基于物聯網的開放大學云教室建設與應用研究

摘 要：云教室作為開放大學現代化的信息化教學環境，在遠程教學中起到重要的作用。文章首先介紹了開放大學云教室建設的現狀，分析了云教室教學存在獲知學生學習狀況少、移動教學支持程度低、交互功能不足等困境，然后通過物聯網的引入，構建了基于物聯網技術與云教室融合的系統架構，并給出了傳感器、二維碼、RFID、定位系統、觸屏等物聯網技術在云教室中的應用，旨在提高云教室的教學互動能力，解決教學困境，促進云教室的教學應用。

關鍵詞：物聯網;開放大學;云教室;人才培養;教學改革;人機交互技術

中圖分類號：TP393文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2020）10-0-04

0 引 言

2010年，第一次全國教育工作會議頒布了《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010—2020年）》，明確提出了“大力發展現代遠程教育”“創新網絡教學模式，開展高質量高水平遠程學歷教育”“辦好開放大學”的要求，2012年開始，中央廣播電視大學及上海、北京、江蘇、云南、廣東等五所廣播電視大學先后轉型升級為開放大學，構成我國“1+5”所開放大學辦學體系。中央廣播電視大學又稱為國家開放大學，開放大學是一所通過現代遠程教育開展學歷教育的高等學校，學歷教育包含了大專學歷與本科學歷。為了辦好高質量高水平的遠程學歷教育，國家開放大學積極推進信息技術與教學的深度融合，提高現代遠程教育手段，建設遠程開放教育云平臺，實現“教、學、管、研、服”一站式和一體化，教學環境的重構，是開放大學信息化建設的重要舉措。經過三期的建設，國家開放大學聯合各地廣播電視大學，在全國各地尤其是邊遠地區建成了314間云教室，構建了從中央到地方、從發達地區到邊遠山區的云教室教學系統，云教室的建成提高了開放大學的信息化教學水平，促進了優質資源的共建共享。

1 云教室存在教學困境

以信息技術為依托開展的現代遠程教育能夠為任何人在任何時間、任何地點提供其需要的學習內容，實現跨時空、跨階段、按需供給的靈活教育[1]。開放大學是一所通過現代遠程開展學歷教育的新型大學，運用先進的信息技術手段，提高信息化教學水平，滿足人們隨時隨地的學習需求，是當前開放大學教育信息化的重要任務。云教室是開放大學當前先進的教學手段，它的建成優化了資源傳輸的通道，使得發達地區的優質資源能夠快速、便捷地共享給邊遠地區，使得全國電大學員能夠“處在不同的地方”享受“同一堂課”，并且與云端的教師進行視頻互動，輕松實現遠程在線面授教學。除此之外，利用云教室的視頻會議系統、錄播系統和電子白板，還可以實現教學研討、課程錄播異地教學、遠程面試與答辯等功能，極大地促進了遠程教學活動的開展，提高了教學效率。但是，由于云教室的功能設計是建立在視頻會議系統基礎之上，經過幾年的應用實踐，發現云教室教學應用也凸顯了一些不足。

（1）教師對異地云教室的學生狀況了解少。參與到教學中的云教室，教師可以通過教室大屏幕觀察到其他云教室的學生狀況，屏幕布局有輪巡和整體布局兩種顯示方式。當輪巡布局時，教師可以逐個地觀察云教室的學生狀況，例如到課的學生人數、學生專注聽課情況、學生的反應效果等。當整體布局時，所有連接的畫面都在屏幕上一起呈現，可以統一觀察。但是，無論是輪巡畫面還是整體畫面，觀察學生時都存在看不清楚、容易忽視學生的情況，因為輪巡畫面一般是10 s一個畫面，畫面間隔短，無法及時觀察清楚畫面，而整體畫面被壓縮，面積太小，看不清楚畫面細節。因此，單一地通過視頻來觀察學生狀況，并不能盡如人意。

（2）移動教學支持程度低。云教室的多媒體講臺功能豐富，具有聲音控制、云教室畫面切換、筆記本連接、一體機電子白板、展示臺等功能和設備，教師為了教學的連貫性而習慣性束縛在講臺上，這就把教室隔離成教師和學生兩個區域，容易導致教師在臺上按照PPT內容流程在“表演”、學生在看“表演”的情況。教師融入到學生當中，無疑會起到督促學生學習，激發學生學習積極性的作用，然而，云教室對移動教學的支持程度低，教師離開講臺，就無法再控制課件的播放，也無法實時地點評學生的作業，移動教學能夠給教師帶來更大的授課舞臺，但是，云教室對移動教學的支持程度低，降低了教學效果。

