智能教室系統(tǒng)架構(gòu)研究

文/喬沛昕 李紅波

智能教室系統(tǒng)架構(gòu)研究

文/喬沛昕 李紅波

智能教室注重教室設(shè)備的智能性和整體效能發(fā)揮，在空間設(shè)計和管理系統(tǒng)開發(fā)上更多地從使用者的角度出發(fā)，體現(xiàn)更為便捷和自然的人機交互和全方位學(xué)習(xí)支持。文章提出了包含10個子系統(tǒng)的智能教室的綜合管理系統(tǒng)架構(gòu)方案。為建設(shè)智能化、人性化的新型多媒體教室，進而實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化教室管理和個性化教學(xué)活動提供理念和技術(shù)支持。

智能教室；管理系統(tǒng)；網(wǎng)絡(luò)化；遠程控制

1.智能教室的概念

智能教室，在國外有三種說法：Smartclassroom、iClassroom、Intelligentclassroom，其中以Smartclassroom居多；國內(nèi)常用“智慧教室”、“未來教室”、“未來課堂”等詞。國內(nèi)外對智能教室的界定有2O余種，分別從不同的角度進行界定。在對國內(nèi)外專家的研究理念進行綜合分析之后，我們知道智能教室具有以下特征：該教室配備的計算機、視聽設(shè)備、交互白板和實驗儀器等能夠?qū)崿F(xiàn)遠程綜合管理，對室內(nèi)聲音、光線、溫度和濕度自動檢測和調(diào)節(jié)，有利于師生無縫地接入各類教學(xué)資源及參與教學(xué)活動，支持遠程教學(xué)、多向視頻會議等多種學(xué)習(xí)方式和交流探討活動，創(chuàng)建自然和諧的人機交互環(huán)境，依靠智能空間技術(shù)創(chuàng)造高度真實感的教學(xué)環(huán)境，促進學(xué)習(xí)者積極參與、以師生教學(xué)活動的最優(yōu)化開展為目標(biāo)的增強型學(xué)習(xí)環(huán)境。

因此，我們認為智能教室就是融合多媒體技術(shù)、通信技術(shù)、傳感技術(shù)、人工智能技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)等，實現(xiàn)電子設(shè)備系統(tǒng)化管理、優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容呈現(xiàn)，便利學(xué)習(xí)資源獲取，促進課堂交互開展，具有情境感知和環(huán)境管理功能的新型教室。

2.智能教室綜合管理系統(tǒng)架構(gòu)

隨著數(shù)字化校園的普及和發(fā)展，國內(nèi)高校都在進行大規(guī)模校園網(wǎng)建設(shè)，依托校園網(wǎng)實現(xiàn)對多媒體教室的集中管理，成為目前高校多媒體教室管理系統(tǒng)建設(shè)的大勢所趨。智能教室即是以多媒體教室為點、校園一卡通和電子課表為線、校園網(wǎng)絡(luò)為面，整合原有的獨立功能系統(tǒng)，建立系統(tǒng)化的多媒體教室綜合管理平臺，達到教室內(nèi)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化、遠程化管理控制，從而真正實現(xiàn)數(shù)字化校園的全面整合。智能教室系統(tǒng)組成如圖1所示：

圖1 智能教室系統(tǒng)組成

2.1智能教室教學(xué)系統(tǒng)

教師使用內(nèi)置電子白板功能的觸控投影機代替?zhèn)鹘y(tǒng)的黑板教學(xué)，實現(xiàn)無塵教學(xué)。交互式電子白板采用紅外感應(yīng)技術(shù)，教師通過直接用手指觸碰電子白板投影畫面來操作電腦系統(tǒng)，進行教學(xué)演示；學(xué)生通過觸發(fā)配置在課桌上的答題器，將對課堂問題反饋的數(shù)據(jù)信息發(fā)送給教學(xué)系統(tǒng)進行分析處理，并且通過投影儀立即呈現(xiàn)出來，真正實現(xiàn)師生課堂智能化交互式教學(xué)。智能課堂上所有電子教學(xué)儀器設(shè)備通過接入WiFi網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)遠程統(tǒng)一控制和數(shù)據(jù)傳輸。智能教學(xué)系統(tǒng)支持多種課堂互動活動：講授模式、隨堂測試、分組辯論、投票問卷調(diào)查、限時搶答、打分評選、口頭出題、快速分組、點名考勤等。

