景 琪
(山西工程科技職業(yè)大學(xué),山西 晉中 030619)
智慧教室是日后教學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì),通過對(duì)智慧教室系統(tǒng)的構(gòu)建,將極大地提高教學(xué)效率與管理水平,為現(xiàn)代化教育理念落實(shí)奠定基礎(chǔ)。新時(shí)期,考慮到無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方案成熟,將無線傳感網(wǎng)技術(shù)與智慧教室系統(tǒng)結(jié)合起來,充分發(fā)揮智慧教室系統(tǒng)的使用性能具有可行性。鑒于此,有必要對(duì)智慧教室系統(tǒng)進(jìn)行說明,并做好系統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化。
智慧教室是通過先進(jìn)的無線傳感技術(shù),將學(xué)習(xí)空間、信息技術(shù)與教學(xué)資源整合起來,為學(xué)生營造便利化的學(xué)習(xí)環(huán)境。在智慧教室的建設(shè)中,也考慮探究式學(xué)習(xí)、混合學(xué)習(xí)、翻轉(zhuǎn)課堂、遠(yuǎn)程教學(xué)模塊,對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行深度開發(fā),構(gòu)建集中管理、交流與互動(dòng)為一體的教學(xué)系統(tǒng)。
智慧教室系統(tǒng)也需要以內(nèi)容優(yōu)化作為核心,對(duì)教育資源獲取途徑進(jìn)行拓展,并做好教學(xué)環(huán)境管理,滿足學(xué)生實(shí)時(shí)溝通交流需求。在實(shí)際的教學(xué)過程中,教師應(yīng)利用智慧教師,提高學(xué)生情感體驗(yàn)度。目前,在教學(xué)領(lǐng)域使用的智慧教室模式,能夠提供視覺、聽覺兩種感受,通過對(duì)各種智慧化方案的應(yīng)用,能夠顯著提升教學(xué)工作開展水平,增加學(xué)生對(duì)信息化技術(shù)的理解能力[1]。
在教學(xué)環(huán)境的管理中,基于智慧教室系統(tǒng)的應(yīng)用,能夠?qū)淌噎h(huán)境信息進(jìn)行主動(dòng)識(shí)別,并根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)方案,做好數(shù)據(jù)信息的交互與處理。在對(duì)智慧教室系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí),需要充分考慮大數(shù)據(jù)技術(shù)與智慧管理平臺(tái)的應(yīng)用價(jià)值。在對(duì)教學(xué)環(huán)境資源進(jìn)行管理時(shí),與需要明確系統(tǒng)的構(gòu)成要素,通過做好各種軟件與硬件設(shè)施的升級(jí)。在智慧教室系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中,重點(diǎn)關(guān)注應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層與管理層,通過對(duì)集中管理平臺(tái)的應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)對(duì)各種設(shè)備與教學(xué)環(huán)境資源的優(yōu)化,為智慧化教室系統(tǒng)的可靠應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
在智慧教室系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,應(yīng)使用先進(jìn)無線傳感網(wǎng)技術(shù),并增加計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)技術(shù)應(yīng)用,做好服務(wù)端設(shè)計(jì)。系統(tǒng)應(yīng)提供課堂視頻錄制功能,在前端設(shè)計(jì)中,需要增加編碼器,并充分考慮系統(tǒng)開發(fā)成本和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。在設(shè)計(jì)過程中,也需要確保系統(tǒng)方案符合計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸協(xié)議,將最新的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)與視頻交互技術(shù)應(yīng)用在系統(tǒng)模塊中,使得系統(tǒng)功能更加先進(jìn)完善。
此外,系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要符合教學(xué)實(shí)際要求,為系統(tǒng)配置最新的設(shè)備與管理方案,并對(duì)系統(tǒng)之間的搭配方案進(jìn)行優(yōu)化,以確保系統(tǒng)開發(fā)具有良好的經(jīng)濟(jì)效益[2]。在設(shè)計(jì)中,應(yīng)將管理智能化技術(shù)、錄播技術(shù)、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用在集中管控中,以減少對(duì)不同模塊的多次操作,使得系統(tǒng)操作更加便利,降低系統(tǒng)使用成本。
