基于云平台下的高校智慧教室的设计研究

吴炳志

摘要：该文从构建高校智慧教室系统的实践意义入手，随即探讨了高校智慧教室系统的设计原则，并以此为主要依据，进行高校智慧教室教学系统的设计，文中共进行了五个方面的探讨和研究：一是高校智慧教室系统的总体设计;二是高校智慧教室系统的整体架构设计;三是高校智慧教室系统软件架构的设计;四是高校智慧教室系统的其他设计;五是高校智慧教室系统的实现。

关键词：云平台;高校智慧教室系统;总体架构;设计与实现

中图分类号：TP311      文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2020）32-0090-03

随着云计算、物联网技术的快速发展，人们所处的社会环境、工作环境等都发生了巨大的变化。智慧城市、智慧交通、智慧生活等时代的特有产物，正在悄然无声地改变着人们的生活方式。即使在神圣的教育领域也是一样，过去那种传统的教学模式，正伴随着物联网技术的普遍应用，被适应时代发展的“智慧教室”模式所取代。智慧教室的教学模式，作为科学技术和时代发展的产物，在高校的教学实践中很受学生欢迎，教学的效果也很显著。为了更好地巩固、发展好这一模式，本文基于在云平台下，对高校智慧教室系统的设计与实现做进一步探讨和研究。

1 构建高校智慧教室系统的实践意义

建立高校智慧教室的实践意义在于：首先，可以创新教学模式，促进教学改革，提高教学质量，推进和拓展优质教学资源的推广和应用。其次，通过智慧教室系统，可以让教者体会到学与教的快乐，让学者通过对话与互动，感觉到学习的乐趣。所谓教者学与教的快乐，就是老师在制作课件的课程中，首先自己要学习新知识，然后才能享受教人的乐趣;所谓学者对话与互动的乐趣，就是说学生通过相互之间的对话，或学生与老师之间的对话，可以起到相互促进，取长补短的作用。再次，可以将传统的教学方法和智能的教学流程加以结合和创新，搭建一个以学生、老师互动教学为核心要素，以智慧教室技术为支撑，以物联网信息技术为特征的智慧教室教学系统。不仅实现了优质资源的信息共享，而且还实现了教学质量的全面提高[1]。

2 高校智慧教室系统的设计原则

高校智慧教室系统的设计原则有三：一是完备性原则。就是要根据高校智慧教室教学的业务需求，来进行最完备的设计，从而实现教学质量的有效提升;二是安全性原则。综合考虑可能会出现的种种情况后，再对系统进行设计，以确保其安全性和可靠性;三是规范化与标准化原则。在智慧教室系统的构建与设计上，无论是硬件系统，还是软件系统，均要与国家相关标准和行业相关标准相符合，均要符合相关的验收规范和标准[2]。

3 高校智慧教室教学系统的设计与实现

3.1 高校智慧教室系统的总体设计

3.1.1 高校教室系统总体功能的设计

教室系统的总体功能有：知识、安全、考试、学习四种管理功能以及功能设备列表、学员中心、和查询统计等七项[3]。其中：知识管理主要包括：知识推荐、知识地图和知识内容管理等;安全管理主要包括：用户、角色、系统、部门、职位、日志等;设备列表有：视频监控、控制系统、环境系统、门禁考勤、安防系统以及音频系统等;学员中心主要包括：知识中心、考试中心、学习中心和个人档案等;考试管理主要包括：考试结果、考试管理、题库管理和试卷管理等;学习管理主要包括：学习结果、学习过程监控、选课管理、测验管理和课程管理等;查询统计主要包括：考试结果查询、个人学习情况分析查询、课程学习情况分析查询等[4]。具体可详见图1所示。

3.1.2 高校智慧教室系统的整体架构设计

对于该系统的整体架构设计，共涵盖三个结构部分，第一部分为平台总体结构，第二部分为主端结构，第三部分为子端结构。该教学系统为物联网技术应用系统，分布式无线系统以及光载无线交换机是其主要的核心组成结构。其全部设备系统的接入方式共包括两种，一种为智能网关有线接入，另一种为标准Wi-Fi模块无线接入。

1）综合平台总体结构的设计

综合平臺总体结构的设计方式为堆叠构建方式。具体分布是：子端平台在下层，二级主端平台在中层，一级主端平台在上层[5]。

2）智慧教室的主端结构设计

智慧教室系统的平台主端由应用工作站/维护/调度以及Web服务器/流媒体/数据库/前置通信等，通过网络交换机进行连接并接入各设备子系统数据。

3）智慧教室的子端结构设计

智慧教室系统的子端由智能接入，涉及的结构较多，如子端平台软件、网关、光载无线以及音视频系统等。其中，音视频系统相对独立，光载无线交换机可用Wi-Fi方式接入设备终端。

3.1.3 高校智慧教室系统软件架构的设计

实际设计过程中，其宗旨为面向服务对象，极大程度上满足用户的跨平台需求，灵活配置模块。本文设计分为接口适配层、数据处理层、功能应用层和数据表示层等[6]。具体详见图2所示。

