基于物聯網技術的智能教室應用

鄧煌依，林雨雯

（廣州工商學院，廣東 佛山 528000）

0 引 言

隨著物聯網的不斷發展，物聯網在生活、工作和學習中的應用不斷擴大，比如近些年在國內外競爭十分激烈的智能音箱、智能門鎖、智能家具、掃地機器人等領域，我們身邊隨處可見的智能設備等，都是利用物聯網技術連接起來的[1]。

1 概 述

1.1 物聯網技術

物聯網是指將生活、工作和學習中的日用品連接到互聯網的過程。這些物品一旦連接上了互聯網，便可以進行遠程操控、數據共享等，簡單來說就是物聯網把全世界的物品連接起來，讓他們之間可以交流，簡稱萬物互聯[2]。

1.2 智能教室

智能教室是運用傳感器、云計算等技術，將教室里的燈光、門禁、教學設備等連接起來，使學生在學習的過程中能夠更加簡單、高效和輕松。

2 傳統教室的狀況

學生進出課堂很隨意；教室需要通過黑板來羅列所學知識，知識體系更加抽象；燈光、窗簾等教室所需設備需要人為走動開關和調整；學生需要攜帶各科紙質版書籍和相應筆記本到教室學習，不利于減輕學生負擔；教師需要通過口頭布置作業和回收紙質版作業進行查閱批改，不利于環保[3]。

3 智能教室的應用

3.1 智能控制系統

智能控制系統通過電腦的中控與教室里各系統進行關聯，從而更好地控制教室內的各種機械器具。控制系統是智能教室強有力的助手，能很好地調節各方面需要，滿足學生和教師的需求。

智能控制系統能夠實時根據天氣的變化合理調整溫度和濕度，并在上課時間內自動開啟學習燈光，在下課時自動開啟護眼燈光，當師生都進入教室時，窗簾自動關閉，通風換氣系統和空調自動打開，當學生全部退出教室后，系統自動打開窗簾，關閉通風換氣系統和空調，使師生能夠處于適宜的環境[4-5]。

（1）智能照明系統

現在的照明大多保持固定狀態，教室照明的作用是為學生提供明亮的學習環境。但固定的照明會使學生產生視覺疲勞，甚至近視。即使現有燈光可以人工調節，但大多數時候，人在專注一件事時，會忘記調節燈光亮度。而智能控制系統可通過數據計算和光感器推算出當前適用的最優燈光，時時刻刻提供最優照明。智能照明系統以單片機作為主控單元，通過傳感器判斷教室里是否有人，做到人在燈亮，人走燈滅。使得學校對于照明的耗電量及電費得到有效減少[6]。

（2）智能環境系統

在物聯網環境下，通過對當天天氣及溫度、濕度的數值進行提取分析，控制空調的溫度及濕度。南方的冬天寒冷入骨，夏天炎熱使人疲倦，雖然北方在冬天有供暖系統，但并不能完全滿足人體對最佳溫度的需求。

（3）智能通風系統

在南方寒冷的冬天，同學們會把門窗關上，減少外界冷空氣的進入，但長時間坐在教室中呼吸空氣，會使得教室充滿沉悶的感覺，同學們不能很好地呼吸新鮮空氣。智能通風系統基于物聯網技術，通過感受教室內的風量、風速及二氧化碳等有害氣體等的濃度，及時將新鮮空氣與室內空氣進行交換。

3.2 智能門禁系統

當學生站在教室門口時，智能門禁系統利用人臉識別技術收集學生的學籍信息，當學生簽到后自動開門，待所有學生進入教室后，考勤系統將會整理一份電子版表格傳給對應教師端，清楚記錄應到人數、總到人數、缺勤人數等信息。

3.3 智能教學系統

智能教學系統利用超大投影儀代替了傳統的黑板教學模式，在教師教學的過程中能夠自動調整音響音量，教師在投影屏幕上能夠結合視頻、圖片、動畫進行生動教學，使學生不再局限于傳統的板書獲取知識。學生登錄自己的賬號后可找到專屬本節課的電子書，還可在電子書里自由做筆記，教師對學生進行提問或布置作業時學生也可以通過班級討論及提交作業的形式把答案通過平臺傳遞給教師，教師可以在教師系統中對學生的作業進行批改。系統在每節課課后都會自動彈出課堂評價及課堂反饋，方便教師及時調整教學策略[7]。

3.4 智能安防系統

智能安防系統利用煙霧傳感器、溫濕度傳感器、地震預報系統等對教室情況進行實時監測，超過一定數值則會發出警報，及時提醒師生撤離，保證師生安全。

4 智能教室的優點

4.1 智能教室所需技術

（1）物聯網技術

物聯網將現實世界數字化，應用范圍十分廣泛。在智能教室中，物聯網分為感知層、網絡層、應用層，主要通過對外界的感知、網絡傳輸、代碼運算、結果返回等方式進行實時控制。

感知層：為智能控制系統、智能門禁系統、智能教學系統和智能安防系統分配唯一的地址，實現物與物之間的通信。感知層主要由傳感器組成，將所有信息通過傳感器收集后借助網絡層傳輸。在智能門禁系統中，將人臉識別技術應用于門禁系統，可有效避免未錄入系統的陌生人隨意進入，而且能夠獲悉每個人進入的時間，以及停留時間。智能控制系統中的環境系統通過感應器接收當下的溫度及濕度信息，由計算機推測最佳溫度后進行調整。感知層技術如圖1所示。