在系統(tǒng)模塊的設(shè)計(jì)中,有關(guān)人員需要充分考慮其兼容性。例如,在視頻點(diǎn)播功能的設(shè)計(jì)上,要求系統(tǒng)支持各種PC瀏覽器,同時(shí)能夠在Android與IOS系統(tǒng)終端中應(yīng)用,為相關(guān)人員的及時(shí)查看提供便利。系統(tǒng)應(yīng)最大限度支持各種視頻編碼種類,使得前端音頻設(shè)備的兼容性良好,能夠在多種場(chǎng)景模式下應(yīng)用。
對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí),有關(guān)人員考慮了日后系統(tǒng)擴(kuò)容需求,關(guān)注網(wǎng)絡(luò)與視頻技術(shù)的發(fā)展,并預(yù)留了5G應(yīng)用場(chǎng)景,使得系統(tǒng)具有較強(qiáng)的可拓展性。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,相關(guān)概念、技術(shù)與方法的應(yīng)用,不僅關(guān)注設(shè)備自身的結(jié)構(gòu)與性能要求,而且對(duì)技術(shù)的日后發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè),并做好相關(guān)更新與優(yōu)化,使得系統(tǒng)能夠順利通過更新,提升智慧化教室系統(tǒng)運(yùn)行流暢度。
設(shè)計(jì)的智慧化教室系統(tǒng)能夠支持多種類型網(wǎng)絡(luò),并且操作系統(tǒng)界面布置簡單,自動(dòng)化程度較高,能夠?yàn)橄到y(tǒng)使用人員帶來較強(qiáng)的應(yīng)用體驗(yàn)度。系統(tǒng)具有較強(qiáng)的可靠性,能夠在正常使用條件下,滿足用戶提出的功能請(qǐng)求,并且系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性良好,可實(shí)現(xiàn)7×24小時(shí)全天候工作。系統(tǒng)故障率較低,相關(guān)人員對(duì)其進(jìn)行維護(hù)與管理十分方便。
本次智慧教室方案的落實(shí)中,設(shè)計(jì)人員對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化,使得硬件處理能力獲得提升。在系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)上,選取CC2530F256方案作為核心,通過ZigBee協(xié)議,對(duì)節(jié)點(diǎn)密度進(jìn)行管理,由此完成對(duì)數(shù)據(jù)的高速處理?;谏鲜龇桨傅膽?yīng)用,也提升了數(shù)據(jù)負(fù)荷管理水平。為確保系統(tǒng)應(yīng)用可靠性,利用ADC0809轉(zhuǎn)換器將數(shù)據(jù)信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換,通過對(duì)ZigBee數(shù)據(jù)終端的使用,也將數(shù)字量及時(shí)傳遞到控制平臺(tái)上,實(shí)現(xiàn)了數(shù)字量傳輸?shù)念A(yù)期目標(biāo)。
在網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的分析中,重點(diǎn)做好數(shù)據(jù)信息的匯總,并以幀的方式完成數(shù)據(jù)控制,為智慧教室技術(shù)應(yīng)用提供支持。此外,針對(duì)智慧教室系統(tǒng)而言,有關(guān)人員可通過無線網(wǎng)對(duì)節(jié)點(diǎn)信息進(jìn)行整合,通過對(duì)典型技術(shù)框架的建設(shè),能夠更好提供服務(wù),滿足多種工作模式[3]。
隨著無線傳感網(wǎng)技術(shù)發(fā)展,對(duì)智慧教室進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)成為可能。目前,在智慧教師開發(fā)中,使用較為廣泛的操作系統(tǒng)為TinyOS2.0。操作系統(tǒng)有美國加州大學(xué)伯克利分校開發(fā),可將其應(yīng)用在基于事件驅(qū)動(dòng)的多種工作條件中,該系統(tǒng)使用nesC編寫,可支持多種硬件平臺(tái),其中包括mica2,intelmote2,eyesIFXv2,tinynoe等等。nesC語言是以C語言作為基礎(chǔ)的開發(fā)方案,可支持C語言所有的詞法和語法。然而,值得注意的是,為提升系統(tǒng)應(yīng)用可靠性,在該開發(fā)方案中增加了組件Component與接口interface,能夠?qū)﹃P(guān)鍵字進(jìn)行定義,并對(duì)各接口性能進(jìn)行提升,使得操作系統(tǒng)更加流暢,為教學(xué)設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持。
