物聯(lián)網(wǎng)與云計算背景下高校智慧教室建設(shè)研究

楊克勤

（湖北生物科技職業(yè)學(xué)院，湖北 武漢 430070）

信息技術(shù)發(fā)展和“互聯(lián)網(wǎng)+教育”加快了我國高校智慧校園與智慧教室建設(shè)的腳步，并為其提供更全面的新一代信息技術(shù)支持?，F(xiàn)階段我國多數(shù)高校教學(xué)設(shè)備已開始引進先進的多媒體集成智能黑板、激光投影儀、智能中控等，普通多媒體教室也從傳統(tǒng)的方式逐漸向數(shù)字化、自動化以及智能化的方向轉(zhuǎn)變，為學(xué)生提供個性化服務(wù)的同時，進一步改善高校教學(xué)環(huán)境，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容?；谖锫?lián)網(wǎng)與云計算背景下建設(shè)的智慧教室，可以將學(xué)校管理和師生之間緊密相連，形成有機整體。為此，本文將以物聯(lián)網(wǎng)與云計算為背景對智慧教室的建設(shè)進行深入研究。

1 概述

1.1 物聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)（IoT：Internet of Things）是一種利用信息傳感器以及射頻識別（RFID）、全球定位系統(tǒng)以及紅外感應(yīng)器等裝置和計數(shù)，能夠?qū)ξ矬w或過程進行實時的連接與監(jiān)控，結(jié)合聲、光、電以及力學(xué)、熱學(xué)等各種信息內(nèi)容，利用各類網(wǎng)絡(luò)接入，實現(xiàn)物和人、物和物之間的連接，也能夠?qū)ξ锲芳斑^程進行智能化感知和管理。物聯(lián)網(wǎng)其實從根本上來說是基于互聯(lián)網(wǎng)以及5G 移動互聯(lián)網(wǎng)等信息作為載體，將所有的獨立的普通物理對象轉(zhuǎn)化成為互通的關(guān)系。物聯(lián)網(wǎng)作為新型的信息技術(shù)組成部分，在IT 行業(yè)又被叫做泛互聯(lián)，可以理解為是萬物相連的意識，所以物聯(lián)網(wǎng)又可以說是能夠讓所有物物之間相互連接的互聯(lián)網(wǎng)。

1.2 云計算

云計算（Cloud Computing）是指利用計算機網(wǎng)絡(luò)形成的計算能力較強的計算系統(tǒng)，能夠存儲，并將相關(guān)資源進行結(jié)合同時按照用戶需求進行配置，為用戶提供更加個性化的服務(wù)。云計算并非是一種新型的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，而是更為新穎的網(wǎng)絡(luò)概念，是繼互聯(lián)網(wǎng)以及計算機時代的又一種創(chuàng)新。云計算通過分布式計算，在網(wǎng)絡(luò)“云”將海量且龐大的數(shù)據(jù)在不斷地處理分解后成為無數(shù)小程序，而后再利用多個服務(wù)器形成的系統(tǒng)對小程序的結(jié)果進行處理與分析，并反饋于用戶[1]。

2 智慧教室概念以及現(xiàn)狀

2.1 概念

智慧教室是以傳統(tǒng)教室為基礎(chǔ)，伴隨信息技術(shù)的進步與發(fā)展而逐漸發(fā)展形成的，經(jīng)歷了“傳統(tǒng)教室——電子教室——多媒體教室——多媒體網(wǎng)絡(luò)教室——智慧教室”的發(fā)展過程，其中多媒體教室、多媒體網(wǎng)絡(luò)教室和智慧教室同屬于數(shù)字教室的不同發(fā)展階段[2]。當前，智慧教室大家普遍認可的描述是，運用人工智能、人機交互等信息技術(shù)手段增強教學(xué)內(nèi)容呈現(xiàn)和對整個教學(xué)環(huán)境的感知，利用物聯(lián)網(wǎng)、云計算等信息技術(shù)優(yōu)化教師和學(xué)生的溝通交流，構(gòu)建個性化、開放式的泛在教學(xué)環(huán)境。

