物联网技术在智慧校园的应用研究

廖婧 韦攀

[摘 要]在教育信息化2.0时代，利用人工智能、物联网、大数据等新兴技术建设智慧校园已刻不容缓，而物联网技术正是智慧校园建设的基础。文章以物联网技术在智慧校园中的应用为研究对象，从物聯网架构和智慧校园总体框架入手，介绍了物联网技术在智慧校园中智慧教学环境、智慧教学资源、智慧校园管理、智慧校园服务四个方面的应用，为广西开放大学建设智慧校园提出建议。

[关键词]物联网;智慧校园总体框架;开放大学

随着信息技术的不断深入发展，教育信息化从1.0时代迈入2.0时代。在智能环境下，教师的“教”与学生的“学”发生了改变，影响着教育的理念。我国教育部印发的《教育信息化2.0行动计划》中提出，高校要充分利用人工智能、物联网、大数据等新兴技术，依托智能设备和网络，构建智慧学习环境，加快智慧校园的建设步伐，使得教师和学生都能便捷地获取资源、服务，实现学习、生活智能化。物联网技术作为智慧校园建设的基础技术，为智慧校园的感知、管理、控制提供支持。

一、物联网

物联网（Internet of things），即“万物相连的互联网”，将互联网创造的虚拟世界与现实世界融为一体，使得现实世界的物体能连接到互联网中，保证物与物、人与物、人与环境在任何时间、任何地点都能传递信息。

物联网架构分为3层，分别是感知层、网络层和应用层，如下页图1所示。

1.感知层，通过RFID标签、传感器、摄像头等设备识别物体，采集物体信息。

2.网络层，传递和处理感知层获取到的信息，同时将应用层的信息传递给感知层。

3.应用层，结合行业的需求，将物体信息用于应用端，融合行业专业技术，实现行业智能化。

目前，物联网不仅渗入到传统产业领域的研发、管理过程中，推动传统产业智能化升级，更在智能家居、智能交通、移动支付等领域中大放异彩。

二、智慧校园

智慧校园是在全面感知物理环境以及网络无缝互通的基础上满足教师和学生能随时随地获取资源、服务的开放教育环境和便利生活环境，是数字校园发展的必然趋势。

《智慧校园总体框架》[1]明确提出，智慧校园的应用与服务包括智慧教学环境、智慧教学资源、智慧校园管理和智慧校园服务4个方面。

智慧教学环境是集全面感知、智能管理与控制等功能于一体的支持教学、科研活动的现实空间环境或虚拟空间环境，例如多媒体教室、智慧教室、智慧实训室等现实空间环境，以及新型远程教育的虚拟教学环境。

智慧教学资源是能自动分类编目、导航检索、共享推送、跨终端获取的教学资源。

智慧校园管理是通过物联网、云计算、大数据、人工智能等技术实现校园信息管理的系统，例如教学管理系统、协同办公系统、资产管理系统等。

智慧校园服务涵盖校园生活服务、校园安全服务、运维保障服务和数字图书馆等方面，是运用信息化手段实现师生学习、生活智能化的校园服务。

三、常见的基于物联网技术的智慧校园应用与服务

（一）智慧教学环境方面

1.智慧教室

智慧教室是智慧校园建设的重要方面。初级智慧教室的基本要求包括全面感知、智能管理、和智能控制。这三个基本要求可以通过物联网实现。

（1）全面感知

在智慧教室内安装温湿度、光敏、红外线等各类型的传感器，监测教室温度、湿度、光照强度、人体感应等情况。传感器实时采集的环境信息和电子设备的状态信息通过蓝牙、Wi-Fi、ZigBee等无线通信技术传输给物联网网关。面积小的教室可以采用Wi-Fi技术将信息传输至网关，面积大的教室通常采用ZigBee技术将信息由ZigBee终端节点传输至ZigBee路由器，再路由转发至ZigBee网关[2]。网关接入校园网，传输教室内所有装备的信息数据。

（2）智能管理

智慧教室管理平台作为应用层的操作终端，对感知层采集的信息进行处理、记录、分析与决策。通过监控每个教室设备的开关状态、使用过程和电量消耗，监测每个教室的环境信息，为教室管理员提供处理方案，为远程控制教室装备奠定基础，从而减轻教室管理员的工作负担。

（3）智能控制

教室内所有设备通过智慧教室管理平台实现统一控制。例如，智慧教室管理平台根据课表数据作出分析、决策，课前控制智能插座或智能电源管理器打开教学电脑、电子白板、音响、话筒等教学设备，课后关闭所有教学设备。授课教师和教室管理员都不用再花时间开启、关闭教室设备，省时又省力。

除此之外，通过采集的温度、湿度、光照强度、人体感应等数据，智慧教室管理平台会分析并决策是否需要开启空调、风扇、除湿机、电灯等环境设备，为教师和学生提供良好的学习环境。门窗安装控制器后，智慧教室管理平台还可根据教室的活动情境控制门窗的开关，保障校园安全。

