山東華宇工學(xué)院信息工程學(xué)院 李國良

在優(yōu)化智慧教室系統(tǒng)的過程中，需要對智慧教室系統(tǒng)功能、遠(yuǎn)程控制、智能化設(shè)備管理、無線通信等方面進(jìn)行綜合分析，通過信息數(shù)據(jù)傳輸與信息處理，提升智慧教室系統(tǒng)的無線傳輸水平。結(jié)合無線傳感網(wǎng)的特點(diǎn)，對智慧教室系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)、故障檢測、設(shè)備應(yīng)用等方面進(jìn)行綜合分析，在數(shù)據(jù)加密與傳輸處理的基礎(chǔ)上，提升智慧教室系統(tǒng)的應(yīng)用價值。

1 智慧教室介紹

智慧教室系統(tǒng)可以通過PST框架進(jìn)行設(shè)計，將學(xué)習(xí)空間、信息技術(shù)與教育教學(xué)融合在一起，這對實(shí)現(xiàn)探究式教學(xué)、小班教學(xué)、混合式教學(xué)、翻轉(zhuǎn)課堂與遠(yuǎn)程化教學(xué)等方面有積極作用。智慧教室系統(tǒng)的概念是以內(nèi)容呈現(xiàn)、環(huán)境管理、資源獲取、及時交互、情境感知等為中心，并建立智慧管理模塊，提高智慧教室系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用水平。智慧教室系統(tǒng)可以通過視覺、聽覺兩種形式，提高學(xué)生對教學(xué)信息的理解水平。環(huán)境管理則是對教室所有設(shè)備、環(huán)境等進(jìn)行分析，例如：針對監(jiān)控、空調(diào)、燈光、溫度、濕度、二氧化碳濃度等進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化、智能化管控。資源獲取可獲得本地資源、網(wǎng)絡(luò)資源、云端資源等相關(guān)數(shù)據(jù)，在進(jìn)行數(shù)據(jù)交互與信息處理的基礎(chǔ)上，提高教學(xué)的智慧化發(fā)展水平。

2 智慧教室系統(tǒng)的框架設(shè)計

在對智慧教室系統(tǒng)進(jìn)行框架設(shè)計與分析中，由大數(shù)據(jù)分析、集中管理平臺智慧教學(xué)與教學(xué)環(huán)境管理等功能構(gòu)成；在實(shí)際操作中，可以通過學(xué)習(xí)軟件與教育硬件構(gòu)成的方式，提高智慧教學(xué)服務(wù)水平。在智慧教室系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計中，以教室層、網(wǎng)絡(luò)層、管理層為中心，通過集中管理平臺，對教室的設(shè)備、環(huán)境等方面進(jìn)行控制，優(yōu)化智能化教學(xué)系統(tǒng)，提高智慧教室的綜合發(fā)展水平。

3 智慧教室系統(tǒng)的硬件設(shè)計

無線傳感網(wǎng)下的智慧教室系統(tǒng)設(shè)計包含傳感節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計、控制節(jié)點(diǎn)等內(nèi)容，在對環(huán)境變化進(jìn)行優(yōu)化的基礎(chǔ)上，可提升硬件監(jiān)控與信息處理水平。在智慧教室系統(tǒng)的功能設(shè)計中以CC2530F256為核心，并通過ZigBee協(xié)議，提高節(jié)點(diǎn)密度管理與數(shù)據(jù)的負(fù)荷管理水平。在網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的工作環(huán)境下，可通過ADC0809轉(zhuǎn)換器將信息數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，通過ZigBee數(shù)據(jù)終端可以將數(shù)字量傳輸?shù)娇刂破脚_，其轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 ADC0809轉(zhuǎn)換時序

在對網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理的過程中，可通過網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)匯總與信息處理對信息數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，以幀的方式對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行傳輸與控制。智慧教室系統(tǒng)在優(yōu)化的過程中可以通過無線網(wǎng)對節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行整合，并對教育教學(xué)信息反饋、數(shù)據(jù)整合過程等方面進(jìn)行優(yōu)化，在對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效處理的基礎(chǔ)上，可提升教育教學(xué)相關(guān)數(shù)據(jù)信息的處理水平。

