面向“三教改革”的智慧教室多媒體集控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：隨著新一代信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，高等教育作為培養(yǎng)創(chuàng)新人才的關(guān)鍵陣地，亟須順應(yīng)“三教改革”的政策要求，積極重塑智慧教室的教學(xué)模式、學(xué)習(xí)方式、教研機(jī)制。文章剖析了“三教改革”對(duì)智慧教室建設(shè)提出的新需求，在此基礎(chǔ)上對(duì)系統(tǒng)功能、接口、架構(gòu)進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，圍繞智能感知與控制、多媒體編排等關(guān)鍵技術(shù)，闡述系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。

關(guān)鍵詞：智慧教室；三教改革；多媒體集控系統(tǒng)；微服務(wù)架構(gòu)

中圖分類號(hào)：TP273.5中圖分類號(hào) "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

0 引言

當(dāng)前，以新一代信息技術(shù)為驅(qū)動(dòng)的智能變革正在教育領(lǐng)域深入推進(jìn)，“三教改革”作為高等教育綜合改革的重要背景理念，為智慧教室的規(guī)劃、建設(shè)與應(yīng)用指明了方向。教學(xué)模式、學(xué)習(xí)方式、教研機(jī)制等傳統(tǒng)教學(xué)要素亟需重構(gòu)，作為智慧教室的核心組件，多媒體集控系統(tǒng)具有多源異構(gòu)環(huán)境感知、音視頻資源匯聚編排、教學(xué)活動(dòng)交互組織、教研數(shù)據(jù)挖掘分析等多重作用。在此基礎(chǔ)上，研究面向智慧教室應(yīng)用場(chǎng)景，系統(tǒng)闡述一種服務(wù)于智慧教室的多媒體集控系統(tǒng)，旨在為師生提供沉浸式、個(gè)性化的交互式教學(xué)新體驗(yàn)。

1 “三教改革”背景下的智慧教室建設(shè)

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的飛速發(fā)展，以互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等為代表的新一代信息通信技術(shù)正加速向教育領(lǐng)域滲透，為傳統(tǒng)教育的變革注入新動(dòng)力。在此背景下，“三教改革”應(yīng)運(yùn)而生，即全面推進(jìn)教師隊(duì)伍、教材編纂、教學(xué)方法的系統(tǒng)性變革。作為高校部署“三教改革”的重要硬件條件和技術(shù)基礎(chǔ)，智慧教室建設(shè)有別于傳統(tǒng)的多媒體教室，通過軟硬件的融合創(chuàng)新，集成物聯(lián)網(wǎng)感知、云計(jì)算處理、移動(dòng)互聯(lián)等功能于一體，構(gòu)建起智能化、網(wǎng)絡(luò)化、個(gè)性化的教學(xué)新環(huán)境，海量的教育資源可隨時(shí)調(diào)用，師生間的實(shí)時(shí)交互更加便捷。

2 智慧教室多媒體集控系統(tǒng)的需求分析

多媒體集控系統(tǒng)作為智慧教室建設(shè)的核心組成部分，承擔(dān)著環(huán)境感知、信息處理、資源供給、活動(dòng)組織等多重職責(zé)，因此必須立足“三教改革”背景，兼顧教、學(xué)、研各維度，支持多樣化的教學(xué)場(chǎng)景，具備多媒體資源的匯聚、編排、分發(fā)能力，滿足教師在備課、授課、作業(yè)、考試各環(huán)節(jié)的差異化需求，提供學(xué)習(xí)行為跟蹤、學(xué)習(xí)效果評(píng)估等功能。由于涉及復(fù)雜數(shù)據(jù)處理和業(yè)務(wù)協(xié)同，集控系統(tǒng)還要合理應(yīng)用微服務(wù)、邊緣計(jì)算、容器化部署等先進(jìn)架構(gòu)與技術(shù)，在保證高并發(fā)、低時(shí)延的前提下，提升系統(tǒng)的靈活性、可維護(hù)性和安全防護(hù)能力。

3 智慧教室多媒體集控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

面向智慧教室應(yīng)用場(chǎng)景，研究提出一種基于Actor模型和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的多媒體集控系統(tǒng)ReactiveX架構(gòu)。該架構(gòu)立足于分布式環(huán)境，采用事件驅(qū)動(dòng)、消息傳遞的異步并發(fā)模型，通過Actor層級(jí)結(jié)構(gòu)映射智慧教室的物理組織。智慧教室多媒體集控系統(tǒng)應(yīng)用架構(gòu)如圖1所示。

（1）架構(gòu)頂層采用Akka框架搭建Actor計(jì)算模型，將智慧教室的核心組件抽象為一組松耦合、高內(nèi)聚的Actor（Sensor Actor、Controller Actor、Processor Actor、Service Actor等）［1］，分別負(fù)責(zé)傳感數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制指令分發(fā)、數(shù)據(jù)流處理、業(yè)務(wù)邏輯封裝等任務(wù)。

