物联网+VR驱动的智慧教学模式改革研究——以服装设计课程为例

蒋国明

（浙江理工大学 信息技术中心，浙江 杭州）

教育部2021年3月印发的《教育部关于加强新时代教育管理信息化工作的通知》中指出：新时代教育管理信息化工作的总体要求是以习近平新时代中国特色社会主义思想为指导，深入贯彻党的十九大和十九届历次全会精神，利用新一代信息技术提升教育管理数字化、智能化水平，以信息化支撑教育治理体系和治理能力现代化，在重点任务中也明确将重点探索物联网在智慧校园建设中的应用[1]。同月《浙江省教育领域数字化改革工作方案》中提到：浙江省作为社会主义教育现代化先行省、示范区，将综合运用数字化技术，高效构建教育治理新模式，要求在建设路径上提升智能感知、主动服务等6项关键能力，加快推动感知从“局部”到“全景”的转变[2]。

所以，在“十四五”开局之年，国家和地方政府密集出台的这些政策和规范，充分说明了以物联网等为代表的新一代信息技术对于高校推进智慧校园建设和数字化改革的重要支撑引领作用。

一 智慧教学面临的机遇

学校信息化建设虽在“十三五”期间取得了一定成绩，但与学校总体办学水平和师生日益增长的信息化需求相比仍有一定差距，需进一步重视高等教育变革和教学模式创新，构建“以师生为中心”的高校信息化，着力推动信息技术与教育教学的深度融合，为构建创新型人才培养体系提供强有力支撑[3]。

“十四五”期间，学校信息化工作也将迎来新的机遇。主要表现为以下三个方面：

（一） 政策层面

党的十九大做出了建设教育强国的重大部署，教育部将“加快信息化时代教育变革”作为推进教育现代化的十大战略任务。我省也大力推进政府数字化转型发展，浙江省教育厅印发了《2020年浙江省教育领域深化“最多跑一次”改革推进教育治理数字化转型工作要点》，以“最多跑一次”改革为牵引，更高起点、更高标准、更高质量推进教育治理数字化转型。国家和浙江省已将信息化作为重要发展战略，全力推进高校信息化建设。

（二） 技术层面

物联网、大数据、虚拟现实（VR）、人工智能、5G等为代表的“新基建”的迅猛发展，为一流大学建设孕育了最佳环境，使信息技术真正成为了促进人才培养、科研创新等的有力抓手[4]。

（三） 校情层面

学校正着力“五个浙理”建设，并迎来了“一校多区”的办学新格局，亟需以信息化破解发展中遇到的各类难题和多校区办学中资源共享等现实问题。学校将主动顺应和引领信息技术革命浪潮，牢牢抓住“互联网+数字化转型”时代大变革、大发展、大融合的历史机遇，紧密围绕学校中长期发展目标，大力推动学校信息化既好又快发展，努力建设“数智校园”。

所以，如何围绕学校教育发展规划，加快推进教育信息化攻坚行动的步伐，特别是在“十四五”期间，更需深化教学模式和体系改革，做好教育信息化建设模式改革的研究工作。本文的研究工作主要围绕学校智慧教学模式改革创新的解决方案展开。

二 智慧教学物联网系统

（一） 物联网定义

物联网（IoT）是指物体按约定的协议通过信息传感设备进行信息通信，实现将“物和物”的有效连接[5]。IoT将各种“内在智能”的传感器、移动终端和“外在使能”的智慧设备，通过网络实现互联互通，并采用合适的信息网络安全机制，提供高安全的实时监测、指挥调度、联动告警等管理和服务功能。

