室建設(shè)提供借鑒，可進(jìn)一步推廣智慧校園建設(shè)。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；智慧教室；系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中圖法分類號：TP391文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Design of smart classroom system in colleges and universities based onInternet of things technology

WU Chengli

（Beijing Taiji Information System Technology Co.，Ltd.， Beijing 100102，China）

Abstract：There are many problems in traditional college classroom teaching， such as managementdifficulties，single classroom interaction methods，and difficulty in quantifying students' classroombehaviors.In order to solve the above problems， major colleges and universities have used the Internetof Things technology to design an intelligent，standardized and standardized smart classroom systemto assist classroom teaching in colleges and universities.Taking the construction of a smart classroomsystem in a certain college as an example， the article mainly elaborates the smart classroom systemdesign in colleges and universities based on the Internet of Things technology from the aspects ofsmart classroom functional requirements design， smart classroom layered architecture design，andsmart classroom core module implementation， so as to provide reference for the construction of smartclassrooms，which can be further promoted to the construction of smart campuses.

Key words： Internet of things technology， smart classroom， system design

1 引言

智慧教室作為教育智能化發(fā)展的必然產(chǎn)物，在物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)持續(xù)創(chuàng)新和發(fā)展的背景下，高校教室管理逐漸呈現(xiàn)出信息化和系統(tǒng)化的發(fā)展趨勢[1]。智慧教室通常是指基于新的教學(xué)工具（尤其是高科技軟件、軟件技術(shù)的應(yīng)用）創(chuàng)建智慧的教室管理系統(tǒng)。為了充分利用物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)優(yōu)勢，全面提高高校教室的信息化水平，可以將最新的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與傳統(tǒng)的高校教室管理模型有機(jī)地結(jié)合在一起，即開發(fā)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧教室信息管理系統(tǒng)，以全面提高教室管理效率，真正體現(xiàn)教室的綜合價(jià)值，創(chuàng)建更好的教學(xué)環(huán)境。作為信息技術(shù)與教育教學(xué)相融合的典型代表，高校智慧教室建設(shè)近年來迅速發(fā)展，旨在從營造教學(xué)環(huán)境、變革教學(xué)理念、創(chuàng)新評價(jià)方式等維度，重構(gòu)人才培養(yǎng)體系，助力教學(xué)改革。

2 高校智慧教室的建設(shè)現(xiàn)狀

智慧教室是智慧校園的重要組成部分，智慧校園的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)也給智慧教室的建設(shè)提供了很多參考[2]。很多國家都推行了本國的智慧校園建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，其中英國、印度、馬來西亞等國家的相關(guān)研究成果頗豐，如馬來西亞教育部“智慧學(xué)校計(jì)劃”中出臺的《馬來西亞智慧學(xué)校資格標(biāo)準(zhǔn)》和英國的《BECTA 智慧學(xué)校自查框架》都是較為成熟的智慧校園建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)。我國也于2018年出臺了智慧校園建設(shè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，其中《智慧校園總體框架》（ GB/T36342?2018）從管理、教學(xué)、培訓(xùn)、建設(shè)等多個(gè)角度，較為全面地規(guī)范了智慧校園的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，也為智慧教室建設(shè)提供了參考。

國外早期對于智慧教室的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)大多從設(shè)備配備即硬件環(huán)境入手，Rescigno 于1980年建立了最早的智慧教室模型，他在傳統(tǒng)教室的基礎(chǔ)上，嵌入個(gè)人計(jì)算機(jī)、交互式光盤視頻節(jié)目、閉路電視、VHS 程序、本地區(qū)域網(wǎng)絡(luò)和電話調(diào)制解調(diào)器，這也是早期智慧教室建設(shè)參考的一個(gè)主要標(biāo)準(zhǔn)。2010年，美國制訂了《洛杉磯社區(qū)學(xué)院學(xué)區(qū)視音頻智慧教室信息技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》 （ LACCD? AV? Smart? Classroom? Information Technology Standards），對智慧教室的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行細(xì)化，是最早由公立單位制定的智慧教室建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)。在有了明確的智慧教室建立標(biāo)準(zhǔn)后，各國也涌現(xiàn)出一批較為成功的案例，如蘋果公司的明日教室、麥吉爾大學(xué)的智能教室以及斯坦福大學(xué)的 IROOM 等優(yōu)質(zhì)智慧教室。