（2）各Actor內(nèi)部采用ReactiveX數(shù)據(jù)流范式，基于Observable/Observer模式構(gòu)建異步非阻塞的消息處理管道。數(shù)據(jù)在Actor內(nèi)部流轉(zhuǎn)時(shí)，通過函數(shù)式變換增量處理，大幅降低時(shí)延；引入背壓機(jī)制，保證下游Actor不被上游Actor淹沒。Actor層級(jí)結(jié)構(gòu)與智慧教室物理空間相映射，通過子Actor分形遞歸調(diào)用。

（3）數(shù)據(jù)層采用Kafka構(gòu)建實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)總線，將各物理設(shè)備產(chǎn)生的觀測(cè)數(shù)據(jù)以流式方式注入系統(tǒng)，形成“流式處理+時(shí)序分析+語義推理”的融合計(jì)算模式。

（4）智能計(jì)算層采用Tensorflow Serving/Apache MXNet Model Server等模型服務(wù)化框架，將環(huán)境感知、學(xué)情分析等核心場(chǎng)景需要的機(jī)器學(xué)習(xí)模型（如對(duì)象檢測(cè)、語義分割、表情識(shí)別、肢體動(dòng)作識(shí)別、學(xué)習(xí)效果預(yù)測(cè)等）統(tǒng)一管理，封裝為gRPC接口，以在線預(yù)測(cè)服務(wù)的方式提供給上層業(yè)務(wù)調(diào)用。

（5）編排調(diào)度層采用Kubernetes-Native模式，充分利用Kubernetes聲明式API［2］，將環(huán)境感知、音視頻處理等管道抽象為自定義資源，通過Operator/Helm Chart定義部署編排策略，引入Istio服務(wù)網(wǎng)格實(shí)現(xiàn)Actor的細(xì)粒度流量管控與故障注入，最終形成智慧教室的自動(dòng)化運(yùn)維、彈性伸縮與高可用保障體系。

（6）外部應(yīng)用集成遵循Open API規(guī)范，為跨校區(qū)、跨學(xué)科的異構(gòu)智慧教室提供統(tǒng)一的環(huán)境感知、教學(xué)交互API，通過API-Gateway/Service Mesh等方式與教務(wù)系統(tǒng)、資源系統(tǒng)互聯(lián)互通。

3.2 系統(tǒng)功能模塊

3.2.1 設(shè)備控制管理模塊

設(shè)備控制管理模塊是智慧教室多媒體集控系統(tǒng)的核心組成部分，負(fù)責(zé)對(duì)各類音視頻設(shè)備、環(huán)境設(shè)備的統(tǒng)一管理和精準(zhǔn)控制［3］。模塊采用基于MQTT協(xié)議的發(fā)布-訂閱通信模型，將燈光、窗簾、空調(diào)、投影儀、音響、攝像頭等設(shè)備接入統(tǒng)一控制網(wǎng)關(guān)，抽象為一組標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)備影子，由設(shè)備狀態(tài)與控制指令雙向同步。模塊引入基于Redis的設(shè)備緩存機(jī)制，將設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)、歷史狀態(tài)、控制隊(duì)列等數(shù)據(jù)在內(nèi)存中重組、編制索引。

3.2.2 音視頻處理模塊

音視頻處理模塊是支撐智慧教室教學(xué)活動(dòng)開展的關(guān)鍵組件，提供從音視頻采集、編碼、傳輸?shù)浇獯a、渲染、分析的全流程處理能力。視頻處理采用GStreamer多媒體框架，將攝像頭采集的原始視頻數(shù)據(jù)送入基于GPU加速的H.265編碼器，根據(jù)教學(xué)場(chǎng)景中的關(guān)鍵區(qū)域（如教師、板書等）動(dòng)態(tài)調(diào)整編碼參數(shù)，在保證視頻質(zhì)量的同時(shí)降低傳輸帶寬。在視頻流智能方面，模塊集成了一套基于深度學(xué)習(xí)的教學(xué)行為分析框架，通過對(duì)教師的手勢(shì)、表情、語音以及學(xué)生的聽課狀態(tài)、筆記記錄等信息進(jìn)行多模態(tài)融合分析，診斷諸如教師語速過快、學(xué)生聽課分神等典型教學(xué)場(chǎng)景現(xiàn)象。