2.2 建設(shè)智慧教室意義

高校建設(shè)智慧教室其最主要的意義在于能夠促使師生之間更好的交流，完成教學(xué)過程，促使高校智能化管理水平得到有效提升。智慧教室的建設(shè)使高校教學(xué)逐漸由傳統(tǒng)的教學(xué)模式轉(zhuǎn)化為現(xiàn)代化網(wǎng)智慧教學(xué)模式，能夠更加地符合高校實際發(fā)展需求，為高校教學(xué)發(fā)展予以更多的技術(shù)支持[3]。此外，建設(shè)智慧教室也是更加科學(xué)合理規(guī)范的管理智慧教室的主要途徑，是確保智慧教室硬件設(shè)備能夠正常運行的重要基礎(chǔ)，高校利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)與日常教學(xué)內(nèi)容進行融合，有助于創(chuàng)新高校教室的整體協(xié)同創(chuàng)新能力。

2.3 現(xiàn)狀

目前我國多數(shù)高校智慧教室在建設(shè)時仍然存在諸多的不足之處，傳統(tǒng)的多媒體教室過于重視教學(xué)設(shè)備的投入，并未對教學(xué)平臺軟件建設(shè)予以充足的投入，并且只是考慮教學(xué)設(shè)備的好壞，并沒有重視到教學(xué)設(shè)備對教學(xué)內(nèi)容的影響。在傳統(tǒng)多媒體教室建設(shè)時，大多數(shù)情況下是簡單的組裝硬件設(shè)備，并沒有對教室進行系統(tǒng)化的建設(shè)。部分高校多媒體教室在建設(shè)過程中位置相對分散和獨立，采購的硬件設(shè)備型號相對復(fù)雜多樣[4]。

目前我國部分高校建設(shè)智慧教室過程中主要存在以下問題。第一，智慧教室所采購的設(shè)備操作相對復(fù)雜，使用過程中硬件設(shè)備出現(xiàn)故障沒有及時地處理則會影響教學(xué)進度。第二，智慧教室所使用的電腦系統(tǒng)配置相對較低，電腦的Windows 系統(tǒng)會導(dǎo)致電腦極容易遭到病毒侵襲，不僅影響教室授課，還不利于后期對智慧教室的維護。第三，多媒體教室使用的教學(xué)設(shè)備都是通用設(shè)備，也就是說無論是學(xué)生還是教師都有權(quán)力使用智慧教室設(shè)備，就會出現(xiàn)隨意使用設(shè)備甚至盜取設(shè)備等問題。第四，智慧教室所使用的設(shè)備種類相對繁瑣，且設(shè)備與設(shè)備之間的線路較為復(fù)雜，就會加大智慧教室硬件設(shè)備的維修困難，而教師在教學(xué)過程中也會由于操作繁瑣而頻頻出現(xiàn)故障等問題。

2.4 智慧教室系統(tǒng)功能

2.4.1 統(tǒng)一管理多媒體設(shè)備

目前高校在進行課堂教學(xué)時通常都會使用到多媒體設(shè)備，多媒體作為高校教學(xué)過程中重要的教學(xué)工具，會對教學(xué)效果產(chǎn)生影響。所以，就需要對智慧教室系統(tǒng)進行統(tǒng)一的管理與控制，通過完善合理的中控管理平臺，對智慧教室中的多媒體設(shè)備進行更加全面且可遠程控制的智能操作。智慧教室系統(tǒng)可以獲取教室中電腦工作情況、投影儀或智慧大屏等設(shè)備的工作狀態(tài)，便于對教學(xué)過程進行動態(tài)化的調(diào)整，還可以對設(shè)備進行統(tǒng)一自動開關(guān)機操作，可以更好地管控設(shè)備，確保教學(xué)過程不受影響的同時，還可以避免他人隨意動用多媒體設(shè)備[5]。

2.4.2 具有人性化的教室環(huán)境

舒適的教室環(huán)境會直接影響學(xué)生學(xué)習(xí)效果以及教師教學(xué)效率的主要因素，當學(xué)生身處于舒適且先進的教學(xué)環(huán)境中，會更加積極地吸收知識，學(xué)習(xí)效率會得到有效的提升，學(xué)習(xí)整體效果也會得到提升。智慧教室利用傳感技術(shù)，在教室安裝智能化的調(diào)節(jié)設(shè)備，使學(xué)生能夠在溫度、安全以及光照等多個方面進行智能化的調(diào)節(jié)，為學(xué)生創(chuàng)設(shè)出十分舒適的學(xué)習(xí)環(huán)境。

