基于物联网的开放大学云教室建设与应用研究

摘 要：云教室作为开放大学现代化的信息化教学环境，在远程教学中起到重要的作用。文章首先介绍了开放大学云教室建设的现状，分析了云教室教学存在获知学生学习状况少、移动教学支持程度低、交互功能不足等困境，然后通过物联网的引入，构建了基于物联网技术与云教室融合的系统架构，并给出了传感器、二维码、RFID、定位系统、触屏等物联网技术在云教室中的应用，旨在提高云教室的教学互动能力，解决教学困境，促进云教室的教学应用。

关键词：物联网;开放大学;云教室;人才培养;教学改革;人机交互技术

中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：2095-1302（2020）10-0-04

0 引 言

2010年，第一次全国教育工作会议颁布了《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020年）》，明确提出了“大力发展现代远程教育”“创新网络教学模式，开展高质量高水平远程学历教育”“办好开放大学”的要求，2012年开始，中央广播电视大学及上海、北京、江苏、云南、广东等五所广播电视大学先后转型升级为开放大学，构成我国“1+5”所开放大学办学体系。中央广播电视大学又称为国家开放大学，开放大学是一所通过现代远程教育开展学历教育的高等學校，学历教育包含了大专学历与本科学历。为了办好高质量高水平的远程学历教育，国家开放大学积极推进信息技术与教学的深度融合，提高现代远程教育手段，建设远程开放教育云平台，实现“教、学、管、研、服”一站式和一体化，教学环境的重构，是开放大学信息化建设的重要举措。经过三期的建设，国家开放大学联合各地广播电视大学，在全国各地尤其是边远地区建成了314间云教室，构建了从中央到地方、从发达地区到边远山区的云教室教学系统，云教室的建成提高了开放大学的信息化教学水平，促进了优质资源的共建共享。

1 云教室存在教学困境

以信息技术为依托开展的现代远程教育能够为任何人在任何时间、任何地点提供其需要的学习内容，实现跨时空、跨阶段、按需供给的灵活教育[1]。开放大学是一所通过现代远程开展学历教育的新型大学，运用先进的信息技术手段，提高信息化教学水平，满足人们随时随地的学习需求，是当前开放大学教育信息化的重要任务。云教室是开放大学当前先进的教学手段，它的建成优化了资源传输的通道，使得发达地区的优质资源能够快速、便捷地共享给边远地区，使得全国电大学员能够“处在不同的地方”享受“同一堂课”，并且与云端的教师进行视频互动，轻松实现远程在线面授教学。除此之外，利用云教室的视频会议系统、录播系统和电子白板，还可以实现教学研讨、课程录播异地教学、远程面试与答辩等功能，极大地促进了远程教学活动的开展，提高了教学效率。但是，由于云教室的功能设计是建立在视频会议系统基础之上，经过几年的应用实践，发现云教室教学应用也凸显了一些不足。

（1）教师对异地云教室的学生状况了解少。参与到教学中的云教室，教师可以通过教室大屏幕观察到其他云教室的学生状况，屏幕布局有轮巡和整体布局两种显示方式。当轮巡布局时，教师可以逐个地观察云教室的学生状况，例如到课的学生人数、学生专注听课情况、学生的反应效果等。当整体布局时，所有连接的画面都在屏幕上一起呈现，可以统一观察。但是，无论是轮巡画面还是整体画面，观察学生时都存在看不清楚、容易忽视学生的情况，因为轮巡画面一般是10 s一个画面，画面间隔短，无法及时观察清楚画面，而整体画面被压缩，面积太小，看不清楚画面细节。因此，单一地通过视频来观察学生状况，并不能尽如人意。

（2）移动教学支持程度低。云教室的多媒体讲台功能丰富，具有声音控制、云教室画面切换、笔记本连接、一体机电子白板、展示台等功能和设备，教师为了教学的连贯性而习惯性束缚在讲台上，这就把教室隔离成教师和学生两个区域，容易导致教师在台上按照PPT内容流程在“表演”、学生在看“表演”的情况。教师融入到学生当中，无疑会起到督促学生学习，激发学生学习积极性的作用，然而，云教室对移动教学的支持程度低，教师离开讲台，就无法再控制课件的播放，也无法实时地点评学生的作业，移动教学能够给教师带来更大的授课舞台，但是，云教室对移动教学的支持程度低，降低了教学效果。

