基于智能技術(shù)的高校多媒體教學(xué)服務(wù)平臺設(shè)計與開發(fā)

蔣旺喜 李煒 杭州師范大學(xué)

●引言

2021年，教育部等六部門發(fā)布《關(guān)于推進教育新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)構(gòu)建高質(zhì)量教育支撐體系的指導(dǎo)意見》，提出“推動教育數(shù)字轉(zhuǎn)型、智能升級、融合創(chuàng)新，支撐教育高質(zhì)量發(fā)展”。[1]新技術(shù)融合推動教育信息化由要素驅(qū)動向創(chuàng)新驅(qū)動轉(zhuǎn)變，由粗放型建設(shè)向精細化建設(shè)方向轉(zhuǎn)變，助力教育信息化新基建持續(xù)發(fā)展。[2]

多媒體設(shè)備作為高校重要的教學(xué)基礎(chǔ)設(shè)施，支撐著學(xué)校的教育教學(xué)活動，隨著技術(shù)的發(fā)展，其控制方式也從單機控制發(fā)展到集中控制[3]，開機方式逐漸標準化，以插卡為主。新技術(shù)、新環(huán)境發(fā)展為多媒體設(shè)備的開啟和管理提供了新方式，因此，如何選擇最佳方式，解決插卡方式的弊端，以及精準控制多媒體設(shè)備的使用是本文研究的重點。

●研究問題與意義

1.研究問題

人臉識別技術(shù)、掃碼技術(shù)已在高校得到廣泛使用[4]，應(yīng)用場景涉及消費、借書、門禁等諸多方面，這給只支持校園卡的應(yīng)用帶來很大沖擊，尤其是教學(xué)多媒體設(shè)備使用，涉及面廣且與教學(xué)相關(guān)，僅支持校園卡開啟的方式已滿足不了師生的需求。據(jù)調(diào)查，大部分學(xué)校普遍存在多媒體設(shè)備開啟了但沒人使用的情況，這是多媒體設(shè)備管理一直以來的痛點，同時損耗了設(shè)備的使用壽命，浪費了能源。

2.研究意義與價值

筆者認為，開啟多媒體設(shè)備是服務(wù)師生開展教學(xué)活動的第一步，而如何掙脫校園卡束縛，快速開啟多媒體設(shè)備是提升教學(xué)環(huán)境服務(wù)質(zhì)量的關(guān)鍵。因此，本研究旨在助力學(xué)校智慧校園的建設(shè)與教育高質(zhì)量發(fā)展。同時，本研究希望為多媒體設(shè)備管理員提供使用預(yù)警信息，讓其可精準判斷哪些教室的多媒體設(shè)備開啟了但沒人使用，以便及時處理，盡可能降低能源和設(shè)備壽命的損耗。

●系統(tǒng)分析

1.多媒體設(shè)備開啟新方式分析

新技術(shù)的發(fā)展給多媒體設(shè)備開啟方式提供了新的途徑，如刷臉開啟、掃碼開啟、自動開啟等。這些新的開啟方式各有利弊，刷臉開啟雖然體驗感好，但需要投入大量資金采購設(shè)備并需要對現(xiàn)有設(shè)備進行改造。自動開啟方式需要基于課表數(shù)據(jù)以及教師的選擇進行開啟。掃碼開啟可實現(xiàn)一碼一室，無需改造設(shè)備且資金投入很少，雖然依賴移動設(shè)備，但這在智能手機蓬勃發(fā)展的今天已不再是問題。

筆者通過分析諸多開啟方式的利弊，最終將方案確定為以掃碼開啟為主，自動開啟為輔，確保每個多媒體設(shè)備都能在通過掃碼開啟的基礎(chǔ)上，根據(jù)課表信息和教師的選擇執(zhí)行自動開啟多媒體設(shè)備。

2.多媒體設(shè)備管理員需求分析

目前，多媒體設(shè)備管理員可遠程控制多媒體設(shè)備，但必須基于控制系統(tǒng)的電腦客戶端，無法實現(xiàn)隨時隨地進行管控。筆者通過訪談了解到，師生在晚上和雙休日經(jīng)常有借用教室的情況，管理員希望在手機上隨時隨地管控教室的多媒體設(shè)備，主要功能包括查看多媒體設(shè)備運行狀態(tài)、開啟多媒體設(shè)備和關(guān)閉多媒體設(shè)備等。

3.用戶需求分析

系統(tǒng)角色包括使用多媒體設(shè)備師生、多媒體設(shè)備管理員、校管理員等。教職工掃碼開啟權(quán)限與插卡開啟權(quán)限一致，學(xué)生只有通過教室預(yù)約后才能在規(guī)定時間內(nèi)掃碼開啟該教室的多媒體設(shè)備；多媒體設(shè)備管理員可對自己管理的教室的多媒體設(shè)備進行管控、二維碼標簽打印、多媒體設(shè)備操作日志查詢等；校管理員權(quán)限包括多媒體設(shè)備管理員信息管理、教室分配、二維碼標簽打印、多媒體設(shè)備操作日志查詢等。

