基于物聯網結構的智慧教室建構的研究

鄭廣成 朱翠苗

摘 要：針對智慧教室智慧性要求，結合高職現有多媒體教室、理實一體化機房、智能錄播室建設基礎，提出了基于物聯網結構的智慧教室建構體系，并從智慧教室建構原則、功能、基于物聯網的架構體系等方面進行設計，給出了基于物聯網三層結構的智慧教室架構，對感知層智慧場所設備、網絡層通信服務和網絡協議、應用層系統總控和對外繼承等方面，進行明確說明和設計，對物聯網智慧教室建設方案給出了幾點建議，該建構體系更適合高職院校進行智慧教室建設。

關鍵詞：智慧教室；物聯網；建構體系

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A、

Abstract：According to the wisdom requirements of the smart classroom，the paper proposes the construction system of the smart classroom based on the internet of things，with the current infrastructure of multimedia classrooms and theory-practice integrated computer classrooms in higher vocational colleges.The smart classroom is designed from the construction principle，the function of the smartclassroom and the architecture based on the internet of things.The smart classroom is structured based on the 3-layered architecture of the internet of things.The paper elaborates on the classroom equipment on the perception layer，the communication service and the network protocol on the network layer，and the general control and the external inheritance on the application layer，etc..Some constructive suggestions are provided on the construction of the smart classroom based on the internet of things.This construction system is more suitable for the construction of the smart classroom in higher vocational colleges.

Keywords：the smart classroom；the internet of things；construction system

1 引言（Introduction）

物聯網技術的成熟，實現了教育信息化的大跨越，面向移動學習和大數據時代，高職院校在數字化教學資源平臺建設的基礎上，陸續探索和實踐智慧教室的建設工程，尤其采用物聯網感知實現信息的識別、智能處理和共享推送，為信息化學習、移動學習和多樣化學習奠定基礎，而智慧教室建設必須充分考慮技術的穩定性、數據實時性、控制自動化、系統集成性[1，2]，必須充分考慮傳感節點設備、物聯網通信和信息資源處理的有效整合，實現智慧教室與教學資源平臺的實時對接。為此，本文將主要討論基于物聯網技術的高職智慧教室建構體系和建設方案 。

2 物聯網技術（Technology of internet and things）

物聯網技術是計算機網絡、Internet的技術升級，按照協議規定，可以將任何物體與互聯網連接，實現智能化、自動化的互聯和交互，為人們生活、生產、學習帶來了更加便利的服務，涵蓋了信息識別、讀取、傳送、處理、存儲、應用的全過程，尤其是終端智能設備、傳感設備的作用得到了充分發揮和利用，為教育信息化、自動化、現代化提供更加理想的解決方案。

物聯網主要包括RFID、中間件、互聯網應用三部分構成，RFID主要提供信息識別，從終端節點設備獲取信息，然后通過中間件（Savant）對信息進行分析、傳輸、存儲，通過Internet網絡實現個性化的應用服務，整個物聯網分為感知層、網絡層、應用層，感知層是物聯網的底層，是有無數個節點（各類傳感設備）構成，通過WIFI、ZigBee等方式接入互聯網[3]，完成信息分析、傳輸、存儲，最后通過應用層軟件進行數據挖掘、處理、操作和信息決策，為用戶提供各種操作服務[4-6]。物聯網結構如圖1所示。

3 基于物聯網的智慧教室建構體系（Construction

system of smart classrooms based on construction

of internet and things）

智慧教室將成為現代教育重要平臺和手段，是未來課堂的主要形式.諸多院校都有多媒體教室、理實一體化機房、智能錄播室等具有一定信息化的場室，這些場室具有一定信息化，但缺乏“智慧性”，即自動化、系統化、協同化，將繁瑣的教學資源和信息通過半人工方式收集顯然不能滿足現代職業教育教與學的需求[7]，必須借助物聯網、移動互聯、大數據等技術，構建以智慧教室為載體的智慧學習平臺，成為高職教育信息化教學改革主要目標和任務，通過物聯網將課堂教學活動、教學內容記錄、存儲，并與教學資源平臺、移動學習平臺無縫對接成為智慧教室建設重點，結合蘇州健雄職業技術學院智慧教室建設基礎，考慮現有多媒體教室、智能錄播室、理實一體化機房中的各種設備有效地控制、協同工作，從整體到局部進行智慧教室建構。

3.1 架構原則

（1）充分利用現有設備和條件

現有教學場室已經實現了信息化教學，具有半智能化功能，多媒體教室、機房、智能錄播室已經具備高清數字電視、電子白板、短焦投影儀、實物展臺、無線麥克、智能變焦、智能錄播軟件、音響設備、攝像頭、空調等硬件，必須基于這些設備[4]，采取優化、改進和補充的方式，進行智慧教室的集成性設計。

（2）準確定位智慧教室的功能

智慧教室主要功能是記錄、收集、存儲授課過程和內容，提高學習效率、易于課堂控制、方便學生多樣化學習，方便與教學資源平臺對接，實現資源共享，智慧教室的功能定位如圖2所示。