（3）教学互动功能不足。云教室的实现载体是视频互动，只能传递视频信号，不支持图文互动[2]，由于云教室与视频会议系统的技术关联性，所有的教学互动必须建立在视频会议的基础上。视频互动固然好，能够带给人面对面的互动，提高了互动的临场感，但是，视频互动最大的弊端是需要占用较大的网络带宽，并且是随着互动个数的增加而成倍增加。而互联网又具有不可靠性，在交互时会出现卡顿、丢帧的情况，严重影响了教学的交互活动。云教室并不支持图文互动，如留言、点赞、弹幕等，也不支持图文资源的共享，例如作业上传、成果分享等。多元化学习丰富了学生习得知识的渠道，多元化的互动能够活跃教学氛围，然而，云教室交互功能的不足，使得很多教学交互活动难以开展。

随着社会的进步以及人们生活质量的提高，终身学习越来越受到人们的关注和重视。在终身学习时代下，开放大学如何满足灵活、开放、优质的教育需求，提供个性化的学习资源、多样化的教与学方式，成为开放大学面临的重大挑战[3]。学习者的任何学习活动都是在一定的学习环境中进行的，离开学习环境的支持，学习活动就失去了依托，学习环境的优劣直接关系着学生的学习与发展[4]。如今，云教室已经成为了开放大学重要的信息化教学环境，也是开放教育学生重要的远程学习环境，面对云教室的教学困境，如何提高云教室在教学中的应用，给远程教学活动提供更好的技术支持，是当前云教室教学需要解决的难题。

2 物联网在教学中的相关应用

物联网的核心是万物连通，是通过通信技术连接在不同物体上的智能芯片，然后实现智慧自动化控制的网络，在4G时代以前，受限于互联网传输数据较慢的原因，对通信技术的数据连通速率要求较高的物联网发展较慢，仅仅在某些领域进行了局限性的应用。随着4G时代的普及，以及5G通信技术的诞生，物联网时代越来越近，物联网通过移动互联技术连接设备终端与智慧中心，进行数据交换，给生活带来越来越大的便利，比如环境监测[5]、农产品交易[6]、智能交通[7]、智能家居[8]等，应用非常广泛。物联网在广义上实际包含了物与物之间、人与物之间的互联，它以连通性、技术性、智能性、嵌入性的特点，为人们提供了智能化的生活与工作环境，改变着人们的生活、工作与学习方式。在教育领域，通过物联网技术的引入，利用RFID、传感器、二维码以及其他各种感知设备，构建智能化教学环境，使得教学环境中的每个物件都具有数字化、网络化、智能化特性，可以即时捕捉、分析和判断所需信息，并做出相应的行为[9]。比如，通过感光器监控光线亮度，控制教室灯光，根据灯光调整计算机屏幕或者投影屏幕亮度，根据室内温度控制空调温度，根据室内空气质量开启窗帘等。通过嵌入设备、物联设备，读取本地或调用异地的数据用于当前教室的教学和学习等。以下是在教学领域中运用比较普遍的物联网技术：

（1）传感器技术

我国国家标准（GB7665—2005）对传感器的定义：能感受被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。在物联网中，传感器技术是物联网的支撑技术，负责接收物品“讲话”的内容，通过传感器从信息源物体感知并获取信息，对其进行处理、变换和识别。传感器技术在智慧校园网中运用较普遍，例如在运维对象上安装传感器，利用ZigBee和中控网络进行通信，并集成校园网，主要应用有智慧风扇系统、智能空调系统、智能窗帘系统、智能照明系统、智能投影系统、计算机系统和智能用电系统、安防系统等，在校园网集中设备控制大屏上，可以到对教室的风扇、灯光、窗帘、空调、多媒体计算机、投影等进行智能化管控，方便了设备的管理与维护，提高了设备的使用效率。

