賀 瑋 何 恬

（上海交通大學(xué)教育技術(shù)中心 上海 200240）

引言

基于智慧教室的信息發(fā)布系統(tǒng)主要是依托信息平臺(tái)系統(tǒng)開展的信息發(fā)布業(yè)務(wù)，對(duì)師生需要獲取的信息提供相應(yīng)的功能支撐，更好地服務(wù)于師生的教與學(xué)。

一、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.需求分析

（1）師生預(yù)訂教室

教師預(yù)訂教室需要考慮諸多因素：課程表占用情況；教室類型布局。比如，是否是討論型教室，是否為可移動(dòng)桌椅等；教室內(nèi)座位以及插座數(shù)量，特別是課堂上學(xué)生需要用到筆記本上課的情況；是否有云錄播設(shè)備等等。預(yù)定教室需要獲取的相關(guān)信息之前只能通過電話咨詢，反饋也不一定及時(shí)。信息發(fā)布系統(tǒng)通過發(fā)布的課程表信息，每個(gè)教室3D導(dǎo)覽以及詳細(xì)信息，幫助教師快速根據(jù)課表、教室類型、教室座位數(shù)等條件精確搜索到所需教室并直接預(yù)定，避免了煩瑣的咨詢流程。

（2）自修教室難找

需要自修的學(xué)生經(jīng)常跑遍一整棟教學(xué)樓也找不到一間合適的自修教室。通過掛置在教學(xué)樓主要通道口的信息發(fā)布系統(tǒng)，學(xué)生可以輕松查閱當(dāng)天整棟教學(xué)樓每間教室的課程占用情況，避免了剛坐下來自習(xí)不久就被上課師生趕走的情況。信息發(fā)布系統(tǒng)還展示每間教室的當(dāng)前詳細(xì)信息，如該教室當(dāng)前人數(shù)統(tǒng)計(jì)、上座率、當(dāng)前溫度，避免了自修教室過于擁擠。此外，工作人員也可以根據(jù)上座率、溫度等信息，適當(dāng)?shù)卦鰷p自修教室，開啟關(guān)閉空調(diào)避免能源浪費(fèi)。

（3）師生上課忘記教室號(hào)

很多師生經(jīng)常是到了指定上課的教學(xué)樓卻不記得在哪間教室上課了，通過掛置在教學(xué)樓主要通道口的信息發(fā)布系統(tǒng)發(fā)布當(dāng)日當(dāng)時(shí)該教學(xué)樓每個(gè)教室的課程名稱、上課老師姓名，幫助師生避免忘記教室號(hào)的尷尬，針對(duì)教室多的可以發(fā)布滾動(dòng)頁面分別顯示每一層樓教室情況。此外，可以提供二維碼掃描功能進(jìn)入查詢頁面，可以更快速地查詢到哪位教師、哪個(gè)課程名稱在哪間教室什么時(shí)間段上課。

（4）大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

教學(xué)研究需要具體的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。系統(tǒng)可以根據(jù)課表上的應(yīng)到人數(shù)和圖像捕捉技術(shù)得到的實(shí)到人數(shù)，計(jì)算出每位老師每個(gè)課堂的上座率供教學(xué)分析?？刂浦行囊部梢愿鶕?jù)自修教室的上座率、高低峰情況合理調(diào)整自修教室的開放關(guān)閉，做好節(jié)能減排工作。

（5）教室環(huán)境監(jiān)測(cè)

管理人員需要根據(jù)教室內(nèi)實(shí)時(shí)測(cè)量溫度調(diào)控空調(diào)，以及根據(jù)實(shí)時(shí)CO2濃度和PM2.5值調(diào)控新風(fēng)系統(tǒng)，以更好地服務(wù)師生；師生也可以參考溫濕度自己調(diào)節(jié)空調(diào)溫度和新風(fēng)系統(tǒng)。

（6）在線督導(dǎo)教學(xué)

教學(xué)研究指導(dǎo)工作需要實(shí)時(shí)查看課堂上教師和學(xué)生的表現(xiàn)，遇到某些重要考試比賽時(shí)還需要及時(shí)地給出指導(dǎo)和建議。系統(tǒng)通過采集教室內(nèi)配置的高清追蹤攝像頭音視頻流，提供多角度高清畫面，極大方便領(lǐng)導(dǎo)教學(xué)研究指導(dǎo)工作。

（7）通知公告

對(duì)應(yīng)教學(xué)樓的自修室開放信息、通宵自修室信息、教室設(shè)備維修不能使用信息、失物招領(lǐng)信息、教學(xué)樓考試封樓等等信息的提供，可以更好地服務(wù)師生。

