基于物聯網的智慧教室建設思路

戴運籌

DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2016.14.126

摘 要：隨著以物聯網、云計算、大數據為代表的新一代信息技術的日趨成熟，在教育領域，建設一套具有智慧技術、智慧應用、智慧管理等特征的智慧教室成為新的熱點。該文從當前多媒體教室的管理與使用角度出發，闡述了智慧教室的概念及特征，并根據對其中的設備控制、溫濕度控制等進行了討論，提出了智慧教室的建設思路。

關鍵詞：智慧教室 物聯網 建設思路 建設架構

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）05（b）-0126-02

人類學習經歷了從私塾、書院等私學，到太學、國子監等官學，再到“班級授課制”這一具有現代意義的學習模式 從20世紀90年代后期，教育信息化已經得到了迅猛的發展，教師上課從原來的“粉筆+黑板”，演變成了“計算機+投影”的模式，課堂教學也由“人灌”變成“電灌”，但這些教學改革還是停留在“表演”的形式上，這些并不利于培養學生將學習過程由被動變主動，知識的獲得由機械的記憶轉變成互動的、體驗的過程。

自從IBM提出“智慧地球”概念后，國內外不少學者提出“智慧校園”的概念和解決方案。而作為智慧校園的重要組成部分——智慧教室在目前的國內智慧校園方案中并沒有進行詳細的探討。智慧教室，其英文名稱為SmarClassroom，Intelligent Classroom，Future Classroom，因此，又稱為智能教室或未來教室，它指一種增強型教室，集成高科技軟硬件設備，實現學習無所不在，視聽設備智能化、人性化，有利于資源無縫接入，能為各種先進的教學設計提供技術支持。智慧課室建設是學校信息化建設的進一步延伸，是信息化發展的新階段。該文主要從教室設備有效管理的角度出發，提出了智慧教室的建設思路。

1 多媒體教室的現狀

1.1 管理維護難度大

傳統多媒體教室在管理上管理員需要定期對每臺多媒體計算機的系統軟件和應用軟件進行升級，更新補丁，而且還要對重要數據進行保護和備份。在出現故障的時候，往往需要管理人員進行現場維護。由于這些多媒體教室分散在學校的各個角落，因此，管理維護工作量巨大，且無法及時、快速地響應管理維護需求。

1.2 安全穩定性不佳

多媒體計算機面臨的是多用戶的使用環境，不同的上課老師需要不同的課堂應用環境，會經常安裝拷貝一些文件，存在很大的安全隱患，容易感染病毒。另外，很多課程都需要訪問互聯網，也容易遭遇來自互聯網的攻擊。由于缺乏集中統一的管理，多媒體計算機的系統安全環境很差，使得正常的上課環境受到影響。

1.3 使用成本高

每臺多媒體計算機都需安裝相應的系統軟件、防殺毒軟件以及教學所需的各種應用軟件，造成軟件資源的嚴重浪費。另外，操作系統的更新換代、硬件的較易損壞，使得多媒體計算機的使用生命周期受到影響，一般為3～5年。折算下來，單臺多媒體計算機的年使用成本不菲。

1.4 教學過程中出現問題處理麻煩

如果在上課時間多媒體出現故障，傳統的故障排除及保修會占用教學時間，導致學生的學習效果不佳，教學質量無法有效評估。

2 智慧教室的概念及特征

智慧教室又叫智能教室、未來教室等，是為教學活動提供智慧應用服務的教室空間及其軟硬件裝備的總和。智慧教室是在物聯網、云計算、大數據等新興信息技術的推動下，教室信息化建設的最新形態。立足教學活動需求，提供智慧化的應用服務是智慧教室的核心使命，達成最優化的教學效果是智慧教室的終極目標。運用智慧技術，提供智慧服務，實現智慧管理是智慧教室區別于以往多媒體教室和網絡化教室的主要特征。智慧教室的“智慧性”涉及教學內容的優化呈現、學習資源的便利獲取、課堂教學的深度互動、情景感知與檢測、教室布局與電氣管理等方面的內容，可概括為內容呈現（Showing）、環境管理（Manageable）、資源獲取（Accessible）、及時互動（Real-time Interactive）、情境感知（Testing）五個維度，簡寫為“S.M.A.R.T”，這五個維度正好體現了智慧教室的特征，可稱為“SMART”概念模型。

3 智慧教室建設的架構

智慧教室是一套非常復雜的系統工程，整個架構包括感知層、網絡層、平臺層、數據資源層和應用層。涵蓋了智慧教室建設的方方面面，并且能很好地將整個信息化環境融合在一起。整體智慧教室建設架構如圖1所示。