圖2 智慧教室功能設計

Fig.2 Feature design of smart classroom

（3）以物聯網技術為核心

智慧教室主要實現物與物的互聯、人與設備的識別、自動交互，只有使用物聯網技術將智慧教室的設備、物品連接成一個智慧教室系統，才能實現智慧化教學控制、管理[5]。

（4）與信息化教學平臺對接

智慧教室錄制的優質教學資源，要及時在信息化教學平臺更新，滿足學生課外鞏固學習、移動學習的需要，才能彰顯它強大的教育功能。

（5）方便設備接入與擴展

師生自己的手機、筆記本電腦、平板等終端設備應很容易接入，成為智慧學習的輔助工具實現教學過程控制、交互和信息通訊的教具。

（6）配備智能錄播和信息采集軟件

智慧教室的智慧性就是由完美科學的中控軟件，對攝像、監控頭、聲音、人員行為能夠智能識別、區別記錄、自動存儲等功能，必須配備一定的智慧軟件才能實現，可以說智慧軟件是智慧教室管理、協同和控制的核心。

3.2 智慧教室設備組成

智慧教室的主要設備包括：燈光、攝像頭、音箱公放、采集話筒、電子白板、變焦攝像頭、電腦、筆記本、中央處理器、實物展臺、移動設備（接口）等，還要包括空調、通風、隔音等輔助條件。智慧教室場室屬于智慧教室的感知層，主要用來信息采集、控制，如圖3所示。

3.3 基于物聯網的智慧教室層次架構

（1）智慧教室感知層設計

在智慧教室機柜中安裝RFID系統，用射頻IC卡、手機、指紋等手段驗證身份，可以使用智慧教室[6]；在教室安裝2—3個變焦攝像頭和多個監控攝像頭，實時根據教師和學生移動、動作自動捕捉教學場景，配備計算機、投影儀、電子白板、功放、電動窗簾、教室前排燈光、音響、實物展臺等感知設備；RFID、攝像頭和傳感器所構筑的智慧教室感知層隨時監視教學情況，通過傳感器設備監測教室設備狀態和運行參數，全方位“實時感知、動態控制和智慧處理智慧教室中各個教學環節和場景。如圖4所示。

classroom

（2）智慧教室網絡層設計

作為中間層，網絡層將感知層采集獲取的信息通過以太、無線、移動等網絡進行實時傳送，實現智慧教室通訊網絡的優質計算、點對點高效通信、無線傳輸，主要采用IPv6作為通用協議，比IPv4具有更加穩定的通信能力，同時考慮與校園網的對接，為進一步集成現有的教學資源平臺、課程資源平臺甚至為魔課、SPOC提供支持，網絡層通信的主要目的是服務好應用層，完成人與物、物與物的智慧通信。

（3）智慧教室應用層設計

智慧教室場室多、設備多、連接復雜、數據多樣，必須采取云計算技術進行應用層管理與控制，通過云計算節點控制平臺對智慧教室系統進行實時監測、控制和故障分析，同時通過云數據分析和處理技術[6]，將不同的智慧信息和數據分類發送到不同平臺用戶進行處理，將智慧教室的優質資源分享給廣大學習者。

4 智慧教室建設方案建議（Recommendations of

smart classroom construction program）

4.1 硬件裝備

智慧教室首先是計算出每個場室需要設備的類型、數量以及報價，同時考慮對場室基本環境的改造要求，例如：空調、窗簾、隔音墻、弱點強點布線等工程造價，再統計場室數量，整體進行設備采購套數、數量、規格進行界定，設計設備采購表。

4.2 軟件子系統配備

結合不同設備集成后的功能，建設一個綜合物聯網智慧教室應用系統，智慧教室系統應包括以下子系統[8]：（1）授課管理系統：實現師生交互式課堂管理與教學；（2）教學展示系統：用于顯示上課課程、班級、教師、到課率和各傳感器數據信息；（3）考勤管理系統：采用RFID標簽（校園卡）或手機進行考勤，識別學員身份，支持遠程考勤與打印等；（4）設備管理系統：對場室設備實時監控、能直接識別非法設備；（5）燈光控制系統：根據人員活動進行自動調整，尤其是教室走動到哪里，又該有燈光跟隨；（6）窗簾控制系統：能夠自動來開關閉，能根據光線強度自動拉動補光或全關閉；（7）溫濕度控制系統：通過溫濕度傳感器監測室內溫度，自動關閉、開啟、停歇空調和加濕器；（8）安全保護系統：實施對窗戶的自動監視和報警；（9）通風控制系統：根據CO2濃度，自動開啟或關閉抽風機；（10）視頻錄制系統：分為界面視頻錄制和教學活動監控，教學活動有局部變焦監控和全場定焦監控[9]。

4.3 通過招標聘請專業人員施工

智慧教室的施工對系統是否穩定、是否通暢有重要的作用，尤其對設備參數配置、設備連接、設備調試、設備整體優化影響較大，因此，高職院校建設智慧教室在明確目標要求前提下，通過招標采購正品設備、招聘專業施工隊進行智慧教室建設至關重要。

5 結論（Conclusion）

智慧教室是高職信息化教學改革和智慧校園建設核心工作，也是目前高職教學改革的熱門話題，同時也是IT行業新型服務業務，智慧教室必須充分考慮智慧性，將物聯網、云計算等現代信息技術綜合應用，與現有教學資源系統等平臺對接，才能發揮出智慧教室的智能性，智慧教室實施最重要的就是建構方案，不僅考慮教學的便利性、高效性，更要考慮信息交互的通暢性，場室的安全性和舒適性，智慧教室建設還處于起步階段，有待于不斷探索和創新。

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作者簡介：

鄭廣成（1978-），男，碩士，高級工程師，副教授.研究領域：云軟件架構技術，移動互聯應用技術，高職現代學徒制教育改革與信息化教學研究.

朱翠苗（1976-），女，碩士，副教授.研究領域：軟件算法，物聯網，職業技術教育.