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《论高校智慧教室建设》

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摘　要：本文从在高校多媒体教学平台的发展过程中存在的问题出发,提出了智慧教室解决方案,并在阐述了智慧教室的概念、特点的基础上,对智慧教室的功能、基础结构和网络环境部署进行详细的分析.

关键词：高等院校　智慧教室　物联网　多媒体教室

随着“互联网+”技术的发展,校园的建设、管理与云计算、大数据、物联网技术不断的融合,这不仅加快了高校信息化建设的脚步,并且令高校教室的管理工作也更加信息化、便捷化,使得高校教育资源利用率有了很大的提升,保证了教学的多样性、丰富性.

智慧教室不同于传统教室,因为智慧教室是在“互联网+”技术的基础上集成智能控制、录播系统、个性化云桌面、在线寻课、智能管理、教学环境感知、呼叫服务于一体的全新、增强型的教室模式.教师不仅可以随时获得学生预习情况、课堂分组讨论等学习动态,并且能及时收到学生的学习反馈,从而对学习情况提出更具有指导性的意见.智慧教室运用现代化的技术手段控制整个教学过程,让教学更加的便捷、智能、高效,帮助学生提升自主学习能力.为了充分发挥智慧教室的优势,提升教学和管理的水平,要将“互联网+”技术与传统的教学和管理模式相结合,建设新一代的信息化教学、管理模式,构建在“互联网+”技术支撑下的信息化平台,提升教室资源的利用率,使教学水平更好的发挥,为师生营造更好的教学环境.

一、多媒体教室存在的问题

高校多数的多媒体教室还没有实现智能化、一体化的运行模式,在管理和使用过程中存在一些问题：

（1）高校的教室具有分布广和数量多特点,设备由于采购的批次不同导致设备的型号也不同.教室内的计算机需要定期的软件升级和补丁的更新,这时管理人员需对不同的地点,不同型号的设备分批次维护.经常在上课过程中多媒体设备会出现一些故障,维护人员需要现场解决,维护人员的数量远远不能满足教室的维护需求,导致教室设备不能及时的排除故障.

（2）大部分的教学任务都在多媒体教室进行,教师对计算机使用水平不同,使用的移动存储设备在与计算机拷贝数据的同时也极容易感染病毒对操作系统造成安全隐患,影响到教学秩序的正常运行.

（3）在高校不同校区的不同教学楼都有多媒体教室,维护人员的办公地点只能在各个教学楼内逐一安排,办公地点分散,不利于统一管理.

（4）多媒体教室内的设备由于多次更新,教室内的设备差别大,设备管理和资产统计大多数通过手工登记形式进行.设备管理部门的领导不能对整体情况有详细的了解,设备信息共享率低下,多媒体设备闲置的教育资源浪费现象.

（5）多数普通教室进过改造变成现有的多媒体教室,改造时由于经费原因对教室内的环境布局欠考虑,功放系统没有经过声场设计,音响安装不当,导致教室内声场不均匀、声源位移.投影系统由于亮度不够,多媒体教室内必须将窗帘全部拉上,在夏天室内空气闷热,室内空气不流通,一般教室内没有通风系统,即使设计了也处于闲置状态下.

（6）课程的安排大多时间集中,楼层低的教室使用率比较高.如此大多数多媒体教室处于闲置状态,导致设备使用寿命差别大.

（7）大多数多媒体教室都是全天对外开放的,由于管理维护人员数量有限只能到晚上才能关闭,几乎处于零监管的状态下,进入教室的人员信息不能有效的记录.

（8）大多数的多媒体设备和照明设备处于人工管理模式,还没有实现教学设备智能化控制,存在教室内设备无人使用但是常开的现象造成能源的浪费.

二、智慧教室概念及特点

数字教室的进一步发展形成了智慧教室,智慧教室是新的教育形式和现代化教学方法.在物联网、大数据等技术手段上建立起一个具有智慧教学、环境智慧调节、人员考勤、资产管理、视频监控及远程控制于一体的新型现代化智慧教室系统,是推进智慧校园的有效组成部分.它不仅是一个拥有多个先进媒体设备的教室,而且是一个具有先进教学方法的课堂教学模式.在智能教室中,老师和学生都有自己的移动终端设备.通过APP和其他应用工具,教师和学生可以相互交流.教学媒体资源的多样性满足了教师的教学需求和学生对教师,学生和学生的学习需求.为教学互动创造有利条件.

在科技快速发展的信息时代,将传感器、互联网、物联网、云计算等先进的高科技应用到教室环境中,从而更好的促进教育教学活动的开展.具体一下特点：

（1）教学内容展示形式更加多样化、便利化,更适合学生的学习特点,增强了学生对所学知识的理解和加工,有助于师生之间的互动,降低学生的认知负荷.

（2）对教学活动的开展提供了更灵活丰富的资源获取形式.智慧教室为各类智能设备提供了端口,学生可以根据自己的需要接入教学平台下载所需要的学习资料.

