孔曉榮

摘要：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和云計(jì)算技術(shù)的廣泛應(yīng)用，有力促進(jìn)了高等院校智慧校園的迅速發(fā)展。在構(gòu)建智能化教學(xué)環(huán)境中，智慧教室是重點(diǎn)建設(shè)，通過運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和虛擬云桌面技術(shù)將智慧教室構(gòu)建成一個(gè)具有智能感知與識(shí)別、實(shí)時(shí)監(jiān)控、智能考勤、課堂教學(xué)監(jiān)督、教學(xué)資源存儲(chǔ)與共享等諸多功能的智能教學(xué)環(huán)境。為高校師生構(gòu)建了一個(gè)綜合全面的感知及智能管理一體化的教學(xué)云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了智慧教學(xué)與智慧管理新型的教育模式，對(duì)極大提升學(xué)校的教育信息化水平具有十分重要的意義。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；虛擬化技術(shù)；云計(jì)算；智能教學(xué)環(huán)境；智慧教室；

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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

李克強(qiáng)總理在2015年政府工作報(bào)告中提出了發(fā)展“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代藍(lán)圖規(guī)劃，在社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域大力推動(dòng)發(fā)展移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術(shù)的應(yīng)用，增強(qiáng)國家科研技術(shù)實(shí)力，為國家經(jīng)濟(jì)和科技等各方面建設(shè)提供堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

在“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代里，將新技術(shù)融合應(yīng)用到基礎(chǔ)教育及高等教育也是必然的趨勢(shì)，要建立新型的教育形態(tài)，改變和更新傳統(tǒng)教育理念，提高教學(xué)環(huán)境的硬件設(shè)施和軟件配套技術(shù)，使之變?yōu)橹悄芙虒W(xué)環(huán)境。實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源云共享平臺(tái)，切實(shí)提高教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)管理水平，真正實(shí)現(xiàn)智慧校園的發(fā)展規(guī)劃，這一切都需要物聯(lián)網(wǎng)、云技術(shù)、大數(shù)據(jù)及人工智能等新技術(shù)的支持和應(yīng)用才能實(shí)現(xiàn)。

2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在高等院校智能教學(xué)環(huán)境中的應(yīng)用

2.1 智能教學(xué)環(huán)境在高校中的需求分析

據(jù)教育部統(tǒng)計(jì)，截至2016年5月國內(nèi)高校數(shù)量位居世界第二，在校的大學(xué)生人數(shù)近3700多萬，位居世界第一。我國高等教育規(guī)模巨大，但是校園教育教學(xué)環(huán)境卻不容樂觀，目前大多數(shù)高校仍然教學(xué)觀念落后，教學(xué)設(shè)施陳舊，即使有先進(jìn)的教學(xué)方法，卻奈何整體校園教學(xué)環(huán)境沒有達(dá)到信息化水平，因而無法實(shí)現(xiàn)交互式教學(xué)、個(gè)性化教學(xué)等各種先進(jìn)教學(xué)模式，教學(xué)管理處于落后低級(jí)水平，教學(xué)資源共享更無從談起。還有一些高校，為了實(shí)現(xiàn)教育信息化和智慧校園，動(dòng)用大量資金購置新的教學(xué)設(shè)施，學(xué)校硬件設(shè)施條件比較齊備，卻沒有很好地應(yīng)用新技術(shù)構(gòu)建教學(xué)的軟件環(huán)境，新教學(xué)設(shè)施仍然不能被高效利用和管理，無法實(shí)現(xiàn)智能化教學(xué)環(huán)境的目標(biāo)。因此運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)、云技術(shù)和大數(shù)據(jù)等前沿技術(shù)架構(gòu)智能教學(xué)環(huán)境是非常必要的，刻不容緩的發(fā)展趨勢(shì)。

2.2利用物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建智能教學(xué)環(huán)境主要功能設(shè)計(jì)

