基于智能技术的高校多媒体教学服务平台设计与开发

蒋旺喜 李炜 杭州师范大学

●引言

2021年，教育部等六部门发布《关于推进教育新型基础设施建设构建高质量教育支撑体系的指导意见》，提出“推动教育数字转型、智能升级、融合创新，支撑教育高质量发展”。[1]新技术融合推动教育信息化由要素驱动向创新驱动转变，由粗放型建设向精细化建设方向转变，助力教育信息化新基建持续发展。[2]

多媒体设备作为高校重要的教学基础设施，支撑着学校的教育教学活动，随着技术的发展，其控制方式也从单机控制发展到集中控制[3]，开机方式逐渐标准化，以插卡为主。新技术、新环境发展为多媒体设备的开启和管理提供了新方式，因此，如何选择最佳方式，解决插卡方式的弊端，以及精准控制多媒体设备的使用是本文研究的重点。

●研究问题与意义

1.研究问题

人脸识别技术、扫码技术已在高校得到广泛使用[4]，应用场景涉及消费、借书、门禁等诸多方面，这给只支持校园卡的应用带来很大冲击，尤其是教学多媒体设备使用，涉及面广且与教学相关，仅支持校园卡开启的方式已满足不了师生的需求。据调查，大部分学校普遍存在多媒体设备开启了但没人使用的情况，这是多媒体设备管理一直以来的痛点，同时损耗了设备的使用寿命，浪费了能源。

2.研究意义与价值

笔者认为，开启多媒体设备是服务师生开展教学活动的第一步，而如何挣脱校园卡束缚，快速开启多媒体设备是提升教学环境服务质量的关键。因此，本研究旨在助力学校智慧校园的建设与教育高质量发展。同时，本研究希望为多媒体设备管理员提供使用预警信息，让其可精准判断哪些教室的多媒体设备开启了但没人使用，以便及时处理，尽可能降低能源和设备寿命的损耗。

●系统分析

1.多媒体设备开启新方式分析

新技术的发展给多媒体设备开启方式提供了新的途径，如刷脸开启、扫码开启、自动开启等。这些新的开启方式各有利弊，刷脸开启虽然体验感好，但需要投入大量资金采购设备并需要对现有设备进行改造。自动开启方式需要基于课表数据以及教师的选择进行开启。扫码开启可实现一码一室，无需改造设备且资金投入很少，虽然依赖移动设备，但这在智能手机蓬勃发展的今天已不再是问题。

笔者通过分析诸多开启方式的利弊，最终将方案确定为以扫码开启为主，自动开启为辅，确保每个多媒体设备都能在通过扫码开启的基础上，根据课表信息和教师的选择执行自动开启多媒体设备。

2.多媒体设备管理员需求分析

目前，多媒体设备管理员可远程控制多媒体设备，但必须基于控制系统的电脑客户端，无法实现随时随地进行管控。笔者通过访谈了解到，师生在晚上和双休日经常有借用教室的情况，管理员希望在手机上随时随地管控教室的多媒体设备，主要功能包括查看多媒体设备运行状态、开启多媒体设备和关闭多媒体设备等。

3.用户需求分析

系统角色包括使用多媒体设备师生、多媒体设备管理员、校管理员等。教职工扫码开启权限与插卡开启权限一致，学生只有通过教室预约后才能在规定时间内扫码开启该教室的多媒体设备；多媒体设备管理员可对自己管理的教室的多媒体设备进行管控、二维码标签打印、多媒体设备操作日志查询等；校管理员权限包括多媒体设备管理员信息管理、教室分配、二维码标签打印、多媒体设备操作日志查询等。

4.平台对接需求分析

对接统一身份认证平台，主要理由如下：①方便用户登录，用户无需再另设一套账号密码，通过学校的统一身份认证即可进入系统；②本系统要求通过钉钉扫码开启多媒体设备，钉钉已与统一身份认证做过免登，用户扫码后无需登录即可访问页面。对接消息中心，通过消息中心给师生和管理员发送消息。

●系统设计

1.系统总体架构设计

系统总体架构分为五个层次，分别为基础设施层、核心系统层、数据处理层、业务应用层和用户层，具体如图1所示。

图1

基础设施均采用学校已建设好的设施，通过校内申请方式获取，如数据库服务、应用服务器、域名、外网访问等。

本系统需要对接一些核心基础平台。消息中心主要给教室管理员推送消息提醒，让教室管理员及时掌握多媒体设备的使用情况；数据中心提供ETL集成、数据清洗等数据服务；学校专属钉钉与统一身份认证做了免登功能，师生通过专属钉钉扫码后无需登录自动获取师生信息进入开机页面。

数据处理层集成融合各类数据，包括用户信息、课表信息、教室借用信息、教室人数信息和中控状态等。

业务应用主要包括三大部分，即教室管理、多媒体设备开启和移动控制中心。教室管理是基础，主要包括教室信息管理、二维码生成和管理员设置等，教室信息包括房间信息、中控信息等。多媒体设备开启方式包括扫码开启和自动开启，其中，自动开启包括按课表开启和按借用开启，自动开启功能需要师生选择后才会触发。移动控制中心可让管理人员随时随地管控教室中的多媒体设备，同时通过设备使用预警，更加精准判断哪些教室的多媒体设备使用不正常。

