基于物联网技术的智慧教室系统设计

摘  要：在以物联网技术为代表的新兴信息技术的发展和推动下，高校建设智慧教室，打通教室的物理空间和数字空间成为一种趋势。通过从教室环境、设备管控、教学资源、教学互动四个方面分析智慧教室系统的功能需求，设计智慧教室架构和硬件建设，并设计了基于物联网技术的智慧教室系统功能，包括：多媒体设备智能管理、教室环境智能监控、教学资源管理、互动教学系统四个部分。

关键词：物联网;智慧教室;系统设计

中图分类号：TN92;G434      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2021）06-0168-04

Design of Smart Classroom System Based on Internet of Things Technology

ZHANG Yun

（Information Network Center，South China Agricultural University，Guangzhou  510642，China）

Abstract：With the development and promotion of the emerging information technology represented by the internet of things technology，it has become a trend for colleges to build smart classroom and get through the physical space and digital space of the classroom. This paper analyzes the functional requirements of smart classroom system from four aspects：classroom environment，equipment management and control，teaching resources and teaching interaction，designs the architecture and hardware construction of smart classroom，and designs the functions of smart classroom system based on internet of things technology，including four parts：multimedia equipment intelligent management，classroom environment intelligent monitoring，teaching resource management，interactive teaching system.

Keywords：internet of things;smart classroom;system design

0  引  言

近年來，随着信息技术的快速发展和教育理论的不断进步，教育界越来越多地倡导信息技术与教室环境的深度融合，多媒体教室及其装备逐渐向全数字化、网络化方向发展，“能优化教学内容呈现、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”的智慧教室成为教室环境发展的趋势所在，以构建全新的教室环境来提高学习质量和效率。

基于物联网技术建设的智慧教室，将人与设备、环境通过网络相互连接，实现物物相连以及人和各类资源之间的关联性，最终实现对教学过程的精准控制与高效管理。智慧教室系统集智能多媒体设备管控、智慧环境调节、智慧教学于一体，能更好地支持新型的教学模式，让课堂变得简单、高效、智能。

1  智慧教室系统的功能需求分析

智慧教室的“智慧性”主要体现在“内容呈现、环境管理、资源获取、及时互动、情境感知”五个维度[1]。在进行智慧教室系统设计时，应重点体现以下几项需求：

（1）教室环境的人性化。研究表明人在适宜条件下学习、工作的效率会更高，智慧教室就是要使用传感器技术进行实测，自动调节相关设备，给老师、学生营造出适宜的温度、湿度、光度、听觉、视觉等，能够让师生在一个舒适的环境下进行教与学活动。

（2）多媒体设备统一管控。形成统一、有效的管理平台，对智慧教室中各项设备实现智能联动和远程控制：可以远程监看和管理教室以及设备状态;可对教室内的投影机、电脑、音响等设备进行集中远程控制;实现设备的智能联动，如与课表对接后实现电脑定时开关机等功能。

（3）课堂教学资源的价值挖掘。智慧教室系统应能满足高清常态化录播资源、课堂讲义和板书资源等课堂教学资源的开发和利用，形成开放、共享的教学资源体系;实现课堂教学过程数据的伴随式采集以及即时化分析，通过信息采集、数据分析、质量预警等功能，记录和分析学习行为、学习过程和学习表现，支持教师实现精准的学情分析、学法指导和学业评价，满足学习者、教学者和管理者的个性化需求。

（4）支持实时、灵活的教学互动。大学生具有一定的专业背景和相对较强的自学与思考能力，课堂不再是单纯的教师讲授，而是老师和学生之间、学生与学生之间互动的场所。智慧教室系统应具备支持教学互动及人机互动的能力，支持视频、语音、文本互动，记录互动轨迹，促进合作探究等教育教学模式改革。

2  基于物联网技术的智慧教室架构设计及硬件建设

在智慧教室系统中，利用物联网技术将教室环境中的教学硬件设备通过智能感知和互联网连接起来，实现物物相连。智慧教室系统架构可分为感知层、网络层、应用层[2]，各层功能如图1所示。

感知层位于系统的最底层，其主要作用是采集基础数据，包括传感器、RFID、控制器、智能終端、视频采集设备等[3]。亮度传感器、温湿度传感器、位置传感器，分别为灯光、空调、窗帘等智能控制提供数据;平板电脑、手机、投影等智能终端通过无线或有线网络接入智慧教室系统;物联网中央控制器接收传感器的数据，通过智慧教室系统进行智能处理，控制多媒体教学设备、灯光、空调、窗帘的状态。