智能教室教學(xué)系統(tǒng)設(shè)備包括交互式電子白板、投影機、組合黑板、多媒體講臺、電腦、無線麥克風(fēng)、立體音響、大型LED顯示器、WiFi設(shè)備服務(wù)器、WiFi攝像頭、答題器、自動錄像系統(tǒng)等。

2.2智能人員考勤系統(tǒng)

人員考勤系統(tǒng)根據(jù)電子課表提供的課程時間和人員信息，在有課程的時間段自動開啟，進入工作狀態(tài)。如果教室沒有安排課程，則該教室系統(tǒng)處于休眠狀態(tài)。教室前后門各安裝一個特高頻射頻讀卡器，采用校園一卡通對教師和學(xué)生進行身份識別。前門墻壁上安裝的LED顯示屏在高頻射頻讀卡器讀取信息的同時，同步顯示持卡人個人信息和出勤率。教師和學(xué)生在固定時間段進行刷卡考勤，對合法用戶進行考勤統(tǒng)計，對非法用戶進行告警。自動考勤軟件對進入教室的人員信息進行統(tǒng)計處理，考勤信息與學(xué)校教務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫聯(lián)網(wǎng)，如果發(fā)現(xiàn)持卡人有冒充頂替的行為將會進行自動識別，并及時報警提示。Wifi攝像頭將影像數(shù)據(jù)上傳至安全服務(wù)器，作為識別調(diào)查和追蹤處理的依據(jù)。此外，LED屏幕還可顯示該教室各個時間段的課程安排、任課教師、專業(yè)班級等信息。

智能人員考勤系統(tǒng)設(shè)備包括一體式特高頻讀卡器、 校園一卡通、LED顯示屏、WiFi設(shè)備服務(wù)器、WiFi攝像頭一體機、自動考勤軟件等。

2.3智能設(shè)備儀器管理系統(tǒng)

教室前后門安裝的特高頻讀卡器，對教室內(nèi)的電子設(shè)備，實驗儀器等資產(chǎn)(貼有特高頻標(biāo)簽，標(biāo)簽上存儲有設(shè)備的詳細信息)進行出入教室的監(jiān)控與管理，對未授權(quán)用戶把教室內(nèi)資產(chǎn)帶出教室進行報警，WiFi攝像頭記錄人員影像上傳至管理平臺服務(wù)器。管理系統(tǒng)能夠?qū)淌屹Y產(chǎn)進行實時監(jiān)控和自動盤點，將教室資產(chǎn)設(shè)備信息自動更新錄入學(xué)校資產(chǎn)管理數(shù)據(jù)庫，及時掌握設(shè)備的庫存情況，提醒資產(chǎn)管理員做申購計劃。設(shè)備管理系統(tǒng)還會定期利用網(wǎng)絡(luò)檢查教室內(nèi)設(shè)備的運行狀態(tài)和系統(tǒng)更新版本，發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障或重要系統(tǒng)升級提示后，及時將設(shè)備信息顯示在管理平臺上并提醒管理員進行處理，幫助管理人員準(zhǔn)確把握教室設(shè)備狀態(tài)，減少設(shè)備故障率，為學(xué)校定期資產(chǎn)核查和維護人員設(shè)備維修保養(yǎng)、系統(tǒng)升級提供數(shù)據(jù)支持。

智能設(shè)備儀器管理系統(tǒng)的設(shè)備包括一體式特高頻讀卡器、特高頻標(biāo)簽、WiFi設(shè)備服務(wù)器、WiFi攝像頭、設(shè)備資產(chǎn)管理軟件等。

2.4智能光線調(diào)節(jié)系統(tǒng)

