互联网+时代基于物联网云计算构建智能教学环境设计与实现

孔晓荣

摘要：物联网技术和云计算技术的广泛应用，有力促进了高等院校智慧校园的迅速发展。在构建智能化教学环境中，智慧教室是重点建设，通过运用物联网技术和虚拟云桌面技术将智慧教室构建成一个具有智能感知与识别、实时监控、智能考勤、课堂教学监督、教学资源存储与共享等诸多功能的智能教学环境。为高校师生构建了一个综合全面的感知及智能管理一体化的教学云平台，实现了智慧教学与智慧管理新型的教育模式，对极大提升学校的教育信息化水平具有十分重要的意义。

关键词：物联网；虚拟化技术；云计算；智能教学环境；智慧教室；

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）29-0269-03

Abstract：The wide application of Internet of things and cloud computing technology has promoted the rapid development of intelligent campus in colleges and universities.In the construction of intelligent teaching environment， wisdom classroom is the key construction.By using the technology of Internet of things and virtual cloud desktop technology， the intelligent classroom is constructed into an intelligent teaching environment with many functions， such as intelligent perception and recognition， real-time monitoring， intelligent attendance， classroom teaching supervision， storage and sharing of teaching resources， and so on. A teaching cloud platform with comprehensive perception and intelligent management is constructed for teachers and students in colleges and universities. The new educational model of wisdom teaching and wisdom management has been realized. It is of great significance to greatly improve the level of educational informatization in universities.

Key words：Internet of things；virtualization technology；cloud computing；intelligent teaching environment；wisdom classroom

1引言

李克强总理在2015年政府工作报告中提出了发展“互联网+”时代蓝图规划，在社会各个领域大力推动发展移动网络技术、物联网、云计算、大数据、人工智能等新技术的应用，增强国家科研技术实力，为国家经济和科技等各方面建设提供坚实的技术基础。

在“互联网+”时代里，将新技术融合应用到基础教育及高等教育也是必然的趋势，要建立新型的教育形态，改变和更新传统教育理念，提高教学环境的硬件设施和软件配套技术，使之变为智能教学环境。实现教学资源云共享平台，切实提高教学质量和教学管理水平，真正实现智慧校园的发展规划，这一切都需要物联网、云技术、大数据及人工智能等新技术的支持和应用才能实现。

2 物联网技术在高等院校智能教学环境中的应用

2.1 智能教学环境在高校中的需求分析

据教育部统计，截至2016年5月国内高校数量位居世界第二，在校的大学生人数近3700多万，位居世界第一。我国高等教育规模巨大，但是校园教育教学环境却不容乐观，目前大多数高校仍然教学观念落后，教学设施陈旧，即使有先进的教学方法，却奈何整体校园教学环境没有达到信息化水平，因而无法实现交互式教学、个性化教学等各种先进教学模式，教学管理处于落后低级水平，教学资源共享更无从谈起。还有一些高校，为了实现教育信息化和智慧校园，动用大量资金购置新的教学设施，学校硬件设施条件比较齐备，却没有很好地应用新技术构建教学的软件环境，新教学设施仍然不能被高效利用和管理，无法实现智能化教学环境的目标。因此运用物联网、云技术和大数据等前沿技术架构智能教学环境是非常必要的，刻不容缓的发展趋势。

2.2利用物联网构建智能教学环境主要功能设计

目前，物聯网技术已经发展得比较成熟，而物联网实现的核心是物物相连。在大学校园中，通过运用物联网技术，将教学环境中的每个需要相连的教学硬件设施与网络连通，利用物联网的各类传感设备以及嵌入式系统，实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种高效能的网络教学环境。在智能教学环境中每个物体具备了连通性、嵌入性以及智能化的特性，为在校师生打造了一个综合全面的感知及智能一体化的教学服务平台，从而实现智慧教学及智能教学管理的目标。

大多数高等院校目前都是采用多媒体教室，所谓多媒体教室就是采用多种媒体技术其中既包括硬件设施又包括软件配套整合而成的教学环境，主要有计算机、投影仪、投影屏、主控台、音响、有线网络或无线网络等硬件设备以及相配套的软件系统，多媒体教室的广泛应用距今已有二十多年的时间，随着计算机技术的迅速发展，多媒体教室的应用性能在不断地改善和发展。如今将物联网和云计算、大数据技术应用到以往的多媒体教室，会使多媒体教室的建设进程发生一次质的飞跃。

