物聯網與云計算背景下高校智慧教室建設研究

楊克勤

（湖北生物科技職業學院，湖北 武漢 430070）

信息技術發展和“互聯網+教育”加快了我國高校智慧校園與智慧教室建設的腳步，并為其提供更全面的新一代信息技術支持?，F階段我國多數高校教學設備已開始引進先進的多媒體集成智能黑板、激光投影儀、智能中控等，普通多媒體教室也從傳統的方式逐漸向數字化、自動化以及智能化的方向轉變，為學生提供個性化服務的同時，進一步改善高校教學環境，優化教學內容。基于物聯網與云計算背景下建設的智慧教室，可以將學校管理和師生之間緊密相連，形成有機整體。為此，本文將以物聯網與云計算為背景對智慧教室的建設進行深入研究。

1 概述

1.1 物聯網

物聯網（IoT：Internet of Things）是一種利用信息傳感器以及射頻識別（RFID）、全球定位系統以及紅外感應器等裝置和計數，能夠對物體或過程進行實時的連接與監控，結合聲、光、電以及力學、熱學等各種信息內容，利用各類網絡接入，實現物和人、物和物之間的連接，也能夠對物品及過程進行智能化感知和管理。物聯網其實從根本上來說是基于互聯網以及5G 移動互聯網等信息作為載體，將所有的獨立的普通物理對象轉化成為互通的關系。物聯網作為新型的信息技術組成部分，在IT 行業又被叫做泛互聯，可以理解為是萬物相連的意識，所以物聯網又可以說是能夠讓所有物物之間相互連接的互聯網。

1.2 云計算

云計算（Cloud Computing）是指利用計算機網絡形成的計算能力較強的計算系統，能夠存儲，并將相關資源進行結合同時按照用戶需求進行配置，為用戶提供更加個性化的服務。云計算并非是一種新型的網絡技術，而是更為新穎的網絡概念，是繼互聯網以及計算機時代的又一種創新。云計算通過分布式計算，在網絡“云”將海量且龐大的數據在不斷地處理分解后成為無數小程序，而后再利用多個服務器形成的系統對小程序的結果進行處理與分析，并反饋于用戶[1]。

2 智慧教室概念以及現狀

2.1 概念

智慧教室是以傳統教室為基礎，伴隨信息技術的進步與發展而逐漸發展形成的，經歷了“傳統教室——電子教室——多媒體教室——多媒體網絡教室——智慧教室”的發展過程，其中多媒體教室、多媒體網絡教室和智慧教室同屬于數字教室的不同發展階段[2]。當前，智慧教室大家普遍認可的描述是，運用人工智能、人機交互等信息技術手段增強教學內容呈現和對整個教學環境的感知，利用物聯網、云計算等信息技術優化教師和學生的溝通交流，構建個性化、開放式的泛在教學環境。

2.2 建設智慧教室意義

高校建設智慧教室其最主要的意義在于能夠促使師生之間更好的交流，完成教學過程，促使高校智能化管理水平得到有效提升。智慧教室的建設使高校教學逐漸由傳統的教學模式轉化為現代化網智慧教學模式，能夠更加地符合高校實際發展需求，為高校教學發展予以更多的技術支持[3]。此外，建設智慧教室也是更加科學合理規范的管理智慧教室的主要途徑，是確保智慧教室硬件設備能夠正常運行的重要基礎，高校利用互聯網技術以及物聯網等技術與日常教學內容進行融合，有助于創新高校教室的整體協同創新能力。

2.3 現狀

目前我國多數高校智慧教室在建設時仍然存在諸多的不足之處，傳統的多媒體教室過于重視教學設備的投入，并未對教學平臺軟件建設予以充足的投入，并且只是考慮教學設備的好壞，并沒有重視到教學設備對教學內容的影響。在傳統多媒體教室建設時，大多數情況下是簡單的組裝硬件設備，并沒有對教室進行系統化的建設。部分高校多媒體教室在建設過程中位置相對分散和獨立，采購的硬件設備型號相對復雜多樣[4]。