（2）RFID技术

射频识别（RFID）技术是一种非接触的自动识别技术，它是利用无线射频技术对物体对象进行非接触式和即时自动识别的无线通信信息系统[10]。RFID技术具有数据读取方便快捷、标签数据可动态更改、设备可以重复使用等特点。在校园网中，最普遍的是基于RFID技术的校园一卡通，师生利用校园卡可以在食堂里吃飯、购买商品、用电用水等消费活动，也可以进行借书、刷门卡、考勤等其他功能使用，方便了各种数据之间的转换，提高应用效率。

（3）二维码技术

二维码技术是用特定的几何图形按一定规律在平面（二维方向）上构成的黑白相间的图形来表示数据和信息。二维码可以通过图像输入设备或者光电扫描设备来读取，并发送到程序进行信息数据自动处理。由于二维码具有识别方便、简单易用且信息存储量大、安全可靠等特点，在日常生活中应用越来越广泛。在教学中，二维码被广泛地用来做签到、资源共享等应用，例如，在课堂上发送动态的签到二维码，学生课堂用手机扫描即可完成签到功能;在书籍或者课件资源中，通过二维码可以在关键地方插入微课视频，分享给学生，帮助学生更好地理解教学内容，也可以插入测试题，对知识进行习得反馈。

（4）人机交互技术

人机交互是研究人、计算机以及它们之间相互影响的技术，而用户界面是人与计算机之间传递、交换信息的媒介和对接口，是计算机系统的重要组成部分[11]。随着技术的发展，人机交互的概念越来越广泛，可以理解为人与计算机、手机、机器人等系统之间交流和互动，人机交互界面则是系统接收用户信息输入的部分。传统的人机交互技术主要是通过鼠标和键盘操作用户界面来进行交互，目前技术应用越来越先进，系统也越来越智能化，可以通过语音、触摸、手势等达成人机交互的目的。触屏技术的发展使得智能终端在教学中得到了广泛的应用，例如智能手机、一体机大屏电子白板等智能化设备被广泛应用在多媒体教室、智慧教室教学上。目前，虚拟现实技术日益出现在实训教学或者实验室里，例如，通过虚拟现实技术实现高尔夫打球姿势与力度训练等体育课程的虚拟实训操作，或者搭建虚拟实验室开展化学、物理实验等，虚拟现实技术的应用大大提高了教学体验。

3 云教室与物联网的融合

基于上述介绍可知，云教室为开放大学的远程教育提供了现代化的教学环境，在解决优质资源共享、远程教学等方面起到了积极的促进作用。但是，经过几年的教学实践，发现在应用上还存在诸多不足。物联网技术在智慧校园中取得了成功的案例应用，本文利用物联网技术对开放大学云教室系统进行全新设计，提出了一种基于物联网的云教室系统架构，并给出云教室与物联网融合的应用设计。该系统架构有利于节省系统的构建与维护成本，提升云教室的教学使用体验，提高教学效率。

3.1 基于物联网的云教室系统架构设计

如图1所示，基于物联网的云教室系统分为三层，分别为感知层、网络层和应用层。

（1）感知层

感知层是系统架构的最底层，包括用于教学内容呈现的一体机电子白板、用于显示远端云教室的显示器、云教室终端设备、摄像头、全向麦、红外定位器、空调、LED灯、窗帘以及各种智能终端等物理设施。感知层是云教室获取信息最直接的渠道，教室环境中的各种设备通过射频识别技术、传感技术、红外技术、视音频采集技术以及二维码技术，获取教室中的空调、灯光、触摸、视频、声音、人员等信息，然后把信息传给网络层。

（2）网络层

网络层是物联网的中间层，无线AP、交换机、4G网络等网络设备构成的局域网、校园网和互联网形成了架构的网络层，负责将感知层设备获取的数据，通过无线网络或者移动网络传输到应用层。网络层是云教室数据传输的关键层，保证了数据的安全可靠和网络实时传输。

（3）应用层

应用层位于物联网的最上层，包含云教室中的各种管理系统和平台，例如云教室管理平台，设备可视化管理平台，一卡通管理系统、教学平台等，负责把网络层输送的数据进行处理、判断和决策，实现对设备、环境的智能化监控和管理，为用户提供服务，实现云教室中的人与人、人与物、物与物之间的沟通与交互。

