基于物聯網的智慧教室設計

王 建,劉欣彤,王 猛,馬晶晶

(九州職業技術學院,江蘇 徐州 221000)

0 引言

智能化技術、信息技術等新型技術,在教育領域中的應用已屬常見,如多媒體教室。傳統的多媒體教室雖然擁有很多現代化教學設備,可以在一定程度上提高教學效率,提升教學質量。然而,傳統的多媒體教室是各個智能化設備的“單打獨斗”,未能與物聯網技術真正結合,導致智慧教學浮于表面,在創新教學、高效教學方面,具有一定局限性,智慧教室名不副實。在“互聯網+”浪潮的影響下,物聯網技術全面普及,為真正的智慧教室的建設提供了有利環境?；诖?本文對基于物聯網的智慧教室設計展開研究,具有重要的現實意義[1]。

1 基于物聯網的智慧教室建設的原則與目標

1.1 智慧教室建設的原則

智慧教室建設的原則主要包括4個方面:第一,實用性原則,即智慧教室建設要以滿足教學與教研發展的根本需求為目標,以確保教學活動的展開能夠適應教學未來發展的總體趨勢。實用性也是智慧教室建設最基礎的原則之一[2]。第二,先進性原則,即智慧教室要在滿足當下教學需求的基礎上,采用更具有前瞻性的建設方法,以適應日新月異的發展趨勢,為此智慧教室在設計過程中要盡可能多地采用最先進的技術與創新技術。第三,可靠性原則,即智慧教室建設過程中,應選擇成熟且穩定的軟硬件系統,并制定完善的設計方案,為智慧教室的可靠性、安全性提供保障。第四,拓展性原則,即智慧教室內部的軟硬件設備不僅應具有可進行擴展的性質以及較強的兼容性,還要考慮到智慧教室系統未來的拓展。

1.2 智慧教室建設的目標

智慧教室建設的目標可以歸納為以下幾點:首先,智慧教室是傳統多媒體教學方法的一種升級,提高智慧教學的覆蓋面。其次,促進師生溝通,提高師生之間的交流效果。在智慧教室中,教師與學生的教學終端是相互連接的,二者可以定向的交流互動、屏幕內容傳送等,甚至還可以實現教師對學生的實時評價,以及教室的智能化管理。再次,進一步挖掘多媒體信息資源的利用價值,提高教學資源的利用效率。最后,提高師生對教學設備的主觀使用感受,增加其對教育領域中應用的信息技術的了解。

2 基于物聯網的智慧教室的架構與設計

現階段,我國大部分高校均配置了多媒體教學設備、照明設備等。學校方面與教室相關的信息化系統,主要包括學生管理系統、教務管理系統等,而就教室本身而言,其功能主要是為師生提供教學、學習場所。目前,大部分高校教室中的設備,都處在手工或者半手工狀態,即教師在上課時,需要先在管理人員處獲得多媒體設備的鑰匙。學生上自習課,需要按教室找以發現處在閑置狀態下的教室,管理人員無法實時了解教室的使用狀態,而且教室也不具有能夠自動記錄考勤的功能。這種粗放的管理模式,造成了大量能源浪費。本文所設計的基于物聯網的智慧教室,可以顯著現存問題,為師生提供更加人性化的服務。

2.1 體系架構

結合高校信息化建設的現狀以及目前可用的新設備、新技術,將智慧教室的體系架構分為4層,即感知層、網絡層、數據層與控制層,如圖1所示。

圖1 基于物聯網的智慧教室整體架構

2.1.1 感知層

感知層是整個系統架構中最基礎的一部分,更是確保系統功能得以實現的重要保障之一。系統的感知層由RFID、無線通信設備以及存儲設備組成,本文研究的智慧教室系統的感知層,是通過在教室內部與外部,安裝射頻感知器、溫濕度采集器、光線感知器等傳感設備來實現的,功能是采集教室的各項數據。其中,射頻感知器是用來驗證師生身份,并記錄考勤次數的；溫濕度采集器主要用來監測教室內的環境；光線感知器主要負責教室內的燈光；而智能多媒體系統用來進行課件展示,并為師生提供互動問答等功能。此外,教師的多媒體主機以及投影設備均要配備傳感裝置,以提高系統獲得相關設備信息的準確性,并提升多媒體教室的教學質量。

