景 琪

(山西工程科技職業(yè)大學，山西 晉中 030619)

0 引言

智慧教室是日后教學領域的發(fā)展趨勢，通過對智慧教室系統(tǒng)的構(gòu)建，將極大地提高教學效率與管理水平，為現(xiàn)代化教育理念落實奠定基礎。新時期，考慮到無線網(wǎng)絡技術(shù)方案成熟，將無線傳感網(wǎng)技術(shù)與智慧教室系統(tǒng)結(jié)合起來，充分發(fā)揮智慧教室系統(tǒng)的使用性能具有可行性。鑒于此，有必要對智慧教室系統(tǒng)進行說明，并做好系統(tǒng)設計與優(yōu)化。

1 智慧教室與智慧教室系統(tǒng)簡述

1.1 智慧教室

智慧教室是通過先進的無線傳感技術(shù)，將學習空間、信息技術(shù)與教學資源整合起來，為學生營造便利化的學習環(huán)境。在智慧教室的建設中，也考慮探究式學習、混合學習、翻轉(zhuǎn)課堂、遠程教學模塊，對系統(tǒng)功能進行深度開發(fā)，構(gòu)建集中管理、交流與互動為一體的教學系統(tǒng)。

1.2 智慧教室系統(tǒng)

智慧教室系統(tǒng)也需要以內(nèi)容優(yōu)化作為核心，對教育資源獲取途徑進行拓展，并做好教學環(huán)境管理，滿足學生實時溝通交流需求。在實際的教學過程中，教師應利用智慧教師，提高學生情感體驗度。目前，在教學領域使用的智慧教室模式，能夠提供視覺、聽覺兩種感受，通過對各種智慧化方案的應用，能夠顯著提升教學工作開展水平，增加學生對信息化技術(shù)的理解能力[1]。

在教學環(huán)境的管理中，基于智慧教室系統(tǒng)的應用，能夠?qū)淌噎h(huán)境信息進行主動識別，并根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)方案，做好數(shù)據(jù)信息的交互與處理。在對智慧教室系統(tǒng)進行設計時，需要充分考慮大數(shù)據(jù)技術(shù)與智慧管理平臺的應用價值。在對教學環(huán)境資源進行管理時，與需要明確系統(tǒng)的構(gòu)成要素，通過做好各種軟件與硬件設施的升級。在智慧教室系統(tǒng)的設計中，重點關注應用層、網(wǎng)絡層與管理層，通過對集中管理平臺的應用，實現(xiàn)對各種設備與教學環(huán)境資源的優(yōu)化，為智慧化教室系統(tǒng)的可靠應用奠定基礎。

2 智慧教室系統(tǒng)設計原則

2.1 先進性與實用性

在智慧教室系統(tǒng)設計中，應使用先進無線傳感網(wǎng)技術(shù)，并增加計算機存儲技術(shù)應用，做好服務端設計。系統(tǒng)應提供課堂視頻錄制功能，在前端設計中，需要增加編碼器，并充分考慮系統(tǒng)開發(fā)成本和實際應用價值。在設計過程中，也需要確保系統(tǒng)方案符合計算機網(wǎng)絡視頻傳輸協(xié)議，將最新的網(wǎng)絡通信技術(shù)與視頻交互技術(shù)應用在系統(tǒng)模塊中，使得系統(tǒng)功能更加先進完善。

此外，系統(tǒng)設計需要符合教學實際要求，為系統(tǒng)配置最新的設備與管理方案，并對系統(tǒng)之間的搭配方案進行優(yōu)化，以確保系統(tǒng)開發(fā)具有良好的經(jīng)濟效益[2]。在設計中，應將管理智能化技術(shù)、錄播技術(shù)、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡技術(shù)應用在集中管控中，以減少對不同模塊的多次操作，使得系統(tǒng)操作更加便利，降低系統(tǒng)使用成本。