目前我國部分高校建設智慧教室過程中主要存在以下問題。第一，智慧教室所采購的設備操作相對復雜，使用過程中硬件設備出現故障沒有及時地處理則會影響教學進度。第二，智慧教室所使用的電腦系統配置相對較低，電腦的Windows 系統會導致電腦極容易遭到病毒侵襲，不僅影響教室授課，還不利于后期對智慧教室的維護。第三，多媒體教室使用的教學設備都是通用設備，也就是說無論是學生還是教師都有權力使用智慧教室設備，就會出現隨意使用設備甚至盜取設備等問題。第四，智慧教室所使用的設備種類相對繁瑣，且設備與設備之間的線路較為復雜，就會加大智慧教室硬件設備的維修困難，而教師在教學過程中也會由于操作繁瑣而頻頻出現故障等問題。

2.4 智慧教室系統功能

2.4.1 統一管理多媒體設備

目前高校在進行課堂教學時通常都會使用到多媒體設備，多媒體作為高校教學過程中重要的教學工具，會對教學效果產生影響。所以，就需要對智慧教室系統進行統一的管理與控制，通過完善合理的中控管理平臺，對智慧教室中的多媒體設備進行更加全面且可遠程控制的智能操作。智慧教室系統可以獲取教室中電腦工作情況、投影儀或智慧大屏等設備的工作狀態，便于對教學過程進行動態化的調整，還可以對設備進行統一自動開關機操作，可以更好地管控設備，確保教學過程不受影響的同時，還可以避免他人隨意動用多媒體設備[5]。

2.4.2 具有人性化的教室環境

舒適的教室環境會直接影響學生學習效果以及教師教學效率的主要因素，當學生身處于舒適且先進的教學環境中，會更加積極地吸收知識，學習效率會得到有效的提升，學習整體效果也會得到提升。智慧教室利用傳感技術，在教室安裝智能化的調節設備，使學生能夠在溫度、安全以及光照等多個方面進行智能化的調節，為學生創設出十分舒適的學習環境。

2.4.3 智慧教室具有安全性

智慧教室的安全性，是智慧教室系統正常運行的重要基礎。智慧教室系統本身包含內容較多，包括智慧教室的管理的安全性與數據處理的精準性，需要通過設置高級級別管理密碼，確保系統數據的安全性，避免遭到惡意篡改以及漏洞攻擊等，智慧教室系統的安全性必須滿足高校教室的教學需求，確保教學設備能夠正常運行，教學活動有序進行。

2.5 智慧教室特點

智慧教室與傳統的多媒體教室相比之下更具有靈活性與互交性、沉浸性，智慧教室利用現代技術手段使師生之間能夠形成良好的互動，形成人和環境之間的和諧互動。在物聯網與云計算背景下智慧教室中的教學方式會更加的創新與新穎，不是傳統的教師主導式、填鴨式等教學模式，而是使用情境式、問答式等方法來加強師生之間的聯系。結合智慧教室目前的優勢之處不難分析其特點，其具備數字化、智能化以及集約化等特點，在教學上還可以實現同步教學以及廣播教學等個性化教學服務，實現聯機探討、課件回放以及屏幕監控等功能特點。

3 物聯網背景下智慧教室的整體結構

基于物聯網與云計算背景下智慧教室系統的整體結構包括感知層、數據層、控制層以及網絡層四部分內容，具體如下。

3.1 感知層

將多種數字傳感器安裝到智慧教室中，使用傳感器對周圍的環境進行自動感知，并自動收集智慧教室周圍所產生的實際數據。通過光傳感系統設備能夠對智慧教室的光線以及昏暗程度進行檢測，實時合理地對教室各個區域環境進行動態調整與控制。通過射頻感知器應用于驗證教室管理員以及學生、教師的身份，實時考查學生、教師出勤狀況；通過溫濕感知器能夠檢測教室的溫度和濕度，確保教學環境舒適。