4.平臺對接需求分析

對接統(tǒng)一身份認證平臺，主要理由如下：①方便用戶登錄，用戶無需再另設(shè)一套賬號密碼，通過學(xué)校的統(tǒng)一身份認證即可進入系統(tǒng)；②本系統(tǒng)要求通過釘釘掃碼開啟多媒體設(shè)備，釘釘已與統(tǒng)一身份認證做過免登，用戶掃碼后無需登錄即可訪問頁面。對接消息中心，通過消息中心給師生和管理員發(fā)送消息。

●系統(tǒng)設(shè)計

1.系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)總體架構(gòu)分為五個層次，分別為基礎(chǔ)設(shè)施層、核心系統(tǒng)層、數(shù)據(jù)處理層、業(yè)務(wù)應(yīng)用層和用戶層，具體如圖1所示。

圖1

基礎(chǔ)設(shè)施均采用學(xué)校已建設(shè)好的設(shè)施，通過校內(nèi)申請方式獲取，如數(shù)據(jù)庫服務(wù)、應(yīng)用服務(wù)器、域名、外網(wǎng)訪問等。

本系統(tǒng)需要對接一些核心基礎(chǔ)平臺。消息中心主要給教室管理員推送消息提醒，讓教室管理員及時掌握多媒體設(shè)備的使用情況；數(shù)據(jù)中心提供ETL集成、數(shù)據(jù)清洗等數(shù)據(jù)服務(wù)；學(xué)校專屬釘釘與統(tǒng)一身份認證做了免登功能，師生通過專屬釘釘掃碼后無需登錄自動獲取師生信息進入開機頁面。

數(shù)據(jù)處理層集成融合各類數(shù)據(jù)，包括用戶信息、課表信息、教室借用信息、教室人數(shù)信息和中控狀態(tài)等。

業(yè)務(wù)應(yīng)用主要包括三大部分，即教室管理、多媒體設(shè)備開啟和移動控制中心。教室管理是基礎(chǔ)，主要包括教室信息管理、二維碼生成和管理員設(shè)置等，教室信息包括房間信息、中控信息等。多媒體設(shè)備開啟方式包括掃碼開啟和自動開啟，其中，自動開啟包括按課表開啟和按借用開啟，自動開啟功能需要師生選擇后才會觸發(fā)。移動控制中心可讓管理人員隨時隨地管控教室中的多媒體設(shè)備，同時通過設(shè)備使用預(yù)警，更加精準判斷哪些教室的多媒體設(shè)備使用不正常。

2.多媒體設(shè)備開啟

（1）多媒體設(shè)備開啟機制研究

本系統(tǒng)支持師生開啟多媒體設(shè)備的方式有兩種，分別為掃碼開啟和自動開啟，開啟機制如圖2所示。自動開啟基于教室使用信息（包括課表信息和借用信息）和自動開啟的選擇，如果希望自動開啟可在系統(tǒng)中設(shè)置；師生在借用教室時可選擇是否自動開啟多媒體設(shè)備。定時觸發(fā)開機程序只在首節(jié)課前10分鐘觸發(fā)，如某教室在某天有6、7、8節(jié)課，則只在該天的第6節(jié)前10分鐘會觸發(fā)開機程序。掃碼開機權(quán)限從統(tǒng)一身份認證、用戶角色、地理位置、半小時內(nèi)開機次數(shù)、掃碼時間等方面進行限制，學(xué)生默認是沒有權(quán)限的，只有在教務(wù)系統(tǒng)進行教室借用申請的學(xué)生才能掃碼開啟多媒體設(shè)備。

圖2

（2）掃碼開啟多媒體設(shè)備

二維碼與教室一一對應(yīng)，師生通過手機掃描該二維碼打開該碼對應(yīng)的教室多媒體設(shè)備開機頁面。教室開機二維碼由教室管理員生成，二維碼存儲信息是教室開機頁面的網(wǎng)址，為了確保安全，系統(tǒng)對該網(wǎng)址做了訪問權(quán)限的控制以及瀏覽工具的限制。

掃碼開機使用對象為全體在職教職工和教室預(yù)約審核通過的學(xué)生，學(xué)生要在預(yù)約的教室內(nèi)并在預(yù)約開始時間前后半小時內(nèi)進行掃碼開機。使用釘釘掃描教室開機二維碼，如果師生沒有使用釘釘掃碼，會提示“請使用釘釘掃碼開機”。在掃碼后，程序自動獲取釘釘定位信息、師生在學(xué)校通行的賬號，先判斷師生的定位信息，如果師生定位不在學(xué)校內(nèi)，提示“請在教室內(nèi)掃碼開機”；在定位判斷通過后，分析獲取賬號的權(quán)限，如果允許該賬號開機則進入開機頁面，如果沒有通過則提示相應(yīng)信息。

