基于物聯(lián)網(wǎng)與云計(jì)算的智慧教室建設(shè)研究

蘇貞

摘要：本文在物聯(lián)網(wǎng)與云計(jì)算技術(shù)的基礎(chǔ)上，描述了智慧教室的概念與特點(diǎn)，通過(guò)引入相關(guān)的感知、存儲(chǔ)和計(jì)算等技術(shù)，組建教學(xué)設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)，建立云服務(wù)平臺(tái)，使教學(xué)軟硬件環(huán)境得到有效整合，實(shí)現(xiàn)教室的智慧化，為廣大師生提供更加個(gè)性化、人性化和智能化的服務(wù)。

Abstract： On the basis of internet of things and cloud computing， this paper describes the concept and characteristics of smart classroom. Through using relevant perceptive， storage and computing technology， the internet of things of teaching attachments is constructed and cloud platform is built. This platform integrates software and hardware teaching environment， realizes classroom intelligent， provides more individuation， humanization and intelligent services for all teachers and students.

關(guān)鍵詞： 物聯(lián)網(wǎng)；云計(jì)算；智慧教室；云服務(wù)平臺(tái)

Key words： Internet of things；cloud computing；smart classroom；cloud platform

中圖分類號(hào)：N39 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2016）05-0247-02

0 引言

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)與云計(jì)算技術(shù)越來(lái)越成熟，并逐漸應(yīng)用于各行業(yè)和日常生活的各個(gè)方面，但在信息化教學(xué)環(huán)境中尚鮮有應(yīng)用。本文將物聯(lián)網(wǎng)與云計(jì)算技術(shù)結(jié)合到教學(xué)環(huán)境中，構(gòu)建具有“智慧”的教室環(huán)境，這將對(duì)加快學(xué)校信息化建設(shè)進(jìn)程，提高教育教學(xué)管理水平具有重大意義。

信息化教學(xué)環(huán)境建設(shè)，可讓學(xué)校擁有更好的教育設(shè)施，讓學(xué)生有更好的學(xué)習(xí)條件，讓學(xué)生在教學(xué)活動(dòng)中有話語(yǔ)權(quán)、參與權(quán)，減少傳統(tǒng)黑板教學(xué)模式的粉塵污染以及傳統(tǒng)多媒體教室的諸多弊端，提高教學(xué)效果和學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，推動(dòng)教育系信息化的進(jìn)程。

1 物聯(lián)網(wǎng)與云計(jì)算的概述

1.1 物聯(lián)網(wǎng)的概念

物聯(lián)網(wǎng)是指把任何物體通過(guò)各種傳感器（如：RFID、紅外感應(yīng)器、激光掃描器、GPS等）與互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái)，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)、自動(dòng)識(shí)別、跟蹤、定位、監(jiān)控與管理的網(wǎng)絡(luò)[1]。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不但可以使世間萬(wàn)物互為連通，而且可以實(shí)現(xiàn)虛擬與現(xiàn)實(shí)之間互聯(lián)，有效地支持人機(jī)交互、人與物品之間的交互、人與人之間的交互，使教學(xué)環(huán)境中的每個(gè)物件都具有數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化特性，可以為師生提供智能化的教學(xué)環(huán)境與教學(xué)資源[2]。

1.2 云計(jì)算的概念

云計(jì)算中所指的“云”實(shí)際上是關(guān)于互聯(lián)網(wǎng)一種隱喻，在云的背后隱藏著大量的計(jì)算資源。“云”的思想核心，就是資源的集中共享，即將所有資源集中在一個(gè)先進(jìn)的平臺(tái)上，使資源在統(tǒng)一的平臺(tái)統(tǒng)一管理調(diào)配下，具備最大的靈活性和利用效率，最終以服務(wù)的形式提供給用戶。借助互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，計(jì)算資源好像用電一樣取用方便[3，4]。

云計(jì)算的關(guān)鍵技術(shù)包含有服務(wù)器虛擬化技術(shù)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)、數(shù)據(jù)管理技術(shù)、分布式編程與計(jì)算技術(shù)、虛擬資源的管理與調(diào)度技術(shù)、云計(jì)算的業(yè)務(wù)接口技術(shù)、以及云計(jì)算相關(guān)的安全技術(shù)等[5]。