2021年，北京市高等教育學(xué)會參照《智慧校園總體框架》（ GB/T 36342?2018）、《多媒體教學(xué)環(huán)境設(shè)計(jì)要求》（ GB/T 36447?2018）、《學(xué)校課桌椅功能尺寸及技術(shù)要求》（ B/T 3976?2014）等規(guī)范性文件，制定了高等學(xué)校智慧教室建設(shè)的總體框架的團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)—《高等學(xué)校智慧教室建設(shè)技術(shù)要求》（ T/BAHE?202001）。該標(biāo)準(zhǔn)提出智慧教室的建設(shè)應(yīng)秉承“統(tǒng)籌、集約、綠色、發(fā)展、開放、共享、安全”的原則，根據(jù)實(shí)際情況按需建設(shè)，對于高等院校智慧教室的總體框架應(yīng)包括：基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)據(jù)服務(wù)、支撐平臺、業(yè)務(wù)應(yīng)用、應(yīng)用終端、技術(shù)規(guī)范與保障體系、網(wǎng)絡(luò)和信息安全體系。

3 高校智慧教室典型技術(shù)框架結(jié)構(gòu)

3.1 智慧教室集控服務(wù)平臺

智慧教室集控服務(wù)平臺主要負(fù)責(zé)對所有的智慧教室以及內(nèi)部的各種硬件和軟件設(shè)施進(jìn)行控制和管理，并提供不同的管理服務(wù)。該服務(wù)平臺主要是校園教務(wù)處或者是教學(xué)指揮中心，負(fù)責(zé)儲存全校智慧教室的設(shè)施設(shè)備，在這些設(shè)施運(yùn)行的過程中，服務(wù)平臺也會實(shí)時(shí)進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)，收集各項(xiàng)參數(shù)以及不同的教學(xué)資源，這些信息同樣會服務(wù)于高校智慧教室的發(fā)展。智慧教室疾控服務(wù)平臺處于校園各種智慧技術(shù)后臺管理的中心地位，控制著所有的智能化技術(shù)，因此它需要大量不同類型的設(shè)備和系統(tǒng)來保障平臺的運(yùn)行。

3.2 智慧教室中控主機(jī)

智慧教室中控主機(jī)，也稱之為智慧管理中心或智慧教室管理中心，區(qū)別于傳統(tǒng)多媒體教室的中控主機(jī)，它具有更強(qiáng)的融合性，對多種多媒體設(shè)備進(jìn)行聯(lián)合控制，在管理和控制上的功能更加優(yōu)化，不僅能夠統(tǒng)一控制所有的智慧教室設(shè)備，還能夠獨(dú)立控制智慧教室的中控臺。同時(shí)，它也是智慧教室服務(wù)平臺的一部分，保證各個(gè)教室的客戶端設(shè)備能夠在平臺的支持下，做好核心主機(jī)的控制與管理工作。但是，國內(nèi)智慧教室的中控主機(jī)沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，大部分情況下都是廠商自主研發(fā)，以基本的 OPS 為主鍵核心，這同樣是高校智慧教室常見的中控主機(jī)。

3.3 智慧教室操控面板

類似于傳統(tǒng)多媒體的中控面板，智慧教室操控面板主要是通過單口的方式與智慧教室的主機(jī)進(jìn)行連接。在機(jī)械的基礎(chǔ)操作下，智慧教室操控面板在材料選擇方面還增加了液晶平板模式，除了傳統(tǒng)的多媒體設(shè)備控制類型的面板，還融合了根據(jù)不同環(huán)境進(jìn)行控制的面板，能夠進(jìn)一步發(fā)揮智慧教室控制面板的優(yōu)勢。其中，對于平板的控制面板所用到的軟件，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)點(diǎn)線面結(jié)合，還能在控制面板功能鍵上設(shè)置更加完善的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)控制面板的開關(guān)、切換、調(diào)控等功能。進(jìn)一步優(yōu)化智慧教室操控面板，可以完善各項(xiàng)功能，也可以提升智慧教室技術(shù)水平。

4 智慧教室分層架構(gòu)設(shè)計(jì)

