沈萍萍　王波　戴旭　陸瑩

摘要：將傳感技術、無線通信技術、數據庫技術、Android開發(fā)技術等應用于教室監(jiān)控和教學管理，分析了智慧教室管理系統(tǒng)的整體架構和模塊設計方案。實踐證明，該系統(tǒng)應用在教室環(huán)境參數采集、安防監(jiān)控、窗簾、風扇、電燈等設備的智能總控、課堂考勤登記、手機移動端查詢教室信息、課堂交互等方面，效果良好。

關鍵詞：物聯網；智慧教室；監(jiān)控；管理；架構

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）30-0213-02

Study on Intelligent Classroom Monitoring and Management under Internet of Things

SHEN Ping-ping， WANG Bo， DAI Xu， LU Ying

（Suzhou Vocational University， School of Computer Engineering， Suzhou 215104， China）

Abstract： Technologies， such as sensor， wireless communication， database， Android etc.， were applied in classroom monitoring and management. The holistic framework and module design of intelligent classroom management system was analyzed. Practical application verified that this system has good efficiency in collection of classroom environment parameters， safety monitoring， intelligent control of facilities such as curtains， fans and lights， class attendance record， information inquiry via mobile phone， classroom interaction etc.

Key words：Internet of Things； intelligent classroom； monitoring； management； framework

國內各類院校教室主要提供的設備以照明設備、溫控設備以及多媒體設備為主，這些設備的使用和管理大都處于粗放的全手工或半手工管理狀態(tài)，造成一定程度的能源浪費和安全隱患。實際教學中，教師上課必須在教室管理員處獲取教室多媒體設備的開關鑰匙或IC智能卡，學生使用教室也必須進行實地搜，管理人員更無法查詢教室的實時使用狀態(tài)信息，無法對在該教室上課的學生進行出勤考核等，針對這些問題，課題通過物聯網感知和控制技術，整合軟硬件設備條件，希望可以實現教室智慧化高效管理的目的。

智慧教室，另外的名詞是未來教室或智能教室，其英文名稱為Smart Classroom， Future Classroom，Intelligent Classroom。智慧教室概念在國內有多種觀點，聶風華等[1]認為智慧教室為教學活動提供智慧應用服務的教室空間及其軟硬件裝備，陳衛(wèi)東等[2]認為智能教室是以自然的人機交互為特征，集成高科技軟硬件設備，方便對教室的聲、光、電等設備進行控制和操作，并能適應遠程教學等多種學習方式的增強型教室，可以依靠智能空間技術實現。黃榮懷等[3]認為在傳感技術、云計算技術、人工智能等技術充分發(fā)展的物聯網信息時代，教室應具有情景感知和監(jiān)控管理功能，能優(yōu)化教學內容呈現、便利學習資源獲取、促進課堂交互開展。通過參考文獻從不同角度對智慧教室的特征闡述可以發(fā)現，國內外共同的研究趨勢是關注利用新技術創(chuàng)建、創(chuàng)新教學環(huán)境，促進教學資源的個性化呈現、教學效果的多元化展示。智慧教室是教室信息化建設的必然成果，是一種典型的智慧學習環(huán)境[4]，課題以物聯網技術為背景，闡述智慧教室建設的系統(tǒng)設計思路、系統(tǒng)框架體系。

1 智慧教室管理系統(tǒng)設計思路

教室發(fā)展經歷了傳統(tǒng)教室--電子教室--多媒體教室--數字教室--智慧教室的演變，智慧教室的發(fā)展經歷了從單一設備智能化到設備控制智能化，最后到教學系統(tǒng)環(huán)境智能化這三個階段[5]。由于每個學校的性質不同，學生的學情不同，因此在設計教室之前，還應考慮具體的實際背景，設計出適合的智慧教室方案和教學應用模式[6]。

以我們高職院校為例，假設教室比較多，教室除了日常上課以外，其余很多時間用于學生的自我學習?？傮w來說，課題研究的智慧教室管理系統(tǒng)主要實現兩個方面的效果：一是教室環(huán)境參數感知和設備監(jiān)控，二是利用移動終端進行交互查詢，總之，智慧教室的設計應結合實際背景，應用智慧技術、提供有效的智慧服務、進行有效的智慧管理、最終實現智慧教學的思路[7]。

1.1 教學環(huán)境安全舒適

首先通過組建無線傳感網，可以感知教室的環(huán)境信息，包括溫度、濕度、光照度、煙霧等環(huán)境監(jiān)測數據，當溫度過高時，自動啟動空調；當光照過暗時，自動打開窗簾，當煙霧達到警戒值時立即報警。

1.2 教室設備方便維護

管理員可以通過管理系統(tǒng)可以遠程查詢教室設備的狀態(tài)信息，比如遠程監(jiān)控教室的燈、空調等設備，假如發(fā)現教室內沒有人員而設備仍開啟時可以選擇遠程將其關閉。另外通過安裝的攝像頭，可以實現無人監(jiān)考。

