物聯網技術在智慧校園的應用研究

廖婧 韋攀

[摘 要]在教育信息化2.0時代，利用人工智能、物聯網、大數據等新興技術建設智慧校園已刻不容緩，而物聯網技術正是智慧校園建設的基礎。文章以物聯網技術在智慧校園中的應用為研究對象，從物聯網架構和智慧校園總體框架入手，介紹了物聯網技術在智慧校園中智慧教學環境、智慧教學資源、智慧校園管理、智慧校園服務四個方面的應用，為廣西開放大學建設智慧校園提出建議。

[關鍵詞]物聯網;智慧校園總體框架;開放大學

隨著信息技術的不斷深入發展，教育信息化從1.0時代邁入2.0時代。在智能環境下，教師的“教”與學生的“學”發生了改變，影響著教育的理念。我國教育部印發的《教育信息化2.0行動計劃》中提出，高校要充分利用人工智能、物聯網、大數據等新興技術，依托智能設備和網絡，構建智慧學習環境，加快智慧校園的建設步伐，使得教師和學生都能便捷地獲取資源、服務，實現學習、生活智能化。物聯網技術作為智慧校園建設的基礎技術，為智慧校園的感知、管理、控制提供支持。

一、物聯網

物聯網（Internet of things），即“萬物相連的互聯網”，將互聯網創造的虛擬世界與現實世界融為一體，使得現實世界的物體能連接到互聯網中，保證物與物、人與物、人與環境在任何時間、任何地點都能傳遞信息。

物聯網架構分為3層，分別是感知層、網絡層和應用層，如下頁圖1所示。

1.感知層，通過RFID標簽、傳感器、攝像頭等設備識別物體，采集物體信息。

2.網絡層，傳遞和處理感知層獲取到的信息，同時將應用層的信息傳遞給感知層。

3.應用層，結合行業的需求，將物體信息用于應用端，融合行業專業技術，實現行業智能化。

目前，物聯網不僅滲入到傳統產業領域的研發、管理過程中，推動傳統產業智能化升級，更在智能家居、智能交通、移動支付等領域中大放異彩。

二、智慧校園

智慧校園是在全面感知物理環境以及網絡無縫互通的基礎上滿足教師和學生能隨時隨地獲取資源、服務的開放教育環境和便利生活環境，是數字校園發展的必然趨勢。

《智慧校園總體框架》[1]明確提出，智慧校園的應用與服務包括智慧教學環境、智慧教學資源、智慧校園管理和智慧校園服務4個方面。

智慧教學環境是集全面感知、智能管理與控制等功能于一體的支持教學、科研活動的現實空間環境或虛擬空間環境，例如多媒體教室、智慧教室、智慧實訓室等現實空間環境，以及新型遠程教育的虛擬教學環境。

智慧教學資源是能自動分類編目、導航檢索、共享推送、跨終端獲取的教學資源。

智慧校園管理是通過物聯網、云計算、大數據、人工智能等技術實現校園信息管理的系統，例如教學管理系統、協同辦公系統、資產管理系統等。

智慧校園服務涵蓋校園生活服務、校園安全服務、運維保障服務和數字圖書館等方面，是運用信息化手段實現師生學習、生活智能化的校園服務。

三、常見的基于物聯網技術的智慧校園應用與服務

（一）智慧教學環境方面

1.智慧教室

智慧教室是智慧校園建設的重要方面。初級智慧教室的基本要求包括全面感知、智能管理、和智能控制。這三個基本要求可以通過物聯網實現。

（1）全面感知

在智慧教室內安裝溫濕度、光敏、紅外線等各類型的傳感器，監測教室溫度、濕度、光照強度、人體感應等情況。傳感器實時采集的環境信息和電子設備的狀態信息通過藍牙、Wi-Fi、ZigBee等無線通信技術傳輸給物聯網網關。面積小的教室可以采用Wi-Fi技術將信息傳輸至網關，面積大的教室通常采用ZigBee技術將信息由ZigBee終端節點傳輸至ZigBee路由器，再路由轉發至ZigBee網關[2]。網關接入校園網，傳輸教室內所有裝備的信息數據。

（2）智能管理

智慧教室管理平臺作為應用層的操作終端，對感知層采集的信息進行處理、記錄、分析與決策。通過監控每個教室設備的開關狀態、使用過程和電量消耗，監測每個教室的環境信息，為教室管理員提供處理方案，為遠程控制教室裝備奠定基礎，從而減輕教室管理員的工作負擔。

（3）智能控制

教室內所有設備通過智慧教室管理平臺實現統一控制。例如，智慧教室管理平臺根據課表數據作出分析、決策，課前控制智能插座或智能電源管理器打開教學電腦、電子白板、音響、話筒等教學設備，課后關閉所有教學設備。授課教師和教室管理員都不用再花時間開啟、關閉教室設備，省時又省力。

除此之外，通過采集的溫度、濕度、光照強度、人體感應等數據，智慧教室管理平臺會分析并決策是否需要開啟空調、風扇、除濕機、電燈等環境設備，為教師和學生提供良好的學習環境。門窗安裝控制器后，智慧教室管理平臺還可根據教室的活動情境控制門窗的開關，保障校園安全。