智能教学环境的核心构成是智慧教室，这里主要阐述架构智慧教室的基本功能。在建设智慧教室过程中主要完成以下几个方面的功能设计需求：

1）主要功能设计

系统主要包括：在原有网络（有线或无线网络）基础上重新进行综合布线，部署物联网感知系统和嵌入式系统，布置监测与安全系统，常态录播系统，视频信号采集及存储系统，设备一体化管控系统、共享云平台系统以及相关服务器等。

2）软件功能扩展设计

在软件功能方面主要实现物联网感知系统和嵌入式系统的功能，即运用物联网技术能够让智能化教学环境里的每种设备都具有连通、嵌入与智能的特性，能够及时采集教室环境参数，通过网络对教室的相应设备进行远程管理和操作。还能够及时采集教室中教师授课与学生学习的各种相关信息，架构具有全面智能并感知的教学学习平台。除此之外，另一个要实现的重要功能就是利用物联网系统收集信息数据之后，依靠先进的云计算来分析和处理数据，提供教学资源共享，支持个性化教学，推动MOOC课、翻转课堂等交互式、多元化教学模式的发展。还可以进一步在云计算的基础上，充分利用大数据技术对教学质量和教学体系进行详细统计和分析，为高校提供可贵的教学质量评估数据，为提升学校的教学质量和信息化建设奠定好坚实的技术基础，因此软件功能实现非常重要。

2.3 物联网技术感知与智能处理功能的具体应用

1）教室设施的智能管控应用

智慧教室内安装各类传感器设备，用来感知和采集教室内环境信息。例如感知教室内灯光光照强度、室内湿度和温度等信息并采集相关数据，能够远程智能控制教室内窗帘、灯光、空调、门窗及电源等设备，实时调整设备状态保证正常运行。还可以采用射频识别技术RFID对教室教学设备贴上标签，掌握每个设备的基本信息，便于固定资产的管理，当设备出现问题或发生故障时能够及时响应得到处理，如果设备被移到智慧教室之外时还会及时发出报警信号，确保设备的安全。

2）师生考勤制度管理中的应用

高等院校师生考勤制度是教学管理中重要组成之一，上课期间学校要检查教师是否准时上课，对违反学校上课考勤制度的教师要做出相关处理。但考勤制度的监督与执行需要花费许多人力和精力；学生上课考勤也是评测学生表现的重要指标之一，如果学生考勤情况需要用点名方式来检查，也会花费许多时间和精力，甚至会影响教学时间，效率太低。而通过物联网技术应用就可以建立高效机制的考勤系统，例如学校可为每位师生发一张射频识别（RFID）标签卡，标签里存有教师和学生基本信息，每个智能教室都有门禁系统，当师生进入教室时读卡器可以采集师生信息，并上传到服务器，服务器在考勤系统中对比学生的考勤记录，既而统计出考勤数据。门禁系统还可以设置权限，只允许指定时间在此教室上课的师生刷卡进入，并实时记录教室开关门时间和人员流动信息，建立高效的智能化的师生考勤系统，这样就节省了大量人力物力，实现了对师生的智能考勤。如果把射频识别RFID电子标签集成到师生的校园一卡通系统中，就可以真正实现“一卡在手，走遍校园”的应用。

3）物联网在智慧教室智能感知中的应用

应用物联网技术，学校师生可以通过电脑、手机等电子设备随时通过网络访问智慧教室，行政管理人员可以随时管控智慧教室内装有传感器和嵌入系统的设备，并能实时监控教室的一切动态情况，及时响应和处理实时状况，同时将采集的视频数据上传存储到相关服务器中，以便日后需要观看时随时调用。学生可以通过网络随时访问智能教室的人员动态情况，快速确定要去自习的教室。

3虚拟云桌面技术构建智能教学环境设计实现

虚拟云桌面技术汇集了虚拟化技术和云存储计算的特性，利用数据中心云计算服务器以及桌面虚拟化技术，借助云桌面平台实现教学资源的统一管理和调度，大大节省了建设智能教学环境的硬件成本，教师和学生可以通过任意一台电脑或手机，使用自己的用户名和密码登录之后随时访问教学资源，为教师教学工作和学生学习课程提供了极大的便利条件。

