智慧教室监控管理架构分析

沈萍萍　王波　戴旭　陆莹

摘要：将传感技术、无线通信技术、数据库技术、Android开发技术等应用于教室监控和教学管理，分析了智慧教室管理系统的整体架构和模块设计方案。实践证明，该系统应用在教室环境参数采集、安防监控、窗帘、风扇、电灯等设备的智能总控、课堂考勤登记、手机移动端查询教室信息、课堂交互等方面，效果良好。

关键词：物联网；智慧教室；监控；管理；架构

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：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

国内各类院校教室主要提供的设备以照明设备、温控设备以及多媒体设备为主，这些设备的使用和管理大都处于粗放的全手工或半手工管理状态，造成一定程度的能源浪费和安全隐患。实际教学中，教师上课必须在教室管理员处获取教室多媒体设备的开关钥匙或IC智能卡，学生使用教室也必须进行实地搜，管理人员更无法查询教室的实时使用状态信息，无法对在该教室上课的学生进行出勤考核等，针对这些问题，课题通过物联网感知和控制技术，整合软硬件设备条件，希望可以实现教室智慧化高效管理的目的。

智慧教室，另外的名词是未来教室或智能教室，其英文名称为Smart Classroom， Future Classroom，Intelligent Classroom。智慧教室概念在国内有多种观点，聂风华等[1]认为智慧教室为教学活动提供智慧应用服务的教室空间及其软硬件装备，陈卫东等[2]认为智能教室是以自然的人机交互为特征，集成高科技软硬件设备，方便对教室的声、光、电等设备进行控制和操作，并能适应远程教学等多种学习方式的增强型教室，可以依靠智能空间技术实现。黄荣怀等[3]认为在传感技术、云计算技术、人工智能等技术充分发展的物联网信息时代，教室应具有情景感知和监控管理功能，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。通过参考文献从不同角度对智慧教室的特征阐述可以发现，国内外共同的研究趋势是关注利用新技术创建、创新教学环境，促进教学资源的个性化呈现、教学效果的多元化展示。智慧教室是教室信息化建设的必然成果，是一种典型的智慧学习环境[4]，课题以物联网技术为背景，阐述智慧教室建设的系统设计思路、系统框架体系。

1 智慧教室管理系统设计思路

教室发展经历了传统教室--电子教室--多媒体教室--数字教室--智慧教室的演变，智慧教室的发展经历了从单一设备智能化到设备控制智能化，最后到教学系统环境智能化这三个阶段[5]。由于每个学校的性质不同，学生的学情不同，因此在设计教室之前，还应考虑具体的实际背景，设计出适合的智慧教室方案和教学应用模式[6]。

以我们高职院校为例，假设教室比较多，教室除了日常上课以外，其余很多时间用于学生的自我学习。总体来说，课题研究的智慧教室管理系统主要实现两个方面的效果：一是教室环境参数感知和设备监控，二是利用移动终端进行交互查询，总之，智慧教室的设计应结合实际背景，应用智慧技术、提供有效的智慧服务、进行有效的智慧管理、最终实现智慧教学的思路[7]。

1.1 教学环境安全舒适

首先通过组建无线传感网，可以感知教室的环境信息，包括温度、湿度、光照度、烟雾等环境监测数据，当温度过高时，自动啟动空调；当光照过暗时，自动打开窗帘，当烟雾达到警戒值时立即报警。

1.2 教室设备方便维护

管理员可以通过管理系统可以远程查询教室设备的状态信息，比如远程监控教室的灯、空调等设备，假如发现教室内没有人员而设备仍开启时可以选择远程将其关闭。另外通过安装的摄像头，可以实现无人监考。

1.3 日常考勤简单易查

教师或学生通过手机APP登录，管理系统显示进入教室的人员信息，管理员可以登录系统查看考勤记录，教师也可以通过管理系统完成点名。教师或学生通过手机可以查看自己的课表和教室的位置，以便第一时间找到教室，管理员也可以第一时间通知公告信息。

