基于物联网技术的多媒体教学系统设计

叶惠文，柯铭健

（华南师范大学，广东广州 510631）

基于物联网技术的多媒体教学系统设计

叶惠文，柯铭健

（华南师范大学，广东广州 510631）

在传统的多媒体教学系统中，硬件的中央控制器的使用，容易造成前后端、中间传输通道不一致性和系统维护、升级困难的问题。本研究以《多媒体教学环境的工程建设规范》为标准，用物联网的理念及技术设计多媒体教学系统的设备和构建系统支撑环境。使用软件中央控制器替代传统的硬件控制器，实现远程操控和课室的桌面操作虚拟化及个性化。在运维中能对各媒体设备透明管理，实现快捷、预警式系统维护和无障碍的升级。

物联网；软件中控；数据采集；远程维护；移动管理

一、引言

21世纪，随着信息技术的快速发展，掀起了教育信息技术在教学中应用的高潮。学校的多媒体教学课室逐渐普及，教师应用教育技术手段进行教学的行为从个别转为普遍，可以说今天每个老师每一节课都离不开信息化和多媒体。但是，随着学校的多媒体教学系统的大量配置，如何超前发现故障，进行快速处理，保障系统正常运作，确保正常教学开展，成为学校信息化教学管理部门严重困惑的问题。

二、多媒体教学系统的现状及存在问题

从事教育信息化教学保障的技术工程师和管理部门都知道，目前在学校里使用的多媒体设备种类多，标准各自为政，中控互换性能差，除了计算机设备外，多媒体教学系统设备的生产厂家大多数规模小，工厂的生命周期短，可持续性发展能力弱。所有这些给当前学校多媒体教学系统的大规模建设、应用以及维护带来许多问题。主要表现在：

（1）多媒体教学系统的中控设备类型多，标准与通信协议各自独立，相互不能替代，不能互联互通，系统的维护及升级必须依托原生产厂商。

（2）产品厂家规模小，竞争激烈，为了保证利润，各厂家不断压缩原材料成本，造成产品性能和稳定性差。

（3）多媒体教学系统产品涉及的技术种类多，但是学校维护人员技术覆盖面窄，且人员不足。同时，由于这些管理部门都是教辅单位，难以稳定高层次、高技术人才，造成维护服务困难。

（4）信息化管理程度低。虽然，很多学校采购的系统都兼有信息化的管理系统，但是，由于多媒体教学系统发展的历史原因，大多数生产厂家目前主要的投入都是放在硬件上，有些供应商的产品还不是自己开发的，而是OEM产品。因此，系统的网络化管理性能不强，虽然有些厂商所开发的产品支持网络接入，但是在整体上软件开发能力较弱，开发的管理平台跨平台、跨网段功能较弱，结构不合理，与学校其他教学系统互通、融入功能差。

（5）学校注重系统的建设，系统维护经费投入少。

针对上述诸多问题，一些有一定能力的厂商试图开发所谓智能化的系统，完善多媒体教学系统管理功能。但是，往往还是依照传统思维进行开发，没有从根本和发展性方面进行思考，即设备生产没有从国标化、设备的互换性、管理信息化和可视化、维护服务的远程化等方面进行思考；没有注重软件管理平台的研发和投入，没能注重应用的个性化和多用性。

围绕这些问题，本文提出了利用物联网技术原理，用软件技术构建中央控制器的理念，设计和构建硬件系统，形成个性化操作界面，实现操作、控制、维护可视化、透明化和远程化。

三、基于物联网技术的多媒体教学系统设计思想

物联网是指通过各种信息传感设备，如传感器、射频识别（RFID）技术、全球定位系统、红外感应器、激光扫描器、气体感应器等各种装置与技术，实时采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程，采集其声、光、热、电、力学、化学、生物、位置等各种需要的信息，与互联网结合形成的一个巨大网络。其目的是实现物与物、物与人，所有的物品与网络的连接，方便识别、管理和控制。[2]

从定义可以得出物联网应用的最大特点是：①所联的物可视化、透明化。对于用户来说，通过各种传感器和采集器件，可以一览无遗地看到设备的功能、性能、参数以及输入输出结果，非常方便应用和管理；②物联网应用的重要支撑条件是应用领域的标准和智能化管理平台以及专业知识资源库。

