基于Android的智能教室系統(tǒng)研究

1、基于android的智能教室系統(tǒng)研究于衛(wèi)紅大連海事大學(xué)交通運輸管理學(xué)院，遼寧，大連，116026摘要：物聯(lián)網(wǎng)時代，對教室在教學(xué)互動、教學(xué)管理、教學(xué)資源利用等方面提出了智能化、泛在連接等要求。智能教室系統(tǒng)的實現(xiàn)，需要在提高硬件設(shè)備的同時開發(fā)智能化、集成化的軟件應(yīng)用。本文分析了智能教室系統(tǒng)的功能，提出了基于android的智能教室系統(tǒng)體系框架，闡述了各功能的實現(xiàn)原理。并通過基于android 加速度傳感器與無線傳輸技術(shù)的自動簽到功能的開發(fā)實例說明了android技術(shù)在智能教室系統(tǒng)中的應(yīng)用方法和優(yōu)越性。研究表明，將android技術(shù)應(yīng)用到智能教室系統(tǒng)中，將大大改善課堂環(huán)境、提高教學(xué)環(huán)節(jié)的互動性、增強

2、學(xué)習(xí)的趣味性、全面提高教學(xué)效率。關(guān)鍵字：android；智能教室系統(tǒng)；物聯(lián)網(wǎng)；傳感器research on the smart classroom system based on androidyu weihongtransportation management college of dalian maritime university, liao ning, dalian, 116026abstract: in the era of the internet of things, some new requests such as intelligence, ubiquitous conn

3、ection are put forward to the classroom in teaching interaction, teaching management and the use of teaching resources. for the implementation of smart classroom system, not only the hardware equipments need to be improved but also some intelligent integrated software applications need to be develop

4、ed. in this article, the functions of the smart classroom system are analyzed, the framework of smart classroom system based on android is put forth and the realization principle of each function is elaborated. the development of the automated taking attendance function is taken as an example to sho

5、w how to apply the android technology into the smart classroom system and the advantages of such application. the research shows that the application of android technology into the smart classroom system will greatly improve the classroom environment, enhance the teaching interactions, make the teac

6、hing and learning more interesting and thus improve the teaching efficiency.key words: android; smart classroom system; the internet of things; sensor一、概述伴隨信息技術(shù)的發(fā)展，教室經(jīng)歷了傳統(tǒng)教室、電子教室、多媒體教室等階段。物聯(lián)網(wǎng)時代，對教室在教學(xué)互動、教學(xué)管理、教學(xué)資源利用等方面提出了智能化、泛在連接等要求， “智能教室”應(yīng)運而生。但是，目前，“智能教室”仍沒有一個標(biāo)準(zhǔn)的定義，公認的觀點是：智能教室是一種新型的教育形式和現(xiàn)代化教學(xué)手段，基于物

7、聯(lián)網(wǎng)技術(shù)集智能教學(xué)、人員考勤、教學(xué)資源管理、環(huán)境智能調(diào)節(jié)、視頻監(jiān)控及遠程控制于一體的新型現(xiàn)代化教室系統(tǒng)1-3。根據(jù)多年的教學(xué)經(jīng)驗以及對大量參考文獻的總結(jié)和提煉，我們把智能教室系統(tǒng)的功能定義成一個五元組：iclassroom=（s，m，a，r，t）。其中，iclassroom 表示智能教室。s代表show功能，指的是授課環(huán)節(jié)教學(xué)信息的演示。包括多媒體課件的清晰展示、通過環(huán)境傳感器、無線網(wǎng)絡(luò)、無線可調(diào)設(shè)備等的協(xié)作自動調(diào)節(jié)屏幕亮度使其處于最適合的狀態(tài)等2。m代表manage功能，指的是對多媒體設(shè)備、軟件系統(tǒng)、數(shù)據(jù)資源、網(wǎng)絡(luò)、教學(xué)互動等的管理和控制。 a代表access功能，指的是教師和學(xué)生在特定的權(quán)