3.2.3 環(huán)境監(jiān)測(cè)與控制模塊

環(huán)境監(jiān)測(cè)與控制模塊旨在構(gòu)建智慧教室物理空間的數(shù)字孿生，為教學(xué)活動(dòng)營(yíng)造舒適、健康、安全的氛圍。模塊采用Modbus等工業(yè)總線協(xié)議，將教室內(nèi)的溫濕度、CO2濃度、PM2.5濃度、照度等環(huán)境參數(shù)傳感器接入邊緣網(wǎng)關(guān)，通過閾值規(guī)則引擎實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與預(yù)警環(huán)境指標(biāo)，動(dòng)態(tài)優(yōu)化空調(diào)溫度、新風(fēng)量、燈光亮度等參數(shù)。針對(duì)突發(fā)事件（如空氣質(zhì)量惡化、高溫預(yù)警等），模塊則會(huì)基于BPMN的事件編排流程執(zhí)行應(yīng)急處置［4］。

3.2.4 互動(dòng)教學(xué)與遠(yuǎn)程協(xié)作模塊

互動(dòng)教學(xué)與遠(yuǎn)程協(xié)作模塊用于為師生構(gòu)建沉浸式、交互式的教學(xué)新空間。該模塊包含電子白板、移動(dòng)終端App等工具，通過實(shí)時(shí)同步的筆跡書寫、課件標(biāo)注、問答測(cè)試等，學(xué)生可通過移動(dòng)App隨時(shí)發(fā)起提問、參與答題和小組討論，教師也可基于學(xué)生的實(shí)時(shí)反饋，靈活調(diào)整授課節(jié)奏和方式。系統(tǒng)將師生產(chǎn)生的各類互動(dòng)數(shù)據(jù)匯聚至教學(xué)行為分析引擎，挖掘?qū)W生的學(xué)習(xí)特點(diǎn)和知識(shí)掌握情況。利用三維建模與實(shí)景重建技術(shù)，在虛擬空間中再現(xiàn)教室的座次布局、師生形象，支持虛實(shí)教室的音視頻互動(dòng)和教學(xué)資源共享。

3.3 系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)

3.3.1 與環(huán)控、照明等系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口

智慧教室多媒體集控系統(tǒng)需要與教室內(nèi)的各類物聯(lián)設(shè)備（如空調(diào)、新風(fēng)系統(tǒng)、燈控系統(tǒng)等）進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互。系統(tǒng)采用基于MQTT的發(fā)布-訂閱消息模型構(gòu)建統(tǒng)一的數(shù)據(jù)總線，將各物聯(lián)設(shè)備的JSON格式數(shù)據(jù)通過MQTT主題進(jìn)行分類組織，如空調(diào)的溫度數(shù)據(jù)發(fā)布到“classroom/aircondition/temperature”主題，新風(fēng)的CO2濃度數(shù)據(jù)發(fā)布到“classroom/ventilation/co2”主題。數(shù)據(jù)格式遵循SenML標(biāo)準(zhǔn)，將環(huán)境傳感數(shù)據(jù)封裝為一組{名稱：數(shù)值}的鍵值對(duì)，帶有統(tǒng)一的時(shí)間戳。控制參數(shù)封裝在JSON格式的MQTT消息負(fù)載中，通過定義統(tǒng)一的“classroom/control/{device_id}”主題，讀取與控制特定物聯(lián)設(shè)備狀態(tài)。

3.3.2 與音視頻終端的控制接口

為實(shí)現(xiàn)教室內(nèi)投影儀、音箱、麥克風(fēng)、攝像頭等音視頻設(shè)備的集中管控，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一套統(tǒng)一的RESTful風(fēng)格設(shè)備控制接口。采用Jersey框架，為每類音視頻設(shè)備定制一組標(biāo)準(zhǔn)化的CRUD接口，如：對(duì)投影儀的開關(guān)機(jī)控制接口為“POST /projector/{device_id}/power/{onoff}”，投影儀開關(guān)機(jī)控制接口設(shè)計(jì)如表1所示。考慮到各廠商設(shè)備控制協(xié)議的差異性，設(shè)備接入層引入基于適配器模式的協(xié)議適配框架，將各類私有協(xié)議映射到統(tǒng)一的RESTful接口，屏蔽設(shè)備異構(gòu)性，簡(jiǎn)化上層業(yè)務(wù)開發(fā)。

3.3.3 與教務(wù)、資源庫等平臺(tái)的服務(wù)接口

智慧教室是一個(gè)開放的教學(xué)服務(wù)綜合承載平臺(tái)，需要與學(xué)校現(xiàn)有的教務(wù)管理系統(tǒng)、知識(shí)資源庫等平臺(tái)深度融合，建立業(yè)務(wù)協(xié)同、數(shù)據(jù)貫通的服務(wù)閉環(huán)［5］。系統(tǒng)通過輕量級(jí)的RESTful接口向外部系統(tǒng)提供服務(wù)，將Nacos作為服務(wù)注冊(cè)中心，各微服務(wù)在Nacos中注冊(cè)服務(wù)元數(shù)據(jù)（服務(wù)名、接口URL、調(diào)用協(xié)議）。例如：在與教務(wù)系統(tǒng)的課表數(shù)據(jù)同步場(chǎng)景中，教務(wù)系統(tǒng)可通過調(diào)用本系統(tǒng)的“/timetable/{classroom_id}”接口實(shí)時(shí)獲取特定教室的課程排布信息，本系統(tǒng)也可調(diào)用教務(wù)系統(tǒng)的“/course/{course_id}”接口獲取課程元數(shù)據(jù)。