2 智慧教室及其特點(diǎn)

2.1 傳統(tǒng)多媒體教室現(xiàn)狀

當(dāng)前大多學(xué)校多媒體設(shè)備種類多、標(biāo)準(zhǔn)不同、維修難，在使用和維護(hù)過(guò)程中管理比較麻煩。由于多媒體設(shè)備涉及的技術(shù)種類多，且學(xué)校維護(hù)人員技術(shù)水平有限，在多媒體教室使用過(guò)程中常見故障維修不及時(shí)狀況。學(xué)校多媒體設(shè)備維護(hù)經(jīng)費(fèi)投入少、人力不足、信息化程度低都是造成傳統(tǒng)多媒體教室管理落后的原因。

2.2 智慧教室的概念

黃榮懷認(rèn)為，在傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、富媒體技術(shù)及人工智能技術(shù)充分發(fā)展的信息時(shí)代，教室環(huán)境應(yīng)是一種優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容呈現(xiàn)、便利學(xué)習(xí)資源獲取、促進(jìn)課堂交互開展、具有情境感知和環(huán)管理功能的新型教室[6]。

2.3 智慧教室的特點(diǎn)

智慧教室相比傳統(tǒng)教室具有強(qiáng)交互性、靈活性和沉浸性。智慧教室借助網(wǎng)絡(luò)可有助于教師與學(xué)生間的有效互動(dòng)、人員與壞境間的有效互動(dòng)。智慧教室背景下教學(xué)方式更加靈活，打破傳統(tǒng)的講授式、教師主導(dǎo)式，更多采用問(wèn)答式、情景式、協(xié)作式等教學(xué)方法。此外，實(shí)驗(yàn)設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)使得虛擬現(xiàn)實(shí)、虛擬仿真技術(shù)在教學(xué)中得到廣泛應(yīng)用，并為學(xué)習(xí)者提供了虛擬場(chǎng)景的實(shí)踐和實(shí)驗(yàn)。

智慧教室的特性決定了它具有數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、互動(dòng)化、集約化優(yōu)勢(shì)。教學(xué)上應(yīng)用于實(shí)現(xiàn)同步教學(xué)、音視頻廣播教學(xué)、課室的桌面操作虛擬化及個(gè)性化教學(xué)、屏幕監(jiān)視與錄像、網(wǎng)絡(luò)課件回放、聯(lián)機(jī)討論、在線自測(cè)和網(wǎng)絡(luò)考試、自動(dòng)評(píng)分、遙控輔導(dǎo)、同步文件傳輸、作業(yè)提交等功能[7]。

3 智慧教室中物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用

3.1 建立全校教學(xué)設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)教室資源的數(shù)字化管理

將每間教室、實(shí)驗(yàn)室、機(jī)房、教學(xué)設(shè)備（包括多媒體設(shè)備、投影儀、空調(diào)、攝像頭、窗簾、幕布、燈光、音響等設(shè)備）都進(jìn)行無(wú)線互聯(lián)，組成一個(gè)校內(nèi)互聯(lián)網(wǎng)。教學(xué)資源的運(yùn)行和使用情況能夠?qū)崟r(shí)反映在人機(jī)交互平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)教室網(wǎng)上動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)信息發(fā)布、管理和控制，甚至學(xué)生可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)研究。

3.2 智慧教室的基本架構(gòu)

智慧教室整體結(jié)構(gòu)由為感知層、傳輸層和應(yīng)用層三部分組成。其中感知層主要包括各種智能傳感器（如聲音傳感器、溫度傳感器、光照傳感器、人體位置傳感器等），主要為智慧教室的各種應(yīng)用提供數(shù)據(jù)采集。傳輸層主要是通過(guò)4G、WiFi等技術(shù)實(shí)現(xiàn)傳感器、控制器與服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)、融合以及傳輸?shù)裙δ?。?yīng)用層主要通過(guò)云計(jì)算完成數(shù)據(jù)的挖掘和各種服務(wù)的開發(fā)。