2.2 兼容性與可拓展性

在系統(tǒng)模塊的設計中，有關人員需要充分考慮其兼容性。例如，在視頻點播功能的設計上，要求系統(tǒng)支持各種PC瀏覽器，同時能夠在Android與IOS系統(tǒng)終端中應用，為相關人員的及時查看提供便利。系統(tǒng)應最大限度支持各種視頻編碼種類，使得前端音頻設備的兼容性良好，能夠在多種場景模式下應用。

對系統(tǒng)功能進行設計時，有關人員考慮了日后系統(tǒng)擴容需求，關注網(wǎng)絡與視頻技術(shù)的發(fā)展，并預留了5G應用場景，使得系統(tǒng)具有較強的可拓展性。在系統(tǒng)設計中，相關概念、技術(shù)與方法的應用，不僅關注設備自身的結(jié)構(gòu)與性能要求，而且對技術(shù)的日后發(fā)展趨勢進行預測，并做好相關更新與優(yōu)化，使得系統(tǒng)能夠順利通過更新，提升智慧化教室系統(tǒng)運行流暢度。

2.3 靈活性與可靠性

設計的智慧化教室系統(tǒng)能夠支持多種類型網(wǎng)絡，并且操作系統(tǒng)界面布置簡單，自動化程度較高，能夠為系統(tǒng)使用人員帶來較強的應用體驗度。系統(tǒng)具有較強的可靠性，能夠在正常使用條件下，滿足用戶提出的功能請求，并且系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性良好，可實現(xiàn)7×24小時全天候工作。系統(tǒng)故障率較低，相關人員對其進行維護與管理十分方便。

3 無線傳感網(wǎng)技術(shù)在智慧教室系統(tǒng)中的應用

3.1 開發(fā)智慧教室操作系統(tǒng)與任務接口

本次智慧教室方案的落實中，設計人員對傳感器節(jié)點設計方案進行優(yōu)化，使得硬件處理能力獲得提升。在系統(tǒng)功能設計上，選取CC2530F256方案作為核心，通過ZigBee協(xié)議，對節(jié)點密度進行管理，由此完成對數(shù)據(jù)的高速處理?；谏鲜龇桨傅膽?，也提升了數(shù)據(jù)負荷管理水平。為確保系統(tǒng)應用可靠性，利用ADC0809轉(zhuǎn)換器將數(shù)據(jù)信息進行轉(zhuǎn)換，通過對ZigBee數(shù)據(jù)終端的使用，也將數(shù)字量及時傳遞到控制平臺上，實現(xiàn)了數(shù)字量傳輸?shù)念A期目標。

在網(wǎng)關節(jié)點數(shù)據(jù)的分析中，重點做好數(shù)據(jù)信息的匯總，并以幀的方式完成數(shù)據(jù)控制，為智慧教室技術(shù)應用提供支持。此外，針對智慧教室系統(tǒng)而言，有關人員可通過無線網(wǎng)對節(jié)點信息進行整合，通過對典型技術(shù)框架的建設，能夠更好提供服務，滿足多種工作模式[3]。

隨著無線傳感網(wǎng)技術(shù)發(fā)展，對智慧教室進行優(yōu)化設計成為可能。目前，在智慧教師開發(fā)中，使用較為廣泛的操作系統(tǒng)為TinyOS2.0。操作系統(tǒng)有美國加州大學伯克利分校開發(fā)，可將其應用在基于事件驅(qū)動的多種工作條件中，該系統(tǒng)使用nesC編寫，可支持多種硬件平臺，其中包括mica2，intelmote2，eyesIFXv2，tinynoe等等。nesC語言是以C語言作為基礎的開發(fā)方案，可支持C語言所有的詞法和語法。然而，值得注意的是，為提升系統(tǒng)應用可靠性，在該開發(fā)方案中增加了組件Component與接口interface，能夠?qū)﹃P鍵字進行定義，并對各接口性能進行提升，使得操作系統(tǒng)更加流暢，為教學設計提供技術(shù)支持。

