智能教室系統架構研究

文/喬沛昕 李紅波

智能教室系統架構研究

文/喬沛昕 李紅波

智能教室注重教室設備的智能性和整體效能發揮，在空間設計和管理系統開發上更多地從使用者的角度出發，體現更為便捷和自然的人機交互和全方位學習支持。文章提出了包含10個子系統的智能教室的綜合管理系統架構方案。為建設智能化、人性化的新型多媒體教室，進而實現網絡化教室管理和個性化教學活動提供理念和技術支持。

智能教室；管理系統；網絡化；遠程控制

1.智能教室的概念

智能教室，在國外有三種說法：Smartclassroom、iClassroom、Intelligentclassroom，其中以Smartclassroom居多；國內常用“智慧教室”、“未來教室”、“未來課堂”等詞。國內外對智能教室的界定有2O余種，分別從不同的角度進行界定。在對國內外專家的研究理念進行綜合分析之后，我們知道智能教室具有以下特征：該教室配備的計算機、視聽設備、交互白板和實驗儀器等能夠實現遠程綜合管理，對室內聲音、光線、溫度和濕度自動檢測和調節，有利于師生無縫地接入各類教學資源及參與教學活動，支持遠程教學、多向視頻會議等多種學習方式和交流探討活動，創建自然和諧的人機交互環境，依靠智能空間技術創造高度真實感的教學環境，促進學習者積極參與、以師生教學活動的最優化開展為目標的增強型學習環境。

因此，我們認為智能教室就是融合多媒體技術、通信技術、傳感技術、人工智能技術、虛擬現實技術等，實現電子設備系統化管理、優化教學內容呈現，便利學習資源獲取，促進課堂交互開展，具有情境感知和環境管理功能的新型教室。

2.智能教室綜合管理系統架構

隨著數字化校園的普及和發展，國內高校都在進行大規模校園網建設，依托校園網實現對多媒體教室的集中管理，成為目前高校多媒體教室管理系統建設的大勢所趨。智能教室即是以多媒體教室為點、校園一卡通和電子課表為線、校園網絡為面，整合原有的獨立功能系統，建立系統化的多媒體教室綜合管理平臺，達到教室內設備的網絡化、遠程化管理控制，從而真正實現數字化校園的全面整合。智能教室系統組成如圖1所示：

圖1 智能教室系統組成

2.1智能教室教學系統

教師使用內置電子白板功能的觸控投影機代替傳統的黑板教學，實現無塵教學。交互式電子白板采用紅外感應技術，教師通過直接用手指觸碰電子白板投影畫面來操作電腦系統，進行教學演示；學生通過觸發配置在課桌上的答題器，將對課堂問題反饋的數據信息發送給教學系統進行分析處理，并且通過投影儀立即呈現出來，真正實現師生課堂智能化交互式教學。智能課堂上所有電子教學儀器設備通過接入WiFi網絡實現遠程統一控制和數據傳輸。智能教學系統支持多種課堂互動活動：講授模式、隨堂測試、分組辯論、投票問卷調查、限時搶答、打分評選、口頭出題、快速分組、點名考勤等。

智能教室教學系統設備包括交互式電子白板、投影機、組合黑板、多媒體講臺、電腦、無線麥克風、立體音響、大型LED顯示器、WiFi設備服務器、WiFi攝像頭、答題器、自動錄像系統等。

2.2智能人員考勤系統

人員考勤系統根據電子課表提供的課程時間和人員信息，在有課程的時間段自動開啟，進入工作狀態。如果教室沒有安排課程，則該教室系統處于休眠狀態。教室前后門各安裝一個特高頻射頻讀卡器，采用校園一卡通對教師和學生進行身份識別。前門墻壁上安裝的LED顯示屏在高頻射頻讀卡器讀取信息的同時，同步顯示持卡人個人信息和出勤率。教師和學生在固定時間段進行刷卡考勤，對合法用戶進行考勤統計，對非法用戶進行告警。自動考勤軟件對進入教室的人員信息進行統計處理，考勤信息與學校教務系統數據庫聯網，如果發現持卡人有冒充頂替的行為將會進行自動識別，并及時報警提示。Wifi攝像頭將影像數據上傳至安全服務器，作為識別調查和追蹤處理的依據。此外，LED屏幕還可顯示該教室各個時間段的課程安排、任課教師、專業班級等信息。