目前,在智慧教室的操作系統(tǒng)中,使用了任務(wù)接口模型,通過該接口方案,可拓展針對(duì)各類型業(yè)務(wù)的語法和語義。一般情況下,任務(wù)接口包括一個(gè)post命令、一個(gè)run事件,對(duì)不同函數(shù)的具體聲明,將由接口模型決定,實(shí)例證明如下:
Interface TaskParameter{async error_t command p-
ostTask(uint16_param);
event void runtasak(unit16_param);}
對(duì)其進(jìn)行調(diào)用的方式如下:Call TaskParameter.postTask(34);//拋出任務(wù)
在任務(wù)接口模式下,任務(wù)執(zhí)行是完整的,能夠做到各業(yè)務(wù)傳輸同步,任務(wù)之間不搶占端口。
在TinyOS操作系統(tǒng)中,存在眾多廣播通信接口,使用accessor和mutator方可對(duì)其進(jìn)行連接訪問,相關(guān)的接口形式如Packet與AMPacket等接口。其中基本的通信接口為AM類型,相關(guān)類型和以太網(wǎng)中幀類型租用存在相似性。在系統(tǒng)操作中,AMsenderC為用戶提供了虛擬廣播,確保每個(gè)用戶可利用該模塊對(duì)教室智慧系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。
通過無線傳感網(wǎng)對(duì)智慧教室系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是優(yōu)化工作模式,并建立與智慧教學(xué)模式作為核心的工作方案,為智慧課堂形成提供支持。目前,由于開發(fā)端口的多樣性,使得智慧教室系統(tǒng)工作模式具有高度選擇性。通過對(duì)不同數(shù)據(jù)接口的調(diào)取與應(yīng)用,能夠?qū)虒W(xué)場(chǎng)景進(jìn)行優(yōu)化,為教學(xué)信息資源的共享提供技術(shù)保障?,F(xiàn)階段,可使用工作模式包括通用型、協(xié)作型、遠(yuǎn)程型與多屏互動(dòng)。
在通用型工作模式下,相關(guān)人員可將教育終端設(shè)備與多個(gè)云平臺(tái)連接起來,并利用單雙投影的教學(xué)方式,對(duì)智慧教學(xué)系統(tǒng)方案進(jìn)行布置,為教學(xué)工作效率提升奠定可靠的技術(shù)支持。協(xié)作型工作模式下,教師通過對(duì)智慧教室的應(yīng)用,可落實(shí)小組教學(xué)方案,使得學(xué)生能夠參與到課堂實(shí)踐活動(dòng)中,極大地提升了學(xué)生之間的互動(dòng)性與合作性。為確保教學(xué)效果達(dá)到滿意標(biāo)準(zhǔn),教育工作者應(yīng)對(duì)PBL教學(xué)模式融到課堂中,使得智慧教室方案更加豐富。在實(shí)際教學(xué)階段,教師也使用了分享型教學(xué)模式,基于無線傳感網(wǎng)技術(shù),對(duì)系統(tǒng)開發(fā)方式進(jìn)行完善,使得多屏互動(dòng)、數(shù)據(jù)共享在課堂教學(xué)中得以實(shí)現(xiàn),極大提升教學(xué)水平。
本方案設(shè)計(jì)的智慧教室系統(tǒng)包括教學(xué)系統(tǒng)、設(shè)備管理系統(tǒng)、錄播系統(tǒng)、智慧考勤、學(xué)情分析與環(huán)境控制。在具體的應(yīng)用過程中,通過對(duì)系統(tǒng)功能模塊的優(yōu)化,能夠提升數(shù)據(jù)信息的處理能力,并且能夠根據(jù)教學(xué)目標(biāo)的變化,對(duì)智慧化教室系統(tǒng)進(jìn)行完善,使得系統(tǒng)功能的適用性良好。例如,在某校智慧教室系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,考慮到學(xué)生考試需求,對(duì)教室環(huán)境進(jìn)行智慧化控制,將傳感器應(yīng)用在系統(tǒng)方案中,根據(jù)教室環(huán)境變化,對(duì)空調(diào)運(yùn)行模式進(jìn)行調(diào)整,實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)溫度、濕度條件的控制,為學(xué)生營造舒適良好的考試環(huán)境。
在智能化教學(xué)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)中,采取了多點(diǎn)觸控、高清液晶顯示方案,并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行集成化控制,重點(diǎn)做好數(shù)據(jù)交互管理,利用任務(wù)接口模式,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行可靠傳輸與共享,使得教學(xué)資源得到高效應(yīng)用。在系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)中,也對(duì)板書、PPT演示和課堂提問等多個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化,并設(shè)計(jì)學(xué)生參與模塊,使得學(xué)生能夠積極主動(dòng)參與到課程實(shí)踐中,使得智慧化教學(xué)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。在學(xué)生課堂參與模塊,設(shè)計(jì)了畫面投屏、動(dòng)態(tài)演示與在線批注等多種演示功能,由此構(gòu)建具有現(xiàn)代化特征的教室,使得學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性獲得提升。
