基于物联网与云计算的智慧教室建设研究

苏贞

摘要：本文在物联网与云计算技术的基础上，描述了智慧教室的概念与特点，通过引入相关的感知、存储和计算等技术，组建教学设备物联网，建立云服务平台，使教学软硬件环境得到有效整合，实现教室的智慧化，为广大师生提供更加个性化、人性化和智能化的服务。

Abstract： On the basis of internet of things and cloud computing， this paper describes the concept and characteristics of smart classroom. Through using relevant perceptive， storage and computing technology， the internet of things of teaching attachments is constructed and cloud platform is built. This platform integrates software and hardware teaching environment， realizes classroom intelligent， provides more individuation， humanization and intelligent services for all teachers and students.

关键词： 物联网；云计算；智慧教室；云服务平台

Key words： Internet of things；cloud computing；smart classroom；cloud platform

中图分类号：N39 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）05-0247-02

0 引言

随着信息技术的快速发展，物联网与云计算技术越来越成熟，并逐渐应用于各行业和日常生活的各个方面，但在信息化教学环境中尚鲜有应用。本文将物联网与云计算技术结合到教学环境中，构建具有“智慧”的教室环境，这将对加快学校信息化建设进程，提高教育教学管理水平具有重大意义。

信息化教学环境建设，可让学校拥有更好的教育设施，让学生有更好的学习条件，让学生在教学活动中有话语权、参与权，减少传统黑板教学模式的粉尘污染以及传统多媒体教室的诸多弊端，提高教学效果和学生的学习兴趣，推动教育系信息化的进程。

1 物联网与云计算的概述

1.1 物联网的概念

物联网是指把任何物体通过各种传感器（如：RFID、红外感应器、激光扫描器、GPS等）与互联网连接起来，能够实现实时、自动识别、跟踪、定位、监控与管理的网络[1]。物联网技术不但可以使世间万物互为连通，而且可以实现虚拟与现实之间互联，有效地支持人机交互、人与物品之间的交互、人与人之间的交互，使教学环境中的每个物件都具有数字化、网络化、智能化特性，可以为师生提供智能化的教学环境与教学资源[2]。

1.2 云计算的概念

云计算中所指的“云”实际上是关于互联网一种隐喻，在云的背后隐藏着大量的计算资源。“云”的思想核心，就是资源的集中共享，即将所有资源集中在一个先进的平台上，使资源在统一的平台统一管理调配下，具备最大的灵活性和利用效率，最终以服务的形式提供给用户。借助互联网技术，计算资源好像用电一样取用方便[3，4]。

云计算的关键技术包含有服务器虚拟化技术、数据存储技术、数据管理技术、分布式编程与计算技术、虚拟资源的管理与调度技术、云计算的业务接口技术、以及云计算相关的安全技术等[5]。

2 智慧教室及其特点

2.1 传统多媒体教室现状

当前大多学校多媒体设备种类多、标准不同、维修难，在使用和维护过程中管理比较麻烦。由于多媒体设备涉及的技术种类多，且学校维护人员技术水平有限，在多媒体教室使用过程中常见故障维修不及时状况。学校多媒体设备维护经费投入少、人力不足、信息化程度低都是造成传统多媒体教室管理落后的原因。

2.2 智慧教室的概念

黄荣怀认为，在传感技术、网络技术、富媒体技术及人工智能技术充分发展的信息时代，教室环境应是一种优化教学内容呈现、便利学习资源获取、促进课堂交互开展、具有情境感知和环管理功能的新型教室[6]。

2.3 智慧教室的特点

智慧教室相比传统教室具有强交互性、灵活性和沉浸性。智慧教室借助网络可有助于教师与学生间的有效互动、人员与坏境间的有效互动。智慧教室背景下教学方式更加灵活，打破传统的讲授式、教师主导式，更多采用问答式、情景式、协作式等教学方法。此外，实验设备的联网使得虚拟现实、虚拟仿真技术在教学中得到广泛应用，并为学习者提供了虚拟场景的实践和实验。

智慧教室的特性决定了它具有数字化、智能化、网络化、互动化、集约化优势。教学上应用于实现同步教学、音视频广播教学、课室的桌面操作虚拟化及个性化教学、屏幕监视与录像、网络课件回放、联机讨论、在线自测和网络考试、自动评分、遥控辅导、同步文件传输、作业提交等功能[7]。

3 智慧教室中物联网技术的应用

3.1 建立全校教学设备物联网，實现教室资源的数字化管理

将每间教室、实验室、机房、教学设备（包括多媒体设备、投影仪、空调、摄像头、窗帘、幕布、灯光、音响等设备）都进行无线互联，组成一个校内互联网。教学资源的运行和使用情况能够实时反映在人机交互平台上，实现教室网上动态、实时信息发布、管理和控制，甚至学生可以通过网络进行虚拟实验研究。

3.2 智慧教室的基本架构

智慧教室整体结构由为感知层、传输层和应用层三部分组成。其中感知层主要包括各种智能传感器（如声音传感器、温度传感器、光照传感器、人体位置传感器等），主要为智慧教室的各种应用提供数据采集。传输层主要是通过4G、WiFi等技术实现传感器、控制器与服务器之间的数据信息存储、融合以及传输等功能。应用层主要通过云计算完成数据的挖掘和各种服务的开发。

