智慧教室智能化控制系统设计与实现

张宇燕　常志华　汤显峰　李杭彩

摘 要：随着录播设备、多屏显示设备、自有设备、视频会议设备等在教学中的广泛应用，智慧教室的发展趋向于多样性、灵活性和专业性，传统的多媒体中央控制器已无法满足形式多样的智慧教室设备的控制和管理。文章提出一种人机界面友好的智能化控制系统设计方案，并以“浙江大学远程教育录播教室”为例，阐述了这种控制方案的具体实施案例。

关键词：智慧教室；信息技术；智能控制；系统设计

中图分类号：G40-057 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2016）08-00-03

0 引 言

目前，高校的教室主要为多媒体教室，教室建设的形式相对单一，教室内的设备以计算机、投影机、功放音响为主，多媒体教室设备的集中控制器主要控制一台投影机的开关和信号切换，音量大小等。教师教学方法仍旧以面对面授课的形式为主，课堂讨论、翻转课堂等教学形式开展较少。随着信息技术的快速发展，普通的多媒体教室已不能满足教师的教学需求，作为一种新型教育形式和现代化教学手段，智慧教室系统应运而生，给教育创新带来了新的机遇[1-7]。国内外学者提出诸多智慧教室模型，主要有美国MIT的“TEAL”[3]、加拿大McGill大学的“Intelligent Classroom”[4]、日本东京大学的“KALS”[5]、黄荣怀等人提出的“SMART”模型[6]以及清华大学的“iSMART”模型[7]等。基于智慧教室的教学具有如下优势：

（1）可提高教学的灵活性和多样化；

（2）提高教学效率；

（3）信息呈现模式多样；

（4）激发学生的学习动机，端正学生的学习态度；

（5）可以更多的互动与提高课堂参与；

（6）及时反馈和评价。

智慧教室在提供强大学习功能的同时，引入了数量众多的教育教学设备，比如在传统多媒体教室基础上增加的环境采集与控制设备、多屏互动展示终端和大量无线接入终端等。由此可见，传统的多媒体中央控制系统已无法满足智慧教室系统设备的控制与管理，致使智慧教室在使用过程中面临操作繁琐的窘境。

智慧教室系统技术是近几年教育技术研究的热点，智能化控制系统是专用于智慧教室并对其各种设备进行管理与控制的核心系统。目前为止，还尚未有关于智慧教室智能化控制系统的研究与报道。本文研究并设计了一套人机界面友好的智能化控制系统，用于实现教室环境信息采集与智能控制、互动终端无线接入、教学模式智能切换等功能。从而将智慧教室的各种功能有机地融合在一起，真正构成一个智能化的学习空间，具有重要的实际应用价值。

1 多媒体教室中央控制系统研究

多媒体教室中央控制系统又称集控系统或设备控制系统。是对多媒体教室视音频设备、计算机、投影机、电动屏幕和教学环境进行管理与控制的系统[8]。多媒体教室中控系统主要包含用户界面、中央控制主机和各类控制接口。其类型主要分为教室端本地中控以及远程网络中控。本地中控的功能是让授课教师在教室能方便、直观地对各种设备进行控制与操作。网络中控的功能是由网管平台发出指令，指挥中央控制主机实现远程控制、管理和维护所有多媒体教室的设备[9]。

国内市场已有众多中控产品，但往往只有设备控制功能，系统功能模块单一，没有过多考虑系统的扩展和升级问题，暂且不能完全满足智慧教室的需要。未来的多媒体中央控制系统即智慧教室智能化控制系统会融入人工智能、分布式控制、网络化等先进技术，将是一种具备主动学习和易于扩展的系统[10]。在现有中控系统的基础上还应具备以下几点特征：

（1）具有强大的通信能力，特别是无线通信能力，在未来应用趋势中能够迅速调整并适应新的需求；

（2）友好的人机交流界面；

（3）能支持多种形式的节目和用户的管理与控制；

（4）系统规划、设计支持未来的扩容和平滑升级。

2 智慧教室智能化控制系统设计

本文研究与设计一套面向智慧教室，集室内教学环境信息采集与智能控制、课堂内实时互动信息终端自由接入、远程交互场景便捷设置、自动录播系统一键式控制、多屏展示终端信号自由切换以及课堂教学资源云存储和使用功能为一体的智能化控制系统。整个系统的基本构成如图1所示。

2.1 智能化控制系统的硬件构成

智能化控制系统属于智慧教室的核心部件，它通过无线组网通信、智能化控制、云计算等技术手段，将智慧教室内系统集成的各种硬件设备与软件资源有效地协调在一起。本文设计的硬件系统将采用分布式结构，整个控制过程由系统主控制器和无线分控制器协调工作，共同完成。通过若干无线分控制器完成控制协议的转换，对每个独立的硬件系统或设备进行数据采集和控制。

2.2 智能化控制系统各个组件模块的功能

2.2.1 无线分控器模块

无线分控器模块负责课堂内各种硬件资源和系统的控制协议转换及信息连接。课堂内很多硬件和系统都是相互独立的，数据传输和控制接口标准不一，且安装的位置比较分散，因此我们采用近距离无线组网的方式将分散的终端设备有效地整合在一起，方便信息采集和设备控制。无线分控器采用ZigBee组网协议，每个无线分控器与主控协调器自由连接，最多可接255个节点。

2.2.2 主控器液晶屏触控驱动模块

操作界面是一个可选尺寸的液晶触控屏幕，屏幕显示和触控驱动由智能主控器完成。该模块主要负责将用户控制的友好界面呈现给液晶屏，同时触控屏幕输入的信息通过驱动模块与主控器处理器进行数据交互，完成用户的操作。