2.物聯網遠程教育

不同于以往的傳統函授教育和廣播電視教育，結合了物聯網的新型遠程教育具有數字化、網絡化、智能化的教學環境。

（1）構建感知體系，打造智慧遠程學習平臺[3]

以手機、電腦等學習媒介為“傳感器”，識別學生的學習特點，追蹤學生的學習行為，結合學生的學籍信息，打造智慧遠程學習平臺。通過入學測評、課程推送、課后考評等智能服務，為學生定制個性化的學習方案和考評體系。

（2） 建立網絡云教室

通過物聯網將異地、多點的教學場地連接起來，建立網絡云教室。利用攝像頭、話筒等設備采集各教學場地的現場信息并及時反饋，打造多點互連、多點互動、遠程把控的大環境學習空間。

（二）智慧教學資源方面

智慧教學資源具有實時生成、智能推送、互動反饋、多終端應用的特點。教學資源可以是教師課下加工制作的教學資源（例如課件、微課視頻、素材、試題等），也可以是教師在授課過程中實時生成的生成性資源（例如課堂實錄、課堂評價、學生學習反饋等）。這些資源經過上傳、分類、編目到教學資源庫中，允許教師和學生從不同終端檢索、訪問資源，允許MOOC、SPOC等在線課程和直播課程使用、生成資源。

傅騫[4]認為，物聯網部署的教學資源庫應設計資源的多種接口接入方式，提供方便查詢、瀏覽的界面和第三方應用程序使用資源的接口，從而保障資源的獲取與共享能安全、穩定地實施。由于物聯網教學資源庫的前期建立成本太高，后期使用和維護也較為復雜，目前仍處于研究階段。

隨著物聯網技術的發展和普及，越來越多的教育工作者將二維碼、AR等技術投入到教學資源的開發上。例如，利用二維碼技術連接多媒體資源的二維碼教材，學生使用手機掃一掃書上或屏幕上的二維碼，就能在手機上看到文字、圖片、音視頻、動畫等教學資源。廣西師范大學出版社出版的《用WORD解決教師工作中的問題》等9本《中小學教師信息技術應用能力提升工程叢書》就在書中插入了二維碼，讀者通過掃描二維碼觀看對應篇章的教學視頻。再如，融合AR（增強現實）技術的AR教材。學生使用手機打開“AR掃描”功能，在掃描框中對準現實物體，通過物體取點識別、特定姿勢判斷、特制工具操作等交互方式，就能在手機上看到融合了文字、圖片、音樂、視頻、動畫等元素的AR內容。武漢理工大學出版社出版的《鋼筋混凝土結構平法識圖與鋼筋算量》添加了AR功能，讀者可在手機上掃描觀看三維建筑模型和鋼筋計算的講解[5]。

（三）智慧校園管理方面

1.資產管理

21世紀初，條形碼技術開始運用到高校的資產管理中，并逐漸普及。然而，面對日益增多的資產設備，資產管理員用條形碼閱讀器逐一掃描張貼在設備上的條形碼，不僅耗時耗力，更難以保證資產設備的監管。

基于RFID（射頻識別）技術的穿透性強、非接觸式識別、可同時識別等特點，超高頻RFID可以用來登記、盤點和清查資產設備。資產設備的基本信息寫入RFID標簽里，并將標簽粘貼或懸掛在資產設備上。在教室、實驗室、辦公室或走廊公共區域安裝RFID識別器，每個RFID識別器負責識別所在區域內的資產設備，將資產設備的標簽內碼數據傳輸給資產管理系統[6]。資產管理員和有權限的教職工可以在資產管理系統中查詢資產設備信息及其具體位置。

與傳統的條形碼資產管理方式相比，資產管理員利用RFID技術了解移動資產設備的動向，不再需要拿著條形碼閱讀器到校園各場所掃描、清查設備，提高了資產管理的效率。

2.課堂考勤管理

隨著物聯網的發展，越來越多的感知、識別技術可以用于課堂考勤。

（1）二維碼技術。二維碼簽到有兩種模式，一是學生使用考勤APP掃描動態生成、動態更新的二維碼完成簽到，二是教師使用考勤APP或掃碼槍掃描含有學生信息的二維碼對學生實行考勤。

（2）RFID技術。學生使用實名校園卡觸碰卡片閱讀器或者電子班牌簽到模塊完成簽到。

（3）指紋識別技術。學生入學時采集手指指紋，通過指紋考勤機或者電子班牌的指紋簽到模塊進行識別對比，完成簽到。

（4）通信技術。學生在手機上安裝考勤APP，當手機在課堂上連入指定的Wi-Fi或藍牙信號時，考勤APP判定學生簽到成功。

（5）人臉識別技術。人臉識別考勤有兩種模式，一是通過智慧教室的攝像頭識別學生實現考勤管理，二是學生在電子班牌的人臉識別模塊進行識別對比，完成簽到。根據課堂管理的實際需要，考勤方式可以單獨使用，也可以兩兩結合搭配使用?？记贏PP可以是課堂派、雨課堂、UMU這樣的課堂管理工具，也可以是學校自主設計的含考勤功能的手機APP。當學校建設智慧型的教學管理系統后，考勤數據應傳送到教學管理系統，由教學管理系統作出分析、判斷和預警。