（3）教师通过教学平台把教学内容分发到学生手中,学生也可以将实验结果通过投影系统展示给其他同学,促使师生和学生之间交流实现无障碍互动、演示、再生成.为了保证数据交互的流畅性,建设时是基于万兆网络构建.智慧教室还能够记录师生教学和学生互动的交互过程,为数据分析提供基础数据,支持教师的决策和学生的自我评估.智慧教室支持教学的深度互动,互动的过程中了解学生是否偏离交互主题,及时发现学生的困难与问题并加以引导或帮助.

（4）布局的灵活性、多样性和管理的便利性是智慧教室在环境和管理的特点.座椅不再是死板的形式,可以跟随教学、互动的需要灵活调整座椅位置,有助于互动教学模式的开展,使得学生互动组合更加的灵活多样.智慧教室不仅考虑了桌椅的灵活性,在座椅的色彩、结构、材料也做了科学的设计.智慧教室能够调控声音、光照、温度、空气等环境因素,使得教室环境更适合教学活动的进行.

三、智慧教室的功能

智慧教室是以物联网、云计算的新科技手段为依托,有多个系统模块协作构成的.包含了无线传感模块、无线投影模块、射频识别模块、多屏显示模块、自动录播模块等等,主要分为管理系统和教学系统.

（一）智能管理系统

管理系统包含有无线传感器、射频识别器从而实现考勤功能,资产管理功能、,智慧调节光照、温度、空气质量的功能,视频监控功能的智慧化管理.与此同时,通过网络和教务处排课系统实时对接,实现上课前打开教室内设备,课程结束自动关闭设备.

（1）考勤模块.考勤模块是由RFID读卡器和后台系统组成.管理人员预先给学生和教师统一授权,师生可以通过校园卡在读卡器读取数据后,交互到后台系统识别身份后进入,实现了进入教室人员的实名登记,便于考勤的统计和教室的管理.

（2）资产管理模块.教室内设备都贴有对应RFID标签,标签上存有设备的详细信息,教室门口还安装有特高频读卡器,对教室内的设备统一管理,教室内的设备进入或搬离都会通知管理人员,同时强行搬离设备还会发出警报.

（3）照明控制模块.光照控制模块通过人体传感器感知教室内什么位置有人从而接受光照传感器发来的数据通过特定算法对灯光控制器和窗帘控制器发出指令从而实现照明的智慧控制.如果教室内没有人,后台会接受到人体传感器发来的数据,关闭灯光.

（4）空调控制模块.室内的温度和湿度通过传感器读取数据后,传输到后台应用进行数据分析和预先设定的指标对比,当温度和湿度不在指标范围之内时,后台应用控制空调,让室内温湿度指标回到正常值,实现室内的温湿度自动控制.

（5）门窗监视模块.门窗都安装有磁模块可以感知门窗的状态,后台应用可以设置门窗的关闭时段,如果在关闭时段门窗打开会直接通知管理人员和保卫处,实现对门窗的自动监视和预警.

（6）通风换气模块.后台系统接收到二氧化碳浓度传感器的数据,通过数据分析,根据设置好的浓度范围是否进行抽风换气,通过室外空气改善室内二氧化碳浓度.

（7）视频监控模块.利用无线摄像头和相关配套监控组成监控模块,可以为资产和人员出入情况的查看依据.

（二）智能教学系统

智能教学系统主要运用扩声系统、虚拟桌面、交互白板和交互投屏系统、在线巡课与常态化录播系统等实现智能化教学.

（1）扩声系统.为了保证良好的听闻环境使得师生之间交流更加的顺畅,智慧教室还加装了扩声系统.扩声系统由拾音器、功放、音响构成.同时扩声系统还能为在线课程收集师生之间的声音数据.扩声系统对教学环境有着重要的影响,一个好的听闻环境可以提高语言的可懂度.

（2）桌面虚拟化.桌面虚拟化是有服务器虚拟化、存储虚拟化等技术构建的.学生可以通过自己的任何设备,不同地点,随时通过网络访问自己的个人桌面.解决了基于传统PC形式,应用软件绑定在PC上一但PC出现问题.

（3）交互式电子白板.交互式电子白板是通过网络和计算机相连,可以和电脑交互,并利用投影机将计算机上的内容投影到电子白板屏幕上.交互式电子白板的引入在一定程度上摆脱了电脑前操作的束缚,教师可以在交互式电子白板上直接操作,如编辑、批注、书写板书等功能,有效的提高了授课的效率.在教学实践中,若将投影白板作为主要的教学辅助手段进行教学,在备课思路上与以往的幻灯片制作不同,无论是练习的设计,还是新知的呈现,都体现出教师的能动操作,而不是看电脑演绎,光是这点,就为课堂教学师生的亲和度加分不少.利用交互式投影白板灵活、有效地实施教学过程.运用投影白板,教师操作发射笔,既可以播放设计好的幻灯片,展现教学设计意图,也可以随时更换模式,根据学生的需要进行灵活的编辑、删改.教师可以根据课堂上的情况随机地利用投影白板的资源进行教学活动,完全满足教学双方的需要.