2.應(yīng)用場(chǎng)景

（1）信息發(fā)布大屏

該系統(tǒng)最大的一個(gè)服務(wù)對(duì)象群體就是進(jìn)入教學(xué)樓上課的師生，在教學(xué)樓的主要通道口墻面懸掛信息發(fā)布大屏可以幫助師生最直觀快捷地查找上課的教室號(hào)、自修教室，查看通知公告以及呼叫服務(wù)中心等等。

（2）終端查詢

師生通過終端掃描大屏提供的二維碼，可以登錄進(jìn)入系統(tǒng)主頁查看更多的信息：包括每棟教學(xué)樓的信息簡(jiǎn)介，課程表，每間教室的3D導(dǎo)覽以及多媒體配置、通知公告等等，同時(shí)終端主頁也提供了教室類型查詢和空閑教室查詢接口。

（3）在線督導(dǎo)

除了可以查看各種信息外，該系統(tǒng)還專門為需要參與教學(xué)研究指導(dǎo)工作的教師提供專有賬號(hào)，可以實(shí)時(shí)并多視角查看每一間教室內(nèi)的課堂情況，包括課堂上座率、師生課堂互動(dòng)情況等等，充分了解課堂并發(fā)現(xiàn)存在的問題，給出指導(dǎo)建議。

3.設(shè)計(jì)架構(gòu)

（1）系統(tǒng)功能模塊

（2）系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

圖1 基于智慧教室的信息發(fā)布系統(tǒng)軟件框架

二、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

1.重難點(diǎn)實(shí)現(xiàn)方案

（1）采用目前比較主流的SpringBoot+MyBatis構(gòu)建項(xiàng)目

Spring框架是Java平臺(tái)上的一種開源應(yīng)用框架，提供具有控制反轉(zhuǎn)特性的容器。SpringBoot基于Spring4.0設(shè)計(jì)，不僅繼承了Spring框架原有的優(yōu)秀特性，而且SpringBoot簡(jiǎn)化了初始搭建以及開發(fā)過程，僅僅只需要非常少的幾個(gè)配置就可以迅速方便地搭建起來一套 Web 項(xiàng)目，集成了豐富的通用類庫，只需要安裝對(duì)應(yīng)類庫包就可以實(shí)現(xiàn)，非常適合構(gòu)建信息發(fā)布系統(tǒng)這項(xiàng)web服務(wù)。MyBatis 是一款優(yōu)秀的持久層框架，它沒有任何第三方依賴，支持自定義 SQL、存儲(chǔ)過程以及對(duì)象與數(shù)據(jù)庫的ORM（Object Relational Mapping）字段關(guān)系映射。MyBatis 免除了幾乎所有的Java數(shù)據(jù)庫連接代碼以及設(shè)置參數(shù)和獲取結(jié)果集的工作，提高了開發(fā)效率。

（2）使用Redis做緩存，共用的數(shù)據(jù)存入緩存中提高查詢效率

信息發(fā)布是一個(gè)展示系統(tǒng)，大量用戶同時(shí)查詢數(shù)據(jù)庫會(huì)引起頻繁的磁盤I/O讀取操作，迫使CPU掛起等待，數(shù)據(jù)庫性能極度低下，用戶體驗(yàn)極差。緩存是服務(wù)器上的原始數(shù)據(jù)的復(fù)制集，而該項(xiàng)目數(shù)據(jù)庫中大部分內(nèi)容固定不變，比如教學(xué)樓信息和教室3D導(dǎo)覽等等，使用緩存可以提高頁面展示效率。Redis是一個(gè)開源的內(nèi)存中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)系統(tǒng)，它可以用作數(shù)據(jù)庫、緩存和消息中間件。作為緩存，它可以支持大數(shù)據(jù)存入內(nèi)存中，每秒可以執(zhí)行大約110 000個(gè)寫入操作，或者81 000個(gè)讀操作，實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)，性能極高。Redis常被拿來和高性能鍵值緩存服務(wù)器Memcached進(jìn)行對(duì)比，Redis相對(duì)支持更多的數(shù)據(jù)類型，這使得在應(yīng)用中很容易根據(jù)需要選擇存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)類型；Redis可以定期保存到磁盤（持久化），相對(duì)保證了存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的安全；另外，Memcached掛掉后，數(shù)據(jù)不可恢復(fù)，Redis數(shù)據(jù)丟失后可以通過AOF恢復(fù)。除此以外，Redis操作性很強(qiáng)，可單獨(dú)部署，可通過配置可以輕松組建集群，調(diào)用類成熟，非常適合該系統(tǒng)采用。另外，目前系統(tǒng)采用主動(dòng)更新數(shù)據(jù)庫的方案，即數(shù)據(jù)庫庫更新同時(shí)觸發(fā)更新緩存，提高實(shí)時(shí)性。

