基于物联网的智慧教室可视化管理平台设计*

江祥奎，宁玉文 ，范永青，尚子田，张 三

（1.西安邮电大学 自动化学院，陕西 西安 710121；2.空军军医大学 信息技术室，陕西 西安 710032）

一、引言

智慧教室是在教室物理环境的基础上融合现代信息技术，通过感知与互动反馈、智能化控制管理、数据分析和可视化展示等手段，实现“学习”无所不在，网络无缝接入和资源共享服务的现代化新型教室，是开展学校课堂教学改革的重要支撑环境。[1]2018 年4 月，教育部发布的《教育信息化2.0 行动计划》明确提出高校要加强以学习者为中心的智能化教学环境建设。2018 年8 月，教育部在《关于加快建设高水平本科教育，全面提高人才培养能力意见》中要求打造适应学生自主学习、自主管理、自主服务需求的智慧课堂。在国家政策的推动下，许多高校通过新建或改造教室等形式，正在开展大规模的智慧教室建设和智慧教学改革试验。与传统教室相比，智慧教室逐渐呈现出设备更加复杂、信息更加多样、应用更加广泛、技术更加高端等新特点，[2]加大了教室管理的难度，以往以人工管理为主的传统教室管理模式显然不能满足智慧教室管理的新需求。高校如何通过技术手段管理智慧教室，满足师生多样化教与学需要，成为高校IT 治理工作的重要内容之一，针对智慧教室运维难的问题，笔者结合某医学院校的探索实践，设计了基于物联网技术，集智慧教室统一管理、统一调度、统一监控的可视化管理系统。

二、高校智慧教室的运维内容

国标《智慧校园总体框架》（GB/T 36342-2018）指出，智慧教学环境可以是实体的教学环境，也可以是泛在虚拟的教学环境或虚实相结合的混合教学环境。按功能特征可以将智慧教学环境分为：支持常规教学的基础型（一级）、支持案例教学和远程教学的拓展型（二级）、支持实践实训和课堂教学决策分析的高级型（三级）。[3]笔者调查的某医学院校根据国标要求，结合医学课堂教学的特征和需求，从规模和功能角度建设了一批适合基础医学课程教学的大型沉浸式直播教室、中型分组互动教室、微型研讨教室，还对临床课程教学的实验实训教室进行改造，建成了深度体验型教室和演示观摩型教室，如表1 所示，各类教室因功能不同，配置的设备和资源也有差异，但是从管理的角度来看，该智慧教室需要运维的内容可以分为四类，如图1 所示。

1.教学设施

包括教室中的硬件环境与配套设施，根据在智慧教学活动中发挥的作用，可以将智慧教室中的教学设施分为四类：一是教室基本环境与配套家具，如活动桌椅、灯、空调、窗帘等；二是信息采集与网络通信设备，如传感器、RFID、摄像头、无线路由器等，确保网络无缝覆盖、信息实时采集和可靠传输；[4]三是多媒体教学设备，如电子白板、触屏显示器、计算机、投影机、中控、功放、音箱、话筒、幕布等；四是用户交互终端，如台式电脑、笔记本、平板电脑、智能手机、手持应答器等师生可控终端设备，可以在任何时间和任何地点，采用任何通信方式，访问教学资源和处理教学任务。[5]

表1 某医学院校智慧教室的类型与特点

图1 某医学院校智慧教室运维对象划分

2.教学资源

教学资源包括三类：一是教学应用服务系统，提供在线学习支持服务的网络教学平台，提供远程视频点播、直播与录课功能的视频服务系统，提供师生在线互动交流和课堂交互的教学交流系统；二是教学管理服务系统，涵盖身份认证系统、课表管理与提醒、成绩查询、在线评教等功能的教务系统、考勤系统和大数据分析平台；[6]三是支持教师备课、授课和学生课前预习、课堂互动和课后反思的在线课程库、习题库、教学素材库、虚拟仿真实验软件等。

3.教室用户

主要指参与智慧教学活动的师生，包括在校的学生、教师，还有在线的校外学习者，大部分用户都拥有校园合法身份，因此大部分智慧教室安装了人员考勤系统，由RFID 考勤机、考勤卡和配套控制软件构成，[7]与学校一卡通系统进行对接，对进入教室的人员进行身份识别，统计出勤情况。

4.教学活动

主要是指在智慧教室开展的各类信息化教与学活动，该医学院校的教学活动基本可以分为三类：一是针对医学专业课程，在智慧教室中开展翻转课堂、PBL 教学、小组协作学习、基于病案病例的研讨教学等活动；二是针对公共课，在大型沉浸式直播教室中，利用在线学习平台组织面授讨论与专题讲座活动；三是开展远程在线互动交流活动，针对该校与附属医院的医教协同活动，组织临床观摩课程、远程专家会诊和病案例讲解分析课程等教学活动。