2.2.3 主控器通信和控制模块

智能主控器与外界通信的方式主要有网络接口、232串口、485串口、无线传输接口、WiFi接入等。这些硬件接口和数据协议都由主控器通信模块完成，本模块的主要功能是完成对外部设备的控制和数据交互，并且能够与软件平台协议对接。

2.2.4 主控器视音频切换模块

该模块设计可满足课堂教学场景切换的需要。目前主流的数据显示接口有VGA、HDMI等，该模块设计了多路VGA和HDMI输入输出接口以及多路音频线路输入输出接口，用户可按照自己设定的教学场景任意设定信号输入输出模式。

2.2.5 主控器数据处理和存储模块

用户设定信息与分控器本身设备设置的信息都保存在存储模块内，方便用户随时调取数据，并且保证掉电后这些设置信息不会消失。数据处理模块负责将接收到的设备数据信息和用户指令进行分析，并做出相应动作。

3 智慧教室智能化控制系统建设实例

浙江大学现代教育技术中心规划建设了一间“远程教育录播教室”，该教室是一间多功能智慧教室，包括3D播放、远程交互课堂、课程录播等功能，系统连接线路如图2所示。该教室涉及的设备较多，使用场景复杂，设备配置如下：

（1）灯光：聚光灯6路、三基色灯18路、调光灯12路；

（2）远程交互课堂：短焦投影仪、电子白板、液晶电视3台；

（3）3D播放：4台投影机、蓝光DVD、计算机；

（4）其他：功放、矩阵、电源继电器等。

在设计设备控制方式时，除了对每个设备进行单独控制外，我们还设置了几个常规工作场景模式，包括2D播放、3D播放、远程课堂等，选择不同的场景，能一键完成对多样设备的控制，使教室环境进入相应的场景模式。

智慧教室的相应模块设计如下：

（1）无线分控器模块。“远程教育录播教室”中的设备大部分是固定好位置的，为了设备的稳定性，每个分控器模块仍采用有线连接的方式，对于后期加装的设备，分控器采用无线WiFi连接的方式组网。

（2）主控器液晶屏触控驱动模块。该模块的操作界面是一个固定安装的液晶触控屏幕，屏幕显示的内容包括灯光、设备的控制界面和状态信息。同时为了控制方便，开发了用于移动设备（IPAD）的App，运行界面与液晶触控屏完全一致，以便用户随时随地完成设备控制。

（3）主控器通信和控制模块。主控器通信模块完成对应设备的控制协议学习和转换，从而实现对设备的控制。设备控制方式包括串口控制、红外控制、网络控制等模式。

（4）主控器视音频切换模块。设备信号主要采用HDMI信号传输，实现高清信号的输出。

（5）主控器数据处理和存储模块。主控制器数据处理和存储模块、主控器通信和存储模块是主控制器最重要的两个模块，主控器作为整个系统的核心，完成设置、存储、控制等任务。

“远程教育录播教室”自投入使用以来，开展过“同时异地”远程教学、虚拟演播录像、3D作品赏析、录音等活动。模式选取的方式使整个系统操作灵活方便，达到设计的性能要求。

4 结 语

智慧课堂包含的设备和应用场景越来越多样化，但希望教师的操作越来越便捷。如何有效解决不同类型教室的使用界面不同、设备多样导致操作复杂的问题，是当前我们需要研究的课题。

本文研究与设计了一套智慧教室专用的智能化控制系统，解决了一系列关键问题，主要有基于泛在网络技术实现了智慧教室内人与技术、技术与技术、技术与环境等相互之间的无缝链接，使课堂内的学习变得更为便捷和人性化；解决多屏互动环境下各种教学模式的智能化切换问题；采用嵌入式技术开发控制系统，实现智慧教室物理环境和教学情境的协同一体化控制。

本文以“浙江大学远程教育录播教室”为实例，简述了智能控制系统的具体实施过程。其最终目标是要将智慧课堂建成一个空间舒适、装备先进、操控便利、资源丰富、交互实时、教学灵活的学习空间，体现出教学环境的人性化、混合性、开放性、交互性、智能性、生态性等特性，为课堂中的学习者提供完善的环境支持和学习支持。

参考文献

[1]程敏.智慧教室的设计与构建[J].实验室研究与探索，2015，34（6）：248-252.

[2]张亚珍，张宝辉，韩云霞.国内外智慧教室研究评论及展望[J].开放教育研究，2014，20（1）：81-91.

[3] MIT Office of Educational Innovation and Technology.TEAL-Technology Enabled Active Learning[EB/OL].http：// icampus.mit.edu/projects/teal/.

[4] Cooperstock J R. Classroom of the Future： Enhancing Education through Augmented Reality[C].Proceedings of International Conference on Human-Computer Interaction.New Orleans，2001，688-692.

[5] College of Arts and Sciences，the University of Tokyo.Komaba Active Learning Studio[EB/OL].http：//www.kals.c.u- tokyo.ac.jp/english/index.html.

[6]黄荣怀，胡永斌，杨俊锋，等.智慧教室的概念及特征[J].开放教育研究，2012，18（2）：22-27.

[7]聂风华，钟晓流，宋述强.智慧教室：概念特征、系统模型与建设案例[J].现代教育技术，2013，23（7）：5-8.

[8]雷志华.多媒体教室中控系统及其选用[J].中国现代教育装备，2008（2）：7-8.

[9]李海涛.多媒体教室网络中央控制系统的设计与实现[J].焦作大学学报，2011（3）：89-90.

[10]胡彦玲.高校多媒体教室中央控制系统的研究与设计[D].上海：华东师范大学，2010.