智慧教室系統(tǒng)以物聯(lián)網(wǎng)4層模型架構(gòu)為基礎(chǔ)搭建而成。該系統(tǒng)利用各層級提供的接口，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的信息傳遞，并對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析，完成與用戶終端間的交互。

智慧教室系統(tǒng)架構(gòu)由底層至頂層包括感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺層和應(yīng)用層[3]，如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)充分發(fā)揮了分層架構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)勢，提高了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性、自主性及可擴(kuò)展性，可進(jìn)行應(yīng)用需求的個(gè)性化定制及未來應(yīng)用需求的擴(kuò)展、補(bǔ)充。

（1）應(yīng)用層。應(yīng)用層為用戶提供豐富的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，可滿足各類用戶的不同需求。應(yīng)用層與平臺層直接對接，將平臺處理、加工的數(shù)據(jù)，以定制化應(yīng)用的方式提供給用戶。智慧教室系統(tǒng)中的終端設(shè)備主要通過物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用為用戶提供服務(wù)。

（2）平臺層。平臺層作為硬件與軟件間的層面，打通了物聯(lián)網(wǎng)從設(shè)備采集信息到上層應(yīng)用與用戶交互的全過程。物聯(lián)網(wǎng)平臺具備各類云計(jì)算服務(wù)的能力，可使用開放接口為設(shè)備采集的數(shù)據(jù)提供處理、分析服務(wù)，為上層應(yīng)用業(yè)務(wù)與設(shè)備數(shù)據(jù)采集的交互、融合奠定了基礎(chǔ)。

（3）網(wǎng)絡(luò)層。網(wǎng)絡(luò)層是智慧教室內(nèi)數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)硬件基礎(chǔ)，其數(shù)據(jù)信息傳輸方式主要包括有線傳輸與無線傳輸。智慧教室系統(tǒng)中使用路由器、無線路由器、交換機(jī)、光載無線交換機(jī)以及 ZigBee 協(xié)調(diào)器等設(shè)備，可以構(gòu)建出有線網(wǎng)絡(luò)與無線網(wǎng)絡(luò)融合的物聯(lián)網(wǎng)。

（4）感知層。感知層是整個(gè)智慧教室系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集、接收的設(shè)備基礎(chǔ)，主要包含火焰?zhèn)鞲衅?、煙霧傳感器、光敏傳感器等傳感器，以及移動終端、視頻監(jiān)控?cái)z像頭、空調(diào)和智能開關(guān)等智能設(shè)備。

5 智慧教室核心模塊設(shè)計(jì)

5.1 智能設(shè)備的部署與網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

部署智慧教室內(nèi)的智能設(shè)備時(shí)，需要具有完善的網(wǎng)絡(luò)通信、供電等基礎(chǔ)設(shè)施與安全、可靠的設(shè)備工作環(huán)境，并要保證室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)的高速、穩(wěn)定、全方位覆蓋。各類傳感器設(shè)備對數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?、安全性要求高，須采用低功耗、高安全、高可靠?ZigBee 模塊接入傳感器設(shè)備，以 ZigBee 協(xié)調(diào)器為中心節(jié)點(diǎn)構(gòu)建星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。移動終端、空調(diào)、智能開關(guān)等智能設(shè)備內(nèi)置有Wi?Fi模塊，可利用無線路由器、光載無線交換機(jī)等設(shè)備構(gòu)建Wi?Fi無線局域網(wǎng)。視頻監(jiān)控?cái)z像頭上傳的視頻數(shù)據(jù)對網(wǎng)絡(luò)帶寬及穩(wěn)定性要求較高，可采用有線網(wǎng)絡(luò)直接接入方式，保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。

將室內(nèi)原有的路由器、交換機(jī)等設(shè)備與 ZigBee 協(xié)調(diào)器、光載無線交換機(jī)等設(shè)備連接，如圖2所示，整合出一套融合有線、無線網(wǎng)絡(luò)為一體的全新物聯(lián)網(wǎng)布局。

5.2 通用物聯(lián)網(wǎng)平臺接入

智慧教室系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備采集的數(shù)據(jù)信息量龐大，需要接入通用物聯(lián)網(wǎng)平臺。通過平臺內(nèi)的云計(jì)算服務(wù)，完成一系列的數(shù)據(jù)整合、加工、處理工作。