智慧教室通過(guò)人機(jī)界面可提供多項(xiàng)人性化、智能化的應(yīng)用服務(wù)。在多媒體教室管理中用于實(shí)現(xiàn)教室門的智能化開啟、錄播服務(wù)、考勤服務(wù)、智能監(jiān)控等。在環(huán)境智慧調(diào)節(jié)方便可實(shí)現(xiàn)智能燈光、智能窗簾、空調(diào)控制、音響控制、無(wú)人監(jiān)考考場(chǎng)和遠(yuǎn)程監(jiān)控等。此外，在多媒體系統(tǒng)管理方面可實(shí)現(xiàn)智能化故障的診斷和排除及無(wú)障礙升級(jí)，做到集約化控制與管理等諸多功能。

4 智慧教室中云計(jì)算技術(shù)的應(yīng)用

云計(jì)算具有成本低、數(shù)據(jù)可靠、虛擬化、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，在構(gòu)建智慧教室環(huán)境時(shí)大有可為。通過(guò)云計(jì)算所提供的各種資源和服務(wù)均采用虛擬化技術(shù)，將各種資源整合到統(tǒng)一的平臺(tái)，而且平臺(tái)支持用戶資源共享，能夠節(jié)約建設(shè)成本，為用戶提供便利、人性化、智能化服務(wù)。因而采用云計(jì)算技術(shù)構(gòu)建智慧教室，統(tǒng)一配置管理教育資源，建成資源節(jié)約型的多媒體教學(xué)環(huán)境，達(dá)到教學(xué)環(huán)境最優(yōu)化。

4.1 云服務(wù)平臺(tái)

智慧教室的本質(zhì)就是利用智能化技術(shù)構(gòu)建智能化教學(xué)環(huán)境，讓師生更加有效利用教學(xué)資源開展教學(xué)活動(dòng)，實(shí)現(xiàn)教與學(xué)的最優(yōu)化，有效提高教育質(zhì)量。云計(jì)算在智慧教室中的應(yīng)用主要是以云服務(wù)平臺(tái)的形式提供教與學(xué)的各種服務(wù)。云服務(wù)平臺(tái)由云服務(wù)器、云終端以及網(wǎng)絡(luò)組建構(gòu)成。云服務(wù)平臺(tái)即在物聯(lián)網(wǎng)采、無(wú)線網(wǎng)和局域網(wǎng)采集數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，進(jìn)行計(jì)算、存儲(chǔ)與分析，有效整合優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源，建立豐富的教學(xué)課程庫(kù)，并向教師、學(xué)生提供各種個(gè)性化的應(yīng)用和服務(wù)。

云平臺(tái)能夠促進(jìn)用戶之間的信息溝通，是教師、學(xué)生、管理員之間相互促進(jìn)、有效交流、高效協(xié)作的信息化平臺(tái)。它包含了教育信息化所必需的一切軟硬件計(jì)算資源。計(jì)算資源通過(guò)虛擬化手段，向教學(xué)管理人員、任課教師以及學(xué)生提供各種教育資源和各種形式的服務(wù)。云服務(wù)平臺(tái)是云計(jì)算技術(shù)在教育領(lǐng)域的遷移，是未來(lái)教育信息化的基礎(chǔ)架構(gòu)，它繼承了云計(jì)算的信息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)安全、數(shù)據(jù)同步、數(shù)據(jù)共享等特點(diǎn)，能夠?yàn)楦咝＝虒W(xué)與管理提供新的思路和解決方案。

4.2 云服務(wù)平臺(tái)功能設(shè)計(jì)