具体实现为：通过在学校网络中心建立私有云方式，为智能教学环境提供云存储计算服务，云计算服务器运行在学校建立的私有云端，采用Open Stack开源云计算管理平台作为云操作系统，Open Stack可以通过互补服务提供云基础设施服务（IaaS）的解决方案，将底层存储计算等设施形成计算资源池进行统一管理调度，然后通过网络面向智能教学环境提供云存储计算服务。虚拟化云桌面技术实现的主要设备是云计算服务器，云计算系统通过将应用与数据集中到云服务器集群中，实现智能教学环境中教学过程的统一管理和监控。

同时，云计算系统为教师提供个性化定制授课服务，教师能够在分配给自己的虚拟系统空间中安装授课所需的各类软件和教学资源，在授课时无论在智能教学环境中的哪个教室都能随时调取出自己所需的专用软件和教学资源，无需在授课教室的电脑里提前安装专有软件和教学资源，也不再受教学硬件环境条件的限制，还可以随时上网。例如教师在播放大容量视频时经常由于教学环境制约或网络速度原因出现卡屏等影响教学效果的现象，而通过虚拟化云桌面技术，不再有此类现象出现，很好地保障了教学课堂效果，还显著降低了教学设备使用和維护成本。在另一方面，学生也可以充分利用虚拟云桌面寻找自己所需教师的教学资源，复习和巩固教师所讲的课程内容，不仅仅只能靠抄笔记或者复制教师的课件来学习课程，而是可以随时浏览教师某一时间的视频讲课内容，对学生学习课程提供了极大的便利。另外，还可以进行师生互动交流，课堂提问与及时回复，更好地促进了翻转课堂教学、交互式教学等先进教学模式的推行。

图中最高层为云计算服务器中的操作系统池，可以包含多种操作系统软件包，操作系统推送器的功能是将各个操作系统软件包由服务器推送到客户机，这种推送方式通过国际互联网（Internet）或者学校局域网形式进行传输，当操作系统包传送到客户机后，由操作系统执行器或虚拟机执行，进而驱动各计算机硬件。智能教室里的教师授课用计算机的操作系统是采用虚拟云桌面技术在云计算服务器端安装了所需的各应用系统镜像，然后通过服务器网络推送方式传到各教师机虚拟桌面，所有教师客户机通过网络启动开机后由云计算服务器推送操作系统与服务。

物联网和虚拟云桌面技术的应用，可以在教学环境中达到真实空间与虚拟学习空间的有效结合，能够形成更好的真实加虚拟互动的智能教学环境，例如在实验室教学环境中，可以利用物联网技术构建一个模拟实验室，让学生在模拟的环境中感受到真实的场景，如医学传感物联网实验室，可以模拟传感监控输液过程，实现脉搏、血压、血率等数据的传感测量并监控记录变化的数据。利用云服务器可以模拟远程医疗监控系统的运行，学生可以全方位地观察和记录整个实验过程，使学生仿佛身处真实场景之中，从而极大地调动了学生的学习积极性和主动性，也为教师提供了非常好的辅助教学环境。还可以利用网络虚擬仿真功能在网上运行应用系统，能够解决并弥补因实验经费不足无法购买昂贵的实验设备而造成的实验短缺现象，对提高高校专业课程教学质量水平提供强有力的技术支持。

4 结束语

在“互联网+”时代里，充分利用物联网、云计算及大数据等前沿新技术，将其融合到高等院校教育信息化建设中，构建智能教学环境，实现教学资源真正的共享平台，为师生营造更好的教学和学习环境，在智能教学环境中，智慧教室的建设尤为重要，而物联网技术把智慧教室里所有教学硬件通过传感元件及嵌入系统，实现了智能感知与识别、实时监控、智能考勤、课堂教学监督、教学资源存储与共享等诸多功能的智能教学环境。在虚拟化云计算技术的基础上，为高校师生构建了一个综合全面的感知及智能一体化的教学环境，形成一种管理者与师生之间无缝衔接的教学环境生态圈，实现智慧教学与智慧管理新型教育模式。对显著提升学校教学和管理质量以及改善教学环境具有非常重要的意义。

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