（3）教學互動功能不足。云教室的實現載體是視頻互動，只能傳遞視頻信號，不支持圖文互動[2]，由于云教室與視頻會議系統的技術關聯性，所有的教學互動必須建立在視頻會議的基礎上。視頻互動固然好，能夠帶給人面對面的互動，提高了互動的臨場感，但是，視頻互動最大的弊端是需要占用較大的網絡帶寬，并且是隨著互動個數的增加而成倍增加。而互聯網又具有不可靠性，在交互時會出現卡頓、丟幀的情況，嚴重影響了教學的交互活動。云教室并不支持圖文互動，如留言、點贊、彈幕等，也不支持圖文資源的共享，例如作業上傳、成果分享等。多元化學習豐富了學生習得知識的渠道，多元化的互動能夠活躍教學氛圍，然而，云教室交互功能的不足，使得很多教學交互活動難以開展。

隨著社會的進步以及人們生活質量的提高，終身學習越來越受到人們的關注和重視。在終身學習時代下，開放大學如何滿足靈活、開放、優質的教育需求，提供個性化的學習資源、多樣化的教與學方式，成為開放大學面臨的重大挑戰[3]。學習者的任何學習活動都是在一定的學習環境中進行的，離開學習環境的支持，學習活動就失去了依托，學習環境的優劣直接關系著學生的學習與發展[4]。如今，云教室已經成為了開放大學重要的信息化教學環境，也是開放教育學生重要的遠程學習環境，面對云教室的教學困境，如何提高云教室在教學中的應用，給遠程教學活動提供更好的技術支持，是當前云教室教學需要解決的難題。

2 物聯網在教學中的相關應用

物聯網的核心是萬物連通，是通過通信技術連接在不同物體上的智能芯片，然后實現智慧自動化控制的網絡，在4G時代以前，受限于互聯網傳輸數據較慢的原因，對通信技術的數據連通速率要求較高的物聯網發展較慢，僅僅在某些領域進行了局限性的應用。隨著4G時代的普及，以及5G通信技術的誕生，物聯網時代越來越近，物聯網通過移動互聯技術連接設備終端與智慧中心，進行數據交換，給生活帶來越來越大的便利，比如環境監測[5]、農產品交易[6]、智能交通[7]、智能家居[8]等，應用非常廣泛。物聯網在廣義上實際包含了物與物之間、人與物之間的互聯，它以連通性、技術性、智能性、嵌入性的特點，為人們提供了智能化的生活與工作環境，改變著人們的生活、工作與學習方式。在教育領域，通過物聯網技術的引入，利用RFID、傳感器、二維碼以及其他各種感知設備，構建智能化教學環境，使得教學環境中的每個物件都具有數字化、網絡化、智能化特性，可以即時捕捉、分析和判斷所需信息，并做出相應的行為[9]。比如，通過感光器監控光線亮度，控制教室燈光，根據燈光調整計算機屏幕或者投影屏幕亮度，根據室內溫度控制空調溫度，根據室內空氣質量開啟窗簾等。通過嵌入設備、物聯設備，讀取本地或調用異地的數據用于當前教室的教學和學習等。以下是在教學領域中運用比較普遍的物聯網技術：

（1）傳感器技術

我國國家標準（GB7665—2005）對傳感器的定義：能感受被測量并按照一定的規律轉換成可用輸出信號的器件或裝置。在物聯網中，傳感器技術是物聯網的支撐技術，負責接收物品“講話”的內容，通過傳感器從信息源物體感知并獲取信息，對其進行處理、變換和識別。傳感器技術在智慧校園網中運用較普遍，例如在運維對象上安裝傳感器，利用ZigBee和中控網絡進行通信，并集成校園網，主要應用有智慧風扇系統、智能空調系統、智能窗簾系統、智能照明系統、智能投影系統、計算機系統和智能用電系統、安防系統等，在校園網集中設備控制大屏上，可以到對教室的風扇、燈光、窗簾、空調、多媒體計算機、投影等進行智能化管控，方便了設備的管理與維護，提高了設備的使用效率。