目前，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)發(fā)展得比較成熟，而物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的核心是物物相連。在大學(xué)校園中，通過運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將教學(xué)環(huán)境中的每個(gè)需要相連的教學(xué)硬件設(shè)施與網(wǎng)絡(luò)連通，利用物聯(lián)網(wǎng)的各類傳感設(shè)備以及嵌入式系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種高效能的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)環(huán)境。在智能教學(xué)環(huán)境中每個(gè)物體具備了連通性、嵌入性以及智能化的特性，為在校師生打造了一個(gè)綜合全面的感知及智能一體化的教學(xué)服務(wù)平臺(tái)，從而實(shí)現(xiàn)智慧教學(xué)及智能教學(xué)管理的目標(biāo)。

大多數(shù)高等院校目前都是采用多媒體教室，所謂多媒體教室就是采用多種媒體技術(shù)其中既包括硬件設(shè)施又包括軟件配套整合而成的教學(xué)環(huán)境，主要有計(jì)算機(jī)、投影儀、投影屏、主控臺(tái)、音響、有線網(wǎng)絡(luò)或無線網(wǎng)絡(luò)等硬件設(shè)備以及相配套的軟件系統(tǒng)，多媒體教室的廣泛應(yīng)用距今已有二十多年的時(shí)間，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，多媒體教室的應(yīng)用性能在不斷地改善和發(fā)展。如今將物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算、大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用到以往的多媒體教室，會(huì)使多媒體教室的建設(shè)進(jìn)程發(fā)生一次質(zhì)的飛躍。

智能教學(xué)環(huán)境的核心構(gòu)成是智慧教室，這里主要闡述架構(gòu)智慧教室的基本功能。在建設(shè)智慧教室過程中主要完成以下幾個(gè)方面的功能設(shè)計(jì)需求：

1）主要功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要包括：在原有網(wǎng)絡(luò)（有線或無線網(wǎng)絡(luò)）基礎(chǔ)上重新進(jìn)行綜合布線，部署物聯(lián)網(wǎng)感知系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)，布置監(jiān)測(cè)與安全系統(tǒng)，常態(tài)錄播系統(tǒng)，視頻信號(hào)采集及存儲(chǔ)系統(tǒng)，設(shè)備一體化管控系統(tǒng)、共享云平臺(tái)系統(tǒng)以及相關(guān)服務(wù)器等。

2）軟件功能擴(kuò)展設(shè)計(jì)

在軟件功能方面主要實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)感知系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的功能，即運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能夠讓智能化教學(xué)環(huán)境里的每種設(shè)備都具有連通、嵌入與智能的特性，能夠及時(shí)采集教室環(huán)境參數(shù)，通過網(wǎng)絡(luò)對(duì)教室的相應(yīng)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程管理和操作。還能夠及時(shí)采集教室中教師授課與學(xué)生學(xué)習(xí)的各種相關(guān)信息，架構(gòu)具有全面智能并感知的教學(xué)學(xué)習(xí)平臺(tái)。除此之外，另一個(gè)要實(shí)現(xiàn)的重要功能就是利用物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)收集信息數(shù)據(jù)之后，依靠先進(jìn)的云計(jì)算來分析和處理數(shù)據(jù)，提供教學(xué)資源共享，支持個(gè)性化教學(xué)，推動(dòng)MOOC課、翻轉(zhuǎn)課堂等交互式、多元化教學(xué)模式的發(fā)展。還可以進(jìn)一步在云計(jì)算的基礎(chǔ)上，充分利用大數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)體系進(jìn)行詳細(xì)統(tǒng)計(jì)和分析，為高校提供可貴的教學(xué)質(zhì)量評(píng)估數(shù)據(jù)，為提升學(xué)校的教學(xué)質(zhì)量和信息化建設(shè)奠定好堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)，因此軟件功能實(shí)現(xiàn)非常重要。

