智能教室系统架构研究

文/乔沛昕 李红波

智能教室系统架构研究

文/乔沛昕 李红波

智能教室注重教室设备的智能性和整体效能发挥，在空间设计和管理系统开发上更多地从使用者的角度出发，体现更为便捷和自然的人机交互和全方位学习支持。文章提出了包含10个子系统的智能教室的综合管理系统架构方案。为建设智能化、人性化的新型多媒体教室，进而实现网络化教室管理和个性化教学活动提供理念和技术支持。

智能教室；管理系统；网络化；远程控制

1.智能教室的概念

智能教室，在国外有三种说法：Smartclassroom、iClassroom、Intelligentclassroom，其中以Smartclassroom居多；国内常用“智慧教室”、“未来教室”、“未来课堂”等词。国内外对智能教室的界定有2O余种，分别从不同的角度进行界定。在对国内外专家的研究理念进行综合分析之后，我们知道智能教室具有以下特征：该教室配备的计算机、视听设备、交互白板和实验仪器等能够实现远程综合管理，对室内声音、光线、温度和湿度自动检测和调节，有利于师生无缝地接入各类教学资源及参与教学活动，支持远程教学、多向视频会议等多种学习方式和交流探讨活动，创建自然和谐的人机交互环境，依靠智能空间技术创造高度真实感的教学环境，促进学习者积极参与、以师生教学活动的最优化开展为目标的增强型学习环境。

因此，我们认为智能教室就是融合多媒体技术、通信技术、传感技术、人工智能技术、虚拟现实技术等，实现电子设备系统化管理、优化教学内容呈现，便利学习资源获取，促进课堂交互开展，具有情境感知和环境管理功能的新型教室。

2.智能教室综合管理系统架构

随着数字化校园的普及和发展，国内高校都在进行大规模校园网建设，依托校园网实现对多媒体教室的集中管理，成为目前高校多媒体教室管理系统建设的大势所趋。智能教室即是以多媒体教室为点、校园一卡通和电子课表为线、校园网络为面，整合原有的独立功能系统，建立系统化的多媒体教室综合管理平台，达到教室内设备的网络化、远程化管理控制，从而真正实现数字化校园的全面整合。智能教室系统组成如图1所示：

图1 智能教室系统组成

2.1智能教室教学系统

教师使用内置电子白板功能的触控投影机代替传统的黑板教学，实现无尘教学。交互式电子白板采用红外感应技术，教师通过直接用手指触碰电子白板投影画面来操作电脑系统，进行教学演示；学生通过触发配置在课桌上的答题器，将对课堂问题反馈的数据信息发送给教学系统进行分析处理，并且通过投影仪立即呈现出来，真正实现师生课堂智能化交互式教学。智能课堂上所有电子教学仪器设备通过接入WiFi网络实现远程统一控制和数据传输。智能教学系统支持多种课堂互动活动：讲授模式、随堂测试、分组辩论、投票问卷调查、限时抢答、打分评选、口头出题、快速分组、点名考勤等。

智能教室教学系统设备包括交互式电子白板、投影机、组合黑板、多媒体讲台、电脑、无线麦克风、立体音响、大型LED显示器、WiFi设备服务器、WiFi摄像头、答题器、自动录像系统等。

2.2智能人员考勤系统

人员考勤系统根据电子课表提供的课程时间和人员信息，在有课程的时间段自动开启，进入工作状态。如果教室没有安排课程，则该教室系统处于休眠状态。教室前后门各安装一个特高频射频读卡器，采用校园一卡通对教师和学生进行身份识别。前门墙壁上安装的LED显示屏在高频射频读卡器读取信息的同时，同步显示持卡人个人信息和出勤率。教师和学生在固定时间段进行刷卡考勤，对合法用户进行考勤统计，对非法用户进行告警。自动考勤软件对进入教室的人员信息进行统计处理，考勤信息与学校教务系统数据库联网，如果发现持卡人有冒充顶替的行为将会进行自动识别，并及时报警提示。Wifi摄像头将影像数据上传至安全服务器，作为识别调查和追踪处理的依据。此外，LED屏幕还可显示该教室各个时间段的课程安排、任课教师、专业班级等信息。

智能人员考勤系统设备包括一体式特高频读卡器、 校园一卡通、LED显示屏、WiFi设备服务器、WiFi摄像头一体机、自动考勤软件等。

2.3智能设备仪器管理系统

教室前后门安装的特高频读卡器，对教室内的电子设备，实验仪器等资产(贴有特高频标签，标签上存储有设备的详细信息)进行出入教室的监控与管理，对未授权用户把教室内资产带出教室进行报警，WiFi摄像头记录人员影像上传至管理平台服务器。管理系统能够对教室资产进行实时监控和自动盘点，将教室资产设备信息自动更新录入学校资产管理数据库，及时掌握设备的库存情况，提醒资产管理员做申购计划。设备管理系统还会定期利用网络检查教室内设备的运行状态和系统更新版本，发现设备故障或重要系统升级提示后，及时将设备信息显示在管理平台上并提醒管理员进行处理，帮助管理人员准确把握教室设备状态，减少设备故障率，为学校定期资产核查和维护人员设备维修保养、系统升级提供数据支持。