師生進入掃碼開機頁面，程序自動獲取教室信息，同時展示在頁面上。在師生點擊“開機”按鈕后，程序獲取多媒體設(shè)備品牌并獲取所在校區(qū)，根據(jù)多媒體設(shè)備品牌和所在校區(qū)調(diào)取對應(yīng)的開機接口，對所對應(yīng)的多媒體控制系統(tǒng)發(fā)出開機命令完成開機。掃碼開機流程如下頁圖3所示。

圖3

（3）自動開啟多媒體設(shè)備

系統(tǒng)在每節(jié)課前10分鐘觸發(fā)自動開啟多媒體設(shè)備程序，通過數(shù)據(jù)分析選擇當前日期包含該節(jié)次課的教室使用信息，如果教室使用信息的使用節(jié)次是多節(jié)次的，該節(jié)次排在第一節(jié)，然后根據(jù)教室信息選擇相應(yīng)的接口開啟多媒體設(shè)備。

（4）多媒體設(shè)備開啟接口

分析目前的多媒體設(shè)備集控系統(tǒng)，控制多媒體設(shè)備開啟的接口有兩類，一類是通過Web Socket給集控系統(tǒng)發(fā)送開啟命令，一類是通過Web API接口集控系統(tǒng)發(fā)送開啟命令。用戶點擊“開機”按鈕，系統(tǒng)通過Ajax異步調(diào)用開啟接口，獲取用戶信息、教室信息和集控系統(tǒng)信息，判斷是誰通過什么接口給哪個集控系統(tǒng)推送開啟命令，同時開啟信息記錄到多媒體設(shè)備開啟日志中。

3.基于HTML5多媒體設(shè)備管理

基于HTML5多媒體設(shè)備管理主要服務(wù)于教室管理人員，使其通過移動端可隨時隨地管控多媒體設(shè)備。主要功能包括：①查看教室多媒體設(shè)備的狀態(tài)；②教室視頻監(jiān)控識別預(yù)警；③控制教室多媒體設(shè)備的開關(guān)機。

筆者分析了各大多媒體集控系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)獲取中控狀態(tài)的方式有兩種：①通過Web Socket獲取；②通過Web API獲取。通過教室視頻監(jiān)控識別出教室人數(shù)，人數(shù)少于規(guī)定的數(shù)字且多媒體設(shè)備處于開啟狀態(tài)，提示該教室多媒體設(shè)備狀態(tài)預(yù)警，教室管理員查看預(yù)警，并通過視頻監(jiān)控了解教室使用情況及進行相應(yīng)操作。

●關(guān)鍵技術(shù)

系統(tǒng)的核心關(guān)鍵技術(shù)主要是二維碼識別技術(shù)、Web Socket通信技術(shù)和人數(shù)識別AI。

1.二維碼識別技術(shù)

QR二維碼能儲存更多資料信息，并且具有快速信息讀取的特征，當下已演變成應(yīng)用十分廣泛的二維碼技術(shù)類型。[5]二維碼生成關(guān)鍵代碼如圖4所示，其中content為二維碼存儲的信息。

圖4

2.Web Socket通信技術(shù)

Html5 Web Socket是基于服務(wù)器端和瀏覽器端間全雙工的異步信息技術(shù)，通過HTTP/HTTPS協(xié)議進行握手后創(chuàng)建一個用于交換數(shù)據(jù)的TCP連接，再在此連接上進行雙向通信（如圖5），之后，服務(wù)器便可以隨時地主動向客戶端發(fā)送更新數(shù)據(jù)，不需要客戶端的頻繁請求。[6]

圖5

3.人數(shù)識別AI

通過分析教室的視頻監(jiān)控指定區(qū)域畫面計算出當前人數(shù)，目前在該領(lǐng)域中表現(xiàn)較為突出的算法有YOLO、SSD和Faster RCNN等。[7]當統(tǒng)計的教室人數(shù)為0時，該教室肯定是沒有人在使用，如果該教室的多媒體設(shè)備是開啟狀態(tài)，則提示預(yù)警信息“*教室人數(shù)為0，多媒體設(shè)備開啟狀態(tài)！”。教室管理員可較精準獲知哪些教室的多媒體設(shè)備使用不正常，以便能及時處理。

●結(jié)論與展望

本研究利用二維碼識別技術(shù)、Web Socket通信技術(shù)和人數(shù)識別AI融合升級現(xiàn)有多媒體設(shè)備，實現(xiàn)了掃碼開機、自動開機、狀態(tài)預(yù)警、移動端管理等功能，使師生擺脫物理卡的束縛，讓管理員可隨時隨地且更加精準有效地管控多媒體設(shè)備。

需要說明的是，目前人數(shù)識別AI還有一定的誤差，但相信隨著AI算法不斷改進，教室人數(shù)識別精準度也會不斷精確，多媒體設(shè)備開啟狀態(tài)預(yù)警精準度也將不斷精確。在后續(xù)的研究中，隨著技術(shù)的發(fā)展，將選擇恰當?shù)募夹g(shù)應(yīng)用到本系統(tǒng)，以滿足師生和管理人員的新需求，提升多媒體教學(xué)環(huán)境的服務(wù)質(zhì)量。