云服務(wù)平臺(tái)主要包含教學(xué)設(shè)備管理、教學(xué)資源庫(kù)、教學(xué)互動(dòng)平臺(tái)、網(wǎng)絡(luò)課堂、虛擬實(shí)驗(yàn)室、虛擬實(shí)踐等功能。平臺(tái)不僅與底層教室網(wǎng)絡(luò)有效對(duì)接，實(shí)現(xiàn)教學(xué)設(shè)備的有效管理，而且整合了“云端”優(yōu)質(zhì)的教學(xué)資源（課件、視頻、講稿、試題庫(kù)等等），為教師開放性開展教學(xué)、學(xué)生自主性學(xué)習(xí)提供了平臺(tái)，使學(xué)生理論學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐學(xué)習(xí)都可以在平臺(tái)上進(jìn)行，同時(shí)方便教師開展多種教學(xué)方法和教學(xué)模式的改革與實(shí)踐。

云教育的出現(xiàn)，尤其是云服務(wù)平臺(tái)的構(gòu)建使學(xué)生不再局限于課堂學(xué)習(xí)，逐漸向網(wǎng)絡(luò)在線學(xué)習(xí)、移動(dòng)學(xué)習(xí)和泛在學(xué)習(xí)等方式發(fā)展。最近熱門的網(wǎng)絡(luò)視頻公開課、MOOCs、翻轉(zhuǎn)課堂、微課程、可汗學(xué)院等一系列在線學(xué)習(xí)新模式均可通過(guò)云服務(wù)平臺(tái)進(jìn)行開展。同時(shí)，教師利用云平臺(tái)，建立自己的云桌面，利用云計(jì)算有效輔助教學(xué)活動(dòng)開展，提高上課效率與效果。

5 智慧教室構(gòu)建前景與思路

利用物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算技術(shù)構(gòu)建智慧教室、創(chuàng)建適合學(xué)生學(xué)習(xí)和教師教學(xué)的教學(xué)環(huán)境不僅是當(dāng)下教學(xué)環(huán)境改善的必然趨勢(shì)，而且是學(xué)校信息化教學(xué)與管理的內(nèi)在訴求。

將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)代化教學(xué)設(shè)備的管理中，不僅可以優(yōu)化教學(xué)環(huán)境，而且可以豐富教學(xué)資源。智慧教室建設(shè)在傳統(tǒng)多媒體教室基礎(chǔ)上進(jìn)行改造較為困難或者成本較大，建議在新校區(qū)建設(shè)或者教學(xué)樓、實(shí)驗(yàn)室改造修繕時(shí)考慮。智慧教室網(wǎng)絡(luò)建設(shè)可加快學(xué)校教學(xué)管理現(xiàn)代化進(jìn)程，也符合現(xiàn)代教育教學(xué)的需求，必須逐步改造、逐漸完善，以適應(yīng)未來(lái)教育信息化的要求。

深入理解物聯(lián)網(wǎng)與云計(jì)算的理念與發(fā)展動(dòng)態(tài)，在智能教學(xué)環(huán)境中，根據(jù)各學(xué)校自身情況積極構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)體系與云服務(wù)平臺(tái)，找準(zhǔn)利用新技術(shù)提升現(xiàn)代教育教學(xué)水平的方式方法，建立適合學(xué)校發(fā)展的人性化、智能化的教學(xué)環(huán)境。

構(gòu)建智慧教室不僅要體現(xiàn)在智能教學(xué)環(huán)境中，而且要注重智慧管理、智慧教學(xué)等方便。在智能化教學(xué)環(huán)境中，借助云服務(wù)平臺(tái)如何開展教學(xué)方法與教學(xué)模式改革、提高教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)水平也將是一個(gè)重要研究方向。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文從物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算的基本概念與功能出發(fā)，詳細(xì)論述了智慧教室的特點(diǎn)基本結(jié)構(gòu)、與整體功能構(gòu)架。物聯(lián)網(wǎng)與云計(jì)算為智慧教室的構(gòu)建提供了技術(shù)支持?；谖锫?lián)網(wǎng)與云平臺(tái)的智慧教室的積極構(gòu)建，能有效的增加學(xué)生的自主學(xué)習(xí)意識(shí)，提高教師的教學(xué)水平和教學(xué)質(zhì)量、大大提高了教學(xué)資源的利用程度，一方面為現(xiàn)代教育信息化提供了新的發(fā)展思路，另一方面為未來(lái)教育教學(xué)管理指明了發(fā)展方向。

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