智能人員考勤系統設備包括一體式特高頻讀卡器、 校園一卡通、LED顯示屏、WiFi設備服務器、WiFi攝像頭一體機、自動考勤軟件等。

2.3智能設備儀器管理系統

教室前后門安裝的特高頻讀卡器，對教室內的電子設備，實驗儀器等資產(貼有特高頻標簽，標簽上存儲有設備的詳細信息)進行出入教室的監控與管理，對未授權用戶把教室內資產帶出教室進行報警，WiFi攝像頭記錄人員影像上傳至管理平臺服務器。管理系統能夠對教室資產進行實時監控和自動盤點，將教室資產設備信息自動更新錄入學校資產管理數據庫，及時掌握設備的庫存情況，提醒資產管理員做申購計劃。設備管理系統還會定期利用網絡檢查教室內設備的運行狀態和系統更新版本，發現設備故障或重要系統升級提示后，及時將設備信息顯示在管理平臺上并提醒管理員進行處理，幫助管理人員準確把握教室設備狀態，減少設備故障率，為學校定期資產核查和維護人員設備維修保養、系統升級提供數據支持。

智能設備儀器管理系統的設備包括一體式特高頻讀卡器、特高頻標簽、WiFi設備服務器、WiFi攝像頭、設備資產管理軟件等。

2.4智能光線調節系統

在教室窗戶和各區域安裝光照傳感器。采集安裝在窗戶的光照傳感器數據，分析數據并通過無線網絡傳輸至管理平臺，光線調節軟件根據預設值，來控制窗簾的自動開和關，使學生免受室外強光的照射。采集安裝在教室內的光照傳感器數據，通過分析數據，根據軟件預設值，來控制教室內燈光的自動開啟與關閉，調節燈光的亮度。由于教室空間布局因素的影響，教室內各個區域燈光的亮度可能是不同的。智能燈光控制系統根據學生位置、室外光照強度，自動分序開、關燈光，調節區域內燈光亮度。室內光線既要保證各區域學生能夠看清楚白板和視頻設備所呈現的畫面，又要保證各類教學活動的展開，符合學生用眼衛生，保護學生視力。自然光與室內燈光相結合的智能控制系統，既有利于師生的身心健康，也實現了節能減排。

智能光線調節系統設備包括光照傳感器、WiFi設備服務器、智能窗簾控制系統、智能電源控制主機、燈光電源控制單元等。

2.5智能溫濕度控制系統

通過溫濕度傳感器監測室內溫度和濕度，分析數據并通過無線網絡傳輸至管理平臺，溫濕度控制軟件根據預設值，當室內溫度高于最高門限值時自動開啟空調，當室內溫度低于最底門限值時自動關閉空調，實現室內溫度的自動控制；同理，通過加濕器自動開啟與關閉來調整室內的濕度。管理人員也可以通過遠程網絡授權登陸服務器，查詢空調和加濕器狀態、環境溫濕度，調節教室溫濕度。

智能溫濕度控制系統設備包括溫濕度傳感器、WiFi設備服務器、智能空調控制器、立式空調、加濕器等。

2.6視頻監控系統

在教室前后門口各安裝一個WiFi無線攝像頭，記錄教室內人員出入和設備的出入庫情況的影像。教室內各區域安裝若干WiFi無線攝像頭監控教室內部課堂教學、儀器設備的使用狀況和記錄突發事件等。教學督導人員能夠在監控系統平臺觀察指定教室的現場教學影像，了解教師的授課方式和學生學習狀態，并進行錄像保存。課堂教學錄像由教師自主錄制完成，并上傳到教學資源管理平臺。如遇緊急事件或突發狀況，學校可以及時進行通知和疏導學生。攝像頭所采集的影像由遠端射頻單元傳送至終端管理電腦，提供實時的監控數據。