（2）RFID技術

射頻識別（RFID）技術是一種非接觸的自動識別技術，它是利用無線射頻技術對物體對象進行非接觸式和即時自動識別的無線通信信息系統[10]。RFID技術具有數據讀取方便快捷、標簽數據可動態更改、設備可以重復使用等特點。在校園網中，最普遍的是基于RFID技術的校園一卡通，師生利用校園卡可以在食堂里吃飯、購買商品、用電用水等消費活動，也可以進行借書、刷門卡、考勤等其他功能使用，方便了各種數據之間的轉換，提高應用效率。

（3）二維碼技術

二維碼技術是用特定的幾何圖形按一定規律在平面（二維方向）上構成的黑白相間的圖形來表示數據和信息。二維碼可以通過圖像輸入設備或者光電掃描設備來讀取，并發送到程序進行信息數據自動處理。由于二維碼具有識別方便、簡單易用且信息存儲量大、安全可靠等特點，在日常生活中應用越來越廣泛。在教學中，二維碼被廣泛地用來做簽到、資源共享等應用，例如，在課堂上發送動態的簽到二維碼，學生課堂用手機掃描即可完成簽到功能;在書籍或者課件資源中，通過二維碼可以在關鍵地方插入微課視頻，分享給學生，幫助學生更好地理解教學內容，也可以插入測試題，對知識進行習得反饋。

（4）人機交互技術

人機交互是研究人、計算機以及它們之間相互影響的技術，而用戶界面是人與計算機之間傳遞、交換信息的媒介和對接口，是計算機系統的重要組成部分[11]。隨著技術的發展，人機交互的概念越來越廣泛，可以理解為人與計算機、手機、機器人等系統之間交流和互動，人機交互界面則是系統接收用戶信息輸入的部分。傳統的人機交互技術主要是通過鼠標和鍵盤操作用戶界面來進行交互，目前技術應用越來越先進，系統也越來越智能化，可以通過語音、觸摸、手勢等達成人機交互的目的。觸屏技術的發展使得智能終端在教學中得到了廣泛的應用，例如智能手機、一體機大屏電子白板等智能化設備被廣泛應用在多媒體教室、智慧教室教學上。目前，虛擬現實技術日益出現在實訓教學或者實驗室里，例如，通過虛擬現實技術實現高爾夫打球姿勢與力度訓練等體育課程的虛擬實訓操作，或者搭建虛擬實驗室開展化學、物理實驗等，虛擬現實技術的應用大大提高了教學體驗。

3 云教室與物聯網的融合

基于上述介紹可知，云教室為開放大學的遠程教育提供了現代化的教學環境，在解決優質資源共享、遠程教學等方面起到了積極的促進作用。但是，經過幾年的教學實踐，發現在應用上還存在諸多不足。物聯網技術在智慧校園中取得了成功的案例應用，本文利用物聯網技術對開放大學云教室系統進行全新設計，提出了一種基于物聯網的云教室系統架構，并給出云教室與物聯網融合的應用設計。該系統架構有利于節省系統的構建與維護成本，提升云教室的教學使用體驗，提高教學效率。

3.1 基于物聯網的云教室系統架構設計

如圖1所示，基于物聯網的云教室系統分為三層，分別為感知層、網絡層和應用層。

（1）感知層

感知層是系統架構的最底層，包括用于教學內容呈現的一體機電子白板、用于顯示遠端云教室的顯示器、云教室終端設備、攝像頭、全向麥、紅外定位器、空調、LED燈、窗簾以及各種智能終端等物理設施。感知層是云教室獲取信息最直接的渠道，教室環境中的各種設備通過射頻識別技術、傳感技術、紅外技術、視音頻采集技術以及二維碼技術，獲取教室中的空調、燈光、觸摸、視頻、聲音、人員等信息，然后把信息傳給網絡層。

（2）網絡層

網絡層是物聯網的中間層，無線AP、交換機、4G網絡等網絡設備構成的局域網、校園網和互聯網形成了架構的網絡層，負責將感知層設備獲取的數據，通過無線網絡或者移動網絡傳輸到應用層。網絡層是云教室數據傳輸的關鍵層，保證了數據的安全可靠和網絡實時傳輸。

（3）應用層

應用層位于物聯網的最上層，包含云教室中的各種管理系統和平臺，例如云教室管理平臺，設備可視化管理平臺，一卡通管理系統、教學平臺等，負責把網絡層輸送的數據進行處理、判斷和決策，實現對設備、環境的智能化監控和管理，為用戶提供服務，實現云教室中的人與人、人與物、物與物之間的溝通與交互。

