基于智能技術的高校多媒體教學服務平臺設計與開發

蔣旺喜 李煒 杭州師范大學

●引言

2021年，教育部等六部門發布《關于推進教育新型基礎設施建設構建高質量教育支撐體系的指導意見》，提出“推動教育數字轉型、智能升級、融合創新，支撐教育高質量發展”。[1]新技術融合推動教育信息化由要素驅動向創新驅動轉變，由粗放型建設向精細化建設方向轉變，助力教育信息化新基建持續發展。[2]

多媒體設備作為高校重要的教學基礎設施，支撐著學校的教育教學活動，隨著技術的發展，其控制方式也從單機控制發展到集中控制[3]，開機方式逐漸標準化，以插卡為主。新技術、新環境發展為多媒體設備的開啟和管理提供了新方式，因此，如何選擇最佳方式，解決插卡方式的弊端，以及精準控制多媒體設備的使用是本文研究的重點。

●研究問題與意義

1.研究問題

人臉識別技術、掃碼技術已在高校得到廣泛使用[4]，應用場景涉及消費、借書、門禁等諸多方面，這給只支持校園卡的應用帶來很大沖擊，尤其是教學多媒體設備使用，涉及面廣且與教學相關，僅支持校園卡開啟的方式已滿足不了師生的需求。據調查，大部分學校普遍存在多媒體設備開啟了但沒人使用的情況，這是多媒體設備管理一直以來的痛點，同時損耗了設備的使用壽命，浪費了能源。

2.研究意義與價值

筆者認為，開啟多媒體設備是服務師生開展教學活動的第一步，而如何掙脫校園卡束縛，快速開啟多媒體設備是提升教學環境服務質量的關鍵。因此，本研究旨在助力學校智慧校園的建設與教育高質量發展。同時，本研究希望為多媒體設備管理員提供使用預警信息，讓其可精準判斷哪些教室的多媒體設備開啟了但沒人使用，以便及時處理，盡可能降低能源和設備壽命的損耗。

●系統分析

1.多媒體設備開啟新方式分析

新技術的發展給多媒體設備開啟方式提供了新的途徑，如刷臉開啟、掃碼開啟、自動開啟等。這些新的開啟方式各有利弊，刷臉開啟雖然體驗感好，但需要投入大量資金采購設備并需要對現有設備進行改造。自動開啟方式需要基于課表數據以及教師的選擇進行開啟。掃碼開啟可實現一碼一室，無需改造設備且資金投入很少，雖然依賴移動設備，但這在智能手機蓬勃發展的今天已不再是問題。

筆者通過分析諸多開啟方式的利弊，最終將方案確定為以掃碼開啟為主，自動開啟為輔，確保每個多媒體設備都能在通過掃碼開啟的基礎上，根據課表信息和教師的選擇執行自動開啟多媒體設備。

2.多媒體設備管理員需求分析

目前，多媒體設備管理員可遠程控制多媒體設備，但必須基于控制系統的電腦客戶端，無法實現隨時隨地進行管控。筆者通過訪談了解到，師生在晚上和雙休日經常有借用教室的情況，管理員希望在手機上隨時隨地管控教室的多媒體設備，主要功能包括查看多媒體設備運行狀態、開啟多媒體設備和關閉多媒體設備等。

3.用戶需求分析

系統角色包括使用多媒體設備師生、多媒體設備管理員、校管理員等。教職工掃碼開啟權限與插卡開啟權限一致，學生只有通過教室預約后才能在規定時間內掃碼開啟該教室的多媒體設備；多媒體設備管理員可對自己管理的教室的多媒體設備進行管控、二維碼標簽打印、多媒體設備操作日志查詢等；校管理員權限包括多媒體設備管理員信息管理、教室分配、二維碼標簽打印、多媒體設備操作日志查詢等。

4.平臺對接需求分析

對接統一身份認證平臺，主要理由如下：①方便用戶登錄，用戶無需再另設一套賬號密碼，通過學校的統一身份認證即可進入系統；②本系統要求通過釘釘掃碼開啟多媒體設備，釘釘已與統一身份認證做過免登，用戶掃碼后無需登錄即可訪問頁面。對接消息中心，通過消息中心給師生和管理員發送消息。

●系統設計

1.系統總體架構設計

系統總體架構分為五個層次，分別為基礎設施層、核心系統層、數據處理層、業務應用層和用戶層，具體如圖1所示。

圖1

基礎設施均采用學校已建設好的設施，通過校內申請方式獲取，如數據庫服務、應用服務器、域名、外網訪問等。

本系統需要對接一些核心基礎平臺。消息中心主要給教室管理員推送消息提醒，讓教室管理員及時掌握多媒體設備的使用情況；數據中心提供ETL集成、數據清洗等數據服務；學校專屬釘釘與統一身份認證做了免登功能，師生通過專屬釘釘掃碼后無需登錄自動獲取師生信息進入開機頁面。

數據處理層集成融合各類數據，包括用戶信息、課表信息、教室借用信息、教室人數信息和中控狀態等。

業務應用主要包括三大部分，即教室管理、多媒體設備開啟和移動控制中心。教室管理是基礎，主要包括教室信息管理、二維碼生成和管理員設置等，教室信息包括房間信息、中控信息等。多媒體設備開啟方式包括掃碼開啟和自動開啟，其中，自動開啟包括按課表開啟和按借用開啟，自動開啟功能需要師生選擇后才會觸發。移動控制中心可讓管理人員隨時隨地管控教室中的多媒體設備，同時通過設備使用預警，更加精準判斷哪些教室的多媒體設備使用不正常。

