基于云技术的网络集控教室开发设计

刘清毅

(陕西广播电视大学 现代教育技术中心,西安 710068)

0 引言

互联网、大数据、云计算等新技术的高速发展，正在颠覆与重构传统教育行业。互联网+教育、“三通两平台”、“一师一优课、一课一名师”等教育信息化基础建设在全国不断得到提高与普及[1]。但是，这种以建设为主导的教育信息化建设不可避免的出现了基础设施建设资源浪费、设备和平台建起来后应用及软件跟不上等问题，这种种的问题都说明我国的教育信息化建设仍处在初级阶段。近年来，我国积极推进以云计算技术为依托的网络集控系统教室建设，其作为一种智慧教室形式，能够为教学提供可靠的信息资源与优质实践平台，拥有广阔的发展前景。

1 云技术下网络集控教室建设需求

通过快捷教育云平台，可以全面实现校本资源采集与共享、区校之间名师课堂、精品课堂的对接、教育资源的备份与汇总等众多功能。平台采用WEB远程统一管理，可同时支持PC、iPad、iPhone、Android终端上的点播、直播、互动功能，真正实现优质资源班班通、网络学习空间人人通。在云平台网络集控教室模式下，不仅能快捷延续其在音视频行业的卓越技术，为教育度身设计的多媒体教室云管理平台可通过校园网和互联网对各校区、教学楼、教室实现分权限远程集群控制、数据查看、资源共享、实时交流等，方便管理人员对各个教室实现快捷的集控管理，如自定义课程表或与学校排课系统对接、按课程表自动开关机、考勤统计、设备预警等[]。平台不仅操作简单且更高效安全。网络集控教师的出现告别了传统的黑板，在电子白板一体机和平板电脑的使用下，老师像导游一样带领学生畅游学海；多边形的桌椅，方便学生随时随地进行小组讨论；课程自动高清录制并自动上传到云平台，供师生课后回顾与学习;更有黑科技“人像识别”技术，便于课堂数据的统计，其网络拓扑图如图1所示。

图1 云技术下网络集控教室网络拓扑图

其中学校私有云主要包括多媒体所需的投影仪、投影幕布、对讲系统以及云教室终端等；教育公有云则涉及到校外终端、远程办公及系统维护等。

2 云技术下网络集控教室教学保障系统的设计及构架

作为云平台网络集控教室系统中极为重要的组成部分，前台教学保障系统及后台运行维护系统直接决定着其运行有效性。前者主要承担的是教学相关设备管理及实时控制等工作，以确保正常教学活动的顺利开展，后者则包括网络中央控制、权限控制以及语音对讲等多个系统，如图2所示。

图2 云技术下网络集控教室的整体运行系统结构图

设备端作为硬件设备主要是为教学运行提供基础保障；服务端由专门的运行维护人员负责，技术人员能够通过云平台对教学系统运行情况进行远程监控与管理；客户端主要指的是教学活动所需的PC客户端或手机客户端。云教室是基于桌面虚拟化技术打造的新一代计算机教室解决方案，由可提供强大桌面虚拟化功能的云教室服务器、精美易管理的云终端、功能丰富的教学管理软件组合而成，可为计算机教室提供零维护、易教学、更环保于一身的全新教学体验。云教室的运作方式，是由一台教学主机分化出几十台下属虚拟机，通过网络传输，将虚拟机传送到云教室服务器，云教室服务器将对教学信息进行整合、保存。同时，每一间云教室还将配备有一台大屏触控平板，帮助学校教室打造教、学一体的多屏互动平台。

2.1 网络中央控制系统

网络中央控制子系统主要由以下两个部分组成：(1)网络中控系统服务器。其采用的是合并式设计的方式，主要包括核心模块、继电器模块、网络通讯模块等。该系统拥有丰富的端口配置，在嵌入式EPC可编程控制作用下，能够通过以太网通讯接口实现对网络系统的控制。该系统有UDP、TGP/IP协议的支撑，不仅能够实现与校园网络的兼容，而且具备跨网段功能。(2)中控系统。作为网络集成终端，中控系统具有一定的独立性，当遇到断网事件时，其能够保持独立运行的状态，且所有运行数据均具有一定的安全保障。服务器配置方面采用的是多路I/O接口，与此同时还新增了VGA接口防盗报警功能，当出现网络断开时，能够自动将相关信息发送到总控系统。

2.2 权限控制系统

一般情况下，教室多媒体控制系统与权限控制系统两者相互独立，在某种场合下需要相互配合，使教学资源能够有机整合，得以充分有效的利用。授权可以通过IC卡实现，其主要包括3种形式：(1)固定授权，其功能类似于系统管理员卡，凡经过授权，无论在任何时间段都能够启动网络集控教室的各项设备。(2)动态授权，其授权主要依据的是教务排课数据，最终形成教室使用授权课标，但动态授权必须同时满足IC卡号、教师号以及课程时间3个条件，只有3个条件均一一对应，才能够实现系统解锁，进而进行相关教学活动操作。(3)混合授权，其是固定授权与动态授权两者的结合，在该模式下，IC卡的数据能够与校园一卡通数据进行交换，但其不会影响到IC数据扇区，有利于IC卡金融功能的顺利实现。另外，在教务课表数据交换系统下，IC卡授权服务及管理程序均能够对课表及一卡通相关数据进行实施获取，在教室使用数据中得到授权，并自动发送到教室IC卡控制系统。只要对教室控制器进行授权，即便在没有网络的条件下，教师也能够对系统进行解锁，实现正常授课。