通過智慧教室系統(tǒng),教室能夠?qū)φn堂內(nèi)容進(jìn)行錄制,并根據(jù)學(xué)生實(shí)際需求,對(duì)板書內(nèi)容、交互學(xué)習(xí)場(chǎng)景進(jìn)行調(diào)整,實(shí)現(xiàn)對(duì)教學(xué)資源的有效調(diào)度,相關(guān)教學(xué)方式的應(yīng)用,能夠?yàn)檎n堂教學(xué)效率提升提供幫助。在課堂內(nèi)容錄制中,系統(tǒng)也提供反思與評(píng)價(jià)模式,方便教師全面掌握課堂教學(xué)成果。
在智慧考勤模塊,利用無線傳感網(wǎng)對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行升級(jí),構(gòu)建以深度學(xué)習(xí)算法為主要依據(jù)的考核方案。在實(shí)際考核與管理中,使用無線網(wǎng)連接技術(shù)與信息識(shí)別技,對(duì)課堂考勤進(jìn)行了全面優(yōu)化。例如,在教室出勤管理中,使用人臉生物識(shí)別技術(shù),完成對(duì)學(xué)生考勤情況記錄。教師可根據(jù)考勤結(jié)果提出針對(duì)性改進(jìn)方案,使得教室日常管理水平獲得提升。
在智慧學(xué)情分析上,使用智能監(jiān)控系統(tǒng),對(duì)學(xué)生的課堂行為進(jìn)行捕捉。通過做好學(xué)習(xí)情況分析,能夠幫助教師找出學(xué)生成績落后的課堂因素,并設(shè)計(jì)個(gè)性化解決方案,強(qiáng)化了最新技術(shù)在教室管理中的應(yīng)用價(jià)值,為多元化、個(gè)性化教學(xué)拓展提供支持。
目前,在教室各種設(shè)備的管理中,使用了智慧設(shè)備管控系統(tǒng),在無線傳感網(wǎng)技術(shù)的支持下,開發(fā)了集中管理平臺(tái)。平臺(tái)功能包括遠(yuǎn)程管理、信息收集、數(shù)據(jù)分析、狀態(tài)監(jiān)控與故障報(bào)警。通過對(duì)上述功能的應(yīng)用,使得教室管理朝數(shù)字化與智能化方向發(fā)展[4]。在對(duì)設(shè)備進(jìn)行管理的過程中,有關(guān)人員也利用大數(shù)據(jù)平臺(tái)對(duì)教室信息設(shè)備的運(yùn)行情況進(jìn)行管理,并做好設(shè)備檢修記錄,對(duì)關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用效果進(jìn)行評(píng)估,并構(gòu)建設(shè)備管理與維護(hù)的數(shù)據(jù)庫。
在智慧教室方案的實(shí)現(xiàn)中,有關(guān)人員應(yīng)用光線感應(yīng)元件與溫度、濕度傳感器,對(duì)系統(tǒng)方案進(jìn)行優(yōu)化,構(gòu)建了智慧化教室管理系統(tǒng)。在該方案下,系統(tǒng)能夠根據(jù)獲取的參數(shù)值,對(duì)空調(diào)運(yùn)行工況進(jìn)行調(diào)整,并做好教室溫度與濕度條件統(tǒng)計(jì)工作,使得教師的環(huán)境質(zhì)量達(dá)標(biāo),為學(xué)生營造了良好的學(xué)習(xí)環(huán)境。例如,在空氣環(huán)境質(zhì)量的管理上,有關(guān)人員充分利用CO2智能感知模塊,對(duì)空氣中有害顆物質(zhì)、PM2.5進(jìn)行檢測(cè)識(shí)別,并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果,對(duì)環(huán)境條件進(jìn)行調(diào)整,以最大程度發(fā)揮智慧教室系統(tǒng)的應(yīng)用價(jià)值。此外,在系統(tǒng)的應(yīng)用過程中,也使用智慧護(hù)眼模式,對(duì)教室內(nèi)的光源進(jìn)行調(diào)整,并根據(jù)外界明暗程度對(duì)光源的亮度進(jìn)行調(diào)整,由此為學(xué)生提供優(yōu)質(zhì)教師環(huán)境條件。
在構(gòu)建智慧教室系統(tǒng)中,需要對(duì)系統(tǒng)工作環(huán)境進(jìn)行優(yōu)化,將傳感器模塊應(yīng)用在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,實(shí)現(xiàn)智能化管理的目標(biāo)。具體設(shè)計(jì)思路如下:對(duì)智慧教室系統(tǒng)方案進(jìn)行調(diào)整,關(guān)注教學(xué)環(huán)境資源可靠性,設(shè)計(jì)光線識(shí)別系統(tǒng),根據(jù)室內(nèi)光線的明暗程度,判斷是否需要啟動(dòng)照明裝置。同時(shí)將溫度感應(yīng)裝置應(yīng)用在環(huán)境質(zhì)量檢驗(yàn)中,當(dāng)系統(tǒng)識(shí)別到室內(nèi)濕度條件與實(shí)際要求不符合時(shí),會(huì)自動(dòng)控制空調(diào)裝置。