智慧教室通过人机界面可提供多项人性化、智能化的应用服务。在多媒体教室管理中用于实现教室门的智能化开启、录播服务、考勤服务、智能监控等。在环境智慧调节方便可实现智能灯光、智能窗帘、空调控制、音响控制、无人监考考场和远程监控等。此外，在多媒体系统管理方面可实现智能化故障的诊断和排除及无障碍升级，做到集约化控制与管理等诸多功能。

4 智慧教室中云计算技术的应用

云计算具有成本低、数据可靠、虚拟化、高可靠性等优点，在构建智慧教室环境时大有可为。通过云计算所提供的各种资源和服务均采用虚拟化技术，将各种资源整合到统一的平台，而且平台支持用户资源共享，能够节约建设成本，为用户提供便利、人性化、智能化服务。因而采用云计算技术构建智慧教室，统一配置管理教育资源，建成资源节约型的多媒体教学环境，达到教学环境最优化。

4.1 云服务平台

智慧教室的本质就是利用智能化技术构建智能化教学环境，让师生更加有效利用教学资源开展教学活动，实现教与学的最优化，有效提高教育质量。云计算在智慧教室中的应用主要是以云服务平台的形式提供教与学的各种服务。云服务平台由云服务器、云终端以及网络组建构成。云服务平台即在物联网采、无线网和局域网采集数据基础上，进行计算、存储与分析，有效整合优质教学资源，建立丰富的教学课程库，并向教师、学生提供各种个性化的应用和服务。

云平台能够促进用户之间的信息沟通，是教师、学生、管理员之间相互促进、有效交流、高效协作的信息化平台。它包含了教育信息化所必需的一切软硬件计算资源。计算资源通过虚拟化手段，向教学管理人员、任课教师以及学生提供各种教育资源和各种形式的服务。云服务平台是云计算技术在教育领域的迁移，是未来教育信息化的基础架构，它继承了云计算的信息数据存储安全、数据同步、数据共享等特点，能够为高校教学与管理提供新的思路和解决方案。

4.2 云服务平台功能设计

云服务平台主要包含教学设备管理、教学资源库、教学互动平台、网络课堂、虚拟实验室、虚拟实践等功能。平台不仅与底层教室网络有效对接，实现教学设备的有效管理，而且整合了“云端”优质的教学资源（课件、视频、讲稿、试题库等等），为教师开放性开展教学、学生自主性学习提供了平台，使学生理论学习和实验、实践学习都可以在平台上进行，同时方便教师开展多种教学方法和教学模式的改革与实践。

云教育的出现，尤其是云服务平台的构建使学生不再局限于课堂学习，逐渐向网络在线学习、移动学习和泛在学习等方式发展。最近热门的网络视频公开课、MOOCs、翻转课堂、微课程、可汗学院等一系列在线学习新模式均可通过云服务平台进行开展。同时，教师利用云平台，建立自己的云桌面，利用云计算有效辅助教学活动开展，提高上课效率与效果。

5 智慧教室构建前景与思路

利用物联网和云计算技术构建智慧教室、创建适合学生学习和教师教学的教学环境不仅是当下教学环境改善的必然趋势，而且是学校信息化教学与管理的内在诉求。

将物联网技术应用于现代化教学设备的管理中，不仅可以优化教学环境，而且可以丰富教学资源。智慧教室建设在传统多媒体教室基础上进行改造较为困难或者成本较大，建议在新校区建设或者教学楼、实验室改造修缮时考虑。智慧教室网络建设可加快学校教学管理现代化进程，也符合现代教育教学的需求，必须逐步改造、逐渐完善，以适应未来教育信息化的要求。

深入理解物联网与云计算的理念与发展动态，在智能教学环境中，根据各学校自身情况积极构建物联网体系与云服务平台，找准利用新技术提升现代教育教学水平的方式方法，建立适合学校发展的人性化、智能化的教学环境。

构建智慧教室不仅要体现在智能教学环境中，而且要注重智慧管理、智慧教学等方便。在智能化教學环境中，借助云服务平台如何开展教学方法与教学模式改革、提高教学质量与教学水平也将是一个重要研究方向。

6 结语

综上所述，本文从物联网和云计算的基本概念与功能出发，详细论述了智慧教室的特点基本结构、与整体功能构架。物联网与云计算为智慧教室的构建提供了技术支持。基于物联网与云平台的智慧教室的积极构建，能有效的增加学生的自主学习意识，提高教师的教学水平和教学质量、大大提高了教学资源的利用程度，一方面为现代教育信息化提供了新的发展思路，另一方面为未来教育教学管理指明了发展方向。

参考文献：

[1]王保云.物联网技术研究综述[J].电子测量与仪器学报，2009（12）：1-7.

[2]张玉梅.物联网在高校中的应用前景分析[J].物联网技术，2011（10）：82-84.

[3]冯建平，吴丽华.“云计算”技术和“云计算”服务模式——全球信息化发展的未来[J].信息系统工程，2009（11）：78-80.

[4]余洋.云计算环境下的大样本浮动车数据处理关键技术研究[D].武汉大学，2011.

[5]曹伟峰.基于云计算的智能化多媒体教室设计方案[J].电脑知识与技术，2015（1）.

[6]黄荣怀，胡永斌，杨俊锋，肖广德.智慧教室的概念及特征[J].开放教育研究，2012（02）：22-27.

[7]梁柏榉，谢运佳，黄芳明，等.物联网技术与智慧多媒体网络教室的应用研究[J].互联网天地，2013（6）：71，73.