1.3 日?？记诤唵我撞?/p>

教師或學生通過手機APP登錄，管理系統(tǒng)顯示進入教室的人員信息，管理員可以登錄系統(tǒng)查看考勤記錄，教師也可以通過管理系統(tǒng)完成點名。教師或學生通過手機可以查看自己的課表和教室的位置，以便第一時間找到教室，管理員也可以第一時間通知公告信息。

1.4 教學互動效果良好

課堂教學中，教師可以分發(fā)章節(jié)習題，學生可以利用手機移動設備進行答題，教師查看答題情況并標注錯誤。通過這種教學互動，教師較好地掌握學生學習動態(tài)，調整教學內容和進度。

2 智慧教室管理系統(tǒng)架構體系

智慧教室管理系統(tǒng)從低到高可以分為四個層次，分別為：基礎感知、網絡通信、應用服務、終端交互，如圖1所示。

2.1 基礎感知層

基礎感知層為智慧教室的教學和管理提供必要的物理平臺，具體包括： 教室的空調、照明、窗簾等基礎設施、多媒體教學設備、教室桌椅、計算機、投影儀、幕布、音箱、話筒、功放、RFID、傳感器、攝像頭等。

2.2 網絡通信層

基礎感知層通過Zigbee協議建立無線傳感網，獲取底層感知數據。網絡中的協調器獲取傳感數據和繼電器狀態(tài)信息并通過串口連接上位機，最終上位機顯示接收到的數據，存儲在服務器中。IIS服務器通過JSON數據格式實現和移動端的通信。

2.3 應用服務層

用戶通過感知數據查詢教室環(huán)境數據，并根據設置的閾值實現安防報警和設備的聯動控制。系統(tǒng)記錄用戶在線信息，實現考勤點名功能；系統(tǒng)顯示教室資產設備狀態(tài)，管理員可以在線查看教室人員和設備信息，實現教室巡邏。應用服務層為智慧教室教學實施和智能管理等提供信息化公共支撐環(huán)境[8]。

2.4 終端交互層

各類用戶（包括教師、學生、管理員）、各類終端（包括固網PC、移動端手機、移動端平板電腦）可以通過有線或無線環(huán)境連接到服務器，可以查看智慧教室的設備信息和課表情況。課堂教學中，教師和學生之間可以實現互動。

3 智慧教室管理系統(tǒng)應用條件

基于以上設計思路和體系結構開發(fā)的智慧教室管理系統(tǒng)分別支持在互聯網環(huán)境下及本地局域網環(huán)境中使用。每個教室的教師機同時作為該教室的服務器。在互聯網環(huán)境下，教師和學生的移動終端都能夠連接互聯網，在課堂上的應答活動只需要移動設備即可完成。對于沒有連接互聯網的環(huán)境中，使用本地服務模式需要建立無線網絡來支持該系統(tǒng)的運行，管理員可以使用帶有WIFI 功能的家用路由器來在課堂中搭建臨時的無線網絡。

4 結束語

智慧學習環(huán)境是當今信息技術發(fā)展的必然結果，對教與學的建設改革有著革命性的影響[9]。課題以高職學校教室通用的監(jiān)控管理需求出發(fā)，提出相應的軟硬件設計開發(fā)思路，但還有待于進一步實踐應用。在今后的工作中，我們還需發(fā)揮云計算技術支持系統(tǒng)以及各智能終端的功能[10]，實現現實教室與虛擬教室之間的互動，實現教與學資源共享和交流互動，實現正式學習和非正式學習無縫連接[11]。

參考文獻：

[1] 聶風華， 鐘曉流， 宋述強. 智慧教室：概念特征、系統(tǒng)模型與建設案例[J]. 現代教育技術， 2013（7）：5-8.

[2] 陳衛(wèi)東， 葉新東， 張際平. 智能教室研究現狀與未來展望[J]. 遠程教育雜志， 2011（4）：39-45.

[3] 黃榮懷， 胡永斌， 楊俊鋒， 等. 智慧教室的概念及特征[J]. 開放教育研究， 2012（2）： 22-27.

[4] 莊思筠. 數字化未來教室之探討[J]. 國教新知， 2011（3）：30-48.

[5] 銳取智慧錄播教室吸引眾多參觀者[EB/OL]. [2014-10-6]. http：//www.ceiea.com/cpl9290/newsDetail_5687.htm.

[6-7] 張亞珍， 張寶輝， 韓云霞. 國內外智慧教室研究評論及展望[J]. 開放教育研究， 2014（2）：81-91.

[8] 祝智庭. 以智慧教育引領教育信息化創(chuàng)新發(fā)展[J]. 中國教育信息化， 2014（9）：4-8.

[9] 未來的課堂： 顛倒的教室[EB/OL]. [2014-10-6].http：//www.jyb.cn/ad news/201110/t201110_456993.html.

[10] 李瑋瑩. 云計算架構下的移動學習[J]. 實驗室研究與探索， 2013（2）： 236-242.

[11] 葉新東， 陳衛(wèi)東， 張際平. 未來課堂環(huán)境的設計與實現[J]. 中國電化教育， 2014（1）：82-87.