3.2 物聯網在云教室中的應用

（1）通過傳感器實現教室環境設施智能化管理。在教室里安裝溫度傳感器、亮度傳感器、空氣質量傳感器，實現對環境溫度、亮度和空氣質量的信息獲取，再通過交換機把數據傳給設備可視化管理平臺。照明LED燈的亮度控制碼、空調的風量和溫度指令、窗簾的升降控制碼都在設備可視化管理平臺中，平臺根據傳感器返回的數據，可以實時調節這些設備的控制碼和指令。然后通過交換機傳送給設備，從而實現對燈光、空調、窗簾的智能化管理，給云教室教學營造舒適的教學環境。

（2）通過二維碼進行簽到管理和資源分享。上課前，教師在一體機上打開教學平臺，調出二維碼簽到程序，學生通過移動智能設備，例如智能手機，對二維碼進行掃碼簽到，簽到結果即可返回給教學平臺，進行實時存儲與管理。教師在期末可以查看學生的上課簽到統計，得到學生的出勤率。教學資源配備二維碼，就如同有了身份一樣，老師可以把二維碼隨時隨地的分享，學生利用手機掃一掃二維碼，就可以獲取到想要的資源，例如在課前發布二維碼，可供學生進行自主學習;在課中發布二維碼，可以讓學生進行同步學習;在課后發布二維碼，可供學生進行拓展學習等。二維碼使得教學資源分享更加便捷，并且擴展了教學應用，教師通過二維碼可以獲取到更多的學生學習狀況，例如發布作業二維碼，獲取學生對知識的掌握情況;發布投票二維碼可以獲得學生對問題的投票情況等。

（3）通過一卡通進行設備管理。一卡通系統存儲了教師的教學信息，例如何時何地上什么課程等教學計劃安排信息，教師按照教學計劃，按時到云教室進行授課，用一卡通掃碼云教室講臺的RFID機器，即可自動打開云教室的所有設備，包括空調、燈光、一體機、錄播系統等。把設備開機信息傳給設備可視化管理平臺，實現了對設備一體化的管理，并且準確地記錄教師的上課情況，把教師授課記錄傳給教學平臺，實現了對教師的教學出勤管理。

（4）通過定位跟蹤實現課程自動錄制。云教室通過視頻會議系統實現對其他云教室的視頻教學，定位跟蹤能夠讓攝像頭對教學過程細節進行自動捕捉，例如教師的講解、教師移動過程、教師與學生的對話、學生的回答等細節，實現課程的自動錄制，并實時傳輸到異地云教室進行直播教學，錄制的課程視頻按照時間、課程名和教師名等信息進行自動命名、歸檔和存儲，方便查找和分享。

（5）通過觸屏實現移動教學。在云教室中通過無線AP搭建無線局域網，一體機終端和智能終端同時接入局域網，利用希沃助手等教學軟件，實現移動教學。教師可以離開講臺，觸摸智能終端就可以實現對教學PPT的控制播放、一體機電腦系統的遠程控制、作業拍照上傳、探照燈突出重點和圈畫標注講解等移動教學操作。教師還可以通過教學平臺給學生推送資源和測驗、彈幕互動等，學生通過觸摸智能終端就能輕松完成問題回答、上傳作業、測驗測試等，提高了教學互動體驗，讓教師在云教室輕松自由地展現自我，讓學生樂于其中，讓教學更加有趣而高效。

4 結 語

云教室作為開放大學重要的信息化教學環境，通過視頻互動教學能夠迅速搭建課程直播與錄播教學、教學研討、遠程面試及答辯等遠程教學活動，提高了教學效率，有助于解決教育均衡發展中優質資源共享的問題，但是在移動教學和交互功能上也存在一些不足，制約了云教室的教學應用。隨著信息技術的發展，越來越多的物聯網技術被應用到教學中，物聯網技術極大地方便了教學設備的統一管理，提高了教學互動，讓教學過程變得更加有趣。因此，通過引入物聯網技術，構建基于物聯網技術的云教室教學系統，有助于解決云教室在移動教學、互動教學上的不足，能夠讓教師和學生在云教室課堂上充分地展現自我，提高教學互動效果，從而促進云教室在開放大學遠程教學中的應用。

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