互聯網+時代基于物聯網云計算構建智能教學環境設計與實現

孔曉榮

摘要：物聯網技術和云計算技術的廣泛應用，有力促進了高等院校智慧校園的迅速發展。在構建智能化教學環境中，智慧教室是重點建設，通過運用物聯網技術和虛擬云桌面技術將智慧教室構建成一個具有智能感知與識別、實時監控、智能考勤、課堂教學監督、教學資源存儲與共享等諸多功能的智能教學環境。為高校師生構建了一個綜合全面的感知及智能管理一體化的教學云平臺，實現了智慧教學與智慧管理新型的教育模式，對極大提升學校的教育信息化水平具有十分重要的意義。

關鍵詞：物聯網；虛擬化技術；云計算；智能教學環境；智慧教室；

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）29-0269-03

Abstract：The wide application of Internet of things and cloud computing technology has promoted the rapid development of intelligent campus in colleges and universities.In the construction of intelligent teaching environment， wisdom classroom is the key construction.By using the technology of Internet of things and virtual cloud desktop technology， the intelligent classroom is constructed into an intelligent teaching environment with many functions， such as intelligent perception and recognition， real-time monitoring， intelligent attendance， classroom teaching supervision， storage and sharing of teaching resources， and so on. A teaching cloud platform with comprehensive perception and intelligent management is constructed for teachers and students in colleges and universities. The new educational model of wisdom teaching and wisdom management has been realized. It is of great significance to greatly improve the level of educational informatization in universities.

Key words：Internet of things；virtualization technology；cloud computing；intelligent teaching environment；wisdom classroom

1引言

李克強總理在2015年政府工作報告中提出了發展“互聯網+”時代藍圖規劃，在社會各個領域大力推動發展移動網絡技術、物聯網、云計算、大數據、人工智能等新技術的應用，增強國家科研技術實力，為國家經濟和科技等各方面建設提供堅實的技術基礎。

在“互聯網+”時代里，將新技術融合應用到基礎教育及高等教育也是必然的趨勢，要建立新型的教育形態，改變和更新傳統教育理念，提高教學環境的硬件設施和軟件配套技術，使之變為智能教學環境。實現教學資源云共享平臺，切實提高教學質量和教學管理水平，真正實現智慧校園的發展規劃，這一切都需要物聯網、云技術、大數據及人工智能等新技術的支持和應用才能實現。

2 物聯網技術在高等院校智能教學環境中的應用

2.1 智能教學環境在高校中的需求分析

據教育部統計，截至2016年5月國內高校數量位居世界第二，在校的大學生人數近3700多萬，位居世界第一。我國高等教育規模巨大，但是校園教育教學環境卻不容樂觀，目前大多數高校仍然教學觀念落后，教學設施陳舊，即使有先進的教學方法，卻奈何整體校園教學環境沒有達到信息化水平，因而無法實現交互式教學、個性化教學等各種先進教學模式，教學管理處于落后低級水平，教學資源共享更無從談起。還有一些高校，為了實現教育信息化和智慧校園，動用大量資金購置新的教學設施，學校硬件設施條件比較齊備，卻沒有很好地應用新技術構建教學的軟件環境，新教學設施仍然不能被高效利用和管理，無法實現智能化教學環境的目標。因此運用物聯網、云技術和大數據等前沿技術架構智能教學環境是非常必要的，刻不容緩的發展趨勢。

2.2利用物聯網構建智能教學環境主要功能設計

目前，物聯網技術已經發展得比較成熟，而物聯網實現的核心是物物相連。在大學校園中，通過運用物聯網技術，將教學環境中的每個需要相連的教學硬件設施與網絡連通，利用物聯網的各類傳感設備以及嵌入式系統，實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種高效能的網絡教學環境。在智能教學環境中每個物體具備了連通性、嵌入性以及智能化的特性，為在校師生打造了一個綜合全面的感知及智能一體化的教學服務平臺，從而實現智慧教學及智能教學管理的目標。

大多數高等院校目前都是采用多媒體教室，所謂多媒體教室就是采用多種媒體技術其中既包括硬件設施又包括軟件配套整合而成的教學環境，主要有計算機、投影儀、投影屏、主控臺、音響、有線網絡或無線網絡等硬件設備以及相配套的軟件系統，多媒體教室的廣泛應用距今已有二十多年的時間，隨著計算機技術的迅速發展，多媒體教室的應用性能在不斷地改善和發展。如今將物聯網和云計算、大數據技術應用到以往的多媒體教室，會使多媒體教室的建設進程發生一次質的飛躍。