根据上述特点，本设计以中国教育技术协会制定的《多媒体教学环境工程建设规范》[1]为指导准则，统一多媒体教学设备互换技术标准；在硬件设计上将所有多媒体系统所需设备内嵌TCP/IP协议硬软件模块和设备自检、数据采集和信号检测模块；在应用平台上，开发出透明化、可视化的管理系统，实现物联的远程管理、跨网段管理；所有的控制操作在统一标准条件下，开发软件平台实现对多媒体设备联动控制的集成、控制与操作。

四、基于物联网技术的多媒体教学系统的设计

1.系统架构

基于物联网技术的多媒体教学系统由两大部分组成：硬件部分和软件部分。大家都知道，目前的应用系统大多数是以单片机技术为核心的硬件系统。然而，仅仅由硬件组成的系统只能是一个裸系统或是其功能得不到最大化、最优化应用的系统。因此，基于物联网技术的多媒体教学系统是计算机技术、网络技术、数字信号处理技术、数据传感与采集技术、自动控制技术以及智能技术的集成。具体结构如图1所示。

2.硬件系统构成

（1）系统管理中心

主要硬件有计算机、显示设备和数据处理服务器。结构如图2所示。

（2）支撑系统网络：由原有教学课室网络完成，组建无线（WIFI）网络。

（3）课室物联网多媒体教学系统

1）多媒体教学系统设备

课室多媒体教学系统设备由计算机、有线及无线拾音设备、音频扩音设备、视音频信号切换设备、显示设备、信号源播放设备等构成。

各媒体设备内嵌TCP/IP通信接口与协议和设备功能数据检测与采集模块。如图3所示。

2）课堂教学录制系统

课堂教学录制系统主要是课堂教学录播设备，如摄像机、视音频信号数字化处理器、录播服务器及存储设备。随着教育的发展，信息化、个性化、自主化学习在教与学中显得更为突出，数字化的教学资源将是今后各个学校重点建设的工作，所以，物联网多媒体教学系统既是信息化教学系统，又是教学资源制作系统。

3）多媒体设备网络交换系统

多媒体设备网络交换系统主要由两个部分构成：①通用的网络交换与路由设备，并各课室完成内部子网；②内部的无线WIFI网络，完成系统无线接入设备的链接，如移动操作控制，无线拾音和无线扩音等设备互联。

4）移动管理系统

移动管理系统主要由移动终端设备构成，如iPad、移动平板、手提平板终端和智能手机等。

（4）物联网多媒体教学系统总体结构

物联网多媒体教学系统总体结构如图4所示。

3.软件系统构成

物联网多媒体教学系统的软件部分由四个模块组成：课室多媒体教学系统的软件中央控制器；多媒体教学课室的系统管理中心；远程管理与维护中心；教学录播制作系统。

（1）软件中央控制器

由于物联网多媒体教学系统，设计上在每个媒体设备内嵌入了TCP/IP协议的网络通信接口和数据采集、检测器件，所有设备在《多媒体教学环境的工程建设规范》标准下，通过内部子网将各种媒体的功能集成到软件中央控制器平台上，实现本地或远程操作。

（2）系统管理中心

1）系统设备的信息收集

通过网络将各课室的多媒体设备（模块）自身检测、采集和感应的数据收集到本中心，经过分类并归处理，形成设备运行状态信息图。管理人员可以根据该运行图，随时进行控制、操作。

2）课室教学管理

课室的教学管理主要任务是根据教学管理部门的课室安排信息导入该系统，然后，根据课室的授课人与专业课程以及教学的需要，将多媒体教学桌面与对应人和课室关联起来。

个性化应用设置。在学校教学中，每位教师都有自己的教学方法和教学个性，本系统里不仅仅是控制操作媒体设备，更重要的是为教师设置一个个性化的桌面，将其所常用到的工具软件或网络教学平台的链接嵌入桌面中，更好地进行教学。

共享应用软件及资源服务库管理。信息化教学过程中，各类专业都有共享的软件、课件和资源，系统建立一个共享的软件和资源库，方便教学中即时应用。

3）远程管理与维护中心

远程监控、远程管理和维护。目前在我国各类型各层次的学校都存在多校区的布局，尤其是高校更为普遍。随着社会发展，社会分工越来越细，越来越精，很多学校的教学服务系统委托一些专业公司维护，为了保障系统的正常、良好运作，系统设计需要跨校区、跨网段，以便于统一管理，这样各课堂系统的操作与控制、预警故障服务、软件升级、系统检测与检查等等就可以通过远程完成。