三、高校智慧教室运维中存在的问题

随着智慧教室设备和信息系统越来越多，信息技术与教学活动的融合程度也越来越深入。对智慧教室管理者来说，一方面要按照教学计划支持师生教与学的活动，围绕智慧课堂教学为师生提供资源共享服务，另一方面需要实时记录课堂授课的全过程，采集教学过程、师生互动、学习评价等一系列授课信息，[8]这对智慧教室的运维工作提出了新要求。

为了摸清该医学院校智慧教室运维中存在的问题，笔者一方面调研了智慧教室的用户，即2018 年秋季学期在该校48 间智慧教室授课的46 名教师和930 名学生。另一方面调研了6 名该校智慧教室的管理员，从管理者的视角搜集智慧教室管理的问题，通过问卷调查（发放问卷1000 份，回收976 份）和访谈部分对象（学生、教师和管理员21 位代表），研究智慧教室运维中存在的问题。

1.智慧教室的运维机制不完善

智慧教室运维机制的缺陷主要体现在两个方面：一方面是主责单位分散，由于该校智慧教室分布在不同校区的楼宇，因此，教室采取分散管理方式，按照隶属关系分属于学校不同院系，分头负责维护所属教室，管理相对分散，教室信息无法共享和统一调配。另一方面是日常管理的规章制度和操作手册还不完善，部分管理细则还不统一，管理员操作的主观性和随意性较大。

2.智慧教室运维人员的服务能力不足

该校通常在一个教学楼或者一个区域设置一个管理员，且管理员技术水平有限，被调研的6 名管理员仅有1 人大专学历，5 人为高中或以下学历，且均没有参加智慧教室相关的技能培训，其日常运维主要依靠自学或参照操作说明书执行，日常工作仅为开关设备和确保环境卫生与安全，遇到故障问题则需要公司技术人员驻场服务，缺乏对智慧教室设备的基本维护知识与技能。调查显示73%的学生认为管理员不能及时处理智慧教室故障，67%的教师认为学校缺乏智慧教室运行监控与指挥调度专业人员，学校对智慧教室各类数据的统计分析和深入研究还不充分。

3.智慧教室的运维方式较为落后

当前该校还未建立支持智慧教室运行监控、资源调度和安全防护的技术支撑平台，智慧教室的运维方式仍然以人工管理为主，通过教室管理员流动巡查，定时开关教学设备，被动式应对各类故障请求，特别是在教室满负荷使用时，管理员往往需要短时间内处理各种请求，耗费了大量人力物力排除隐患，恢复故障。

这些问题说明当前该校智慧教室的运维服务跟不上智慧教学应用的实际需求，亟需采取管理和技术相结合的方式，构建智慧教室管理新模式，提升学校智慧教室服务保障能力。

四、基于物联网的智慧教室可视化管理平台设计

物联网是一种能让独立功能的普通物体实现互联互通的网络。[9]智慧教室设备能够通过传感器、射频识别（RFID）等技术，使信息传感设备实时感知设备信息，通过泛在的网络，把教室物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，实现物与物、物与人的泛在链接，实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理，集智慧教学、人员考勤、资产管理、环境调节、视频监控及远程控制于一体[10]，将物联网获得的原始数据与智慧教室管理平台进行融合，经过统计分析，进而转化为反映一定意义的图形图像，[11]辅助用户深入了解和判断传递的信息，促使智慧教室运维实效化、简单化和精细化，物联网技术为智慧教室运维提供了新的技术手段。

1.设计的基本思路

设计基于物联网的智慧教室可视化管理平台应遵从三个原则：一是集中管理原则，将所有智慧教室纳入监管范围，对智慧教室的构成要素进行分类，然后根据类别配置物联网数据采集设备，实现基于全局地图查看教室分布；二是可视化管控原则，实现图形化展现教室的使用情况和设施状态，[12]远程对教室内的设备进行场景化控制，提供精准服务；三是全过程管理原则，即对智慧教室中的各类活动进行实时监控管理，按照教学活动轨迹，全景展现课堂实时情况，能针对智慧教室中体现智慧应用的资源、信息和互动系统，进行重点管控。