8、限范圍內(nèi)可通過手機、平板電腦、計算機等方便地獲取課件、教案、習(xí)題等教學(xué)資源。r代表real-time interaction功能，指的是利用各種傳感器設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施及先進方法提升教學(xué)活動中的互動環(huán)節(jié)，包括師生互動、生生互動、人機互動等。t代表test功能，指的是在智能教室中課堂小測驗應(yīng)該改變傳統(tǒng)的紙筆測試的落后局面，做到有效測試、智能點評、快速反饋。從物聯(lián)網(wǎng)的角度看，智能教室系統(tǒng)應(yīng)分為三個層次：感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層4。目前，網(wǎng)絡(luò)層是研究得最成熟的一層，感知層和應(yīng)用層的研究剛剛起步，且多集中在對感知層的研究，學(xué)者們提出了基于rfid、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的智能教室系統(tǒng)物理架構(gòu)5-8。但是，

9、對于一個完整的信息系統(tǒng)來說，硬件是物質(zhì)基礎(chǔ)，軟件則提供了發(fā)揮硬件功能的方法和手段，是整個系統(tǒng)的靈魂。軟件系統(tǒng)研究的相對滯后將導(dǎo)致“智能教室”只能以概念的形式存在。因此，要加大“智能教室”應(yīng)用的深度和廣度，必須在提高硬件設(shè)備的同時開發(fā)相應(yīng)的軟件系統(tǒng)，特別是智能化、集成化的課堂教學(xué)互動式軟件系統(tǒng)。本研究提出并實現(xiàn)了一系列基于android、無線通信、bdi agent等技術(shù)的智能教室應(yīng)用功能，豐富了智能教室系統(tǒng)應(yīng)用層的研究。二、基于android的智能教室系統(tǒng)體系框架基于android的智能教室系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。android設(shè)備搖一搖自動簽到功能智能教室系統(tǒng)授課環(huán)節(jié)android設(shè)備控制

10、課件播放智能互動基于android與agent 的課堂互動 課堂測驗基于android的課堂小測驗環(huán)境調(diào)節(jié)基于android傳感器的環(huán)境監(jiān)控與調(diào)節(jié)資源管理課件、教案、習(xí)題等資源的共享和管理校園云平臺數(shù)據(jù)庫、課件、教案、習(xí)題、案例庫、視頻、音頻、圖像等圖1 基于android的智能教室系統(tǒng)其中，1智能簽到功能 傳統(tǒng)的課堂點名費時費力，而且代簽到現(xiàn)象時有發(fā)生。如何實時、快速、準(zhǔn)確地在幾百人的大課堂點名，成為高校教師面臨的棘手問題。目前，多數(shù)學(xué)生使用android手機，每臺手機都有一個全球唯一的 imei碼（international mobile equipment identity，國際移動設(shè)備

11、身份碼），在學(xué)生數(shù)據(jù)庫中可將imei碼與學(xué)生信息綁定。上課前教師機處于接受狀態(tài)，學(xué)生手機中的android程序的activity中獲取加速度傳感器服務(wù)并注冊傳感器監(jiān)聽。學(xué)生搖晃自己的手機將觸發(fā)onsensorchanged()方法，在該方法中獲取手機的imei碼，通過無線socket通信將imei碼發(fā)送給教師機的簽到程序，教師機的簽到程序接收到imei碼后修改學(xué)生數(shù)據(jù)庫，將學(xué)生的簽到信息寫入數(shù)據(jù)庫中。2 android輕松控制課件播放 ppt演示是不可缺少的授課環(huán)節(jié)，但是老是跑去電腦前點擊鼠標(biāo)或操作鍵盤翻頁，不僅麻煩還會造成講解的中斷。 基于android的控制課件播放功能采用c/s結(jié)構(gòu)。為教

12、師機開發(fā)一個服務(wù)器程序用于接收手機端發(fā)出的信號。android手機作為客戶端變身為電腦控制器，通過wifi與教師機連接，實現(xiàn)遠程操作ppt、遠程關(guān)機、重啟電腦等功能。3 基于android的課堂測驗 課堂小測驗在測評學(xué)生的課堂學(xué)習(xí)效果、教師的授課效果中扮演著極為重要的角色。傳統(tǒng)的課堂測驗通常采取紙筆測試的方式，這種方式最明顯的缺陷就是反饋慢。教師通常在課后批閱小測驗試卷，學(xué)生則要在下次課或以后才能了解自己對以往課堂知識的掌握程度。而且，如果學(xué)生數(shù)太多的話，將會加大教師的批閱工作量。 為了克服傳統(tǒng)的課堂測驗的弊端，我們開發(fā)了課堂小測驗的android手機應(yīng)用程序并安裝到學(xué)生的手機中。各章節(jié)的題庫