2.3 设备参数采集系统

设备参数采集系统包括以下两个组成部分：(1)设备参数采集服务器。该服务器能够在RS232通讯接口作用下实现对投影、教师机等相关设备信息的采集，以便及时掌握设备运行状态及相关参数信息，其经过网络传导作用，能够将信息传送到采集服务器，对信息予以全面的解析。(2)后端设备参数采集通讯服务。其主要负责转换运行维护管理平台对数据解析后的报警信息，然后自动生成服务请求，当系统出现内存故障、灯泡故障，或出现高温等现象，能够发出报警警告。

2.4 IP语音对讲系统

IP语音对讲系统主要包括电话机、IP语音交换服务及IP语音网关。在该系统下，教室终端能够直接向总控室拨打电话，且增加了一键响应装置。总控室IP语音对讲电话可向所有教室拨打电话，电话记录还能够通过录音回放功能进行查询。IP语音网关系统功能强大，能够支持SIP、IAX2及10/100 Mbps等多种协议，且能够实现对动态语音的检测。IP语音对讲子系统的检测主要通过检测系统实现，并在运行维护平台的作用下，实现检测结果向服务请求的转化。

2.5 云桌面系统

采用前后端计算资源整合的NGD(Next Generation Cloud Desktop)技术，支持利用前端显示计算资源运行AutoCAD等大型软件，支持移动设备远程接入。具有跨平台的云桌面服务器端中心，可以任意部署在Windows或者Linux服务器操作系统上，满足不同学校信息部门的需求。其镜像并发管理功能，支持多端点对多个操作系统镜像模板进行维护升级，无需逐一配置。

3 云技术下网络集控教室运行维护管理平台

3.1 运行维护管理平台模块

作为云技术下网络集控教室的软件核心系统，运行维护管理平台的设计主要依据的是多媒体教学活动中运行维护管理工作相关经验，并结合其运行维护保障工作的特点，主要包括管理中心、请求与问题管理、变更与发布管理以及知识库管理等多个模块。通过运用云交互智能平台能够顺畅的调用Windows系统和各种教学应用软件实现教学,教学流畅度更优于等同于PC，并且实现了大屏触摸交互，该系统的应用体验感优于传统的云桌面产品。通过运行触摸交互一体机上的APP快速启动该系统从而获取得专属的虚拟Windows桌面，通过流媒体重定向技术，图像硬件解码技术，SSD高速缓存技术,触摸屏重定向技术等从而提升视频播放流畅性和提升触摸响应速度。

3.2 运行维护管理平台功能

作为一个虚拟服务平台，运行维护管理平台能够对检测系统传送的信息进行分析并自动生成服务请求。一般归类、记录及监控等服务属于流程管理的范畴，其能够帮助教学系统处于可运行状态，且对正常教学活动无影响与干扰。与此同时，在请求管理服务下，问题管理中所存在的故障问题能够被整理成为系统化的模式录入到知识库[3]。作为技术人员的参考库，知识库能够存储类似问题的解决办法，在具体应用中可以在管理界面进行查询。云智能交互平台使得教室里一体机的安装部署更加简单快捷，部署时间能够减少50%，老师们能够通过账号就能进入个性化桌面开展自己的学科教学，学校能够仅仅通过服务器就能实现软件的升级维护以及硬件的监测，从而实现教学终端的“零”维护，相比传统模式，云智慧交互平台整套系统低碳环保，功耗低，生命周期更长，能真正实现绿色课堂。

3.3 运行维护管理平台系统监测

运行维护管理平台系统具有灵活扩展，安全可靠等特性，可扩展应用于集控，个人空间，互动课堂等。可便捷的接入Windows,IOS，MAC，Android系统的设备，该方案部署简单，功能丰富，比传统的PC 教室部署时间节约50%;采用WEB方式集中管理，工作量降低90%以上;仅需维护服务器桌面，其它教学终端和触摸大屏‘零’维护，软件更新也可集中控制，批量化处理，效率提升15倍以上。同时，节约能源，比传统PC教室更加省电;投资节省，生命周期更长，可确保在5年之类产品领先，8年之内产品不落后，后续的产品升级迭代也非常方便，投资成本大大节省。

4 总结

新时期，云技术为网络集控教室的开发设计提供了技术支持，对于教学空间及时间的扩展提供了可能，一方面提升了教学质量与课堂效果；另一方面也促进了教育信息化的发展，在网络集控教室模式下，教育资源能够实现共享，满足教学活动的需求，值得广泛推广。

参考文献

[1] Liu Z, Wang Y, Cai L, et al. Design and manufacturing model of customized hydrostatic bearing system based on cloud and big data technology[J]. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2016, 84(4):261-273.

[2] 梁峥, 刁伟孟. 基于虚拟化平台搭建语音教室的关键技术探究[J]. 微型电脑应用, 2014, 30(7):49-52.

[3] Wong L H, Chai C S, Zhang X, et al. Employing the TPACK Framework for Researcher-Teacher Co-Design of a Mobile-Assisted Seamless Language Learning Environment[J]. IEEE Transactions on Learning Technologies, 2015, 8(1):31-42.