目前，在智慧教室的操作系統(tǒng)中，使用了任務接口模型，通過該接口方案，可拓展針對各類型業(yè)務的語法和語義。一般情況下，任務接口包括一個post命令、一個run事件，對不同函數(shù)的具體聲明，將由接口模型決定，實例證明如下：

Interface TaskParameter{async error_t command p-

ostTask(uint16_param)；

event void runtasak(unit16_param)；}

對其進行調(diào)用的方式如下：Call TaskParameter.postTask(34);//拋出任務

在任務接口模式下，任務執(zhí)行是完整的，能夠做到各業(yè)務傳輸同步，任務之間不搶占端口。

在TinyOS操作系統(tǒng)中，存在眾多廣播通信接口，使用accessor和mutator方可對其進行連接訪問，相關的接口形式如Packet與AMPacket等接口。其中基本的通信接口為AM類型，相關類型和以太網(wǎng)中幀類型租用存在相似性。在系統(tǒng)操作中，AMsenderC為用戶提供了虛擬廣播，確保每個用戶可利用該模塊對教室智慧系統(tǒng)進行優(yōu)化。

3.2 對系統(tǒng)工作模式進行優(yōu)化

通過無線傳感網(wǎng)對智慧教室系統(tǒng)進行設計的關鍵是優(yōu)化工作模式，并建立與智慧教學模式作為核心的工作方案，為智慧課堂形成提供支持。目前，由于開發(fā)端口的多樣性，使得智慧教室系統(tǒng)工作模式具有高度選擇性。通過對不同數(shù)據(jù)接口的調(diào)取與應用，能夠?qū)虒W場景進行優(yōu)化，為教學信息資源的共享提供技術(shù)保障?，F(xiàn)階段，可使用工作模式包括通用型、協(xié)作型、遠程型與多屏互動。

在通用型工作模式下，相關人員可將教育終端設備與多個云平臺連接起來，并利用單雙投影的教學方式，對智慧教學系統(tǒng)方案進行布置，為教學工作效率提升奠定可靠的技術(shù)支持。協(xié)作型工作模式下，教師通過對智慧教室的應用，可落實小組教學方案，使得學生能夠參與到課堂實踐活動中，極大地提升了學生之間的互動性與合作性。為確保教學效果達到滿意標準，教育工作者應對PBL教學模式融到課堂中，使得智慧教室方案更加豐富。在實際教學階段，教師也使用了分享型教學模式，基于無線傳感網(wǎng)技術(shù)，對系統(tǒng)開發(fā)方式進行完善，使得多屏互動、數(shù)據(jù)共享在課堂教學中得以實現(xiàn)，極大提升教學水平。

3.3 關注系統(tǒng)構(gòu)成與功能實現(xiàn)

本方案設計的智慧教室系統(tǒng)包括教學系統(tǒng)、設備管理系統(tǒng)、錄播系統(tǒng)、智慧考勤、學情分析與環(huán)境控制。在具體的應用過程中，通過對系統(tǒng)功能模塊的優(yōu)化，能夠提升數(shù)據(jù)信息的處理能力，并且能夠根據(jù)教學目標的變化，對智慧化教室系統(tǒng)進行完善，使得系統(tǒng)功能的適用性良好。例如，在某校智慧教室系統(tǒng)設計中，考慮到學生考試需求，對教室環(huán)境進行智慧化控制，將傳感器應用在系統(tǒng)方案中，根據(jù)教室環(huán)境變化，對空調(diào)運行模式進行調(diào)整，實現(xiàn)對室內(nèi)溫度、濕度條件的控制，為學生營造舒適良好的考試環(huán)境。

在智能化教學系統(tǒng)的實現(xiàn)中，采取了多點觸控、高清液晶顯示方案，并對系統(tǒng)進行集成化控制，重點做好數(shù)據(jù)交互管理，利用任務接口模式，對數(shù)據(jù)進行可靠傳輸與共享，使得教學資源得到高效應用。在系統(tǒng)功能的實現(xiàn)中，也對板書、PPT演示和課堂提問等多個環(huán)節(jié)進行優(yōu)化，并設計學生參與模塊，使得學生能夠積極主動參與到課程實踐中，使得智慧化教學目標實現(xiàn)。在學生課堂參與模塊，設計了畫面投屏、動態(tài)演示與在線批注等多種演示功能，由此構(gòu)建具有現(xiàn)代化特征的教室，使得學生的學習積極性獲得提升。