13、存儲在校園云平臺上，在測驗環(huán)節(jié)，學(xué)生們打開自己手機中的小測驗應(yīng)用，該應(yīng)用從云端獲取試題，學(xué)生們在自己的手機上回答測試題，測試完畢，系統(tǒng)會馬上判斷對錯，并通過無線網(wǎng)絡(luò)將每個學(xué)生的測試結(jié)果（分數(shù)、錯題）發(fā)送給教師機的接收程序。發(fā)送完畢，學(xué)生還可通過自己的手機查閱習(xí)題答案及錯題講解。4基于android傳感器的教室環(huán)境監(jiān)控與調(diào)節(jié) 大部分android設(shè)備都內(nèi)置多種傳感器，可隨時監(jiān)測環(huán)境信息，如溫度、壓力、濕度和光線等9。為了使教室環(huán)境更加舒適、節(jié)能，我們可利用android光傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器及教室內(nèi)的無線可調(diào)設(shè)備（窗簾、燈等）開發(fā)教室環(huán)境監(jiān)控與調(diào)節(jié)功能，如，根據(jù)android光傳感器感

14、知到的環(huán)境光強自動調(diào)節(jié)窗簾的升降、燈光的亮度等，使授課環(huán)境綠色健康。5資源管理將課件、題庫、教案、習(xí)題等進行有效整合，統(tǒng)一部署到校園云平臺上。開發(fā)android客戶端應(yīng)用，通過該應(yīng)用，教師和學(xué)生可在指定的權(quán)限內(nèi)獲取教學(xué)資源、共享、管理相應(yīng)的資源。6基于android與 bdi agent的課堂互動使用該功能，學(xué)生可在聽課過程中隨時用手機記下疑問并通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到教師機上。教師機接收到問題后，在不打斷教師講課的前提下，可先由教師agent從問題庫中搜索答案反饋給提問學(xué)生。教師agent是使用jadex開發(fā)的bdi agent程序，起到了教師助手的作用。教師 agent無法解答或解答結(jié)果學(xué)生不滿

15、意的問題將由教師在q/a環(huán)節(jié)中進行解答，并更新到問題庫中。三、應(yīng)用實例-基于android傳感器和wifi的自動簽到功能3.1原理與算法課堂點名能夠在一定程度上敦促學(xué)生更積極的參與課堂學(xué)習(xí)，但是課堂點名也很浪費時間，特別是一些公共課，100多個學(xué)生點完名字可能半節(jié)課的時間就被浪費了。為了節(jié)省課堂點名時間，我們開發(fā)了基于 android加速度傳感器和無線通信的自動簽到功能。 該功能采用c/s結(jié)構(gòu)，教師機為服務(wù)器端，學(xué)生的手機為客戶端。客戶端利用android的加速度傳感器檢測手機x、y、z三個軸的加速度，在無搖晃的情況下，任意一軸的加速度值通常不會超過10（重力加速度為9.8，手機的傳感器會有一

16、定的誤差）。晃動的時候任何一軸的瞬間加速度會突然變大。因此，我們可以設(shè)定一個閾值a（如a=14）,當(dāng)任意一軸的加速度大于等于a的時候表示手機被晃動了，這時讀取手機的設(shè)備碼，手機設(shè)備碼imei全球唯一，與每臺手機一一對應(yīng)。在學(xué)生數(shù)據(jù)庫中將imei碼與學(xué)生信息一一綁定。搖晃手機后將imei碼通過wifi socket發(fā)送給教師機的服務(wù)器程序，該程序接收到imie碼后從學(xué)生數(shù)據(jù)庫中查找相應(yīng)的學(xué)生信息并修改該生的簽到狀態(tài)（0為未簽到，1為已簽到）。手機客戶端程序的算法如圖2所示任意軸的加速度絕對值=ay獲得傳感器管理器實例通過傳感器管理器獲得加速度傳感器注冊加速度傳感器監(jiān)聽器設(shè)定閾值a獲取x軸、y軸、