（3）使用Elasticsearch實(shí)現(xiàn)快速實(shí)時(shí)查詢展示，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和可擴(kuò)展性

該系統(tǒng)提供了實(shí)時(shí)快速搜索教室、課程等功能，采用了功能強(qiáng)大且操作簡(jiǎn)單的第三方軟件Elasticsearch作為底層數(shù)據(jù)搜索引擎方案，實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)量的實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)查詢。Elasticsearch是一個(gè)建立在全文搜索引擎 Apache Lucene? 基礎(chǔ)上的搜索引擎?？梢哉f，Lucene是當(dāng)今最先進(jìn)、最高效的全功能開源搜索引擎框架。Elasticsearch使用 Java 編寫，內(nèi)部采用Lucene作為引擎，它不但包括了全文搜索功能，還可以進(jìn)行分布式實(shí)時(shí)文件存儲(chǔ)，實(shí)時(shí)分析的分布式搜索引擎，每個(gè)字段可以被索引與搜索，還可以擴(kuò)展到上百臺(tái)服務(wù)器，快速地儲(chǔ)存、搜索和分析海量數(shù)據(jù)。另外，在實(shí)時(shí)搜索上Elasticsearch相比頂級(jí)開源全文搜索項(xiàng)目Solr具有明顯的優(yōu)勢(shì)，隨著數(shù)據(jù)量的增加，Solr的搜索效率會(huì)變得更低，而Elasticsearch卻沒有明顯的變化，因此更適合該系統(tǒng)選用。

（4）使用任務(wù)調(diào)度中心實(shí)現(xiàn)xxl-job-admin定時(shí)任務(wù)配置，方便管理人員可視化、簡(jiǎn)單且動(dòng)態(tài)的管理調(diào)度信息

XXL-JOB是一個(gè)輕量級(jí)分布式任務(wù)調(diào)度平臺(tái)，可以部署在Tomcat里面，在功能方面，它支持通過web頁面對(duì)任務(wù)進(jìn)行增刪改查操作；支持動(dòng)態(tài)修改任務(wù)狀態(tài)、啟動(dòng)、停止等，即時(shí)生效；支持多種阻塞處理策略，如串行、丟棄后續(xù)調(diào)度、覆蓋之前調(diào)度；支持超時(shí)控制、失敗重試、郵件報(bào)警等處理。比如，我們可以在系統(tǒng)里面通過創(chuàng)建課表同步任務(wù)，設(shè)置為每日2點(diǎn)定時(shí)從學(xué)校中心庫的中間服務(wù)器讀取課表以及借課/調(diào)課表，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)的整合過濾，生成新的課表，更新到信息發(fā)布平臺(tái)服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫，保證每日課表更新能及時(shí)同步，操作上也方便快捷。

2.實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用

（1）信息發(fā)布大屏

圖2 信息發(fā)布大屏展示

（2）終端版

圖3 終端展示

（3）網(wǎng)頁版

圖4 網(wǎng)頁版展示

圖5 網(wǎng)頁版教室環(huán)境展示

結(jié)語

本系統(tǒng)從師生對(duì)智慧教室的使用需求出發(fā)，創(chuàng)新性地通過人工智能與大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，將教室的多媒體信息、動(dòng)態(tài)信息、課程錄播、課堂數(shù)據(jù)及校內(nèi)教務(wù)系統(tǒng)結(jié)為一體，將教室查詢、課程分析、信息展示和環(huán)境控制等功能整合，多應(yīng)用場(chǎng)景方式展示給不同使用群體。技術(shù)上采用目前主流中小型項(xiàng)目框架SpringBoot+MyBatis，搭建了交互友好的管控平臺(tái)，實(shí)踐證明該系統(tǒng)完善了教學(xué)管理，豐富了教學(xué)手段。系統(tǒng)保留擴(kuò)展和升級(jí)接口，可實(shí)現(xiàn)平滑過渡升級(jí)系統(tǒng)，推進(jìn)智慧化教學(xué)環(huán)境進(jìn)一步發(fā)展，更好地指導(dǎo)師生教學(xué)活動(dòng)。