网络层主要提供移动网络、无线网络、有线网络、ZigBee网络等服务，实现各层之间以及设备控制器之间安全、实时、可靠的数据交互。

应用层包括具体的应用：空调管理、照明管理、通风换气系统、多媒体设备管理、录播直播、学生考勤、教学互动系统、教学资源管理系统等。应用层通过对感知层采集数据的计算、处理和知识挖掘，结合具体的业务，对教室设备进行智能控制，实现教学过程的高效管理和智能决策。

3  基于物联网技术的智慧教室系统功能设计

3.1  多媒体设备智能管理系统

多媒体设备是课室主要教学设备，通过智能管理系统能够协助管理员实现课前设备开启课后设备关闭、设备之间的相互联动、设备运行状态记录、设备故障报修和日常维护。系统界面如图2所示。

3.1.1  教学设备本地/远程控制

对教室内的电脑、投影机、音响、麦克风等教学设备进行集中控制，教师在本地通过中控一键开启/关闭设备、信号切换、音量调节等。教师也可通过手机或电脑登录智慧教室系统，根据自己的需求开启或关闭教学设备，减少课前等待的时间。在开展大规模直播课堂等情境下，管理员可远程一键开启电脑、投影灯设备，统一发送命令，如推送直播网址等。

3.1.2  教学设备状态远程监控

能实时了解教室内教学设备的状态，如设备的开关、音箱和麦克风的音量、投影仪的亮度等，避免管理人员每次都需要现场处理。智慧教室系统提供了丰富的日志记录数据库，教学设备的运行细节都以日志的形式分门别类地进行记录，这些记录将作为整个系统的运行基础数据库，可以随时支持各种字段查询，如设备的开关机时间、设备的利用率等，可以直接生成统计图表，极大地提高教室管理的效率。

3.1.3  教学设备的智能联动

在智慧教室系统中实现教学设备与课表的智能联动：上课前，自动开启多媒体教学设备，并根据教师使用习惯开启常用软件，节省课前准备时间，降低系统误操作和设备故障率，提高教学实效;下课后，检测到师生离开课室，能自动关闭多媒体教学设备，达到节能环保的效果;有课堂录播需要时，可以根据课表设置自动提前将摄像头调整到合适的预置位。将课表与课程信息（如应到人数）等结合起来，根据上课时间实施自动考勤，并将考勤结果自动上传课程空间。

3.1.4  远程报障与维护

老师在教室通过扫描讲台的二维码，实现故障的实时上报，智慧教室系统可实时追踪到故障内容、故障教室、故障楼号、报修人、报修日期等并及时告知维护人员解决故障问题。维护人员通过摄像头远程调用现场画面，对故障进行排查，如远程对电脑系统进行检测、软件下载、故障修补，远程监听音响的效果，判断音响是否存在异常等。

3.2  教室环境的智能监控系统

通过传感器采集教室内的相关数据，利用物联集中管控平台自动对教室内的温度、空气净化、亮度、门禁等设备进行智能控制，使教室内部的温度、湿度、光照度等均能够被调整到一个相对适宜的水平，为学生创造更有利的学习环境[4]。

3.2.1  空调、空气净化控制子系统

系统通过温度传感器感知教室各区域温度，自动控制空调的开、闭状态，并能够根据温度的升降状态自动调整温度高低和风速大小;多个传感器组合联动，能够实现室内温度分区调节，为师生上课提供一个舒适的环境。

空气净化系统能够通过空气质量探头实时监测教室内空气质量，如PM2.5、二氧化碳、甲醛、苯等含量，根据设定的参数自动启动空气净化系统，保持教室内空气质量始终优良。

3.2.2  光照强度控制子系统

系统设置的自动控制策略可以根据教室光照强度，优先自动控制单个或多个窗帘的开启与关闭，实现室内自然光线调节。在自然光不足的情况下，根据光照强度自动开关照明灯并调整亮度。结合人体红外感应器，智能灯光系统还能智能控制一定区域内的照明，当有人走进感应区内，并且达到照明需求时，自动开启灯光并根据人体周围光照强度自动调节灯光亮度;当人体离开感应区后灯光调暗或关闭，达到节能效果。

3.2.3  门禁控制子系统

系统能够检测门的开关状态，并将状态信息实时上传至服务器。门禁系统支持IC卡、指纹、手机APP以及输入密码等多种验证方式开启。除了教室门外，在窗户处安装红外对照感应器，能够实时检测窗户的闭合状态，并在人走室空时自动进入布控状态，在有非法侵入时自动报警。