2.4.3 智慧教室具有安全性

智慧教室的安全性，是智慧教室系統(tǒng)正常運行的重要基礎(chǔ)。智慧教室系統(tǒng)本身包含內(nèi)容較多，包括智慧教室的管理的安全性與數(shù)據(jù)處理的精準性，需要通過設(shè)置高級級別管理密碼，確保系統(tǒng)數(shù)據(jù)的安全性，避免遭到惡意篡改以及漏洞攻擊等，智慧教室系統(tǒng)的安全性必須滿足高校教室的教學(xué)需求，確保教學(xué)設(shè)備能夠正常運行，教學(xué)活動有序進行。

2.5 智慧教室特點

智慧教室與傳統(tǒng)的多媒體教室相比之下更具有靈活性與互交性、沉浸性，智慧教室利用現(xiàn)代技術(shù)手段使師生之間能夠形成良好的互動，形成人和環(huán)境之間的和諧互動。在物聯(lián)網(wǎng)與云計算背景下智慧教室中的教學(xué)方式會更加的創(chuàng)新與新穎，不是傳統(tǒng)的教師主導(dǎo)式、填鴨式等教學(xué)模式，而是使用情境式、問答式等方法來加強師生之間的聯(lián)系。結(jié)合智慧教室目前的優(yōu)勢之處不難分析其特點，其具備數(shù)字化、智能化以及集約化等特點，在教學(xué)上還可以實現(xiàn)同步教學(xué)以及廣播教學(xué)等個性化教學(xué)服務(wù)，實現(xiàn)聯(lián)機探討、課件回放以及屏幕監(jiān)控等功能特點。

3 物聯(lián)網(wǎng)背景下智慧教室的整體結(jié)構(gòu)

基于物聯(lián)網(wǎng)與云計算背景下智慧教室系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)包括感知層、數(shù)據(jù)層、控制層以及網(wǎng)絡(luò)層四部分內(nèi)容，具體如下。

3.1 感知層

將多種數(shù)字傳感器安裝到智慧教室中，使用傳感器對周圍的環(huán)境進行自動感知，并自動收集智慧教室周圍所產(chǎn)生的實際數(shù)據(jù)。通過光傳感系統(tǒng)設(shè)備能夠?qū)χ腔劢淌业墓饩€以及昏暗程度進行檢測，實時合理地對教室各個區(qū)域環(huán)境進行動態(tài)調(diào)整與控制。通過射頻感知器應(yīng)用于驗證教室管理員以及學(xué)生、教師的身份，實時考查學(xué)生、教師出勤狀況；通過溫濕感知器能夠檢測教室的溫度和濕度，確保教學(xué)環(huán)境舒適。

3.2 控制層

高校對教室管理部署控制管理平臺，及時分析并處理智慧教室產(chǎn)生的實時數(shù)據(jù)，對教師適當?shù)赜枰允跈?quán)，方便教師對智慧教室進行實時變化管理。此外，還可以在高校主教學(xué)樓設(shè)置分中心控制平臺，實現(xiàn)對教學(xué)樓中各個智慧教室的使用情況以及上課狀態(tài)進行監(jiān)測，相關(guān)的管理人員要隨時調(diào)取以及使用課表信息和師生信息，便于對智慧教室的出勤情況進行考察。最后高校還需要設(shè)置總中心控制平臺，便于對學(xué)校所有智慧教室的使用情況進行監(jiān)測，需要對管理人員設(shè)置身份信息的核實，并予以管理人員必要的控制權(quán)，確保智慧教室系統(tǒng)的安全性。

3.3 數(shù)據(jù)層

智慧教室數(shù)據(jù)層是基于語義數(shù)據(jù)層將語音感知設(shè)備所收集的數(shù)據(jù)信息進行語義方面的轉(zhuǎn)化，并篩選標準化的語義信息數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)及時存儲到數(shù)據(jù)服務(wù)器。智慧教室數(shù)據(jù)服務(wù)通常情況需要與高校的實時服務(wù)系統(tǒng)連接，教務(wù)管理人員需具備查看學(xué)校智慧教室系統(tǒng)各項數(shù)據(jù)的能力，并了解智慧教室使用情況以及人員信息等。

3.4 網(wǎng)絡(luò)層

智慧教室的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)層主要由網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備建設(shè)形成，使用太網(wǎng)、星性網(wǎng)以及無線網(wǎng)絡(luò)這三種網(wǎng)絡(luò)。

4 基于云計算背景下智慧教室的建設(shè)