2.物联网远程教育

不同于以往的传统函授教育和广播电视教育，结合了物联网的新型远程教育具有数字化、网络化、智能化的教学环境。

（1）构建感知体系，打造智慧远程学习平台[3]

以手机、电脑等学习媒介为“传感器”，识别学生的学习特点，追踪学生的学习行为，结合学生的学籍信息，打造智慧远程学习平台。通过入学测评、课程推送、课后考评等智能服务，为学生定制个性化的学习方案和考评体系。

（2） 建立网络云教室

通过物联网将异地、多点的教学场地连接起来，建立网络云教室。利用摄像头、话筒等设备采集各教学场地的现场信息并及时反馈，打造多点互连、多点互动、远程把控的大环境学习空间。

（二）智慧教学资源方面

智慧教学资源具有实时生成、智能推送、互动反馈、多终端应用的特点。教学资源可以是教师课下加工制作的教学资源（例如课件、微课视频、素材、试题等），也可以是教师在授课过程中实时生成的生成性资源（例如课堂实录、课堂评价、学生学习反馈等）。这些资源经过上传、分类、编目到教学资源库中，允许教师和学生从不同终端检索、访问资源，允许MOOC、SPOC等在线课程和直播课程使用、生成资源。

傅骞[4]认为，物联网部署的教学资源库应设计资源的多种接口接入方式，提供方便查询、浏览的界面和第三方应用程序使用资源的接口，从而保障资源的获取与共享能安全、稳定地实施。由于物联网教学资源库的前期建立成本太高，后期使用和维护也较为复杂，目前仍处于研究阶段。

随着物联网技术的发展和普及，越来越多的教育工作者将二维码、AR等技术投入到教学资源的开发上。例如，利用二维码技术连接多媒体资源的二维码教材，学生使用手机扫一扫书上或屏幕上的二维码，就能在手机上看到文字、图片、音视频、动画等教学资源。广西师范大学出版社出版的《用WORD解决教师工作中的问题》等9本《中小学教师信息技术应用能力提升工程丛书》就在书中插入了二维码，读者通过扫描二维码观看对应篇章的教学视频。再如，融合AR（增强现实）技术的AR教材。学生使用手机打开“AR扫描”功能，在扫描框中对准现实物体，通过物体取点识别、特定姿势判断、特制工具操作等交互方式，就能在手机上看到融合了文字、图片、音乐、视频、动画等元素的AR内容。武汉理工大学出版社出版的《钢筋混凝土结构平法识图与钢筋算量》添加了AR功能，读者可在手机上扫描观看三维建筑模型和钢筋计算的讲解[5]。

（三）智慧校园管理方面

1.资产管理

21世纪初，条形码技术开始运用到高校的资产管理中，并逐渐普及。然而，面对日益增多的资产设备，资产管理员用条形码阅读器逐一扫描张贴在设备上的条形码，不仅耗时耗力，更难以保证资产设备的监管。

基于RFID（射频识别）技术的穿透性强、非接触式识别、可同时识别等特点，超高频RFID可以用来登记、盘点和清查资产设备。资产设备的基本信息写入RFID标签里，并将标签粘贴或悬挂在资产设备上。在教室、实验室、办公室或走廊公共区域安装RFID识别器，每个RFID识别器负责识别所在区域内的资产设备，将资产设备的标签内码数据传输给资产管理系统[6]。资产管理员和有权限的教职工可以在资产管理系统中查询资产设备信息及其具体位置。

与传统的条形码资产管理方式相比，资产管理员利用RFID技术了解移动资产设备的动向，不再需要拿着条形码阅读器到校园各场所扫描、清查设备，提高了资产管理的效率。

2.课堂考勤管理

随着物联网的发展，越来越多的感知、识别技术可以用于课堂考勤。

（1）二维码技术。二维码签到有两种模式，一是学生使用考勤APP扫描动态生成、动态更新的二维码完成签到，二是教师使用考勤APP或扫码枪扫描含有学生信息的二维码对学生实行考勤。

（2）RFID技术。学生使用实名校园卡触碰卡片阅读器或者电子班牌签到模块完成签到。

（3）指纹识别技术。学生入学时采集手指指纹，通过指纹考勤机或者电子班牌的指纹签到模块进行识别对比，完成签到。

（4）通信技术。学生在手机上安装考勤APP，当手机在课堂上连入指定的Wi-Fi或蓝牙信号时，考勤APP判定学生签到成功。

（5）人脸识别技术。人脸识别考勤有两种模式，一是通过智慧教室的摄像头识别学生实现考勤管理，二是学生在电子班牌的人脸识别模块进行识别对比，完成签到。根据课堂管理的实际需要，考勤方式可以单独使用，也可以两两结合搭配使用。考勤APP可以是课堂派、雨课堂、UMU这样的课堂管理工具，也可以是学校自主设计的含考勤功能的手机APP。当学校建设智慧型的教学管理系统后，考勤数据应传送到教学管理系统，由教学管理系统作出分析、判断和预警。