2.智慧教室可视化管理平台架构设计

智慧教室可视化管理平台主要包括信息采集层、数据分析层、应用服务层和门户层四层，如图2 所示。

图2 基于物联网的智慧教室可视化管理平台架构

信息采集层主要是对学校智慧教室运维对象的信息进行分布式实时采集。一是在智慧教室安装摄像头采集教学互动实况视频。二是在运维对象上安装传感器和智能控制器，利用ZigBee 网络和中控进行通讯，并通过中控连接到校园网络中，主要包括智慧风扇系统、智能窗帘系统、智能空调系统、环境监测系统、智能照明系统、节能减排系统、安全用电系统、智能安防系统等，对智慧教室的灯光、风扇、空调、窗帘、多媒体设备、智能门锁等基础电器设备实现智能化管控。三是与学校一卡通系统和教务系统接口对接，获取教学人员基础信息。

数据分析层主要通过大数据技术，将信息采集层获取的场景信息、设备信息、人员信息和教务信息进行聚集和统计分析，形成体现一定意义的数据结果。

应用服务层是该平台的核心，主要将数据分析层的结果进行应用，提供教室管理、教务管理、资产管理、统计报表、远程控制等基本功能。教室可视化管理模块实现Google Earth 式的地球立体全景展示，以直观互动的3D 可视化交互技术，悬浮方式显示多个智慧教室管理场景，并可点击场景效果图进入该智慧教室的3D 虚拟仿真管理场景。同时，可以监测教学环境信息，通过智慧教室的无线传感网，可以感知教室的温度、湿度、光照度、烟雾等环境监测数据，当达到警戒值时，报警器立即响起，可以提醒管理人员第一时间采取措施。教务可视化管理模块，一是可以实现人员日常考勤，学生通过一卡通刷卡，教师通过“点名”功能可以看到进入教室的人员信息，管理员也可以登录系统查看教室使用情况；二是实现教室课表查询，学生或教师可以通过手机查看课表和授课教室，也可以迅速查找空闲教室；三是实现教室信息推送，管理员可以第一时间发布教室使用须知和紧急变更情况。资产可视化管理模块可以展现智慧教室基础设施及IT 设备，可与IT 监控管理系统集成，实现3D 场景中IT 设备状态、性能及告警信息，可与机房动环系统、楼宇自控、安防监控、消防监控集成，展示设备的监控告警信息。教师和管理员还可以通过摄像头，实现无人监考和在线巡逻。[13]统计报表可视化管理模块主要提供：一是课堂交互情况报表，通过对师生课堂行为分析，[14]统计课堂抬头率，参与课堂交互情况的报表；二是教学系统报表，提供参与在线教学的人员，教师在线辅导情况，学生在线反馈留言，学生学习成绩，教室授课评价等各类报表；三是网络流量监控，主要检测智慧教室网络主干链路和出口的网络流量，形成流量统计图，可以定期查看网络流量情况。根据流量变化情况，判断网络连通状态和网络异常情况，为智慧教室网络带宽利用提供第一手资料。另外，可以预设网络流量阈值，预警网络故障；四是在线学习资源报表，统计在线课程、教学素材的数量与使用情况。

门户层主要是集中展示智慧教室管理数据的窗口，是在应用层基础上，实现与用户交互的界面，同时也是学校可视化教学管理中心的指挥调度平台，可以基于PC 端和移动端提供在线服务。

3.智慧教室可视化管理平台在运维服务中的应用

在智慧教室可视化管理平台支持下，高校智慧教室的运维应该充分发挥学校和院系两级部门的管理责任，建立统分结合的管理模式，即智慧教室运维技术服务由学校信息化技术部门统一提供，建立“前台服务+运行监控管理”机制，前台技术服务由信息化专业人员承担，提供日常和应急技术服务，负责设备巡检和故障处理，运行监控纳入学校可视化教学监控中心，负责智慧教室7×24 小时的运行情况信息监控。同时院系设置少量驻教学楼巡查管理员，通过手持移动终端和智慧教室可视化管理平台，负责智慧教室环境卫生、设备安全和人员出入等定期核查工作。

五、结束语

物联网技术实现了智慧教室各要素信息的实时感知和汇聚，盘活了设备信息，实现了数字化管理和智能化管控。随着智慧校园建设的深入和智慧教育的开展，基于物联网技术建立的智慧教室可视化管理平台提高了智慧教室运维的效率，成为改进IT 服务，推进智慧化教学环境应用的重要方法。但是，未来智慧教室的管理还需要纳入学校信息化统一运维中，[15]面向智慧教育需求，由信息化部门专门负责智慧教室的技术，院系负责智慧教室的应用，建立技术和管理并重的管理模式，才能更好发挥智慧教室的综合效益。