智能教學環境的核心構成是智慧教室，這里主要闡述架構智慧教室的基本功能。在建設智慧教室過程中主要完成以下幾個方面的功能設計需求：

1）主要功能設計

系統主要包括：在原有網絡（有線或無線網絡）基礎上重新進行綜合布線，部署物聯網感知系統和嵌入式系統，布置監測與安全系統，常態錄播系統，視頻信號采集及存儲系統，設備一體化管控系統、共享云平臺系統以及相關服務器等。

2）軟件功能擴展設計

在軟件功能方面主要實現物聯網感知系統和嵌入式系統的功能，即運用物聯網技術能夠讓智能化教學環境里的每種設備都具有連通、嵌入與智能的特性，能夠及時采集教室環境參數，通過網絡對教室的相應設備進行遠程管理和操作。還能夠及時采集教室中教師授課與學生學習的各種相關信息，架構具有全面智能并感知的教學學習平臺。除此之外，另一個要實現的重要功能就是利用物聯網系統收集信息數據之后，依靠先進的云計算來分析和處理數據，提供教學資源共享，支持個性化教學，推動MOOC課、翻轉課堂等交互式、多元化教學模式的發展。還可以進一步在云計算的基礎上，充分利用大數據技術對教學質量和教學體系進行詳細統計和分析，為高校提供可貴的教學質量評估數據，為提升學校的教學質量和信息化建設奠定好堅實的技術基礎，因此軟件功能實現非常重要。

2.3 物聯網技術感知與智能處理功能的具體應用

1）教室設施的智能管控應用

智慧教室內安裝各類傳感器設備，用來感知和采集教室內環境信息。例如感知教室內燈光光照強度、室內濕度和溫度等信息并采集相關數據，能夠遠程智能控制教室內窗簾、燈光、空調、門窗及電源等設備，實時調整設備狀態保證正常運行。還可以采用射頻識別技術RFID對教室教學設備貼上標簽，掌握每個設備的基本信息，便于固定資產的管理，當設備出現問題或發生故障時能夠及時響應得到處理，如果設備被移到智慧教室之外時還會及時發出報警信號，確保設備的安全。

2）師生考勤制度管理中的應用

高等院校師生考勤制度是教學管理中重要組成之一，上課期間學校要檢查教師是否準時上課，對違反學校上課考勤制度的教師要做出相關處理。但考勤制度的監督與執行需要花費許多人力和精力；學生上課考勤也是評測學生表現的重要指標之一，如果學生考勤情況需要用點名方式來檢查，也會花費許多時間和精力，甚至會影響教學時間，效率太低。而通過物聯網技術應用就可以建立高效機制的考勤系統，例如學?？蔀槊课粠熒l一張射頻識別（RFID）標簽卡，標簽里存有教師和學生基本信息，每個智能教室都有門禁系統，當師生進入教室時讀卡器可以采集師生信息，并上傳到服務器，服務器在考勤系統中對比學生的考勤記錄，既而統計出考勤數據。門禁系統還可以設置權限，只允許指定時間在此教室上課的師生刷卡進入，并實時記錄教室開關門時間和人員流動信息，建立高效的智能化的師生考勤系統，這樣就節省了大量人力物力，實現了對師生的智能考勤。如果把射頻識別RFID電子標簽集成到師生的校園一卡通系統中，就可以真正實現“一卡在手，走遍校園”的應用。

3）物聯網在智慧教室智能感知中的應用

應用物聯網技術，學校師生可以通過電腦、手機等電子設備隨時通過網絡訪問智慧教室，行政管理人員可以隨時管控智慧教室內裝有傳感器和嵌入系統的設備，并能實時監控教室的一切動態情況，及時響應和處理實時狀況，同時將采集的視頻數據上傳存儲到相關服務器中，以便日后需要觀看時隨時調用。學生可以通過網絡隨時訪問智能教室的人員動態情況，快速確定要去自習的教室。

3虛擬云桌面技術構建智能教學環境設計實現

虛擬云桌面技術匯集了虛擬化技術和云存儲計算的特性，利用數據中心云計算服務器以及桌面虛擬化技術，借助云桌面平臺實現教學資源的統一管理和調度，大大節省了建設智能教學環境的硬件成本，教師和學生可以通過任意一臺電腦或手機，使用自己的用戶名和密碼登錄之后隨時訪問教學資源，為教師教學工作和學生學習課程提供了極大的便利條件。