4 智慧教室的建設思路

4.1 多媒體設備集中管理

針對現在多媒體教室中遇到的設備使用頻率高、負載重、管理維護麻煩等問題，智慧教室采用“分布式部署，集中式管理”的方式，實現對學校內所有教室的多媒體設備集中控制管理，提高管理部門的工作效率。智慧教室主要通過智能終端管理單元、智慧教室管理系統實現對前端設備的智能控制。能控制所有的智能管理單元的開啟或關閉情況。并且能實現教室設備的遠程喚醒、設備運行情況監控、能耗監控、設備與課表聯動自動開啟等功能。并保證斷網情況下，可通過客戶端正常使用設備進行上課。同時在智慧教室中PC端采用桌面云部署方式，基于底層的硬件資源和中間層的虛擬化軟件，通過上層的桌面虛擬化應用軟件，為智慧教室用戶提供虛擬桌面模式。桌面虛擬化不僅充分利用了服務器端的計算能力，而且提供了強大而靈活的用戶PC管理能力，同時具有很強的可擴展性和顯著的能源節約優勢，消除了傳統個人電腦管理模式中的很多缺點。

4.2 設備遠程喚醒和自動開啟

學校在傳統教學模式下，僅僅是通過后臺管理軟件開啟電腦的電源，但是還需要老師進行手動開機來開啟電腦上課。智慧教室能通過智慧教室管理系統與電腦中的網卡聯動，遠程喚醒電腦，即僅需要通過管理系統就能開啟電腦，實現遠程喚醒功能，方便教師上課和節省開機時間。智慧教室在設備管理可實現統一遠程開關機，通過智慧教室管理系統與教務處的課表聯動，在每節課的上課前，自動開啟設備，提高老師的上課效率。由于整個多媒體教室管理中心能統一監控所有的設備運行情況，所以不會遇到老師忘帶或丟失一卡通對上課造成影響的情況。

4.3 設備運行情況監控及能耗監控

智慧教室的管理系統不僅代替了傳統中控，解決傳統中控連線多，管理維護麻煩等問題，更強化了智慧教室的管理功能，通過后臺的智慧教室管理軟件，對教室內的設備進行智能監控，在管理界面上可看到設備開啟情況，指示燈顯示情況等信息，做到問題出現的及時監控及維護。即使遇到更換教室的問題，管理員也能通過后臺的軟件開啟指定教室的智能單元設備，能做到問題發現解決及時，更換靈活方便。同時，智慧教室在設計中利用物聯網的概念，結合智能供電系統，將所有用于教學的設備的電能進行控制。智慧教室管理系統能對每個模塊開斷的日期，時間點，時長，供電開斷情況進行詳細統計，從而能夠更加細化的監控到整個多媒體教室的能耗。

4.4 教室環境控制

良好的教學環境能有效促進教學活動，智慧教室應具有教室門的開關、風扇空調的開關、燈光等控制等基本功能。校建設的智慧教室，需要結合計算機網絡、物聯網、嵌入式編程、Zigbee、RF射頻、紅外傳感等先進的技術，并將其有機整合到智慧教室環境控制模塊當中，通過統一管理平臺將與教室內有關的各種子系統有機地組合成一個系統。溫濕度控制為智慧教室環境控制模塊一主要的功能，通過使用溫濕度傳感器對整個學校的教室溫濕度進行監管，并可以對正在使用的教室的溫濕度進行有效的控制。燈是教室中不可或缺的元素，傳統意義上的一燈一開關，或者一開關幾個燈已經漸漸的不滿足學校師生的需求。智慧教室環境控制模塊能對教室里面的燈光進行統一并精細化的控制，前端通過無線紅外傳感器對學生進行信息獲取，并收集學生位置，反饋到統一控制平臺；統一平臺經過預先設定好的判斷原則與策略對目標教室進行自動化操作，并將操作指令通過IP網絡傳到智慧教室控制單元進行處理。

5 結語

結合以太網、云計算、物聯網等前沿技術建設一套智慧教室系統，可實現基于網絡對教學資源的統一控制，對環境如溫度、光線、能耗的智能調節。在管理方面，實現師生的上課智能考勤、設備智能開啟等，并可以實現智能化的故障診斷以及無障礙升級。該文從教室設備管理的智慧化進行了討論，提出了基于物聯網的智慧教室建設思路，將對教學活動的智慧開展起著巨大作用。

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