摘要：隨著新一代信息技術的迅猛發展，高等教育作為培養創新人才的關鍵陣地，亟須順應“三教改革”的政策要求，積極重塑智慧教室的教學模式、學習方式、教研機制。文章剖析了“三教改革”對智慧教室建設提出的新需求，在此基礎上對系統功能、接口、架構進行整體設計，圍繞智能感知與控制、多媒體編排等關鍵技術，闡述系統的實現細節。

關鍵詞：智慧教室；三教改革；多媒體集控系統；微服務架構

中圖分類號：TP273.5中圖分類號 "文獻標志碼：文獻標志碼A

0 引言

當前，以新一代信息技術為驅動的智能變革正在教育領域深入推進，“三教改革”作為高等教育綜合改革的重要背景理念，為智慧教室的規劃、建設與應用指明了方向。教學模式、學習方式、教研機制等傳統教學要素亟需重構，作為智慧教室的核心組件，多媒體集控系統具有多源異構環境感知、音視頻資源匯聚編排、教學活動交互組織、教研數據挖掘分析等多重作用。在此基礎上，研究面向智慧教室應用場景，系統闡述一種服務于智慧教室的多媒體集控系統，旨在為師生提供沉浸式、個性化的交互式教學新體驗。

1 “三教改革”背景下的智慧教室建設

隨著現代信息技術的飛速發展，以互聯網、物聯網、人工智能等為代表的新一代信息通信技術正加速向教育領域滲透，為傳統教育的變革注入新動力。在此背景下，“三教改革”應運而生，即全面推進教師隊伍、教材編纂、教學方法的系統性變革。作為高校部署“三教改革”的重要硬件條件和技術基礎，智慧教室建設有別于傳統的多媒體教室，通過軟硬件的融合創新，集成物聯網感知、云計算處理、移動互聯等功能于一體，構建起智能化、網絡化、個性化的教學新環境，海量的教育資源可隨時調用，師生間的實時交互更加便捷。

2 智慧教室多媒體集控系統的需求分析

多媒體集控系統作為智慧教室建設的核心組成部分，承擔著環境感知、信息處理、資源供給、活動組織等多重職責，因此必須立足“三教改革”背景，兼顧教、學、研各維度，支持多樣化的教學場景，具備多媒體資源的匯聚、編排、分發能力，滿足教師在備課、授課、作業、考試各環節的差異化需求，提供學習行為跟蹤、學習效果評估等功能。由于涉及復雜數據處理和業務協同，集控系統還要合理應用微服務、邊緣計算、容器化部署等先進架構與技術，在保證高并發、低時延的前提下，提升系統的靈活性、可維護性和安全防護能力。

3 智慧教室多媒體集控系統的總體設計

3.1 系統架構設計

面向智慧教室應用場景，研究提出一種基于Actor模型和數據驅動的多媒體集控系統ReactiveX架構。該架構立足于分布式環境，采用事件驅動、消息傳遞的異步并發模型，通過Actor層級結構映射智慧教室的物理組織。智慧教室多媒體集控系統應用架構如圖1所示。

（1）架構頂層采用Akka框架搭建Actor計算模型，將智慧教室的核心組件抽象為一組松耦合、高內聚的Actor（Sensor Actor、Controller Actor、Processor Actor、Service Actor等）［1］，分別負責傳感數據采集、設備控制指令分發、數據流處理、業務邏輯封裝等任務。

（2）各Actor內部采用ReactiveX數據流范式，基于Observable/Observer模式構建異步非阻塞的消息處理管道。數據在Actor內部流轉時，通過函數式變換增量處理，大幅降低時延；引入背壓機制，保證下游Actor不被上游Actor淹沒。Actor層級結構與智慧教室物理空間相映射，通過子Actor分形遞歸調用。

（3）數據層采用Kafka構建實時數據總線，將各物理設備產生的觀測數據以流式方式注入系統，形成“流式處理+時序分析+語義推理”的融合計算模式。

（4）智能計算層采用Tensorflow Serving/Apache MXNet Model Server等模型服務化框架，將環境感知、學情分析等核心場景需要的機器學習模型（如對象檢測、語義分割、表情識別、肢體動作識別、學習效果預測等）統一管理，封裝為gRPC接口，以在線預測服務的方式提供給上層業務調用。

（5）編排調度層采用Kubernetes-Native模式，充分利用Kubernetes聲明式API［2］，將環境感知、音視頻處理等管道抽象為自定義資源，通過Operator/Helm Chart定義部署編排策略，引入Istio服務網格實現Actor的細粒度流量管控與故障注入，最終形成智慧教室的自動化運維、彈性伸縮與高可用保障體系。

（6）外部應用集成遵循Open API規范，為跨校區、跨學科的異構智慧教室提供統一的環境感知、教學交互API，通過API-Gateway/Service Mesh等方式與教務系統、資源系統互聯互通。