2.多媒体设备开启

（1）多媒体设备开启机制研究

本系统支持师生开启多媒体设备的方式有两种，分别为扫码开启和自动开启，开启机制如图2所示。自动开启基于教室使用信息（包括课表信息和借用信息）和自动开启的选择，如果希望自动开启可在系统中设置；师生在借用教室时可选择是否自动开启多媒体设备。定时触发开机程序只在首节课前10分钟触发，如某教室在某天有6、7、8节课，则只在该天的第6节前10分钟会触发开机程序。扫码开机权限从统一身份认证、用户角色、地理位置、半小时内开机次数、扫码时间等方面进行限制，学生默认是没有权限的，只有在教务系统进行教室借用申请的学生才能扫码开启多媒体设备。

图2

（2）扫码开启多媒体设备

二维码与教室一一对应，师生通过手机扫描该二维码打开该码对应的教室多媒体设备开机页面。教室开机二维码由教室管理员生成，二维码存储信息是教室开机页面的网址，为了确保安全，系统对该网址做了访问权限的控制以及浏览工具的限制。

扫码开机使用对象为全体在职教职工和教室预约审核通过的学生，学生要在预约的教室内并在预约开始时间前后半小时内进行扫码开机。使用钉钉扫描教室开机二维码，如果师生没有使用钉钉扫码，会提示“请使用钉钉扫码开机”。在扫码后，程序自动获取钉钉定位信息、师生在学校通行的账号，先判断师生的定位信息，如果师生定位不在学校内，提示“请在教室内扫码开机”；在定位判断通过后，分析获取账号的权限，如果允许该账号开机则进入开机页面，如果没有通过则提示相应信息。

师生进入扫码开机页面，程序自动获取教室信息，同时展示在页面上。在师生点击“开机”按钮后，程序获取多媒体设备品牌并获取所在校区，根据多媒体设备品牌和所在校区调取对应的开机接口，对所对应的多媒体控制系统发出开机命令完成开机。扫码开机流程如下页图3所示。

图3

（3）自动开启多媒体设备

系统在每节课前10分钟触发自动开启多媒体设备程序，通过数据分析选择当前日期包含该节次课的教室使用信息，如果教室使用信息的使用节次是多节次的，该节次排在第一节，然后根据教室信息选择相应的接口开启多媒体设备。

（4）多媒体设备开启接口

分析目前的多媒体设备集控系统，控制多媒体设备开启的接口有两类，一类是通过Web Socket给集控系统发送开启命令，一类是通过Web API接口集控系统发送开启命令。用户点击“开机”按钮，系统通过Ajax异步调用开启接口，获取用户信息、教室信息和集控系统信息，判断是谁通过什么接口给哪个集控系统推送开启命令，同时开启信息记录到多媒体设备开启日志中。

3.基于HTML5多媒体设备管理

基于HTML5多媒体设备管理主要服务于教室管理人员，使其通过移动端可随时随地管控多媒体设备。主要功能包括：①查看教室多媒体设备的状态；②教室视频监控识别预警；③控制教室多媒体设备的开关机。

笔者分析了各大多媒体集控系统，发现获取中控状态的方式有两种：①通过Web Socket获取；②通过Web API获取。通过教室视频监控识别出教室人数，人数少于规定的数字且多媒体设备处于开启状态，提示该教室多媒体设备状态预警，教室管理员查看预警，并通过视频监控了解教室使用情况及进行相应操作。

●关键技术

系统的核心关键技术主要是二维码识别技术、Web Socket通信技术和人数识别AI。

1.二维码识别技术

QR二维码能储存更多资料信息，并且具有快速信息读取的特征，当下已演变成应用十分广泛的二维码技术类型。[5]二维码生成关键代码如图4所示，其中content为二维码存储的信息。

图4

2.Web Socket通信技术

Html5 Web Socket是基于服务器端和浏览器端间全双工的异步信息技术，通过HTTP/HTTPS协议进行握手后创建一个用于交换数据的TCP连接，再在此连接上进行双向通信（如图5），之后，服务器便可以随时地主动向客户端发送更新数据，不需要客户端的频繁请求。[6]

图5

3.人数识别AI

通过分析教室的视频监控指定区域画面计算出当前人数，目前在该领域中表现较为突出的算法有YOLO、SSD和Faster RCNN等。[7]当统计的教室人数为0时，该教室肯定是没有人在使用，如果该教室的多媒体设备是开启状态，则提示预警信息“*教室人数为0，多媒体设备开启状态！”。教室管理员可较精准获知哪些教室的多媒体设备使用不正常，以便能及时处理。

●结论与展望

本研究利用二维码识别技术、Web Socket通信技术和人数识别AI融合升级现有多媒体设备，实现了扫码开机、自动开机、状态预警、移动端管理等功能，使师生摆脱物理卡的束缚，让管理员可随时随地且更加精准有效地管控多媒体设备。

需要说明的是，目前人数识别AI还有一定的误差，但相信随着AI算法不断改进，教室人数识别精准度也会不断精确，多媒体设备开启状态预警精准度也将不断精确。在后续的研究中，随着技术的发展，将选择恰当的技术应用到本系统，以满足师生和管理人员的新需求，提升多媒体教学环境的服务质量。