具體實現為：通過在學校網絡中心建立私有云方式，為智能教學環境提供云存儲計算服務，云計算服務器運行在學校建立的私有云端，采用Open Stack開源云計算管理平臺作為云操作系統，Open Stack可以通過互補服務提供云基礎設施服務（IaaS）的解決方案，將底層存儲計算等設施形成計算資源池進行統一管理調度，然后通過網絡面向智能教學環境提供云存儲計算服務。虛擬化云桌面技術實現的主要設備是云計算服務器，云計算系統通過將應用與數據集中到云服務器集群中，實現智能教學環境中教學過程的統一管理和監控。

同時，云計算系統為教師提供個性化定制授課服務，教師能夠在分配給自己的虛擬系統空間中安裝授課所需的各類軟件和教學資源，在授課時無論在智能教學環境中的哪個教室都能隨時調取出自己所需的專用軟件和教學資源，無需在授課教室的電腦里提前安裝專有軟件和教學資源，也不再受教學硬件環境條件的限制，還可以隨時上網。例如教師在播放大容量視頻時經常由于教學環境制約或網絡速度原因出現卡屏等影響教學效果的現象，而通過虛擬化云桌面技術，不再有此類現象出現，很好地保障了教學課堂效果，還顯著降低了教學設備使用和維護成本。在另一方面，學生也可以充分利用虛擬云桌面尋找自己所需教師的教學資源，復習和鞏固教師所講的課程內容，不僅僅只能靠抄筆記或者復制教師的課件來學習課程，而是可以隨時瀏覽教師某一時間的視頻講課內容，對學生學習課程提供了極大的便利。另外，還可以進行師生互動交流，課堂提問與及時回復，更好地促進了翻轉課堂教學、交互式教學等先進教學模式的推行。

圖中最高層為云計算服務器中的操作系統池，可以包含多種操作系統軟件包，操作系統推送器的功能是將各個操作系統軟件包由服務器推送到客戶機，這種推送方式通過國際互聯網（Internet）或者學校局域網形式進行傳輸，當操作系統包傳送到客戶機后，由操作系統執行器或虛擬機執行，進而驅動各計算機硬件。智能教室里的教師授課用計算機的操作系統是采用虛擬云桌面技術在云計算服務器端安裝了所需的各應用系統鏡像，然后通過服務器網絡推送方式傳到各教師機虛擬桌面，所有教師客戶機通過網絡啟動開機后由云計算服務器推送操作系統與服務。

物聯網和虛擬云桌面技術的應用，可以在教學環境中達到真實空間與虛擬學習空間的有效結合，能夠形成更好的真實加虛擬互動的智能教學環境，例如在實驗室教學環境中，可以利用物聯網技術構建一個模擬實驗室，讓學生在模擬的環境中感受到真實的場景，如醫學傳感物聯網實驗室，可以模擬傳感監控輸液過程，實現脈搏、血壓、血率等數據的傳感測量并監控記錄變化的數據。利用云服務器可以模擬遠程醫療監控系統的運行，學生可以全方位地觀察和記錄整個實驗過程，使學生仿佛身處真實場景之中，從而極大地調動了學生的學習積極性和主動性，也為教師提供了非常好的輔助教學環境。還可以利用網絡虛擬仿真功能在網上運行應用系統，能夠解決并彌補因實驗經費不足無法購買昂貴的實驗設備而造成的實驗短缺現象，對提高高校專業課程教學質量水平提供強有力的技術支持。

4 結束語

在“互聯網+”時代里，充分利用物聯網、云計算及大數據等前沿新技術，將其融合到高等院校教育信息化建設中，構建智能教學環境，實現教學資源真正的共享平臺，為師生營造更好的教學和學習環境，在智能教學環境中，智慧教室的建設尤為重要，而物聯網技術把智慧教室里所有教學硬件通過傳感元件及嵌入系統，實現了智能感知與識別、實時監控、智能考勤、課堂教學監督、教學資源存儲與共享等諸多功能的智能教學環境。在虛擬化云計算技術的基礎上，為高校師生構建了一個綜合全面的感知及智能一體化的教學環境，形成一種管理者與師生之間無縫銜接的教學環境生態圈，實現智慧教學與智慧管理新型教育模式。對顯著提升學校教學和管理質量以及改善教學環境具有非常重要的意義。

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【通聯編輯：唐一東】