2.1.2 網絡層

作為系統架構的中間層,網絡層的功能是連接感知層與應用層,使二者可以高效、穩定的聯系。為了確保系統的安全性與穩定性,智慧教室的網絡層設計,要以穩定、可靠、安全為首要原則,科學、合理的選擇通信協議。智慧教室的網絡層主要由總線-以太網、星形網絡與無線網絡組成。其中,以太網中主要配置了智能傳感器、以太網協議、TCP/IP協議與傳感器內置處理器芯片,在內置處理器芯片上編程就可以對感知器收集到的所有數據,進行實時的監測與處理。而星形網絡、無線網絡負責將傳感器數據傳送到中央服務器中,進行存儲,便于系統管理工作人員隨時查閱[3]。

2.1.3 數據層

相對而言,數據層的功能是較為簡單的,即對智能感知設備所收集的數據展開語義轉化,并將經過處理的數據信息,在數據服務器中進行存儲。智慧教室的主服務器與學校的主業務服務器之間是相互連接的。所以,系統管理工作人員可以隨時通過調取數據,得知智慧教室的相關數據,如教師信息、學生信息、教室占用情況等,之后再通過控制平臺,均衡分配各智慧教室使用。

2.1.4 控制層

控制層指的是每一間智慧教室的智能代理控制平臺。該平臺為控制層主要功能是對實時智能監測數據進行收集與處理,而且還能夠按照教學活動開展的實際情況,由教師人工手動進行控制。學校應在開設了智能教室的教學樓中,設置分中心控制平臺,對大樓內所有智慧教室的使用情況進行監測,同時監測教室外部環境情況[6]。學校則通過中心主控平臺,對校內所有智慧教室展開實時的全局監控,并負責完成不同智能代理平臺的授權管理與身份驗證。

2.2 功能模塊設計

2.2.1 主要技術

智慧教室中的智能考勤模塊設計主要通過無線電頻率識別技術(Radio Frequency Identification, RFID)展開設計,該模塊由閱讀器、標簽、管理平臺組成。RFID標簽包括主動與被動兩種模式,無論是標簽還是閱讀器,都應以特定的頻率進行設置。目前,RFID技術已經在高校智慧化校園建設中有廣泛應用,如校園一卡通,一卡通系統具備了門禁、圖書館借閱、食堂消費等多種功能。

2.2.2 具體開發過程

本文將智能考勤模塊設計開發的過程分為3個階段,依次是情景設計、系統規劃與測試驗證。其中,情景階段要定義問題,即統計學生遲到與曠課行為,于智慧教室設置考勤模式；系統規劃階段,以第一步所收集到的信息為依據,定義RFID智能點名機的操作流程以及硬件規范,同時展開系統分析、編碼；在測試驗證階段,安裝軟硬件系統對系統的場景與功能進行測試驗證。

3 結語

人工智能、云計算、物聯網等技術的發展,為教育領域帶來了新的發展活力,現階段國內各大高校均開始著手建設智慧校園,而智慧教室建設是重中之重。智慧教室建設并非單純的在教室內外配備信息化設施,重要的是要考慮建筑物與教學方面的需求,并將各種新型技術與設備整合形成智能化系統。在本文研究中,闡述了基于物聯網的智慧教室設計的重要意義、目標以及原則,以此為基礎,對基于物聯網智慧教室的體系架構設計展開了深入研究?？偠灾?基于物聯網智慧教室的設計,有利于提升學生的學習體驗,提高教學效果,各大高校均應重視智慧教室建設,通過大力發展智慧教室,為智慧校園的實現奠定基礎。