圖1 感知層技術

網絡層：物聯網分為短距離無線、中距離無線、長距離無線，以及有線技術等。其中，我們將ZigBee應用于智能教學系統。ZigBee屬于無線傳輸技術，其距離短且功耗低，該技術通常情況下被應用在短距離范圍，在數據傳輸速率要求不高的電子設備中得到了廣泛應用。同藍牙相比，該技術十分簡單，且費用與功率等也相對較低。網絡層流程如圖2所示。

圖2 網絡層流程

應用層：應用服務層針對不同客戶的需求，利用網絡層傳輸的數據直接操作智能器具。如安防系統，接收到網絡層傳來的煙霧警報將立即開啟滅火裝置；門禁系統接收到不符合學校學籍數據庫中的人臉信息后，應用層開啟門禁系統中的禁止入內模式。應用層設備如圖3所示。

圖3 應用層設備

（2）云計算技術

云計算通過網絡將大量需要經過計算處理的程序分拆成無數小的子程序，再將這些小程序交給由許多服務器組成的龐大系統進行搜尋、計算分析等處理，之后將結果傳回用戶，不會造成資源浪費[8]。

云計算能夠按用戶需求進行動態分配，給我們提供了便捷。其優勢如下：

可大規模使用：云服務器能供幾十甚至上百萬臺計算機使用，滿足多種用戶需求；

可靠性高：當個別云服務器出現差錯時，服務可跳轉到空閑服務器；

按需服務：這是云計算的一大特點，能對用戶的需求進行動態分配，滿足用戶需求等。

這些優勢能在使用云服務時降低智能教學出現差錯的概率，云技術可自動跳轉到空閑服務器，使得教學過程順暢。一些特定資料上傳到云服務端，能有效避免電腦格式化、U盤格式化、感染病毒而導致數據丟失等情況出現，學生也能直接在云服務中隨時獲取數據，進一步方便學生學習，減少教師教學過程中的突發情況[9]。

（3）智能桌面及虛擬技術

未來，學生的桌面不應只是用來放書，起支撐作用。我們可以將物聯網技術與書桌相連，打造智能化書桌。桌面不再是木質桌面，而是玻璃屏的電子桌面，能向手機一樣進行觸屏操作，同時，桌面還具有提醒功能，學生能將當天需完成的任務寫在虛擬桌面上。由北京郵電大學的“老師好我叫何同學”制作的智能桌不僅具有提醒功能，還配備了手機充電功能。這些可以運用在智能教室的虛擬桌面中。將電腦融入桌面，方便學生進行資料查閱，教師也可以將屏幕共享到學生對應的書桌上。同時我們也可將虛擬技術運用在課堂上，通過3D眼鏡實現由肢體參與到課堂的方式，趣味性十足。

4.2 智能教室優化傳統教學環境的功能分析

智能教室相比于傳統教室具有很強的交互性、靈活性，且沉浸體驗感佳。智能教室的特性決定了它具有數字化、信息化、智能化等特點，在多種現代技術的加持下，能給學生和教師提供更好的工作環境。

當下高校大多數都已經是多媒體教室了，但由于多媒體教室由不同專業課程的教室和學生使用，每種課程的教師使用的軟件不盡相同。隨著多媒體教室的應用和推廣，易出現由于教師和學生不當操作，給系統帶來安全隱患的情況。傳統教室大多只是具有多媒體的部分功能，將由手寫和口頭講授的方式轉變成為電子白板或電腦桌面展示，教師只能運用單一的教具傳授知識。而智能教室不僅給學生營造了舒適的學習環境，還具有多種交互特點，使學生的“學”與教師的“教”具有互動和趣味性[10]。

智能教室還具備多種智能設備及系統，無論是智能安防、智能控制、智能門禁還是智能教學，使用者都能從安全、舒適、智能等方面來體驗該教室不同于傳統教室的功能[11]。

5 智能教室的思路與前景

物聯網技術的運用比比皆是，例如智能家居、智能電氣等。不久的將來，我們也可以將物聯網技術應用到現代教學設備管理中，為教師和學生創建智能化、數字化、舒適的教學環境。我們深入理解了物聯網與云計算的發展過程，根據現有水平及學校的實際情況進行調整，構建融合了互聯網體系、云計算體系的服務平臺。智能教室不僅注重技術，還要時刻注重管理，所以管理人員也起著十分重要的作用。

6 結 語

綜上所述，本文基于物聯網技術構建智能教室，通過一系列系統進行控制，為學生營造了舒適、智能、數字化的學習環境，為教師的教學提供了多種途徑，為智能教室的實現提供了支持，為未來智能教室的構建提供了方向。