（二） 建设原则

系统建设遵循以下四个原则：

1.标准化原则，在符合教育部和行业标准下，以《高等学校数字校园建设规范（试行）》为指导，以数据标准、应用集成、数据共享等重点要素融合为主线进行规划和建设[6]。

2.先进性原则，按照智慧校园理念，以先进的系统工程方法论为指导[7]，建设一个可持续发展的、开放性的校级物联网公共服务平台。

3.扩展性原则，系统架构设计合理，在满足现有系统使用的前提下，充分考虑今后扩展的需求。

4.安全性原则，系统设计充分考虑安全性，包括网络安全、传输安全、数据安全和管理安全等[8]。

（三） 系统架构

系统架构可分为感知、网络和应用三个层次[9]：

1.感知层。感知层主要由感知设备（如智能门锁、温湿度传感器等）、控制器（智能开关、空调控制模组等）、测量仪器（如带能耗采集的智能插座）设备构成，负责物体识别和信息采集。

2.网络层。网络层主要由IoT网关组成，负责将感知信息通过网络传输给平台应用层，负责控制指令下发和设备状况上传、物联终端设备管理和情景策略设置等。

3.应用层。应用层主要由物联网平台提供对远端采集数据的分布式存储、物联设备统一管理、智能联动、远程信息推送等服务，提供丰富的数据接口，打造智慧教学智能感知、环境监测等应用场景。

在物联网系统架构中，技术协议、标准规范和网络安全机制起到底层支撑作用，物联网建设需要遵循各种标准规范，如ITU、ISO/IEC、oneM2M、IEEE等各行业标准化组织，一般选用MQTT等常见通讯协议，采用三网融合、M2M通信等技术进行融合组网[10]。物联网+智慧教学系统架构能够提供丰富的智能设备生态和云端开放SaaS平台，为高校教学场景提供实时无感数据采集、智能化控制和数据分析等功能，满足终端用户多样化服务需求，提升管理效率。

（四） 系统功能

在物联网+智慧教学应用场景下，主要实现功能如下：

1.环境监测。布设包括温湿度传感器、PM2.5传感器、噪音监测传感器、VOC气体探测传感器感知设备，一旦有环境指标异常，将马上告警并提醒及时处置。

2.智能照明。通过定时/集中控制，统一设置教室灯光的开启和关闭策略。通过区分晴天白天/阴天白天，自动调节灯具的照亮度，确保环境空间和桌面、黑板照度的充分，保障照度的舒适度。

3.节能管理。通过传感器和空调、新风、照明、插座等联动，监测和调节设备能耗，比如通过设置用电控制策略实现只允许在教室开放时间内能使用插座电源。

三 技术支撑路径

（一） 基于物联网的智慧教学环境建设实践

学校以边缘云方式引入校级物联网公共服务平台，逐步实现环境的全面感知、管理的高效协同、生活的个性便捷等不同方面的需求。学校多媒体教室已多数配备智能门禁和电子班牌，智能门禁采用在线管理方式，支持一卡通刷卡开门、密码开门、远程APP开门，电子班牌支持与一卡通刷卡、人脸识别联动开启教室门禁。通过配置物联网接入校园局域网的门禁无线数据采集器，实时采集和传递门禁信息，通过管理软件，可以实时监控门禁设备的电量、信号、联机状态等信息，方便教学设备和人员进出的管控。

在教学区多媒体教室，研究基于一卡通和校园统一身份认证实现智慧教学环境控制：

1.首先在门口通过电子班牌人脸识别身份功能实现课程签到，通过一卡通实体卡/虚拟卡刷卡控制门禁的开启，联动摄像监控记录关键图片，自动开启多媒体教学中控系统和教学主机和智慧黑板/投影幕布。