2.3 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)感知與智能處理功能的具體應(yīng)用

1）教室設(shè)施的智能管控應(yīng)用

智慧教室內(nèi)安裝各類傳感器設(shè)備，用來感知和采集教室內(nèi)環(huán)境信息。例如感知教室內(nèi)燈光光照強(qiáng)度、室內(nèi)濕度和溫度等信息并采集相關(guān)數(shù)據(jù)，能夠遠(yuǎn)程智能控制教室內(nèi)窗簾、燈光、空調(diào)、門窗及電源等設(shè)備，實(shí)時(shí)調(diào)整設(shè)備狀態(tài)保證正常運(yùn)行。還可以采用射頻識(shí)別技術(shù)RFID對(duì)教室教學(xué)設(shè)備貼上標(biāo)簽，掌握每個(gè)設(shè)備的基本信息，便于固定資產(chǎn)的管理，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)問題或發(fā)生故障時(shí)能夠及時(shí)響應(yīng)得到處理，如果設(shè)備被移到智慧教室之外時(shí)還會(huì)及時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，確保設(shè)備的安全。

2）師生考勤制度管理中的應(yīng)用

高等院校師生考勤制度是教學(xué)管理中重要組成之一，上課期間學(xué)校要檢查教師是否準(zhǔn)時(shí)上課，對(duì)違反學(xué)校上課考勤制度的教師要做出相關(guān)處理。但考勤制度的監(jiān)督與執(zhí)行需要花費(fèi)許多人力和精力；學(xué)生上課考勤也是評(píng)測(cè)學(xué)生表現(xiàn)的重要指標(biāo)之一，如果學(xué)生考勤情況需要用點(diǎn)名方式來檢查，也會(huì)花費(fèi)許多時(shí)間和精力，甚至?xí)绊懡虒W(xué)時(shí)間，效率太低。而通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用就可以建立高效機(jī)制的考勤系統(tǒng)，例如學(xué)?？蔀槊课粠熒l(fā)一張射頻識(shí)別（RFID）標(biāo)簽卡，標(biāo)簽里存有教師和學(xué)生基本信息，每個(gè)智能教室都有門禁系統(tǒng)，當(dāng)師生進(jìn)入教室時(shí)讀卡器可以采集師生信息，并上傳到服務(wù)器，服務(wù)器在考勤系統(tǒng)中對(duì)比學(xué)生的考勤記錄，既而統(tǒng)計(jì)出考勤數(shù)據(jù)。門禁系統(tǒng)還可以設(shè)置權(quán)限，只允許指定時(shí)間在此教室上課的師生刷卡進(jìn)入，并實(shí)時(shí)記錄教室開關(guān)門時(shí)間和人員流動(dòng)信息，建立高效的智能化的師生考勤系統(tǒng)，這樣就節(jié)省了大量人力物力，實(shí)現(xiàn)了對(duì)師生的智能考勤。如果把射頻識(shí)別RFID電子標(biāo)簽集成到師生的校園一卡通系統(tǒng)中，就可以真正實(shí)現(xiàn)“一卡在手，走遍校園”的應(yīng)用。

3）物聯(lián)網(wǎng)在智慧教室智能感知中的應(yīng)用

應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，學(xué)校師生可以通過電腦、手機(jī)等電子設(shè)備隨時(shí)通過網(wǎng)絡(luò)訪問智慧教室，行政管理人員可以隨時(shí)管控智慧教室內(nèi)裝有傳感器和嵌入系統(tǒng)的設(shè)備，并能實(shí)時(shí)監(jiān)控教室的一切動(dòng)態(tài)情況，及時(shí)響應(yīng)和處理實(shí)時(shí)狀況，同時(shí)將采集的視頻數(shù)據(jù)上傳存儲(chǔ)到相關(guān)服務(wù)器中，以便日后需要觀看時(shí)隨時(shí)調(diào)用。學(xué)生可以通過網(wǎng)絡(luò)隨時(shí)訪問智能教室的人員動(dòng)態(tài)情況，快速確定要去自習(xí)的教室。

