基于物聯網與云計算的智慧教室建設研究

蘇貞

摘要：本文在物聯網與云計算技術的基礎上，描述了智慧教室的概念與特點，通過引入相關的感知、存儲和計算等技術，組建教學設備物聯網，建立云服務平臺，使教學軟硬件環境得到有效整合，實現教室的智慧化，為廣大師生提供更加個性化、人性化和智能化的服務。

Abstract： On the basis of internet of things and cloud computing， this paper describes the concept and characteristics of smart classroom. Through using relevant perceptive， storage and computing technology， the internet of things of teaching attachments is constructed and cloud platform is built. This platform integrates software and hardware teaching environment， realizes classroom intelligent， provides more individuation， humanization and intelligent services for all teachers and students.

關鍵詞： 物聯網；云計算；智慧教室；云服務平臺

Key words： Internet of things；cloud computing；smart classroom；cloud platform

中圖分類號：N39 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2016）05-0247-02

0 引言

隨著信息技術的快速發展，物聯網與云計算技術越來越成熟，并逐漸應用于各行業和日常生活的各個方面，但在信息化教學環境中尚鮮有應用。本文將物聯網與云計算技術結合到教學環境中，構建具有“智慧”的教室環境，這將對加快學校信息化建設進程，提高教育教學管理水平具有重大意義。

信息化教學環境建設，可讓學校擁有更好的教育設施，讓學生有更好的學習條件，讓學生在教學活動中有話語權、參與權，減少傳統黑板教學模式的粉塵污染以及傳統多媒體教室的諸多弊端，提高教學效果和學生的學習興趣，推動教育系信息化的進程。

1 物聯網與云計算的概述

1.1 物聯網的概念

物聯網是指把任何物體通過各種傳感器（如：RFID、紅外感應器、激光掃描器、GPS等）與互聯網連接起來，能夠實現實時、自動識別、跟蹤、定位、監控與管理的網絡[1]。物聯網技術不但可以使世間萬物互為連通，而且可以實現虛擬與現實之間互聯，有效地支持人機交互、人與物品之間的交互、人與人之間的交互，使教學環境中的每個物件都具有數字化、網絡化、智能化特性，可以為師生提供智能化的教學環境與教學資源[2]。

1.2 云計算的概念

云計算中所指的“云”實際上是關于互聯網一種隱喻，在云的背后隱藏著大量的計算資源。“云”的思想核心，就是資源的集中共享，即將所有資源集中在一個先進的平臺上，使資源在統一的平臺統一管理調配下，具備最大的靈活性和利用效率，最終以服務的形式提供給用戶。借助互聯網技術，計算資源好像用電一樣取用方便[3，4]。

云計算的關鍵技術包含有服務器虛擬化技術、數據存儲技術、數據管理技術、分布式編程與計算技術、虛擬資源的管理與調度技術、云計算的業務接口技術、以及云計算相關的安全技術等[5]。

2 智慧教室及其特點

2.1 傳統多媒體教室現狀

當前大多學校多媒體設備種類多、標準不同、維修難，在使用和維護過程中管理比較麻煩。由于多媒體設備涉及的技術種類多，且學校維護人員技術水平有限，在多媒體教室使用過程中常見故障維修不及時狀況。學校多媒體設備維護經費投入少、人力不足、信息化程度低都是造成傳統多媒體教室管理落后的原因。

2.2 智慧教室的概念

黃榮懷認為，在傳感技術、網絡技術、富媒體技術及人工智能技術充分發展的信息時代，教室環境應是一種優化教學內容呈現、便利學習資源獲取、促進課堂交互開展、具有情境感知和環管理功能的新型教室[6]。

2.3 智慧教室的特點

智慧教室相比傳統教室具有強交互性、靈活性和沉浸性。智慧教室借助網絡可有助于教師與學生間的有效互動、人員與壞境間的有效互動。智慧教室背景下教學方式更加靈活，打破傳統的講授式、教師主導式，更多采用問答式、情景式、協作式等教學方法。此外，實驗設備的聯網使得虛擬現實、虛擬仿真技術在教學中得到廣泛應用，并為學習者提供了虛擬場景的實踐和實驗。

智慧教室的特性決定了它具有數字化、智能化、網絡化、互動化、集約化優勢。教學上應用于實現同步教學、音視頻廣播教學、課室的桌面操作虛擬化及個性化教學、屏幕監視與錄像、網絡課件回放、聯機討論、在線自測和網絡考試、自動評分、遙控輔導、同步文件傳輸、作業提交等功能[7]。

3 智慧教室中物聯網技術的應用

3.1 建立全校教學設備物聯網，實現教室資源的數字化管理

將每間教室、實驗室、機房、教學設備（包括多媒體設備、投影儀、空調、攝像頭、窗簾、幕布、燈光、音響等設備）都進行無線互聯，組成一個校內互聯網。教學資源的運行和使用情況能夠實時反映在人機交互平臺上，實現教室網上動態、實時信息發布、管理和控制，甚至學生可以通過網絡進行虛擬實驗研究。