此外,在系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)中,利用生物識(shí)別技術(shù),在無線傳感網(wǎng)的技術(shù)框架內(nèi),優(yōu)化了人臉識(shí)別技術(shù),由此完成對(duì)教師職工與學(xué)生考勤情況的記錄,并根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)完成考核。采用人臉識(shí)別技術(shù)對(duì)智慧教室系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化后,也顯著提升了安全管理能力,可對(duì)進(jìn)出教室的人員進(jìn)行控制?;谏鲜黾夹g(shù)手段的應(yīng)用,使得智慧教室系統(tǒng)的應(yīng)用性能提升,不僅能夠?qū)崿F(xiàn)無線傳輸目標(biāo),而且為信息資源的高效處理奠定基礎(chǔ),使得新時(shí)期教室智慧化管理成為可能。
為充分發(fā)揮智慧化教室系統(tǒng)的應(yīng)用價(jià)值,確保系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性,有關(guān)人員需要利用最新的技術(shù)手段,對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)與管理。例如,將無線傳感網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用在管理實(shí)踐中,構(gòu)建以無線網(wǎng)為核心的系統(tǒng)維護(hù)方案,對(duì)其中存在的系統(tǒng)漏洞與安全隱患進(jìn)行識(shí)別,并做好處理,使得系統(tǒng)安全性得以提升。在教室智慧化管理的過程中,對(duì)溫度傳感裝置進(jìn)行維護(hù),對(duì)存在的識(shí)別不靈敏、錯(cuò)誤指示相關(guān)問題進(jìn)行調(diào)整。同時(shí),也對(duì)智慧教室系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸方案進(jìn)行優(yōu)化,對(duì)教室的環(huán)境資源進(jìn)行可靠分析,優(yōu)化了環(huán)境處理模式,使得教室系統(tǒng)的應(yīng)用性能達(dá)到滿意標(biāo)準(zhǔn)。
同時(shí),系統(tǒng)的操作環(huán)境進(jìn)行了優(yōu)化,使得操作更加流暢。在實(shí)際優(yōu)化操作中,在標(biāo)準(zhǔn)的TinyOS操作系統(tǒng)中,對(duì)各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了優(yōu)化。例如,在通信節(jié)點(diǎn)上,設(shè)置了JAVA環(huán)境變量,并構(gòu)建PC與傳感器之間的網(wǎng)絡(luò)通信橋梁。在操作系統(tǒng)的優(yōu)化方面,也對(duì)串口數(shù)據(jù)格式進(jìn)行嚴(yán)格要求,利用MIG工具對(duì)串口數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理。經(jīng)過優(yōu)化后的數(shù)據(jù)串口,能夠滿足多個(gè)程序模塊同時(shí)運(yùn)行的需求,即操作人員打開一個(gè)系統(tǒng)功能鏈接,可使多個(gè)應(yīng)用程序同時(shí)經(jīng)過TCP/IP Stream,并建立起與應(yīng)用程序之間的可靠連接關(guān)系。
通過對(duì)系統(tǒng)軟件與硬件環(huán)境的優(yōu)化,能夠提升系統(tǒng)的應(yīng)用性能,使得智慧教室模式的應(yīng)用更加安全可靠。在實(shí)際的使用環(huán)節(jié),有關(guān)人員應(yīng)不斷關(guān)注技術(shù)發(fā)展趨勢(shì),最新的技術(shù)方案應(yīng)用在系統(tǒng)維護(hù)中,以切實(shí)提升智慧化教室應(yīng)用能力。研究指出,目基于無線傳感網(wǎng)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行構(gòu)建,產(chǎn)生的效果顯著,能夠最大程度發(fā)揮智慧教室應(yīng)用效果。
綜上,本文總結(jié)了無線傳感網(wǎng)技術(shù)在智慧教室中的應(yīng)用思路,以智慧教室系統(tǒng)的構(gòu)建作為研究出發(fā)點(diǎn),說明在智慧教室系統(tǒng)構(gòu)建中,需要堅(jiān)持實(shí)用性、兼容性與可拓展性原則。通過做好操作系統(tǒng)開發(fā)、任務(wù)接口與工作模式優(yōu)化等多種途徑,使得系統(tǒng)應(yīng)用性能良好。