3虛擬云桌面技術(shù)構(gòu)建智能教學(xué)環(huán)境設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

虛擬云桌面技術(shù)匯集了虛擬化技術(shù)和云存儲(chǔ)計(jì)算的特性，利用數(shù)據(jù)中心云計(jì)算服務(wù)器以及桌面虛擬化技術(shù)，借助云桌面平臺(tái)實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源的統(tǒng)一管理和調(diào)度，大大節(jié)省了建設(shè)智能教學(xué)環(huán)境的硬件成本，教師和學(xué)生可以通過任意一臺(tái)電腦或手機(jī)，使用自己的用戶名和密碼登錄之后隨時(shí)訪問教學(xué)資源，為教師教學(xué)工作和學(xué)生學(xué)習(xí)課程提供了極大的便利條件。

具體實(shí)現(xiàn)為：通過在學(xué)校網(wǎng)絡(luò)中心建立私有云方式，為智能教學(xué)環(huán)境提供云存儲(chǔ)計(jì)算服務(wù)，云計(jì)算服務(wù)器運(yùn)行在學(xué)校建立的私有云端，采用Open Stack開源云計(jì)算管理平臺(tái)作為云操作系統(tǒng)，Open Stack可以通過互補(bǔ)服務(wù)提供云基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)（IaaS）的解決方案，將底層存儲(chǔ)計(jì)算等設(shè)施形成計(jì)算資源池進(jìn)行統(tǒng)一管理調(diào)度，然后通過網(wǎng)絡(luò)面向智能教學(xué)環(huán)境提供云存儲(chǔ)計(jì)算服務(wù)。虛擬化云桌面技術(shù)實(shí)現(xiàn)的主要設(shè)備是云計(jì)算服務(wù)器，云計(jì)算系統(tǒng)通過將應(yīng)用與數(shù)據(jù)集中到云服務(wù)器集群中，實(shí)現(xiàn)智能教學(xué)環(huán)境中教學(xué)過程的統(tǒng)一管理和監(jiān)控。

同時(shí)，云計(jì)算系統(tǒng)為教師提供個(gè)性化定制授課服務(wù)，教師能夠在分配給自己的虛擬系統(tǒng)空間中安裝授課所需的各類軟件和教學(xué)資源，在授課時(shí)無論在智能教學(xué)環(huán)境中的哪個(gè)教室都能隨時(shí)調(diào)取出自己所需的專用軟件和教學(xué)資源，無需在授課教室的電腦里提前安裝專有軟件和教學(xué)資源，也不再受教學(xué)硬件環(huán)境條件的限制，還可以隨時(shí)上網(wǎng)。例如教師在播放大容量視頻時(shí)經(jīng)常由于教學(xué)環(huán)境制約或網(wǎng)絡(luò)速度原因出現(xiàn)卡屏等影響教學(xué)效果的現(xiàn)象，而通過虛擬化云桌面技術(shù)，不再有此類現(xiàn)象出現(xiàn)，很好地保障了教學(xué)課堂效果，還顯著降低了教學(xué)設(shè)備使用和維護(hù)成本。在另一方面，學(xué)生也可以充分利用虛擬云桌面尋找自己所需教師的教學(xué)資源，復(fù)習(xí)和鞏固教師所講的課程內(nèi)容，不僅僅只能靠抄筆記或者復(fù)制教師的課件來學(xué)習(xí)課程，而是可以隨時(shí)瀏覽教師某一時(shí)間的視頻講課內(nèi)容，對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)課程提供了極大的便利。另外，還可以進(jìn)行師生互動(dòng)交流，課堂提問與及時(shí)回復(fù)，更好地促進(jìn)了翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)、交互式教學(xué)等先進(jìn)教學(xué)模式的推行。