3.2.4  能耗管理

智慧教室能耗管理系统对课室用水、用电、用气等设备进行分类计量，实现对能耗量的实时测量，包括有电力仪表、水表等，并经数据采集装置将数据上传至能耗监测系统。

3.3  智慧教学系统

智慧教学系统能够整合课室的摄像头，智能分析学生学习状态，实现智能考勤;常态化录播除了可以实现多平台同步直播外，还是教学资源的重要来源。结合大数据分析的互动教学系统能够构建学生学习画像，实现个性化教学。

3.3.1  人脸识别智能考勤系统

通过网络摄像头，读取网络视频流，使用视觉分析算法，对教室监控画面视频流的帧进行人员检测，自动识别匹配学生人脸，实现无感智能考勤[5]。同时提供热力图分析功能，对监控画面分析人员分布，据此自动处理复杂的物体存在的区域，分区开启灯光、空调等设备，识别讲台区域的人员，画出教师行动轨迹，识别教室区域人头得出抬头率、前排就座率等。

3.3.2  常态化录播管理系統

常态化录播模块由摄像头、硬盘录像机、全向麦克风及中央控制器联动运行。除课堂实录外，同时提供课件录制，能对文件中的每一个流进行剪辑、合成、上传、发布以及分类管理。视频信号可快速推流到各大主流直播平台，实现多平台同步直播，方便教务处对教学质量和教学效果进行监督、检查和综合评价。

3.3.3  教学资源管理系统

教师通过本地上传授课教案、课件、录像、电子教材、实验指导等多类型材料积累教学资源，以目录树的组织结构呈现，方便师生查找管理;学生不仅可以在线浏览、离线阅读教学资源，还支持学生上传编辑自有资源，与教师共建课程资源;支持图形图像、动画、音频、视频等多媒体素材的在线编辑;教师可灵活控制学习内容的发布对象、状态、权限，可随时根据教学进度需要，控制教学模块的增加、修改、删除和顺序调整以及面向不同用户的开放状态。课堂教学中积累的教学资源如课堂实录、课件、板书、互动数据等实时同步到智慧教室系统，学生在课后可以反复观看学习。

3.3.4  互动教学系统

互动教学系统以课程为中心，提供全面的互动教学功能，包括通知、答疑、音视频与文字互动、在线作业、在线测试与考试、小组协作学习等功能，充分发挥系统在教与学活动中的作用，可实现远程直播答疑授课、辅导。使用交互式触控投影屏幕，课堂上学生用微信扫描二维码即可保存板书内容用于课后复习，用手机、平板扫描屏幕二维码并连接，就可以实现与投影屏幕联屏互动以及师生间的资源共享。

3.3.5  大数据分析系统

大数据分析系统主要包括教学数据管理、智能教学助手、智能学习助手等功能：通过分析学生课堂行为构建学生综合画像，根据学生学习特点，结合所学课程信息，实现个性化学习内容推送，学习路径规划等功能;为教师的智能教学提供数据服务，实现教学成果数据化呈现，教学内容智能化推送。

4  结  论

在通常的智慧教室架构中，我们更倾向于设备的智能化应用，缺乏人机交互的设计。而基于物联网技术的智慧教室系统通过引入物联网相关的感知和控制技术，整合教室软硬件资源，实现教室的智慧化：强调通过人机交互营造人性化的教室环境，实现多媒体设备统一管控，并在教学资源和互动教学方面提供有力支持，辅助教师打破传统的教学模式，变革教学方式、学习方式和互动方式。

在下一步的研究中，我们将大数据分析系统全面引入整合，对教室使用率、设备数量、设备日常使用率、设备故障率等数据进行统计，整合课堂可量化行为数据和主观行为数据，如：多媒体使用次数、学生回答问题次数、教师走下讲台频次，对此类与教学质量监测相关度较高的数据进行收集和分析，最终输出可视化图表，方便学校领导、督导巡视员等能直观地查看教学过程。还可以将设备课程使用特征、教师使用特点等进行综合分析，结合课表安排，更加智能化、自动化的控制教室设备的使用。

参考文献：

[1] 黄荣怀，胡永斌，杨俊锋，等.智慧教室的概念及特征 [J].开放教育研究，2012，18（2）：22-27.

[2] 郑广成，朱翠苗.基于物联网结构的智慧教室建构的研究 [J].软件工程，2016，19（9）：44-46+33.

[3] 周芹.基于物联网的智慧教室研究 [J].电脑知识与技术，2017，13（32）：269-271.

[4] 吕宣玲.高校物联网智慧教室建设 [J].技术与创新管理，2019，40（3）：390-393+397.

[5] 吴永斌.基于人脸识别技术的考勤方案研究 [J].电脑知识与技术，2020，16（19）：177-178+181.

作者简介：张芸（1979—），女，汉族，广东饶平人，工程师，硕士研究生，研究方向：物联网教育应用。