在教室窗戶和各區(qū)域安裝光照傳感器。采集安裝在窗戶的光照傳感器數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)并通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至管理平臺，光線調(diào)節(jié)軟件根據(jù)預(yù)設(shè)值，來控制窗簾的自動開和關(guān)，使學(xué)生免受室外強光的照射。采集安裝在教室內(nèi)的光照傳感器數(shù)據(jù)，通過分析數(shù)據(jù)，根據(jù)軟件預(yù)設(shè)值，來控制教室內(nèi)燈光的自動開啟與關(guān)閉，調(diào)節(jié)燈光的亮度。由于教室空間布局因素的影響，教室內(nèi)各個區(qū)域燈光的亮度可能是不同的。智能燈光控制系統(tǒng)根據(jù)學(xué)生位置、室外光照強度，自動分序開、關(guān)燈光，調(diào)節(jié)區(qū)域內(nèi)燈光亮度。室內(nèi)光線既要保證各區(qū)域?qū)W生能夠看清楚白板和視頻設(shè)備所呈現(xiàn)的畫面，又要保證各類教學(xué)活動的展開，符合學(xué)生用眼衛(wèi)生，保護學(xué)生視力。自然光與室內(nèi)燈光相結(jié)合的智能控制系統(tǒng)，既有利于師生的身心健康，也實現(xiàn)了節(jié)能減排。

智能光線調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)備包括光照傳感器、WiFi設(shè)備服務(wù)器、智能窗簾控制系統(tǒng)、智能電源控制主機、燈光電源控制單元等。

2.5智能溫濕度控制系統(tǒng)

通過溫濕度傳感器監(jiān)測室內(nèi)溫度和濕度，分析數(shù)據(jù)并通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至管理平臺，溫濕度控制軟件根據(jù)預(yù)設(shè)值，當(dāng)室內(nèi)溫度高于最高門限值時自動開啟空調(diào)，當(dāng)室內(nèi)溫度低于最底門限值時自動關(guān)閉空調(diào)，實現(xiàn)室內(nèi)溫度的自動控制；同理，通過加濕器自動開啟與關(guān)閉來調(diào)整室內(nèi)的濕度。管理人員也可以通過遠程網(wǎng)絡(luò)授權(quán)登陸服務(wù)器，查詢空調(diào)和加濕器狀態(tài)、環(huán)境溫濕度，調(diào)節(jié)教室溫濕度。

智能溫濕度控制系統(tǒng)設(shè)備包括溫濕度傳感器、WiFi設(shè)備服務(wù)器、智能空調(diào)控制器、立式空調(diào)、加濕器等。

2.6視頻監(jiān)控系統(tǒng)

在教室前后門口各安裝一個WiFi無線攝像頭，記錄教室內(nèi)人員出入和設(shè)備的出入庫情況的影像。教室內(nèi)各區(qū)域安裝若干WiFi無線攝像頭監(jiān)控教室內(nèi)部課堂教學(xué)、儀器設(shè)備的使用狀況和記錄突發(fā)事件等。教學(xué)督導(dǎo)人員能夠在監(jiān)控系統(tǒng)平臺觀察指定教室的現(xiàn)場教學(xué)影像，了解教師的授課方式和學(xué)生學(xué)習(xí)狀態(tài)，并進行錄像保存。課堂教學(xué)錄像由教師自主錄制完成，并上傳到教學(xué)資源管理平臺。如遇緊急事件或突發(fā)狀況，學(xué)?？梢约皶r進行通知和疏導(dǎo)學(xué)生。攝像頭所采集的影像由遠端射頻單元傳送至終端管理電腦，提供實時的監(jiān)控數(shù)據(jù)。

視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備包括系統(tǒng)服務(wù)器、智能客戶端設(shè)備、WiFi設(shè)備服務(wù)器、WiFi無線攝像頭等。

2.7遠程控制系統(tǒng)

遠程用戶通過管理系統(tǒng)平臺實時觀察各設(shè)備的使用情況，解決設(shè)備操作中遇到的問題，快速排查處理出現(xiàn)的機器故障；結(jié)合電子課表，保證有課程安排的教室能夠正常使用教學(xué)設(shè)備，如果遇到問題可以進行遠程操作處理。管理人員根據(jù)實際情況，在指定時間、場景和條件對教室設(shè)備(包括計算機、投影機、窗簾、空調(diào)、電子白板、照明燈等)電路進行遠程開啟和關(guān)閉控制,減少人為因素造成的用電浪費和設(shè)備損耗。

遠程控制系統(tǒng)設(shè)備包括系統(tǒng)服務(wù)器、智能客戶端設(shè)備、服務(wù)器端軟件、客戶端軟件等。

2.8智能門禁系統(tǒng)