3.1.4 高校智慧教室系统软件的组成

高校智慧教室平台系统的软件组成主要有：操作系统、数据采集软件、进程管理软件、维护管理软件、系统图形软件、调度监控软件、报表软件、系统安全软件、值班日志软件、故障管理软件、远程诊断软件、数据库软件等。

3.2 高校智慧教室系统的功能设计

智慧教室系统的功能，本文结合智慧教学的建设实际，主要考虑了两个方面的功能设计：一是智慧教室系统主要模块方面。包括内容有：设备列表模块（主要提供音频、控制、安防、环境、门禁和视频监控等子功能）、知识管理模块（内容有知识内容、知识推荐、知识地图）、安全管理模块、学习管理模块、部门管理模块等;二是智慧教室系统其他功能模块方面。主要有获取知识库信息模块和远程控制试卷访问模块两大功能。

3.3 智慧教室系统的数据库设计

本系统用来存储信息的为MysQL数据库。该数据库中的所有信息都存放在一个文件中，无论是管理还是维护都极为方便，更为方便的是，还可以在多个进程的同一时间，从统一数据库进行读取，并能独占锁定和确保安全。从教学业务流程的实际考虑，本设计创建的数据库表主要有：学习信息表、用户登录信息表、监测数据记录表、告警信息记录表、设备信息记录表、考试信息表以及知识库信息表等，基本包括了所有的功能模块。

3.4 高校智慧教室系统的其他设计

本文所指高校智慧教室系统的其他设计主旨：一是照明通风的接入。主要包括采用智能控制器的幕布、电动窗帘、抽风机、灯光等，智能控制器通过网关接入;二是门禁考勤接入。门禁考勤器分在线和脱机两种：在线状态时，主机中可以接收到通过控制器传过来的门状态以及刷卡信息，同时，还能对各出入口的人员进出情况进行实时监控。当主机因故障中断时，门禁控制器可脱机将有关信息存储在控制器上，以便备查;三是空调系统的接入。共分为两种情况，第一种情况，若为智能空调，可以按照供应商提供的通讯规约直接转换即可。如是非智能空调则需先采集空调的信息数据，然后，再通过RS-485或UuFi接口将相关数据接入智慧教室教学系统;四是环境系统的接入。主要包括光照亮度检测、温湿度检测、二氧化碳检测等;五是音频系统的接入。主要包括话筒、音频处理器、中央控制主机、功放机、音箱以及数字/模拟调音台等;六是視频监控的接入。智慧教室主要是把视频监控系统统一融入综合平台界面上;七是安防系统的接入。主要包括消防系统、红外双鉴探测器、烟雾传感器、红外对射传感器等。

3.5 高校智慧教室系统的实现

3.5.1 总体流程

对于智慧教室系统的实现流程而言，共包括两个方面，第一个方面为服务器与客户端的连接流程。在该流程中，第一步，生成用户名及密码，第二步，需要在客户端将用户名及密码输入到系统中，第三步，服务器对其进行验证，验证成功才能进行连接。第二个方面是在客户端功能实现的流程方面。详见图3所示。

3.5.2 主要功能模块的实现

其功能的实现问题，本文选择其中主要部分探讨如下。

1）智慧教室设备列表模块的实现。第一，由设备列表模块对输入设备做出选择，第二，再进入各个设备子系统模块流程中，在这一过程中，若需要添加或者删除设备，需要经过权限判别，第三，若通过判别，才能进入到管理界面进行操作。

2）智慧教室知识管理模块的实现。系统对这个功能的实现，首先，获取知识库信息表，然后，返回知识库代码、知识库类型、知识目录、知识标签等，最后，按照用户选择，进行功能实现。

3）智慧教室安全管理模块的实现。系统对该功能的实现，第一步，通过服务管理类InformationManager的GetUserId（）形式得到用户ID;第二步，对用户信息表进行查询，了解实际状态后，将相关信息返回;第三步，将执行状态结果返回客户端。

综上所述，本文重点探讨了高校智慧教室系统的设计与实现，从总体框架结构、总体功能需求、总体软件系统架构的设计与实现方面进行了系统全面的探讨和研究，对高校智慧教室系统的建设具有一定的启示作用。

参考文献：

[1] 徐雅静，郑世珏，刘聪，等.一种基于云端平台的智慧教室设计与实现[J].无线互联科技，2017（17）：41-43.

[2] 李聪，袁凌云，张晓潘，等.基于海计算的智慧教室智能节点设计与实现[J].云南师范大学学报（自然科学版），2018（1）23-28.

[3] 唐林萍.基于移动数据线性挖掘的高校智慧教室物联网系统研究[D].长沙：湖南大学，2016.

[4] 张颖，张海波，商书元，等.基于云平台的高校毕业照下载系统的设计与实现[C]//网络新技术与应用年会，2015.

[5] 翦象慧，肖智清，龚全安，等.基于物联网技术和智慧课堂的智慧教室系统研究与设计[J].物流工程与管理，2018，40（12）：170-172.

[6] 余秋兰，罗晶.基于智慧教室的教学云平台的开发与设计[J].数字技术与应用，2019（6）：150-151.

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