3.2 控制層

高校對教室管理部署控制管理平臺，及時分析并處理智慧教室產生的實時數據，對教師適當地予以授權，方便教師對智慧教室進行實時變化管理。此外，還可以在高校主教學樓設置分中心控制平臺，實現對教學樓中各個智慧教室的使用情況以及上課狀態進行監測，相關的管理人員要隨時調取以及使用課表信息和師生信息，便于對智慧教室的出勤情況進行考察。最后高校還需要設置總中心控制平臺，便于對學校所有智慧教室的使用情況進行監測，需要對管理人員設置身份信息的核實，并予以管理人員必要的控制權，確保智慧教室系統的安全性。

3.3 數據層

智慧教室數據層是基于語義數據層將語音感知設備所收集的數據信息進行語義方面的轉化，并篩選標準化的語義信息數據，將數據及時存儲到數據服務器。智慧教室數據服務通常情況需要與高校的實時服務系統連接，教務管理人員需具備查看學校智慧教室系統各項數據的能力，并了解智慧教室使用情況以及人員信息等。

3.4 網絡層

智慧教室的網絡架構層主要由網絡傳輸設備建設形成，使用太網、星性網以及無線網絡這三種網絡。

4 基于云計算背景下智慧教室的建設

云計算自發展形成后具有諸多的優勢與特點，如數據可靠、數據處理效率高、成本低等優勢，在進行教學活動時可以促使教學活動最優化，提高教學效率與質量。云計算應用在智慧教室中主要是通過云服務形式來完成教學服務，云服務平臺由云平臺服務器及云終端和大二層網絡構成，云服務主要在物聯網、無線網以及局域網采集數據的基礎上，整合優質教學資源，豐富教學資源與教學課程庫，讓整個教學過程更加的個性化。

4.1 云服務平臺

其實從根本上來說智慧教室就是通過智能化技術來建設智能化的教學環境，使師生能夠利用豐富的教學資源繼續教學活動，完成教與學的最優化目的，提高高校教學質量與效率。云服務平臺還可以加強用戶之間的信息溝通，促使師生、管理人員之間形成有效交流，并且云服務平臺包括教育智能化下所需要的所有計算資源，通過虛擬化手段，為師生提供更多種的教學資源服務。云服務平臺作為云計算技術向教育的一種遷移，更是未來實現智能化教育的基礎架構，其不僅傳承下云計算的各項優勢，同時還可為高校教學管理提供全新的解決方式。

4.2 創設云服務平臺實際功能

云服務平臺具有管理教學設備以及教學資源、網絡課堂、虛擬實驗室等功能，云服務平臺不僅可以實現和傳統多媒體教室連接，對教學設備進行有效管理，同時還將云端教學資料進行整合，為教師以及學生提供自主學習平臺，豐富學生基礎理論知識以及實驗學習平臺，并便于教師對教學模式進行創新。云教育的發展，特別是云服務平臺使學生的學習過程不再局限于時間與空間，而是打破常規，讓學生能夠實現移動式在線學習。

5 智慧教室未來發展思路

通過物聯網與云計算建設智慧教室，創設出更加舒適的教學環境不僅是智慧教室凸顯出的重要優勢，更是高校實現信息化與智能化教學的重要訴求。物聯網技術在高校教學設備中的應用，一方面能夠有效地優化教學環境，開展智能化管理，提供豐富教學資源，但智慧教室的建設成本要遠高于傳統多媒體教室，所以高?？梢詫⒅腔劢淌医ㄔO于新校區或實驗室等，避免后續的修繕，減少智慧教室的建設成本。高校智慧教室的建設加快了學?，F代化管理的腳步，同時也和現代化教育要求相符[6]。另一方面，建設智慧教室不僅僅表現在教學環境方面，更多的是智慧管理和智慧教學，讓學生能夠在智慧化的教學環境中利用新穎的教學模式提高自身學習效率，使高校教學質量逐漸朝向現代教育方向發展。

6 結語

根據上述可知，本文主要基于物聯網和云計算的概念展開討論，闡述智慧教室的現狀、意義以及智慧教室系統功能，并基于物聯網和云計算對智慧教室的結構進行分析。物聯網和云計算技術可為高校建設智慧教室提供技術支持，強化學生自主學習意識，最大化地利用教學資源，為現代化教育發展提供新思路和方向。