4 智慧教室系統(tǒng)的構(gòu)成與功能分析

在智慧教室系統(tǒng)設(shè)計中包含智能教學(xué)系統(tǒng)、精品錄播系統(tǒng)、智慧考勤系統(tǒng)、智慧學(xué)情分析系統(tǒng)、智慧設(shè)備管控系統(tǒng)、智慧溫濕度環(huán)境控制系統(tǒng)、智慧空氣環(huán)境質(zhì)量控制系統(tǒng)、智慧護(hù)眼光環(huán)境控制系統(tǒng)等，在數(shù)據(jù)分析與功能模塊設(shè)計的基礎(chǔ)上，可提升數(shù)據(jù)信息處理水平。無線網(wǎng)的智慧教室系統(tǒng)優(yōu)化與功能設(shè)計，考慮智慧考試的實(shí)際需求，對教室環(huán)境、課堂準(zhǔn)備、教學(xué)過程等方面進(jìn)行優(yōu)化，通過教學(xué)設(shè)計與教學(xué)方式拓展，達(dá)到提高教學(xué)水平的目的。

智能教學(xué)系統(tǒng)。以智能化教學(xué)系統(tǒng)為中心，以多點(diǎn)觸控、高清液晶顯示等集成化設(shè)計，對數(shù)據(jù)交互過程、信息處理等方面進(jìn)行完善。通過智慧教室系統(tǒng)完成板書、PPT演示、課堂提問等相關(guān)操作，學(xué)生可以自主、快速加入到小組討論中，并進(jìn)行畫面投屏、動態(tài)預(yù)覽、動態(tài)批注等操作，這對形象化展示知識以及提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣等方面有積極作用。

錄播功能。利用智慧教室系統(tǒng)，教師可以對課堂內(nèi)容進(jìn)行跟蹤拍攝與錄制，并對授課板書、學(xué)習(xí)交互等教學(xué)場景進(jìn)行切換與教學(xué)資源調(diào)度，這對教學(xué)創(chuàng)新與教學(xué)資源優(yōu)化等方面有積極作用。在支持接入電腦信號進(jìn)行錄制的過程中，可對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行編輯與處理，從而滿足教學(xué)反思與教學(xué)反饋的實(shí)際需求。

智慧考勤系統(tǒng)。結(jié)合智慧教室系統(tǒng)的功能設(shè)計，以深度學(xué)習(xí)算法為主要手段，利用無線網(wǎng)以及信息識別技術(shù)實(shí)現(xiàn)智慧考勤，并對課堂考勤進(jìn)行優(yōu)化，提高教室日常管理水平。

智慧學(xué)情分析。通過智慧教室系統(tǒng)抓拍學(xué)生課堂行為，并對學(xué)生的課堂行為進(jìn)行分析，充分了解學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)多元化、個性化教學(xué)拓展。

智慧設(shè)備管控系統(tǒng)。在智慧教室系統(tǒng)中建立集控管理平臺，對遠(yuǎn)程管控、信息搜集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)監(jiān)測、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、故障報警等相關(guān)功能進(jìn)行設(shè)計。利用大數(shù)據(jù)平臺，對教室信息設(shè)備的運(yùn)行、數(shù)據(jù)、狀態(tài)等方面進(jìn)行綜合分析，提高設(shè)備的可視化管理水平。

智慧溫濕度環(huán)境控制系統(tǒng)。根據(jù)教室的環(huán)境測量值，在智慧教室系統(tǒng)中設(shè)置目標(biāo)參數(shù)對空調(diào)的運(yùn)行進(jìn)行調(diào)控，在對溫濕度環(huán)境變化進(jìn)行統(tǒng)計與控制的基礎(chǔ)上，改善教室的環(huán)境。

空氣環(huán)境質(zhì)量控制。建立CO2智能感知模塊、PM2.5感知模塊以及環(huán)境控制終端等，在對空氣環(huán)境進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)與環(huán)境評估的基礎(chǔ)上，可實(shí)現(xiàn)空氣數(shù)據(jù)的檢驗(yàn)與數(shù)據(jù)處理。

智慧護(hù)眼光環(huán)境控制。在對智慧調(diào)光過程進(jìn)行優(yōu)化中，可通過自動調(diào)節(jié)設(shè)備功率，提高教室的護(hù)眼管理水平。