智能设备仪器管理系统的设备包括一体式特高频读卡器、特高频标签、WiFi设备服务器、WiFi摄像头、设备资产管理软件等。

2.4智能光线调节系统

在教室窗户和各区域安装光照传感器。采集安装在窗户的光照传感器数据，分析数据并通过无线网络传输至管理平台，光线调节软件根据预设值，来控制窗帘的自动开和关，使学生免受室外强光的照射。采集安装在教室内的光照传感器数据，通过分析数据，根据软件预设值，来控制教室内灯光的自动开启与关闭，调节灯光的亮度。由于教室空间布局因素的影响，教室内各个区域灯光的亮度可能是不同的。智能灯光控制系统根据学生位置、室外光照强度，自动分序开、关灯光，调节区域内灯光亮度。室内光线既要保证各区域学生能够看清楚白板和视频设备所呈现的画面，又要保证各类教学活动的展开，符合学生用眼卫生，保护学生视力。自然光与室内灯光相结合的智能控制系统，既有利于师生的身心健康，也实现了节能减排。

智能光线调节系统设备包括光照传感器、WiFi设备服务器、智能窗帘控制系统、智能电源控制主机、灯光电源控制单元等。

2.5智能温湿度控制系统

通过温湿度传感器监测室内温度和湿度，分析数据并通过无线网络传输至管理平台，温湿度控制软件根据预设值，当室内温度高于最高门限值时自动开启空调，当室内温度低于最底门限值时自动关闭空调，实现室内温度的自动控制；同理，通过加湿器自动开启与关闭来调整室内的湿度。管理人员也可以通过远程网络授权登陆服务器，查询空调和加湿器状态、环境温湿度，调节教室温湿度。

智能温湿度控制系统设备包括温湿度传感器、WiFi设备服务器、智能空调控制器、立式空调、加湿器等。

2.6视频监控系统

在教室前后门口各安装一个WiFi无线摄像头，记录教室内人员出入和设备的出入库情况的影像。教室内各区域安装若干WiFi无线摄像头监控教室内部课堂教学、仪器设备的使用状况和记录突发事件等。教学督导人员能够在监控系统平台观察指定教室的现场教学影像，了解教师的授课方式和学生学习状态，并进行录像保存。课堂教学录像由教师自主录制完成，并上传到教学资源管理平台。如遇紧急事件或突发状况，学校可以及时进行通知和疏导学生。摄像头所采集的影像由远端射频单元传送至终端管理电脑，提供实时的监控数据。

视频监控系统设备包括系统服务器、智能客户端设备、WiFi设备服务器、WiFi无线摄像头等。

2.7远程控制系统

远程用户通过管理系统平台实时观察各设备的使用情况，解决设备操作中遇到的问题，快速排查处理出现的机器故障；结合电子课表，保证有课程安排的教室能够正常使用教学设备，如果遇到问题可以进行远程操作处理。管理人员根据实际情况，在指定时间、场景和条件对教室设备(包括计算机、投影机、窗帘、空调、电子白板、照明灯等)电路进行远程开启和关闭控制,减少人为因素造成的用电浪费和设备损耗。

远程控制系统设备包括系统服务器、智能客户端设备、服务器端软件、客户端软件等。

2.8智能门禁系统

在教室门窗安装门磁模块，门磁模块用于检测门窗的开关状态。智能门禁系统设置校园一卡通、密码指令输入、指纹识别，按钮开关等多种方式和权限开、关门窗；在固定时间段内，实施高度敏感的门窗自动监视和非法侵入报警。管理员通过有线或无线网络，授权登陆服务器或通过视频监控系统察看教室状态、实施远程开关门窗控制。

智能门禁系统包括门禁监控主机、磁力锁、WiFi设备服务器、门禁监控系统软件、WiFi摄像头等。

2.9多向视频会议系统

智能教室的多向会议系统中，设置一台或多台多点控制单元(MCU)。MCU是一个数字处理单元，通常设置在网络节点处，可供多个会议场点同时进行相互间的通信；MCU可以实现音频、视频、数据信令等数字信号的混合和切换(分配)，但不会影响音频、视频等信号的质量。MCU支持标准的多分屏，可在会议进行中任意选择和更改分屏显示模式，分屏中每个窗口的图像可以是指定的，也可以由用户进行视频窗口切换。

多向视频会议系统设备包括多点控制单元、视频会议终端、录播服务器、摄像机、投影仪等。

2.10管理平台共享、接入系统

智能教室管理平台在开发阶段就必须保证具有统一的基础共享服务平台，统一的接口服务、后台数据服务和前端感知服务，实现各类新设施和终端设备接入的高度兼容性。网络系统采用标准TCP/IP协议，方便升级、扩展，支持第三方设备无线接入，支持学生重新组网；并且提供开发者乃至教师和学生以管理系统为平台，不断开发新设备系统应用软件的实验开发模块。

结语

智能教室的设计与应用是教育技术学研究一个新领域，智能教室综合管理系统是实现教室真正“智能化”的关键，也是众多学者研究的重点。如何架构科学合理的、人性化的智能教室综合管理系统，将有助于我们重新审视教室管理方式和教学活动组织形式，创造一个充分关注课堂主体自由、发展、和谐、面向未来创新人才培养需求和新课程改革需要的学习环境。

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[5]陈卫东,张际平.未来课堂设计与应用研究[J].远程教育杂志,2010，(4):27-33．

乔沛昕(1990-)，男，汉，陕西咸阳人，硕士研究生，就读于广西师范大学教育科学学院，主要从事数字化学习环境建设、现代远程教育、教育信息化等方面的研究。 李红波(1962-)，男，汉，广西桂林人，教授，硕士生导师，广西师范大学职业技术师范学院副院长，主要从事教育信息化理论与实践、信息化教育资源设计及应用、教育信息化等方面的研究。

TP

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2095-9214(2015)02-0261-02

广西师范大学教育科学学院)