通過智慧教室系統(tǒng)，教室能夠?qū)φn堂內(nèi)容進行錄制，并根據(jù)學生實際需求，對板書內(nèi)容、交互學習場景進行調(diào)整，實現(xiàn)對教學資源的有效調(diào)度，相關教學方式的應用，能夠為課堂教學效率提升提供幫助。在課堂內(nèi)容錄制中，系統(tǒng)也提供反思與評價模式，方便教師全面掌握課堂教學成果。

在智慧考勤模塊，利用無線傳感網(wǎng)對系統(tǒng)功能進行升級，構(gòu)建以深度學習算法為主要依據(jù)的考核方案。在實際考核與管理中，使用無線網(wǎng)連接技術(shù)與信息識別技，對課堂考勤進行了全面優(yōu)化。例如，在教室出勤管理中，使用人臉生物識別技術(shù)，完成對學生考勤情況記錄。教師可根據(jù)考勤結(jié)果提出針對性改進方案，使得教室日常管理水平獲得提升。

在智慧學情分析上，使用智能監(jiān)控系統(tǒng)，對學生的課堂行為進行捕捉。通過做好學習情況分析，能夠幫助教師找出學生成績落后的課堂因素，并設計個性化解決方案，強化了最新技術(shù)在教室管理中的應用價值，為多元化、個性化教學拓展提供支持。

目前，在教室各種設備的管理中，使用了智慧設備管控系統(tǒng)，在無線傳感網(wǎng)技術(shù)的支持下，開發(fā)了集中管理平臺。平臺功能包括遠程管理、信息收集、數(shù)據(jù)分析、狀態(tài)監(jiān)控與故障報警。通過對上述功能的應用，使得教室管理朝數(shù)字化與智能化方向發(fā)展[4]。在對設備進行管理的過程中，有關人員也利用大數(shù)據(jù)平臺對教室信息設備的運行情況進行管理，并做好設備檢修記錄，對關鍵技術(shù)的應用效果進行評估，并構(gòu)建設備管理與維護的數(shù)據(jù)庫。

在智慧教室方案的實現(xiàn)中，有關人員應用光線感應元件與溫度、濕度傳感器，對系統(tǒng)方案進行優(yōu)化，構(gòu)建了智慧化教室管理系統(tǒng)。在該方案下，系統(tǒng)能夠根據(jù)獲取的參數(shù)值，對空調(diào)運行工況進行調(diào)整，并做好教室溫度與濕度條件統(tǒng)計工作，使得教師的環(huán)境質(zhì)量達標，為學生營造了良好的學習環(huán)境。例如，在空氣環(huán)境質(zhì)量的管理上，有關人員充分利用CO2智能感知模塊，對空氣中有害顆物質(zhì)、PM2.5進行檢測識別，并根據(jù)檢測結(jié)果，對環(huán)境條件進行調(diào)整，以最大程度發(fā)揮智慧教室系統(tǒng)的應用價值。此外，在系統(tǒng)的應用過程中，也使用智慧護眼模式，對教室內(nèi)的光源進行調(diào)整，并根據(jù)外界明暗程度對光源的亮度進行調(diào)整，由此為學生提供優(yōu)質(zhì)教師環(huán)境條件。

3.4 應用智慧化設計思路

在構(gòu)建智慧教室系統(tǒng)中，需要對系統(tǒng)工作環(huán)境進行優(yōu)化，將傳感器模塊應用在系統(tǒng)設計中，實現(xiàn)智能化管理的目標。具體設計思路如下：對智慧教室系統(tǒng)方案進行調(diào)整，關注教學環(huán)境資源可靠性，設計光線識別系統(tǒng)，根據(jù)室內(nèi)光線的明暗程度，判斷是否需要啟動照明裝置。同時將溫度感應裝置應用在環(huán)境質(zhì)量檢驗中，當系統(tǒng)識別到室內(nèi)濕度條件與實際要求不符合時，會自動控制空調(diào)裝置。