1.4 教学互动效果良好

课堂教学中，教师可以分发章节习题，学生可以利用手机移动设备进行答题，教师查看答题情况并标注错误。通过这种教学互动，教师较好地掌握学生学习动态，调整教学内容和进度。

2 智慧教室管理系统架构体系

智慧教室管理系统从低到高可以分为四个层次，分别为：基础感知、网络通信、应用服务、终端交互，如图1所示。

2.1 基础感知层

基础感知层为智慧教室的教学和管理提供必要的物理平台，具体包括： 教室的空调、照明、窗帘等基础设施、多媒体教学设备、教室桌椅、计算机、投影仪、幕布、音箱、话筒、功放、RFID、传感器、摄像头等。

2.2 网络通信层

基础感知层通过Zigbee协议建立无线传感网，获取底层感知数据。网络中的协调器获取传感数据和继电器状态信息并通过串口连接上位机，最终上位机显示接收到的数据，存储在服务器中。IIS服务器通过JSON数据格式实现和移动端的通信。

2.3 应用服务层

用户通过感知数据查询教室环境数据，并根据设置的阈值实现安防报警和设备的联动控制。系统记录用户在线信息，实现考勤点名功能；系统显示教室资产设备状态，管理员可以在线查看教室人员和设备信息，实现教室巡逻。应用服务层为智慧教室教学实施和智能管理等提供信息化公共支撑环境[8]。

2.4 终端交互层

各类用户（包括教师、学生、管理员）、各类终端（包括固网PC、移动端手机、移动端平板电脑）可以通过有线或无线环境连接到服务器，可以查看智慧教室的设备信息和课表情况。课堂教学中，教师和学生之间可以实现互动。

3 智慧教室管理系统应用条件

基于以上设计思路和体系结构开发的智慧教室管理系统分别支持在互联网环境下及本地局域网环境中使用。每个教室的教师机同时作为该教室的服务器。在互联网环境下，教师和学生的移动终端都能够连接互联网，在课堂上的应答活动只需要移动设备即可完成。对于没有连接互联网的环境中，使用本地服务模式需要建立无线网络来支持该系统的运行，管理员可以使用带有WIFI 功能的家用路由器来在课堂中搭建临时的无线网络。

4 结束语

智慧学习环境是当今信息技术发展的必然结果，对教与学的建设改革有着革命性的影响[9]。课题以高职学校教室通用的监控管理需求出发，提出相应的软硬件设计开发思路，但还有待于进一步实践应用。在今后的工作中，我们还需发挥云计算技术支持系统以及各智能终端的功能[10]，实现现实教室与虚拟教室之间的互动，实现教与学资源共享和交流互动，实现正式学习和非正式学习无缝连接[11]。

参考文献：

[1] 聂风华， 钟晓流， 宋述强. 智慧教室：概念特征、系统模型与建设案例[J]. 现代教育技术， 2013（7）：5-8.

[2] 陈卫东， 叶新东， 张际平. 智能教室研究现状与未来展望[J]. 远程教育杂志， 2011（4）：39-45.

[3] 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（2）： 22-27.

[4] 庄思筠. 数字化未来教室之探讨[J]. 国教新知， 2011（3）：30-48.

[5] 锐取智慧录播教室吸引众多参观者[EB/OL]. [2014-10-6]. http：//www.ceiea.com/cpl9290/newsDetail_5687.htm.

[6-7] 张亚珍， 张宝辉， 韩云霞. 国内外智慧教室研究评论及展望[J]. 开放教育研究， 2014（2）：81-91.

[8] 祝智庭. 以智慧教育引领教育信息化创新发展[J]. 中国教育信息化， 2014（9）：4-8.

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

[10] 李玮莹. 云计算架构下的移动学习[J]. 实验室研究与探索， 2013（2）： 236-242.

[11] 叶新东， 陈卫东， 张际平. 未来课堂环境的设计与实现[J]. 中国电化教育， 2014（1）：82-87.