針對攝像頭實(shí)時(shí)采集的視頻數(shù)據(jù)傳輸帶寬占用大的特點(diǎn)，可采用 REST/HTTP 協(xié)議接入物聯(lián)網(wǎng)平臺，確保視頻數(shù)據(jù)高質(zhì)量、高速率傳輸。其他設(shè)備采集的數(shù)據(jù)傳輸量小、開銷小，可集中經(jīng)路由器收集、轉(zhuǎn)發(fā)，以消息隊(duì)列遙測傳輸（ Message? Queuing? Telemetry Transport，MQTT）協(xié)議接入云平臺。

通用物聯(lián)網(wǎng)平臺連接設(shè)備前，需要在云平臺中創(chuàng)建項(xiàng)目并添加云端設(shè)備，將云端設(shè)備的鑒權(quán)信息寫入外部設(shè)備后，可利用平臺內(nèi)的 SDK 對設(shè)備進(jìn)行開發(fā)。云平臺和設(shè)備間一般以消息發(fā)布或訂閱模式來完成消息分發(fā)。消息經(jīng)過規(guī)則引擎的過濾后，可轉(zhuǎn)發(fā)至不同的數(shù)據(jù)目的地，進(jìn)而利用各類云計(jì)算服務(wù)進(jìn)一步計(jì)算處理。

5.3 移動端應(yīng)用設(shè)計(jì)

智慧教室移動終端應(yīng)用設(shè)計(jì)采用 MVP （ Model? View?Presenter）架構(gòu)模式，該應(yīng)用主要包含用戶管理、翻轉(zhuǎn)課堂、教學(xué)管理、學(xué)情分析、教室情況以及設(shè)備管理等功能模塊，如圖3所示。移動終端應(yīng)用依據(jù)用戶類型，設(shè)計(jì)出對應(yīng)的功能模塊，確保能同時(shí)滿足教師、學(xué)生、管理人員以及維護(hù)人員等用戶對日常教學(xué)、人員管理和設(shè)備管理與維護(hù)等情景的不同需求。

6 智慧教室的后期維護(hù)與應(yīng)急處理

智慧教室在日常使用中離不開電力、網(wǎng)絡(luò)等基礎(chǔ)設(shè)施，這類基礎(chǔ)設(shè)施的日常維護(hù)需要形成一套完整的維護(hù)、檢修體系，從而定期對智慧教室內(nèi)的電線、網(wǎng)線等設(shè)備進(jìn)行巡回檢查，并將檢查結(jié)果形成書面記錄，為智慧教室的日常維護(hù)提供制度保障。

由于智慧教室內(nèi)所有智能設(shè)備過度依賴電力、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，教室的門窗等設(shè)備在配置上必須預(yù)留出機(jī)械控制閥，若突發(fā)險(xiǎn)情，在電力系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)癱瘓的情況下，可保證室內(nèi)人員安全撤離教室。

7 結(jié)束語

智慧教室是現(xiàn)代教育技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，是物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)相融合的必然結(jié)果，也是教室形態(tài)發(fā)展的一個(gè)趨勢。將智慧教室從以“教”為中心轉(zhuǎn)移到以“創(chuàng)新能力培養(yǎng)”為中心，強(qiáng)調(diào)智慧教室整合各種資源，提供多種教學(xué)工具，支持教與學(xué)方式的靈活多變，支持豐富的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，利于交流、協(xié)作和共享，強(qiáng)調(diào)的不只是設(shè)備與技術(shù)的先進(jìn)性，更是如何靈活應(yīng)用技術(shù)來支持學(xué)習(xí)過程、增強(qiáng)學(xué)習(xí)效果。目前，人工智能技術(shù)日趨成熟，將來利用人工智能技術(shù)對學(xué)生日常行為和學(xué)習(xí)情況進(jìn)行分析，根據(jù)學(xué)生自身特點(diǎn)量身打造出一套合適的學(xué)習(xí)方式將成為可能，人工智能技術(shù)的參與也有望引發(fā)新一輪教育教學(xué)改革。

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作者簡介：

吳成立（1974—），本科，工程師，研究方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)。