視頻監控系統設備包括系統服務器、智能客戶端設備、WiFi設備服務器、WiFi無線攝像頭等。

2.7遠程控制系統

遠程用戶通過管理系統平臺實時觀察各設備的使用情況，解決設備操作中遇到的問題，快速排查處理出現的機器故障；結合電子課表，保證有課程安排的教室能夠正常使用教學設備，如果遇到問題可以進行遠程操作處理。管理人員根據實際情況，在指定時間、場景和條件對教室設備(包括計算機、投影機、窗簾、空調、電子白板、照明燈等)電路進行遠程開啟和關閉控制,減少人為因素造成的用電浪費和設備損耗。

遠程控制系統設備包括系統服務器、智能客戶端設備、服務器端軟件、客戶端軟件等。

2.8智能門禁系統

在教室門窗安裝門磁模塊，門磁模塊用于檢測門窗的開關狀態。智能門禁系統設置校園一卡通、密碼指令輸入、指紋識別，按鈕開關等多種方式和權限開、關門窗；在固定時間段內，實施高度敏感的門窗自動監視和非法侵入報警。管理員通過有線或無線網絡，授權登陸服務器或通過視頻監控系統察看教室狀態、實施遠程開關門窗控制。

智能門禁系統包括門禁監控主機、磁力鎖、WiFi設備服務器、門禁監控系統軟件、WiFi攝像頭等。

2.9多向視頻會議系統

智能教室的多向會議系統中，設置一臺或多臺多點控制單元(MCU)。MCU是一個數字處理單元，通常設置在網絡節點處，可供多個會議場點同時進行相互間的通信；MCU可以實現音頻、視頻、數據信令等數字信號的混合和切換(分配)，但不會影響音頻、視頻等信號的質量。MCU支持標準的多分屏，可在會議進行中任意選擇和更改分屏顯示模式，分屏中每個窗口的圖像可以是指定的，也可以由用戶進行視頻窗口切換。

多向視頻會議系統設備包括多點控制單元、視頻會議終端、錄播服務器、攝像機、投影儀等。

2.10管理平臺共享、接入系統

智能教室管理平臺在開發階段就必須保證具有統一的基礎共享服務平臺，統一的接口服務、后臺數據服務和前端感知服務，實現各類新設施和終端設備接入的高度兼容性。網絡系統采用標準TCP/IP協議，方便升級、擴展，支持第三方設備無線接入，支持學生重新組網；并且提供開發者乃至教師和學生以管理系統為平臺，不斷開發新設備系統應用軟件的實驗開發模塊。

結語

智能教室的設計與應用是教育技術學研究一個新領域，智能教室綜合管理系統是實現教室真正“智能化”的關鍵，也是眾多學者研究的重點。如何架構科學合理的、人性化的智能教室綜合管理系統，將有助于我們重新審視教室管理方式和教學活動組織形式，創造一個充分關注課堂主體自由、發展、和諧、面向未來創新人才培養需求和新課程改革需要的學習環境。

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喬沛昕(1990-)，男，漢，陜西咸陽人，碩士研究生，就讀于廣西師范大學教育科學學院，主要從事數字化學習環境建設、現代遠程教育、教育信息化等方面的研究。 李紅波(1962-)，男，漢，廣西桂林人，教授，碩士生導師，廣西師范大學職業技術師范學院副院長，主要從事教育信息化理論與實踐、信息化教育資源設計及應用、教育信息化等方面的研究。

TP

A

2095-9214(2015)02-0261-02

廣西師范大學教育科學學院)