4）移动服务管理

移动管理是当今信息化管理的一种新模式，由于这种管理是利用智能移动终端，实现流动式管理，这样可以大大减少管理人员，不仅可以提高管理的效率，还可以降低管理的成本。在物联网多媒体教学系统里，汇集在系统管理中心的设备状态信息、设备运行状态和操作控制命令都可以通过无线网络，发送到移动终端，管理人员随时了解到所有课室设备运行中的各种信息和故障，可以即时进行操控和维护，或向用户提供信息化教学所需的服务。

4.教学录播制作与资源管理系统[3]

（1）课堂教学过程自动录制。“90后”的大学生最大的特点是学习的个性化和自主化。但是，要满足学生的求知欲，学校必须提供大量的优质的信息化学习资源，而教师的课堂教学过程就是最直接的资源。因此，将教师课堂教学过程录制下来上传到网上，供学生自主学习。本系统中利用广州某公司新研制的高清录播系统成果，构成系统的自动录播工具。

（2）录制资源搜索浏览与推送学习。目前现有视频课程资源由于技术问题，尚不能随机选择某片段进行浏览学习，给学生进行选择性学习带来了困难。所以，本系统嵌入利用了视频标注技术课程资源管理平台，实现视频搜索浏览和学习推送功能。该软件可以根据知识点在对应的视频中加注释，在浏览时可以根据所学习的知识点关键词快速搜索到对应的视频进行播放；同时，还可以根据学生学习的困惑，将知识点的视频片段推送给学生。

5.系统的特点

（1）依据中国教育技术协会制定的《多媒体教学环境的工程建设规范》标准，通过物联网媒体设备，实现互联互通。避免了在系统建设时，一旦中标，升级和维护永远跟设备供应商走的弊端。

（2）采用软件中央控制器替代硬件中央控制器。在《多媒体教学环境的工程建设规范》下，软件中控器平台的开发完全不需了解各媒体的硬件性能及参数。所以软件开发实力较强的厂商（公司）可以无需关注和了解硬件设备的结构，充分利用软件开发的特长，开发出功能强大、智能化的控制平台，尤其是具备虚拟桌面技术的团队，可以引入虚拟桌面技术，根据各校、各专业、各教师的教学特点，将操作控制及个性化教学开发融为一个桌面，为教师教学提供更好的操控界面。

（3）系统所有媒体设备实现透明监控、远程维护。物联网技术设计的多媒体设备最大的特点是设备所有功能、性能、参数以及运行状态对使用者是透明的，设备一旦通电运行，管理者可以随时了解系统运行的所有信息和状况。

（4）根据应用需求制定个性化虚拟操作控制桌面。物联网多媒体教学系统中，应用了软件控制技术替代硬件控制技术，因而可以直接引入当今先进的虚拟桌面技术进行个性化桌面制定和移动管理。随着云计算的发展，可以说今后的多媒体教学系统将完全依托“云端”进行超前预警、即时监控、即时服务。

五、发展预测

多媒体教学系统是今后数字校园和智慧校园的重要组成部分，基于物联网技术的多媒体教学系统，所有设备采用规范、统一的标准，容易实现物联，实现可视化、透明化管理，使系统的运维、预警式服务得到更好地体现，可以有力地保障信息化教学的顺利进行。同时，本系统除了实现多媒体教学外，还具有课堂教学的自动录播功能，是一个教学及资源制作的集成系统。该系统的应用将会更好地促进教学信息化的应用。☉

[1]中国教育技术协会技术标准委员会.多媒体教学环境工程工程建设规范[S].北京:清华大学出版社,2011.8.

[2]物联网[DB/OL].百度百科，2011.10.20.

[3]叶惠文,杜炫杰.精品课程录播系统方案设计及实施[J].中国电化教育,2009(9).

[4]叶惠文,沈云云.基于触摸技术的LCD多屏组合多媒体教学系统[J].现代教育技术，2010(9).

[5]刘典文.数字多媒体中央控制系统设计[D].湖南大学硕士学位论文,2007.

[6]杨绍先.多媒体教学软件设计与开发[M].北京:高等教育出版社,2008.

[7]雷斌.移动终端在自动化仓库管理中的应用[J].兰州交通大学学报,2009(4).

[8]付翠云.基于多媒体教学系统的研究[DB/OL].中国科技论文在线,2011-10-17.

（编辑：金冉）

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1673-8454(2012)11-0046-04