3.2 系統功能模塊

3.2.1 設備控制管理模塊

設備控制管理模塊是智慧教室多媒體集控系統的核心組成部分，負責對各類音視頻設備、環境設備的統一管理和精準控制［3］。模塊采用基于MQTT協議的發布-訂閱通信模型，將燈光、窗簾、空調、投影儀、音響、攝像頭等設備接入統一控制網關，抽象為一組標準化的設備影子，由設備狀態與控制指令雙向同步。模塊引入基于Redis的設備緩存機制，將設備的實時狀態、歷史狀態、控制隊列等數據在內存中重組、編制索引。

3.2.2 音視頻處理模塊

音視頻處理模塊是支撐智慧教室教學活動開展的關鍵組件，提供從音視頻采集、編碼、傳輸到解碼、渲染、分析的全流程處理能力。視頻處理采用GStreamer多媒體框架，將攝像頭采集的原始視頻數據送入基于GPU加速的H.265編碼器，根據教學場景中的關鍵區域（如教師、板書等）動態調整編碼參數，在保證視頻質量的同時降低傳輸帶寬。在視頻流智能方面，模塊集成了一套基于深度學習的教學行為分析框架，通過對教師的手勢、表情、語音以及學生的聽課狀態、筆記記錄等信息進行多模態融合分析，診斷諸如教師語速過快、學生聽課分神等典型教學場景現象。

3.2.3 環境監測與控制模塊

環境監測與控制模塊旨在構建智慧教室物理空間的數字孿生，為教學活動營造舒適、健康、安全的氛圍。模塊采用Modbus等工業總線協議，將教室內的溫濕度、CO2濃度、PM2.5濃度、照度等環境參數傳感器接入邊緣網關，通過閾值規則引擎實時監測與預警環境指標，動態優化空調溫度、新風量、燈光亮度等參數。針對突發事件（如空氣質量惡化、高溫預警等），模塊則會基于BPMN的事件編排流程執行應急處置［4］。

3.2.4 互動教學與遠程協作模塊

互動教學與遠程協作模塊用于為師生構建沉浸式、交互式的教學新空間。該模塊包含電子白板、移動終端App等工具，通過實時同步的筆跡書寫、課件標注、問答測試等，學生可通過移動App隨時發起提問、參與答題和小組討論，教師也可基于學生的實時反饋，靈活調整授課節奏和方式。系統將師生產生的各類互動數據匯聚至教學行為分析引擎，挖掘學生的學習特點和知識掌握情況。利用三維建模與實景重建技術，在虛擬空間中再現教室的座次布局、師生形象，支持虛實教室的音視頻互動和教學資源共享。

3.3 系統接口設計

3.3.1 與環控、照明等系統的數據接口

智慧教室多媒體集控系統需要與教室內的各類物聯設備（如空調、新風系統、燈控系統等）進行實時數據交互。系統采用基于MQTT的發布-訂閱消息模型構建統一的數據總線，將各物聯設備的JSON格式數據通過MQTT主題進行分類組織，如空調的溫度數據發布到“classroom/aircondition/temperature”主題，新風的CO2濃度數據發布到“classroom/ventilation/co2”主題。數據格式遵循SenML標準，將環境傳感數據封裝為一組{名稱：數值}的鍵值對，帶有統一的時間戳?？刂茀捣庋b在JSON格式的MQTT消息負載中，通過定義統一的“classroom/control/{device_id}”主題，讀取與控制特定物聯設備狀態。

3.3.2 與音視頻終端的控制接口

為實現教室內投影儀、音箱、麥克風、攝像頭等音視頻設備的集中管控，系統設計了一套統一的RESTful風格設備控制接口。采用Jersey框架，為每類音視頻設備定制一組標準化的CRUD接口，如：對投影儀的開關機控制接口為“POST /projector/{device_id}/power/{onoff}”，投影儀開關機控制接口設計如表1所示?？紤]到各廠商設備控制協議的差異性，設備接入層引入基于適配器模式的協議適配框架，將各類私有協議映射到統一的RESTful接口，屏蔽設備異構性，簡化上層業務開發。

3.3.3 與教務、資源庫等平臺的服務接口

智慧教室是一個開放的教學服務綜合承載平臺，需要與學校現有的教務管理系統、知識資源庫等平臺深度融合，建立業務協同、數據貫通的服務閉環［5］。系統通過輕量級的RESTful接口向外部系統提供服務，將Nacos作為服務注冊中心，各微服務在Nacos中注冊服務元數據（服務名、接口URL、調用協議）。例如：在與教務系統的課表數據同步場景中，教務系統可通過調用本系統的“/timetable/{classroom_id}”接口實時獲取特定教室的課程排布信息，本系統也可調用教務系統的“/course/{course_id}”接口獲取課程元數據。