（4）常态化录播系统.常态化录播系统是在网络和多媒体技术的基础上对授课过程进行记录和传播的一种现代教育技术系统.常态化录播系统是针对课堂教学过程实施录制开发的,为了避免拍摄过程中对教学秩序的干扰,影响教学的顺利开展,常态化录播系统具备自动录制、自动上传、自动编目和网络直播的功能,具有无需人工操作的特点.课程资源通过非线性编辑存储于专门的点播系统,供师生课后播放,尤其为学生回溯教学过程、巩固和加深对知识点的理解提供了条件.常态化录播系统的使用为学生突破时空限制的学习、个性化的学习和更公平的学习提供了必要的条件.学校通过“智慧教室”的建设,提升了信息化在教学中的支撑作用,从教学环境、教学资源等方面提升了信息化服务的质量.

四、智慧教室物联网系统结构和网络架构

（一）物联网系统架构

物联网作为一个系统网络,与其他网络一样,也有其内部特有的架构.智慧教室物联网系统结构纵向分为3层：底层感知控制层,中间层网络交互层,上层应用服务层.（见图1）

RFID（射频识别技术）、传感器网络技术、二维码技术、视频采集技术构成了智慧教室的最底层,也是智慧教室的感知层,可以看作人体的感知器官,它是智慧教室获取数据信息的直接渠道,可以为应用服务层获取声音、光线、温度、湿度、二氧化碳浓度、人员信息等,可以随时获取及时上传.

网络交互层是智慧教室的中间层,感知层获取的各类信息通过WIFI、ZigBee、校园局域网进行传输,将声音、光线、温度、湿度、二氧化碳浓度、人员信息的变化程度实时、可靠的发送到应用服务层.

应用服务层是智慧教室的最上层,相当于人的大脑包含了各种控制系统,感知层获取的各类感知数据通过网络交互层上传到各自的控制系统进行处理、判断和决策,为智慧教室提供服务,各个系统协同工作,从而实现对物的智能化监控和管理,完成人与物、物与物之间的智慧沟通.

（二）系统网络架构

在智能教室管理系统中,物联网的正常运行需要可靠数据服务的支持.数据服务器负责存储收集的数据信息,并根据操作需要实现数据的具体使用.在控制系统中,管理员可以根据使用需要设置数据采集和存储规则,为各类终端设备的智能控制提供数据支持.

在智能教室管理系统中,不同终端可以通过无线数传网络,校园网,互联网进行数据交换.数据交互网络通过分布式解决方案进行部署.整体架构如图所示.根据各功能模块的不同功能,管理系统由数据采集,数据传输,数据处理,远程控制等功能模块组成.（见图2）

在网络体系结构方面,综合分析应用需求和设计规划后,智能管理系统的网络结构采用三层网络结构.网络的具体类型包括以下三种类型：

（1）无线数据节点,主要用于各类传感器的数据采集和传输通道.监测对象主要包括温度和湿度,光照强度和二氧化碳浓度.

（2）无线数据传输网络.

（3）数据路由器.主要功能是为每个传感器的传统数据提供一个统一的数据接口.传感器收集的数据可以集中传输到数据中心,数据中心负责分析和处理.

五、结语

智慧教室所装备的技术融合了真实和虚拟学习空间,能够多层次多通道地扩展教学交互活动,支持学生获得真实的学习体验；智慧教室还具备对学习过程数据和学习环境数据自动化采集、分析、建模和决策能力,为教师和学生提供全程化的教学管理和支持.

在智慧教室这样一个高级而复杂的技术环境下,它很可能会通过更加复杂的机制影响到教师对教学环境的感知,进而影响到教师在智慧教室中的教学方法选择.智慧教室空间设计的灵活性有助于教师获得良好的教学操作体验.智慧教室的技术应用通过数据管理促进了师生反馈和学生的学习机会均等从而影响了教师创新教学方法的选择.

尽管智慧教室可以看作数字化教室,但是和计算机为主要配置的数字化教室相比,其在技术装备、技术使用、学习数据管理方面更具丰富性和智能性.在教室装备中更多使用支持无线接入的便携手持设备,如平板电脑、智能手机等；在人机（环境）互动中更多借助传感器、体感技术,可穿戴设备等增强临场感；在学习者支持中更多使用智能代理和数据挖掘等技术提供适应性和个性化学习反馈.

参考文献：

［1］俞伟,刘渊.“互联网+”时代“智慧教室”建设的研究与实践［J］.教育理论与实践,2017(5):44~46.

［2］李葆萍.智慧教室中影响教师创新教学方法选择的因素探究［J］.教师教育研究,2015(5):50~55,35.

［3］互联网文档资源.灵活有效利用交互式电子白板［EB/OL］.http://wenku.baidu.com/view/08cef9ece009581b6bd9eb95.html,2017.

作者简介：李刚（1990-）,男,汉族,内蒙古呼和浩特人,学士学位,内蒙古财经大学经济管理实验实训中心,助理实验师,研究方向：实验室管理和物联网.

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