圖中最高層為云計(jì)算服務(wù)器中的操作系統(tǒng)池，可以包含多種操作系統(tǒng)軟件包，操作系統(tǒng)推送器的功能是將各個(gè)操作系統(tǒng)軟件包由服務(wù)器推送到客戶機(jī)，這種推送方式通過國際互聯(lián)網(wǎng)（Internet）或者學(xué)校局域網(wǎng)形式進(jìn)行傳輸，當(dāng)操作系統(tǒng)包傳送到客戶機(jī)后，由操作系統(tǒng)執(zhí)行器或虛擬機(jī)執(zhí)行，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)各計(jì)算機(jī)硬件。智能教室里的教師授課用計(jì)算機(jī)的操作系統(tǒng)是采用虛擬云桌面技術(shù)在云計(jì)算服務(wù)器端安裝了所需的各應(yīng)用系統(tǒng)鏡像，然后通過服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)推送方式傳到各教師機(jī)虛擬桌面，所有教師客戶機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)啟動(dòng)開機(jī)后由云計(jì)算服務(wù)器推送操作系統(tǒng)與服務(wù)。

物聯(lián)網(wǎng)和虛擬云桌面技術(shù)的應(yīng)用，可以在教學(xué)環(huán)境中達(dá)到真實(shí)空間與虛擬學(xué)習(xí)空間的有效結(jié)合，能夠形成更好的真實(shí)加虛擬互動(dòng)的智能教學(xué)環(huán)境，例如在實(shí)驗(yàn)室教學(xué)環(huán)境中，可以利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建一個(gè)模擬實(shí)驗(yàn)室，讓學(xué)生在模擬的環(huán)境中感受到真實(shí)的場景，如醫(yī)學(xué)傳感物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室，可以模擬傳感監(jiān)控輸液過程，實(shí)現(xiàn)脈搏、血壓、血率等數(shù)據(jù)的傳感測(cè)量并監(jiān)控記錄變化的數(shù)據(jù)。利用云服務(wù)器可以模擬遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行，學(xué)生可以全方位地觀察和記錄整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程，使學(xué)生仿佛身處真實(shí)場景之中，從而極大地調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性，也為教師提供了非常好的輔助教學(xué)環(huán)境。還可以利用網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真功能在網(wǎng)上運(yùn)行應(yīng)用系統(tǒng)，能夠解決并彌補(bǔ)因?qū)嶒?yàn)經(jīng)費(fèi)不足無法購買昂貴的實(shí)驗(yàn)設(shè)備而造成的實(shí)驗(yàn)短缺現(xiàn)象，對(duì)提高高校專業(yè)課程教學(xué)質(zhì)量水平提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

4 結(jié)束語

在“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代里，充分利用物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算及大數(shù)據(jù)等前沿新技術(shù)，將其融合到高等院校教育信息化建設(shè)中，構(gòu)建智能教學(xué)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源真正的共享平臺(tái)，為師生營造更好的教學(xué)和學(xué)習(xí)環(huán)境，在智能教學(xué)環(huán)境中，智慧教室的建設(shè)尤為重要，而物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)把智慧教室里所有教學(xué)硬件通過傳感元件及嵌入系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了智能感知與識(shí)別、實(shí)時(shí)監(jiān)控、智能考勤、課堂教學(xué)監(jiān)督、教學(xué)資源存儲(chǔ)與共享等諸多功能的智能教學(xué)環(huán)境。在虛擬化云計(jì)算技術(shù)的基礎(chǔ)上，為高校師生構(gòu)建了一個(gè)綜合全面的感知及智能一體化的教學(xué)環(huán)境，形成一種管理者與師生之間無縫銜接的教學(xué)環(huán)境生態(tài)圈，實(shí)現(xiàn)智慧教學(xué)與智慧管理新型教育模式。對(duì)顯著提升學(xué)校教學(xué)和管理質(zhì)量以及改善教學(xué)環(huán)境具有非常重要的意義。

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【通聯(lián)編輯：唐一東】