4 多媒體集控系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)

4.1 智能感知與控制

智慧教室的環(huán)境感知與設(shè)備聯(lián)動(dòng)控制是多媒體集控系統(tǒng)的重要功能，本節(jié)重點(diǎn)闡述相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)。在感知層，系統(tǒng)采用多協(xié)議物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)，通過Modbus、ZigBee、BACnet等工業(yè)協(xié)議，將教室內(nèi)的各類傳感器與控制器接入邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)［6］。網(wǎng)關(guān)通過Node-RED可視化編程工具，將各設(shè)備的原始數(shù)據(jù)按照統(tǒng)一的JSON Schema格式進(jìn)行清洗與轉(zhuǎn)換并基于MQTT協(xié)議推送到數(shù)據(jù)總線中。網(wǎng)關(guān)內(nèi)置了Tensorflow Lite和EdgeX Foundry等輕量化AI推理框架和邊緣微服務(wù)平臺(tái)，可在網(wǎng)關(guān)層實(shí)時(shí)處理傳感數(shù)據(jù)。控制層采用了基于智能家居系統(tǒng)（Home Assistant System， HASS）的自動(dòng)化控制引擎，在Web UI界面中以可視化方式定義設(shè)備聯(lián)動(dòng)規(guī)則，結(jié)合環(huán)境感知數(shù)據(jù)，智能化控制燈光、空調(diào)、窗簾等設(shè)備。

4.2 多媒體匯聚與編排

在智慧教室場(chǎng)景中，存在大量多媒體數(shù)據(jù)源（如攝像頭、麥克風(fēng)陣列、電子白板等），要按需編排并高效匯聚。系統(tǒng)采用了基于Kafka和Spark的實(shí)時(shí)流處理框架，將各多媒體數(shù)據(jù)按照主題進(jìn)行分類并發(fā)布到流處理管道中。在Spark Streaming中，通過對(duì)DStream的各類Transformation操作（如map、filter、 reduceByKey等），對(duì)流數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)清洗、轉(zhuǎn)換、聚合、關(guān)聯(lián)等處理。系統(tǒng)還引入了Kurento媒體服務(wù)器，在服務(wù)器上部署對(duì)應(yīng)的媒體處理邏輯，對(duì)實(shí)時(shí)音視頻流進(jìn)行轉(zhuǎn)碼、混流、合成等，支持通過Jupyter Notebook等交互式方式在線編排處理管道。

5 結(jié)語

多媒體集控系統(tǒng)設(shè)計(jì)以微服務(wù)架構(gòu)為基礎(chǔ)，將人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)與教學(xué)場(chǎng)景深度融合，以數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)智能化變革，構(gòu)建起多維度、一體化、可擴(kuò)展的智慧教室環(huán)境感知與控制體系，支撐了教學(xué)活動(dòng)的組織管理、資源供給、效果評(píng)估。在深化“三教改革”的背景下，智慧教室的建設(shè)不僅涉及軟硬件設(shè)施的物理空間構(gòu)建，更要注重與教學(xué)方式、學(xué)習(xí)模式等教育生態(tài)要素的深度融合，通過科學(xué)的頂層規(guī)劃與系統(tǒng)設(shè)計(jì)，最大限度地激發(fā)技術(shù)賦能教育的內(nèi)在潛力。

參考文獻(xiàn)

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（編輯 王永超編輯）

Design and implementation of a multimedia integrated control system for smart classrooms

oriented to the “Three Education Reforms”

ZHANG" Lihua， XUE" Bowen*

（Xi’an Railway Vocational amp; Technical Institute， Xi’an 710063， China）

Abstract： With the rapid development of the new generation of information technology， higher education， as a key battleground for cultivating innovative talents， urgently needs to reconstruct teaching models， learning methods，and teaching research mechanisms in smart classrooms in accordance with the policy requirements of the “Three Education Reforms”.The article analyzes the new requirements put forward by the reforms for the construction of smart classrooms，and on this basis，carries out an overall design of the system functions， interfaces，and architecture. It also elaborates on the implementation details of the system， focusing on key technologies such as intelligent sensing and control， and multimedia orchestration.

Key words： smart classroom; Three Education Reforms; multimedia integrated control system; microservice architecture