此外，在系統(tǒng)開發(fā)設計中，利用生物識別技術(shù)，在無線傳感網(wǎng)的技術(shù)框架內(nèi)，優(yōu)化了人臉識別技術(shù)，由此完成對教師職工與學生考勤情況的記錄，并根據(jù)相關數(shù)據(jù)完成考核。采用人臉識別技術(shù)對智慧教室系統(tǒng)進行優(yōu)化后，也顯著提升了安全管理能力，可對進出教室的人員進行控制?；谏鲜黾夹g(shù)手段的應用，使得智慧教室系統(tǒng)的應用性能提升，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)無線傳輸目標，而且為信息資源的高效處理奠定基礎，使得新時期教室智慧化管理成為可能。

3.5 做好智慧化系統(tǒng)的維護與管理

為充分發(fā)揮智慧化教室系統(tǒng)的應用價值，確保系統(tǒng)運行穩(wěn)定性，有關人員需要利用最新的技術(shù)手段，對系統(tǒng)進行維護與管理。例如，將無線傳感網(wǎng)技術(shù)應用在管理實踐中，構(gòu)建以無線網(wǎng)為核心的系統(tǒng)維護方案，對其中存在的系統(tǒng)漏洞與安全隱患進行識別，并做好處理，使得系統(tǒng)安全性得以提升。在教室智慧化管理的過程中，對溫度傳感裝置進行維護，對存在的識別不靈敏、錯誤指示相關問題進行調(diào)整。同時，也對智慧教室系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸方案進行優(yōu)化，對教室的環(huán)境資源進行可靠分析，優(yōu)化了環(huán)境處理模式，使得教室系統(tǒng)的應用性能達到滿意標準。

同時，系統(tǒng)的操作環(huán)境進行了優(yōu)化，使得操作更加流暢。在實際優(yōu)化操作中，在標準的TinyOS操作系統(tǒng)中，對各節(jié)點進行了優(yōu)化。例如，在通信節(jié)點上，設置了JAVA環(huán)境變量，并構(gòu)建PC與傳感器之間的網(wǎng)絡通信橋梁。在操作系統(tǒng)的優(yōu)化方面，也對串口數(shù)據(jù)格式進行嚴格要求，利用MIG工具對串口數(shù)據(jù)進行了處理。經(jīng)過優(yōu)化后的數(shù)據(jù)串口，能夠滿足多個程序模塊同時運行的需求，即操作人員打開一個系統(tǒng)功能鏈接，可使多個應用程序同時經(jīng)過TCP/IP Stream，并建立起與應用程序之間的可靠連接關系。

通過對系統(tǒng)軟件與硬件環(huán)境的優(yōu)化，能夠提升系統(tǒng)的應用性能，使得智慧教室模式的應用更加安全可靠。在實際的使用環(huán)節(jié)，有關人員應不斷關注技術(shù)發(fā)展趨勢，最新的技術(shù)方案應用在系統(tǒng)維護中，以切實提升智慧化教室應用能力。研究指出，目基于無線傳感網(wǎng)對系統(tǒng)進行構(gòu)建，產(chǎn)生的效果顯著，能夠最大程度發(fā)揮智慧教室應用效果。

4 結(jié)語

綜上，本文總結(jié)了無線傳感網(wǎng)技術(shù)在智慧教室中的應用思路，以智慧教室系統(tǒng)的構(gòu)建作為研究出發(fā)點，說明在智慧教室系統(tǒng)構(gòu)建中，需要堅持實用性、兼容性與可拓展性原則。通過做好操作系統(tǒng)開發(fā)、任務接口與工作模式優(yōu)化等多種途徑，使得系統(tǒng)應用性能良好。