在教室門窗安裝門磁模塊，門磁模塊用于檢測門窗的開關(guān)狀態(tài)。智能門禁系統(tǒng)設(shè)置校園一卡通、密碼指令輸入、指紋識別，按鈕開關(guān)等多種方式和權(quán)限開、關(guān)門窗；在固定時間段內(nèi)，實施高度敏感的門窗自動監(jiān)視和非法侵入報警。管理員通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)，授權(quán)登陸服務(wù)器或通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)察看教室狀態(tài)、實施遠程開關(guān)門窗控制。

智能門禁系統(tǒng)包括門禁監(jiān)控主機、磁力鎖、WiFi設(shè)備服務(wù)器、門禁監(jiān)控系統(tǒng)軟件、WiFi攝像頭等。

2.9多向視頻會議系統(tǒng)

智能教室的多向會議系統(tǒng)中，設(shè)置一臺或多臺多點控制單元(MCU)。MCU是一個數(shù)字處理單元，通常設(shè)置在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點處，可供多個會議場點同時進行相互間的通信；MCU可以實現(xiàn)音頻、視頻、數(shù)據(jù)信令等數(shù)字信號的混合和切換(分配)，但不會影響音頻、視頻等信號的質(zhì)量。MCU支持標(biāo)準(zhǔn)的多分屏，可在會議進行中任意選擇和更改分屏顯示模式，分屏中每個窗口的圖像可以是指定的，也可以由用戶進行視頻窗口切換。

多向視頻會議系統(tǒng)設(shè)備包括多點控制單元、視頻會議終端、錄播服務(wù)器、攝像機、投影儀等。

2.10管理平臺共享、接入系統(tǒng)

智能教室管理平臺在開發(fā)階段就必須保證具有統(tǒng)一的基礎(chǔ)共享服務(wù)平臺，統(tǒng)一的接口服務(wù)、后臺數(shù)據(jù)服務(wù)和前端感知服務(wù)，實現(xiàn)各類新設(shè)施和終端設(shè)備接入的高度兼容性。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP協(xié)議，方便升級、擴展，支持第三方設(shè)備無線接入，支持學(xué)生重新組網(wǎng)；并且提供開發(fā)者乃至教師和學(xué)生以管理系統(tǒng)為平臺，不斷開發(fā)新設(shè)備系統(tǒng)應(yīng)用軟件的實驗開發(fā)模塊。

結(jié)語

智能教室的設(shè)計與應(yīng)用是教育技術(shù)學(xué)研究一個新領(lǐng)域，智能教室綜合管理系統(tǒng)是實現(xiàn)教室真正“智能化”的關(guān)鍵，也是眾多學(xué)者研究的重點。如何架構(gòu)科學(xué)合理的、人性化的智能教室綜合管理系統(tǒng)，將有助于我們重新審視教室管理方式和教學(xué)活動組織形式，創(chuàng)造一個充分關(guān)注課堂主體自由、發(fā)展、和諧、面向未來創(chuàng)新人才培養(yǎng)需求和新課程改革需要的學(xué)習(xí)環(huán)境。

[1]黃榮懷,胡永斌,楊俊鋒,肖廣德.智慧教室的概念及特征[J].開放教育研究,2012,(2):22-27.

[2]昊賢平.基于Web的多媒體教室設(shè)備管理系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].中國高新技術(shù)企業(yè),2010, (7):3-4.

[3]謝盛嘉.基于數(shù)字化校園的多媒體教室綜合管理系統(tǒng)[J].現(xiàn)代計算機(專業(yè)版),2010, (1):158-160.

[4]謝偉凱.智能空間關(guān)鍵支撐技術(shù)的研究[D].清華大學(xué)博士論文,2003：125-126.

[5]陳衛(wèi)東,張際平.未來課堂設(shè)計與應(yīng)用研究[J].遠程教育雜志,2010，(4):27-33．

喬沛昕(1990-)，男，漢，陜西咸陽人，碩士研究生，就讀于廣西師范大學(xué)教育科學(xué)學(xué)院，主要從事數(shù)字化學(xué)習(xí)環(huán)境建設(shè)、現(xiàn)代遠程教育、教育信息化等方面的研究。 李紅波(1962-)，男，漢，廣西桂林人，教授，碩士生導(dǎo)師，廣西師范大學(xué)職業(yè)技術(shù)師范學(xué)院副院長，主要從事教育信息化理論與實踐、信息化教育資源設(shè)計及應(yīng)用、教育信息化等方面的研究。

TP

A

2095-9214(2015)02-0261-02

廣西師范大學(xué)教育科學(xué)學(xué)院)