3.2 物联网在云教室中的应用

（1）通过传感器实现教室环境设施智能化管理。在教室里安装温度传感器、亮度传感器、空气质量传感器，实现对环境温度、亮度和空气质量的信息获取，再通过交换机把数据传给设备可视化管理平台。照明LED灯的亮度控制码、空调的风量和温度指令、窗帘的升降控制码都在设备可视化管理平台中，平台根据传感器返回的数据，可以实时调节这些设备的控制码和指令。然后通过交换机传送给设备，从而实现对灯光、空调、窗帘的智能化管理，给云教室教学营造舒适的教学环境。

（2）通过二维码进行签到管理和资源分享。上课前，教师在一体机上打开教学平台，调出二维码签到程序，学生通过移动智能设备，例如智能手机，对二维码进行扫码签到，签到结果即可返回给教学平台，进行实时存储与管理。教师在期末可以查看学生的上课签到统计，得到学生的出勤率。教学资源配备二维码，就如同有了身份一样，老师可以把二维码随时随地的分享，学生利用手机扫一扫二维码，就可以获取到想要的资源，例如在课前发布二维码，可供学生进行自主学习;在课中发布二维码，可以让学生进行同步学习;在课后发布二维码，可供学生进行拓展学习等。二维码使得教学资源分享更加便捷，并且扩展了教学应用，教师通过二维码可以获取到更多的学生学习状况，例如发布作业二维码，获取学生对知识的掌握情况;发布投票二维码可以获得学生对问题的投票情况等。

（3）通过一卡通进行设备管理。一卡通系统存储了教师的教学信息，例如何时何地上什么课程等教学计划安排信息，教师按照教学计划，按时到云教室进行授课，用一卡通扫码云教室讲台的RFID机器，即可自动打开云教室的所有设备，包括空调、灯光、一体机、录播系统等。把设备开机信息传给设备可视化管理平台，实现了对设备一体化的管理，并且准确地记录教师的上课情况，把教师授课记录传给教学平台，实现了对教师的教学出勤管理。

（4）通过定位跟踪实现课程自动录制。云教室通过视频会议系统实现对其他云教室的视频教学，定位跟踪能够让摄像头对教学过程细节进行自动捕捉，例如教师的讲解、教师移动过程、教师与学生的对话、学生的回答等细节，实现课程的自动录制，并实时传输到异地云教室进行直播教学，录制的课程视频按照时间、课程名和教师名等信息进行自动命名、归档和存储，方便查找和分享。

（5）通过触屏实现移动教学。在云教室中通过无线AP搭建无线局域网，一体机终端和智能终端同时接入局域网，利用希沃助手等教学软件，实现移动教学。教师可以离开讲台，触摸智能终端就可以实现对教学PPT的控制播放、一体机电脑系统的远程控制、作业拍照上传、探照灯突出重点和圈画标注讲解等移动教学操作。教师还可以通过教学平台给学生推送资源和测验、弹幕互动等，学生通过触摸智能终端就能轻松完成问题回答、上传作业、测验测试等，提高了教学互动体验，让教师在云教室轻松自由地展现自我，让学生乐于其中，让教学更加有趣而高效。

4 结 语

云教室作为开放大学重要的信息化教学环境，通过视频互动教学能够迅速搭建课程直播与录播教学、教学研讨、远程面试及答辩等远程教学活动，提高了教学效率，有助于解决教育均衡发展中优质资源共享的问题，但是在移动教学和交互功能上也存在一些不足，制约了云教室的教学应用。随着信息技术的发展，越来越多的物联网技术被应用到教学中，物联网技术极大地方便了教学设备的统一管理，提高了教学互动，让教学过程变得更加有趣。因此，通过引入物联网技术，构建基于物联网技术的云教室教学系统，有助于解决云教室在移动教学、互动教学上的不足，能够让教师和学生在云教室课堂上充分地展现自我，提高教学互动效果，从而促进云教室在开放大学远程教学中的应用。

参考文献

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