2.多媒體設備開啟

（1）多媒體設備開啟機制研究

本系統支持師生開啟多媒體設備的方式有兩種，分別為掃碼開啟和自動開啟，開啟機制如圖2所示。自動開啟基于教室使用信息（包括課表信息和借用信息）和自動開啟的選擇，如果希望自動開啟可在系統中設置；師生在借用教室時可選擇是否自動開啟多媒體設備。定時觸發開機程序只在首節課前10分鐘觸發，如某教室在某天有6、7、8節課，則只在該天的第6節前10分鐘會觸發開機程序。掃碼開機權限從統一身份認證、用戶角色、地理位置、半小時內開機次數、掃碼時間等方面進行限制，學生默認是沒有權限的，只有在教務系統進行教室借用申請的學生才能掃碼開啟多媒體設備。

圖2

（2）掃碼開啟多媒體設備

二維碼與教室一一對應，師生通過手機掃描該二維碼打開該碼對應的教室多媒體設備開機頁面。教室開機二維碼由教室管理員生成，二維碼存儲信息是教室開機頁面的網址，為了確保安全，系統對該網址做了訪問權限的控制以及瀏覽工具的限制。

掃碼開機使用對象為全體在職教職工和教室預約審核通過的學生，學生要在預約的教室內并在預約開始時間前后半小時內進行掃碼開機。使用釘釘掃描教室開機二維碼，如果師生沒有使用釘釘掃碼，會提示“請使用釘釘掃碼開機”。在掃碼后，程序自動獲取釘釘定位信息、師生在學校通行的賬號，先判斷師生的定位信息，如果師生定位不在學校內，提示“請在教室內掃碼開機”；在定位判斷通過后，分析獲取賬號的權限，如果允許該賬號開機則進入開機頁面，如果沒有通過則提示相應信息。

師生進入掃碼開機頁面，程序自動獲取教室信息，同時展示在頁面上。在師生點擊“開機”按鈕后，程序獲取多媒體設備品牌并獲取所在校區，根據多媒體設備品牌和所在校區調取對應的開機接口，對所對應的多媒體控制系統發出開機命令完成開機。掃碼開機流程如下頁圖3所示。

圖3

（3）自動開啟多媒體設備

系統在每節課前10分鐘觸發自動開啟多媒體設備程序，通過數據分析選擇當前日期包含該節次課的教室使用信息，如果教室使用信息的使用節次是多節次的，該節次排在第一節，然后根據教室信息選擇相應的接口開啟多媒體設備。

（4）多媒體設備開啟接口

分析目前的多媒體設備集控系統，控制多媒體設備開啟的接口有兩類，一類是通過Web Socket給集控系統發送開啟命令，一類是通過Web API接口集控系統發送開啟命令。用戶點擊“開機”按鈕，系統通過Ajax異步調用開啟接口，獲取用戶信息、教室信息和集控系統信息，判斷是誰通過什么接口給哪個集控系統推送開啟命令，同時開啟信息記錄到多媒體設備開啟日志中。

3.基于HTML5多媒體設備管理

基于HTML5多媒體設備管理主要服務于教室管理人員，使其通過移動端可隨時隨地管控多媒體設備。主要功能包括：①查看教室多媒體設備的狀態；②教室視頻監控識別預警；③控制教室多媒體設備的開關機。

筆者分析了各大多媒體集控系統，發現獲取中控狀態的方式有兩種：①通過Web Socket獲取；②通過Web API獲取。通過教室視頻監控識別出教室人數，人數少于規定的數字且多媒體設備處于開啟狀態，提示該教室多媒體設備狀態預警，教室管理員查看預警，并通過視頻監控了解教室使用情況及進行相應操作。

●關鍵技術

系統的核心關鍵技術主要是二維碼識別技術、Web Socket通信技術和人數識別AI。

1.二維碼識別技術

QR二維碼能儲存更多資料信息，并且具有快速信息讀取的特征，當下已演變成應用十分廣泛的二維碼技術類型。[5]二維碼生成關鍵代碼如圖4所示，其中content為二維碼存儲的信息。

圖4

2.Web Socket通信技術

Html5 Web Socket是基于服務器端和瀏覽器端間全雙工的異步信息技術，通過HTTP/HTTPS協議進行握手后創建一個用于交換數據的TCP連接，再在此連接上進行雙向通信（如圖5），之后，服務器便可以隨時地主動向客戶端發送更新數據，不需要客戶端的頻繁請求。[6]

圖5

3.人數識別AI

通過分析教室的視頻監控指定區域畫面計算出當前人數，目前在該領域中表現較為突出的算法有YOLO、SSD和Faster RCNN等。[7]當統計的教室人數為0時，該教室肯定是沒有人在使用，如果該教室的多媒體設備是開啟狀態，則提示預警信息“*教室人數為0，多媒體設備開啟狀態！”。教室管理員可較精準獲知哪些教室的多媒體設備使用不正常，以便能及時處理。

●結論與展望

本研究利用二維碼識別技術、Web Socket通信技術和人數識別AI融合升級現有多媒體設備，實現了掃碼開機、自動開機、狀態預警、移動端管理等功能，使師生擺脫物理卡的束縛，讓管理員可隨時隨地且更加精準有效地管控多媒體設備。

需要說明的是，目前人數識別AI還有一定的誤差，但相信隨著AI算法不斷改進，教室人數識別精準度也會不斷精確，多媒體設備開啟狀態預警精準度也將不斷精確。在后續的研究中，隨著技術的發展，將選擇恰當的技術應用到本系統，以滿足師生和管理人員的新需求，提升多媒體教學環境的服務質量。