（四）智慧校园服务方面

1.数字图书馆

数字图书馆是提供电子图书、电子期刊、多媒体光盘、网络数据库等数字化资源，实现移动化阅读的分布式信息系统。随着移动通信技术的发展，移动阅读的内容越发丰富、精彩[7]。5G技术能更有力地支持高清视频、三维素材等大数据的传输。结合VR（虚拟现实）、AR（增强现实）技术，构建虚拟图书馆，模拟图书馆咨询、检索、阅读等服务。利用传感、GPS、RFID等技术，建立虚拟场景与现实图书馆内部的位置关系，构建一个与真实场景一致的三维虚拟图书馆，让师生享受身临其境的服务。

2.校园一卡通

校园卡是集身份识别、综合消费、信息服务、金融服务等多种功能于一体的卡片。多功能合一的校园一卡通体系是学校信息化管理的重要组成部分，为学校师生提供优质的校园生活服务。校园卡采用RFID技术完成卡片与阅读器的通信。师生进出图书馆、宿舍、实验室认证身份，在食堂、超市消费，考勤签到都可以通过校园卡刷卡完成。

隨着NFC（近场通信）技术的成熟和移动通信的发展，采用NFC技术的校园卡增加了点对点通信功能，使得校园卡能与带NFC功能的手机通信实现手机圈存充值、手机模拟校园卡等新功能。

3.校园监控

在传感器、探测器、追踪摄像头等设备的帮助下，建立全覆盖、多角度、无死角的校园监控报警体系，为智慧校园安全、稳定、高效的运行提供保障。例如安装门窗传感器，实时感知办公室、设备室等场所门窗的开关状态，记录门窗开关信息;在重要场所、楼道出入口等地方设置红外报警探测区域，通过追踪摄像头实现智能分析、预警;在大门安装车牌识别系统，登记进出校园的车辆;在必要场所门口设置门禁系统，教师和学生识别身份后才能进入。

四、开放大学建设智慧校园的建议

开放大学作为运用现代信息技术开展远程开放教育的新型高等学校，在运用物联网技术建设智慧校园时，可采取以下建议。

（一）开放大学在建设智慧校园时，要做好顶层设计，参考《智慧校园总体框架》的标准及相关文件要求，按照从基础设施、基础支撑平台、智慧应用与服务、教学资源、网络安全、保障机制、创新与特色发展7个方面推进智慧校园建设。

（二）云教室是物联网教室，搭配智能黑板、电子白板、触控讲台和摄影系统，通过远程教育系统将全国分部、教学点连接起来，解决教育资源分布不均衡的問题。开放大学要充分开发、利用云教室，加强云教室应用团队建设，提高云教室使用率，实现教学资源的共享。

（三）远程教育是开放大学的特色和优势，要充分运用物联网技术打造智能远程学习平台，为学生提供智能化的学习服务。同时，具有智能感知、智能控制、智能管理、互动反馈、跨域拓展功能的智慧教室要尽早建设并投入使用，为教师教研活动、学生线下指导提供智能服务。

（四）要尽早利用物联网技术搭建资产管理平台，解决每学期资产盘点、清查耗时、耗力的问题，提高资产管理的效率。

（五）提高学校教师的信息素养，加强技术人员人才队伍建设，运用物联网技术开发教学资源，增强学生的学习兴趣，提高学生的学习效率。

[参考文献]

[1]GB/T 36342-2018.智慧校园总体框架[S].

[2]阎坚，桂劲松.基于物联网的智慧教室设计与实现[J].中国电化教育，2016（12）.

[3]朱晓琳.基于物联网的智慧远程教育模式探索[J].内蒙古电大学刊，2018（6）.

[4]傅骞，陈玲.基于物联网教育资源库的模式研究[J].中国电化教育，2013（8）.

[5]杨万庆，王利永.AR技术环境下土木工程类教材内容呈现研究——以《钢筋混凝土结构平法识图与钢筋算量》为例[J].中国编辑，2019（4）.

[6]吴新生，茅晓红，李克勤.基于物联网技术的高校资产管理系统设计[J].物联网技术，2012（2）.

[7]程冰，于改红，孟连生.基于移动通信技术的图书馆移动服务发展演变[J].图书馆学研究，2019（15）.

[作者简介]廖婧（1990-），女，广西河池人，广西广播电视大学教育技术中心助理研究员，硕士，研究方向：教育技术、计算机科学与技术;韦攀（1987-），男，广西河池人，广西广播电视大学教育技术中心工程师，研究方向：远程教育。

[责任编辑 周个妹]