（四）智慧校園服務方面

1.數字圖書館

數字圖書館是提供電子圖書、電子期刊、多媒體光盤、網絡數據庫等數字化資源，實現移動化閱讀的分布式信息系統。隨著移動通信技術的發展，移動閱讀的內容越發豐富、精彩[7]。5G技術能更有力地支持高清視頻、三維素材等大數據的傳輸。結合VR（虛擬現實）、AR（增強現實）技術，構建虛擬圖書館，模擬圖書館咨詢、檢索、閱讀等服務。利用傳感、GPS、RFID等技術，建立虛擬場景與現實圖書館內部的位置關系，構建一個與真實場景一致的三維虛擬圖書館，讓師生享受身臨其境的服務。

2.校園一卡通

校園卡是集身份識別、綜合消費、信息服務、金融服務等多種功能于一體的卡片。多功能合一的校園一卡通體系是學校信息化管理的重要組成部分，為學校師生提供優質的校園生活服務。校園卡采用RFID技術完成卡片與閱讀器的通信。師生進出圖書館、宿舍、實驗室認證身份，在食堂、超市消費，考勤簽到都可以通過校園卡刷卡完成。

隨著NFC（近場通信）技術的成熟和移動通信的發展，采用NFC技術的校園卡增加了點對點通信功能，使得校園卡能與帶NFC功能的手機通信實現手機圈存充值、手機模擬校園卡等新功能。

3.校園監控

在傳感器、探測器、追蹤攝像頭等設備的幫助下，建立全覆蓋、多角度、無死角的校園監控報警體系，為智慧校園安全、穩定、高效的運行提供保障。例如安裝門窗傳感器，實時感知辦公室、設備室等場所門窗的開關狀態，記錄門窗開關信息;在重要場所、樓道出入口等地方設置紅外報警探測區域，通過追蹤攝像頭實現智能分析、預警;在大門安裝車牌識別系統，登記進出校園的車輛;在必要場所門口設置門禁系統，教師和學生識別身份后才能進入。

四、開放大學建設智慧校園的建議

開放大學作為運用現代信息技術開展遠程開放教育的新型高等學校，在運用物聯網技術建設智慧校園時，可采取以下建議。

（一）開放大學在建設智慧校園時，要做好頂層設計，參考《智慧校園總體框架》的標準及相關文件要求，按照從基礎設施、基礎支撐平臺、智慧應用與服務、教學資源、網絡安全、保障機制、創新與特色發展7個方面推進智慧校園建設。

（二）云教室是物聯網教室，搭配智能黑板、電子白板、觸控講臺和攝影系統，通過遠程教育系統將全國分部、教學點連接起來，解決教育資源分布不均衡的問題。開放大學要充分開發、利用云教室，加強云教室應用團隊建設，提高云教室使用率，實現教學資源的共享。

（三）遠程教育是開放大學的特色和優勢，要充分運用物聯網技術打造智能遠程學習平臺，為學生提供智能化的學習服務。同時，具有智能感知、智能控制、智能管理、互動反饋、跨域拓展功能的智慧教室要盡早建設并投入使用，為教師教研活動、學生線下指導提供智能服務。

（四）要盡早利用物聯網技術搭建資產管理平臺，解決每學期資產盤點、清查耗時、耗力的問題，提高資產管理的效率。

（五）提高學校教師的信息素養，加強技術人員人才隊伍建設，運用物聯網技術開發教學資源，增強學生的學習興趣，提高學生的學習效率。

[參考文獻]

[1]GB/T 36342-2018.智慧校園總體框架[S].

[2]閻堅，桂勁松.基于物聯網的智慧教室設計與實現[J].中國電化教育，2016（12）.

[3]朱曉琳.基于物聯網的智慧遠程教育模式探索[J].內蒙古電大學刊，2018（6）.

[4]傅騫，陳玲.基于物聯網教育資源庫的模式研究[J].中國電化教育，2013（8）.

[5]楊萬慶，王利永.AR技術環境下土木工程類教材內容呈現研究——以《鋼筋混凝土結構平法識圖與鋼筋算量》為例[J].中國編輯，2019（4）.

[6]吳新生，茅曉紅，李克勤.基于物聯網技術的高校資產管理系統設計[J].物聯網技術，2012（2）.

[7]程冰，于改紅，孟連生.基于移動通信技術的圖書館移動服務發展演變[J].圖書館學研究，2019（15）.

[作者簡介]廖婧（1990-），女，廣西河池人，廣西廣播電視大學教育技術中心助理研究員，碩士，研究方向：教育技術、計算機科學與技術;韋攀（1987-），男，廣西河池人，廣西廣播電視大學教育技術中心工程師，研究方向：遠程教育。

[責任編輯 周個妹]