3.2 智慧教室的基本架構

智慧教室整體結構由為感知層、傳輸層和應用層三部分組成。其中感知層主要包括各種智能傳感器（如聲音傳感器、溫度傳感器、光照傳感器、人體位置傳感器等），主要為智慧教室的各種應用提供數據采集。傳輸層主要是通過4G、WiFi等技術實現傳感器、控制器與服務器之間的數據信息存儲、融合以及傳輸等功能。應用層主要通過云計算完成數據的挖掘和各種服務的開發。

智慧教室通過人機界面可提供多項人性化、智能化的應用服務。在多媒體教室管理中用于實現教室門的智能化開啟、錄播服務、考勤服務、智能監控等。在環境智慧調節方便可實現智能燈光、智能窗簾、空調控制、音響控制、無人監考考場和遠程監控等。此外，在多媒體系統管理方面可實現智能化故障的診斷和排除及無障礙升級，做到集約化控制與管理等諸多功能。

4 智慧教室中云計算技術的應用

云計算具有成本低、數據可靠、虛擬化、高可靠性等優點，在構建智慧教室環境時大有可為。通過云計算所提供的各種資源和服務均采用虛擬化技術，將各種資源整合到統一的平臺，而且平臺支持用戶資源共享，能夠節約建設成本，為用戶提供便利、人性化、智能化服務。因而采用云計算技術構建智慧教室，統一配置管理教育資源，建成資源節約型的多媒體教學環境，達到教學環境最優化。

4.1 云服務平臺

智慧教室的本質就是利用智能化技術構建智能化教學環境，讓師生更加有效利用教學資源開展教學活動，實現教與學的最優化，有效提高教育質量。云計算在智慧教室中的應用主要是以云服務平臺的形式提供教與學的各種服務。云服務平臺由云服務器、云終端以及網絡組建構成。云服務平臺即在物聯網采、無線網和局域網采集數據基礎上，進行計算、存儲與分析，有效整合優質教學資源，建立豐富的教學課程庫，并向教師、學生提供各種個性化的應用和服務。

云平臺能夠促進用戶之間的信息溝通，是教師、學生、管理員之間相互促進、有效交流、高效協作的信息化平臺。它包含了教育信息化所必需的一切軟硬件計算資源。計算資源通過虛擬化手段，向教學管理人員、任課教師以及學生提供各種教育資源和各種形式的服務。云服務平臺是云計算技術在教育領域的遷移，是未來教育信息化的基礎架構，它繼承了云計算的信息數據存儲安全、數據同步、數據共享等特點，能夠為高校教學與管理提供新的思路和解決方案。

4.2 云服務平臺功能設計

云服務平臺主要包含教學設備管理、教學資源庫、教學互動平臺、網絡課堂、虛擬實驗室、虛擬實踐等功能。平臺不僅與底層教室網絡有效對接，實現教學設備的有效管理，而且整合了“云端”優質的教學資源（課件、視頻、講稿、試題庫等等），為教師開放性開展教學、學生自主性學習提供了平臺，使學生理論學習和實驗、實踐學習都可以在平臺上進行，同時方便教師開展多種教學方法和教學模式的改革與實踐。

云教育的出現，尤其是云服務平臺的構建使學生不再局限于課堂學習，逐漸向網絡在線學習、移動學習和泛在學習等方式發展。最近熱門的網絡視頻公開課、MOOCs、翻轉課堂、微課程、可汗學院等一系列在線學習新模式均可通過云服務平臺進行開展。同時，教師利用云平臺，建立自己的云桌面，利用云計算有效輔助教學活動開展，提高上課效率與效果。

5 智慧教室構建前景與思路

利用物聯網和云計算技術構建智慧教室、創建適合學生學習和教師教學的教學環境不僅是當下教學環境改善的必然趨勢，而且是學校信息化教學與管理的內在訴求。

將物聯網技術應用于現代化教學設備的管理中，不僅可以優化教學環境，而且可以豐富教學資源。智慧教室建設在傳統多媒體教室基礎上進行改造較為困難或者成本較大，建議在新校區建設或者教學樓、實驗室改造修繕時考慮。智慧教室網絡建設可加快學校教學管理現代化進程，也符合現代教育教學的需求，必須逐步改造、逐漸完善，以適應未來教育信息化的要求。

深入理解物聯網與云計算的理念與發展動態，在智能教學環境中，根據各學校自身情況積極構建物聯網體系與云服務平臺，找準利用新技術提升現代教育教學水平的方式方法，建立適合學校發展的人性化、智能化的教學環境。

構建智慧教室不僅要體現在智能教學環境中，而且要注重智慧管理、智慧教學等方便。在智能化教學環境中，借助云服務平臺如何開展教學方法與教學模式改革、提高教學質量與教學水平也將是一個重要研究方向。

6 結語

綜上所述，本文從物聯網和云計算的基本概念與功能出發，詳細論述了智慧教室的特點基本結構、與整體功能構架。物聯網與云計算為智慧教室的構建提供了技術支持。基于物聯網與云平臺的智慧教室的積極構建，能有效的增加學生的自主學習意識，提高教師的教學水平和教學質量、大大提高了教學資源的利用程度，一方面為現代教育信息化提供了新的發展思路，另一方面為未來教育教學管理指明了發展方向。

參考文獻：

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