17、z軸的加速度獲取android手機的設(shè)備碼imei建立與教師機服務(wù)器程序的socket連接向教師機發(fā)送imei碼取消對加速度傳感器的監(jiān)聽n結(jié)束圖2 手機客戶端“搖一搖”自動簽到算法流程圖教師機服務(wù)器程序是一個實現(xiàn)runnable接口的多線程類，完成的功能包括：監(jiān)聽客戶端的連接請求、對請求做出應(yīng)答、接收來自客戶端的數(shù)據(jù)、根據(jù)所接收的數(shù)據(jù)查詢并修改學(xué)生簽到狀態(tài)等。其算法的主要偽代碼如圖3所示。serversocket = new serversocket(serverport); /創(chuàng)建服務(wù)器套接字while (true) socket client = serversocket.accept()

18、; /接收來自客戶端的請求bufferedreader in = new bufferedreader(new inputstreamreader(client.getinputstream(); /接收來自客戶端的數(shù)據(jù)connection cn= drivermanager.getconnection(dburl, dbuser, dbpassword); /連接數(shù)據(jù)庫statement stmt = cn.createstatement(); /創(chuàng)建statement對象執(zhí)行sql語句resultset rs = stmt.executequery(querysql); /查詢學(xué)生的簽到狀

19、態(tài)if (rs.next() /若存在該生但未簽到 stmt.executeupdate(updatesql1); /在數(shù)據(jù)庫中將其簽到狀態(tài)修改為1 圖3 教師機服務(wù)器程序偽代碼3.2運行結(jié)果分析運行時先啟動教師機上的服務(wù)器程序，讓其處于監(jiān)聽狀態(tài)，學(xué)生走進教室后搖一搖自己的手機即可簽到。運行結(jié)果如圖4所示。圖4 運行結(jié)果系統(tǒng)首先記錄下學(xué)生搖晃手機的時間t1，完成經(jīng)由無線網(wǎng)絡(luò)的信息發(fā)送、接收以及數(shù)據(jù)庫查詢、更新等功能后，記錄下簽到成功的時間t2。t2與t1的時間差即為簽到過程的總耗時。從圖4我們可以看出，每位學(xué)生的簽到耗時不同。影響耗時的因素包括：手機與教師機的距離、手機加速度傳感器的性能、手機

20、cpu、內(nèi)存等。我們讓50名學(xué)生分別位于教室（寬約8米，長約15米）的不同位置進行多次程序測試（同時搖晃手機或不同時搖晃手機），測得系統(tǒng)無并發(fā)故障，簽到成功率為100%，人均耗時500毫秒左右。通常，學(xué)生在走進教室的瞬間搖搖手機即可完成簽到，既方便又準(zhǔn)確。利用該系統(tǒng)可大大節(jié)省課堂點名時間。四、結(jié)論 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)走進校園、走進教室是科技發(fā)展的必然趨勢。物聯(lián)網(wǎng)簡單說是四個字：感、傳、智、控。如果要用戶時刻了解周圍環(huán)境，與特定的物體相連并完成控制，那么離不開移動終端：手機。隨著android設(shè)備的廣泛應(yīng)用，android已逐漸成為標(biāo)準(zhǔn)的“物聯(lián)網(wǎng)”操作系統(tǒng)。本文提出了物聯(lián)網(wǎng)時代基于android的智能教室系統(tǒng)體系框架，通過基于android 加速度傳感器與無線傳輸技術(shù)的自動簽到系統(tǒng)的開發(fā)實例說明了android設(shè)備在智能教室系統(tǒng)中的應(yīng)用方法和優(yōu)越性。研究中還開發(fā)了基于 android的環(huán)境監(jiān)控與調(diào)節(jié)、基于 android的課堂小測驗、基于android與bdi agent的智能答疑等系列應(yīng)用，將在以后的論文中加以闡述。 憑借開源和免費的特點，android已成為物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的重要推動力。將android應(yīng)用到智能教室系統(tǒng)中，將使教室更加“smart”，改善課堂環(huán)境、提高教學(xué)環(huán)節(jié)的互動性、增強學(xué)習(xí)的趣味性、全面提高教學(xué)效率。參考文獻1 胡衛(wèi)星, 田建林. 智能教室系統(tǒng)的構(gòu)建與應(yīng)用模