云計算自發(fā)展形成后具有諸多的優(yōu)勢與特點，如數(shù)據(jù)可靠、數(shù)據(jù)處理效率高、成本低等優(yōu)勢，在進行教學(xué)活動時可以促使教學(xué)活動最優(yōu)化，提高教學(xué)效率與質(zhì)量。云計算應(yīng)用在智慧教室中主要是通過云服務(wù)形式來完成教學(xué)服務(wù)，云服務(wù)平臺由云平臺服務(wù)器及云終端和大二層網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，云服務(wù)主要在物聯(lián)網(wǎng)、無線網(wǎng)以及局域網(wǎng)采集數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，整合優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源，豐富教學(xué)資源與教學(xué)課程庫，讓整個教學(xué)過程更加的個性化。

4.1 云服務(wù)平臺

其實從根本上來說智慧教室就是通過智能化技術(shù)來建設(shè)智能化的教學(xué)環(huán)境，使師生能夠利用豐富的教學(xué)資源繼續(xù)教學(xué)活動，完成教與學(xué)的最優(yōu)化目的，提高高校教學(xué)質(zhì)量與效率。云服務(wù)平臺還可以加強用戶之間的信息溝通，促使師生、管理人員之間形成有效交流，并且云服務(wù)平臺包括教育智能化下所需要的所有計算資源，通過虛擬化手段，為師生提供更多種的教學(xué)資源服務(wù)。云服務(wù)平臺作為云計算技術(shù)向教育的一種遷移，更是未來實現(xiàn)智能化教育的基礎(chǔ)架構(gòu)，其不僅傳承下云計算的各項優(yōu)勢，同時還可為高校教學(xué)管理提供全新的解決方式。

4.2 創(chuàng)設(shè)云服務(wù)平臺實際功能

云服務(wù)平臺具有管理教學(xué)設(shè)備以及教學(xué)資源、網(wǎng)絡(luò)課堂、虛擬實驗室等功能，云服務(wù)平臺不僅可以實現(xiàn)和傳統(tǒng)多媒體教室連接，對教學(xué)設(shè)備進行有效管理，同時還將云端教學(xué)資料進行整合，為教師以及學(xué)生提供自主學(xué)習(xí)平臺，豐富學(xué)生基礎(chǔ)理論知識以及實驗學(xué)習(xí)平臺，并便于教師對教學(xué)模式進行創(chuàng)新。云教育的發(fā)展，特別是云服務(wù)平臺使學(xué)生的學(xué)習(xí)過程不再局限于時間與空間，而是打破常規(guī)，讓學(xué)生能夠?qū)崿F(xiàn)移動式在線學(xué)習(xí)。

5 智慧教室未來發(fā)展思路

通過物聯(lián)網(wǎng)與云計算建設(shè)智慧教室，創(chuàng)設(shè)出更加舒適的教學(xué)環(huán)境不僅是智慧教室凸顯出的重要優(yōu)勢，更是高校實現(xiàn)信息化與智能化教學(xué)的重要訴求。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在高校教學(xué)設(shè)備中的應(yīng)用，一方面能夠有效地優(yōu)化教學(xué)環(huán)境，開展智能化管理，提供豐富教學(xué)資源，但智慧教室的建設(shè)成本要遠高于傳統(tǒng)多媒體教室，所以高校可以將智慧教室建設(shè)于新校區(qū)或?qū)嶒炇业?，避免后續(xù)的修繕，減少智慧教室的建設(shè)成本。高校智慧教室的建設(shè)加快了學(xué)?，F(xiàn)代化管理的腳步，同時也和現(xiàn)代化教育要求相符[6]。另一方面，建設(shè)智慧教室不僅僅表現(xiàn)在教學(xué)環(huán)境方面，更多的是智慧管理和智慧教學(xué)，讓學(xué)生能夠在智慧化的教學(xué)環(huán)境中利用新穎的教學(xué)模式提高自身學(xué)習(xí)效率，使高校教學(xué)質(zhì)量逐漸朝向現(xiàn)代教育方向發(fā)展。

6 結(jié)語

根據(jù)上述可知，本文主要基于物聯(lián)網(wǎng)和云計算的概念展開討論，闡述智慧教室的現(xiàn)狀、意義以及智慧教室系統(tǒng)功能，并基于物聯(lián)網(wǎng)和云計算對智慧教室的結(jié)構(gòu)進行分析。物聯(lián)網(wǎng)和云計算技術(shù)可為高校建設(shè)智慧教室提供技術(shù)支持，強化學(xué)生自主學(xué)習(xí)意識，最大化地利用教學(xué)資源，為現(xiàn)代化教育發(fā)展提供新思路和方向。