2.远红外检测感应人体进入，联动教室智能灯光控制，自动开启照明灯，光照度仪探测光照强弱，根据传感器反馈的日照强弱信息，自动开关窗帘等。

3.空调根据采集的温湿度信息，自动开启并设定温度和启停状态，根据PM2.5、VOC气体探测传感器采集的信息，控制新风系统的启停状态等。

4.基于标准的行业物联网规范实现资源的分级控制和各类终端感知设备的统一接入和联动管理。

基于物联网的智慧教学环境典型场景如图1所示。

图1 基于物联网的智慧教学环境典型场景

（二） 基于VR的智慧教学模式改革实践

通过VR头盔/眼镜，结合5G等技术，实时线上互动相关教学内容，可更加突显学校服装设计全国特色专业学科优势，充分展示VR技术在服装设计等课程教学中的创新应用。VR技术从2016年之后一直没有大的发展，很大原因是普通的网络无法支撑全景图像的数据传输，而随着具备大带宽、低时延特性的5G技术成熟落地，这个问题也就迎刃而解，全景直播也就应运而生。通过5G网络将多目全景相机采集图像数据经画面拼接后实时传输到VR眼镜中，我们带上眼镜即可置身于全景720度的教学现场、高山流水的沉浸式感受之中。同时异地布置多套VR头盔，供异地人员实时查看4K的VR全景画面，实现异地传送的效果。

1.5G+VR的设计绘画智慧教学模式实践。利用虚拟现实VR-3D绘画技术在三维空间里绘画，服装设计课程教学可进入沉浸式体验，当你戴上VR头盔的时候，师生的四周都将是3D的虚拟空间，可以在任何表面上随意喷漆作画。基于学校专业学科的特性，可拓展课程设计软件进行空间化服装设计或原稿设计。师生可直接在虚拟模特上作画与设计，且可以像使用图像处理一样，随意调整颜色和笔刷并使用各种辅助绘图工具，相较于一般的服装设计软件，大大提升效率与设计观赏性。同时，其他师生与观察者可以通过投影或显示屏画面同步观看绘画内容，让没有带VR眼镜的人也仿佛参与其中，在师生迸发灵感的同时，传递感染力，丰富设计类学科教学形式。同时直播课程开始后，老师可以通过智慧终端进行播控管理，利用5G网络实现多地课堂同步上课。

2.5G+全息课堂应用研究。建设以“5G+全息投影”技术为基础的智慧教学场景，可解决多校区高质量连接难以全面实现的问题。通过一对多、多对多等的直播互动模式，可实现多校区共享优质资源。远程全息课堂多用于公开课、大型讲座等场景，传统的有线连网方式大大限制了全息课堂的应用范围，并且有线连网存在成本高、灵活性差等问题，5G的移动大带宽打破了远程全息课堂的地域瓶颈限制，可实现随需随用，灵活开课。通过全息投影的呈现方式，将学校的采集端课堂，异地同步到另接收端课堂中，实现异地同上一节课的新教学方式。采集课堂内容不受限制，更快的融入正常教学。多角度、高清晰度人像和板书，课堂更具生动性。该模式部署快捷、操作简单，物联网式智能教室，一键操作即可完成全息课堂环境部署。

5G+VR的智慧教学应用典型场景如图2所示。

图2 5G+VR的智慧教学应用典型场景

四 结语

基于物联网+VR技术的在线教学模式研究，是学校做好疫情防控常态化工作下开展教育教学改革研究的一个补充方案，通过信息技术来推动教学方式变革，逐步实现线上、线下相结合的智慧教学模式，做到停课也不停学。同时学校希望借此形成融合共享的人才培养生态和产学研创新育人新模式，改革以知识传授为主的传统课堂教学模式，推进以学生为中心的研究型教学模式，构建新型的师生关系。

学校深入贯彻新发展理念，进一步深化构建信息技术中心与教育教学部门紧密融合、高效协同的新发展格局，开展物联网+VR驱动的智慧教学模式改革研究。学校以物联网、VR、5G等新一代信息技术为依托，探索构建服务人才培养的智慧教学环境，推动全校性物联网平台建设，推动跨部门、跨校区的智慧物联网感知体系建设，研究具有理工特色的智慧教学模式，推动新技术引领教学模式的改革与创新，实现跨部门之间的制度重塑和协同工作。数字化改革可选择“有突出成效”的案例试点突破，以标志性成果实现学校“数字化改革”进程中“以点带面”的示范引领效应，助力智慧校园建设，推动学校教育事业高质量发展。