5 智慧教室系統(tǒng)的應(yīng)用

5.1 工作模式優(yōu)化

基于無線網(wǎng)的智慧教室系統(tǒng)工作模式優(yōu)化，需要以智慧教學(xué)模式為中心，并建立智慧互動課堂。智慧教室系統(tǒng)的工作模式具有可選擇性，在對教學(xué)場景進(jìn)行優(yōu)化中，可以通過通用型、協(xié)作型、分享型、遠(yuǎn)程型、巨屏型等方式進(jìn)行操作處理。通用型是通過云平臺與多端設(shè)備的應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)單雙投影的教學(xué)方式，滿足智慧教室教學(xué)的創(chuàng)新需求。協(xié)作型智慧教室系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用是以教學(xué)小組為單位，建立合作性學(xué)習(xí)教學(xué)方案，在對學(xué)習(xí)環(huán)境以及TBL/PBL教學(xué)方式等進(jìn)行優(yōu)化的基礎(chǔ)上，提升協(xié)作教學(xué)在智慧課堂中的應(yīng)用效果。分享型的教學(xué)系統(tǒng)是通過計算機(jī)實(shí)訓(xùn)優(yōu)化智慧教學(xué)場景，通過多屏互動、數(shù)據(jù)共享的方式，對智慧教室系統(tǒng)的工作模式進(jìn)行優(yōu)化，提升互動教學(xué)水平。

5.2 智慧教室系統(tǒng)的維護(hù)與管理

在對智慧教室系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行分析中，則是從智慧教室系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源與核心聯(lián)動的角度來進(jìn)行控制。例如，在進(jìn)行環(huán)境監(jiān)控的過程中，可以利用溫度、濕度、二氧化碳等相關(guān)傳感器對環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控。通過無線網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)對通信數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲等方面進(jìn)行優(yōu)化，在通信組網(wǎng)與智能監(jiān)控的基礎(chǔ)上，提升監(jiān)控數(shù)據(jù)的處理水平。在對智慧教室系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸過程、數(shù)據(jù)信息處理等方面進(jìn)行優(yōu)化中，可通過智慧教室系統(tǒng)對出勤率、教室的環(huán)境數(shù)據(jù)以及課件準(zhǔn)備等方面進(jìn)行集成化管理，在系統(tǒng)運(yùn)行控制與數(shù)據(jù)操作的基礎(chǔ)上，可通過無線網(wǎng)絡(luò)提升智慧教室系統(tǒng)下的課堂教學(xué)水平。

5.3 智慧教室系統(tǒng)的智慧化設(shè)計

在建立智慧教室系統(tǒng)的過程中，可通過智慧教室系統(tǒng)改善智能教學(xué)環(huán)境，優(yōu)化智能管理過程，在利用傳感器的基礎(chǔ)上，可對教室環(huán)境、智慧管理等方面進(jìn)行優(yōu)化，提高教室的智慧管理水平。例如，利用光線識別系統(tǒng)判斷是否啟動照明；溫度感應(yīng)則可以通過環(huán)境檢驗(yàn)，控制空調(diào)的開啟狀態(tài)；人臉識別技術(shù)則是通過多媒體設(shè)備，對教師、學(xué)生的實(shí)際出勤情況、教學(xué)維護(hù)等方面進(jìn)行綜合控制。在此基礎(chǔ)上，可通過智慧教室系統(tǒng)完善學(xué)生學(xué)習(xí)生活系統(tǒng)，對學(xué)生的日常生活、出勤、安全等方面進(jìn)行監(jiān)管，在進(jìn)行無線傳輸與信息處理的基礎(chǔ)上，可提升智慧教室系統(tǒng)的操作與控制水平。

結(jié)束語：在無線傳感網(wǎng)視角下，智慧教室系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用以提高智慧教學(xué)水平為核心目標(biāo)，并通過控制系統(tǒng)對教室環(huán)境、教學(xué)設(shè)備管控等方面進(jìn)行優(yōu)化，提升智慧教室系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用水平。智慧教室系統(tǒng)通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)，通過多種終端，覆蓋教學(xué)空間。