4 多媒體集控系統的關鍵技術實現

4.1 智能感知與控制

智慧教室的環境感知與設備聯動控制是多媒體集控系統的重要功能，本節重點闡述相關的關鍵技術實現。在感知層，系統采用多協議物聯網智能網關，通過Modbus、ZigBee、BACnet等工業協議，將教室內的各類傳感器與控制器接入邊緣計算節點［6］。網關通過Node-RED可視化編程工具，將各設備的原始數據按照統一的JSON Schema格式進行清洗與轉換并基于MQTT協議推送到數據總線中。網關內置了Tensorflow Lite和EdgeX Foundry等輕量化AI推理框架和邊緣微服務平臺，可在網關層實時處理傳感數據?？刂茖硬捎昧嘶谥悄芗揖酉到y（Home Assistant System， HASS）的自動化控制引擎，在Web UI界面中以可視化方式定義設備聯動規則，結合環境感知數據，智能化控制燈光、空調、窗簾等設備。

4.2 多媒體匯聚與編排

在智慧教室場景中，存在大量多媒體數據源（如攝像頭、麥克風陣列、電子白板等），要按需編排并高效匯聚。系統采用了基于Kafka和Spark的實時流處理框架，將各多媒體數據按照主題進行分類并發布到流處理管道中。在Spark Streaming中，通過對DStream的各類Transformation操作（如map、filter、 reduceByKey等），對流數據進行實時清洗、轉換、聚合、關聯等處理。系統還引入了Kurento媒體服務器，在服務器上部署對應的媒體處理邏輯，對實時音視頻流進行轉碼、混流、合成等，支持通過Jupyter Notebook等交互式方式在線編排處理管道。

5 結語

多媒體集控系統設計以微服務架構為基礎，將人工智能、大數據、物聯網等技術與教學場景深度融合，以數據驅動教學智能化變革，構建起多維度、一體化、可擴展的智慧教室環境感知與控制體系，支撐了教學活動的組織管理、資源供給、效果評估。在深化“三教改革”的背景下，智慧教室的建設不僅涉及軟硬件設施的物理空間構建，更要注重與教學方式、學習模式等教育生態要素的深度融合，通過科學的頂層規劃與系統設計，最大限度地激發技術賦能教育的內在潛力。

參考文獻

［1］黃一帆，曾旺，陳哲毅，等.移動邊緣計算中基于Actor-Critic深度強化學習的任務調度方法［J］.計算機應用，2024（增刊1）：150-155.

［2］朱亞州，杜平川，柴志雷.基于Kubernetes的異構任務調度方法［EB/OL］.（2024-09-12）［2025-02-10］.https：//kns.cnki.net/kcms2/article/abstract？v=AGqaFAGiW59LZpW9JkkDUm5dvuXU0KhNfywzEsh4ka Nzm36yvEbIVUGK0Fj3RqQLMeE9LhpiQ5bSMqxYMPozs 9tgeY-2M_99tW2g7-aFiCpAejDnL3DYdEdEigZ87- we6DEz6-Od9YmoEsH5zE3duV8daX6vUPxEB8eOneM So-B9naGxWT9xmleFAjHDgUUTamp;uniplatform=NZKPT amp;language=CHS.

［3］彭偉.高校智慧教室典型技術框架及建設與管理問題研究［J］.武漢船舶職業技術學院學報，2021（2）：28-31.

［4］朱必熙.基于物聯網的高職智慧教室集控系統研究［J］.信息與電腦（理論版），2019（24）：121-124.

［5］徐宏凱，謝潔，成希飛，等.新時代高校智慧教室的構建探究［J］.實驗室研究與探索，2023（9）：239-244.

［6］羊城.“三教改革”背景下高職金融產品營銷課程教學改革研究［J］.產業與科技論壇，2022（13）：157-158.

（編輯 王永超編輯）

Design and implementation of a multimedia integrated control system for smart classrooms

oriented to the “Three Education Reforms”

ZHANG" Lihua， XUE" Bowen*

（Xi’an Railway Vocational amp; Technical Institute， Xi’an 710063， China）

Abstract： With the rapid development of the new generation of information technology， higher education， as a key battleground for cultivating innovative talents， urgently needs to reconstruct teaching models， learning methods，and teaching research mechanisms in smart classrooms in accordance with the policy requirements of the “Three Education Reforms”.The article analyzes the new requirements put forward by the reforms for the construction of smart classrooms，and on this basis，carries out an overall design of the system functions， interfaces，and architecture. It also elaborates on the implementation details of the system， focusing on key technologies such as intelligent sensing and control， and multimedia orchestration.

Key words： smart classroom; Three Education Reforms; multimedia integrated control system; microservice architecture