愛沙尼亞教育:智慧課堂
摘要
智慧課堂教學是新的教學方法之一。 在技術的支援下，教學是在智慧教學工具的幫助下進行的，以加強師生溝通，增強學生的學習自主權，併為實現學生的深度學習提供新的想法。 如何提高教學環境的整體智慧，以便更有效地使用教學裝置並更有效地管理教學裝置，這已成為學校的主要關注點。
本文主要研究基於物聯網技術和智慧課堂的智慧課堂系統。對於溫度檢測，我們主要使用 DS18B20 晶片來檢測課堂上的溫度。對於教室的光強，我們使用光阻器來收集光資料，在放大器放大後，使用單晶片機的 A/D 取樣過程來獲得光強，並與時鐘模組相結合，以區分課堂光的影響。
資料收集採用直接觀察源資料的方法，資料格式沒有經過二次轉換，這確保了源資料的準確性。此測試使用 USR-TCP232 網路除錯助理，來除錯資料收集。為了最佳化系統的安全性和可靠性，硬體採用了雙電腦備份交換，並在軟體上採用了流程監控和管理策略。
同時，智慧教室中的資料互動量相對較大，因此有必要建構一個高度可用的叢集伺服器，以便系統不僅具有一定程度的穩定性，而且還可以快速響應使用者的訪問請求。
我們可以計算出，平均傳輸時間約為 10 毫秒，99.9% 的資料傳輸延遲小於30毫秒。結果顯示，物聯網和智慧教室為未來的智慧校園建設、日常教學和校園管理提供了極大的便利，也可以為其他大學智慧教室的建設提供參考。
1. 簡介
新媒體技術的不斷發展，促進了現代教育技術的發展，同時對現代教育技術工作者提出了更高的要求。 教育技術的不斷更新，加上多媒體教室功能和可操作性的改進，為現代教育技術在學院和大學中的應用，創造了有利條件。 使用多媒體裝置，來開發和服務現代教學，已成為一種常見的現象，然後發展成為一種新的教學模式。 基於智慧裝置管理、安全管理和課堂節能管理的概念，本文為智慧課堂設計和開發了物聯網雲平台，並結合智慧校園的發展，實現了課堂環境資訊的即時管理。
隨著資訊科技的發展和智慧技術的浪潮，高校正在探索新的教學模式，以滿足教育的需求和發展。透過思考和改進教學，可以調動學生的主觀措施，培養他們的創造力。物聯網技術正在迅速發展。使用物聯網技術建構智慧教室，有助於資訊共享和分析，並對知識學習方式產生重大影響。物聯網、電腦和其他相關專業的學生，可以使用該平台學習無線感測技術，和嵌入式開發技術，也可以使用提供的介面進行專案的二次開發。
智慧教室創造的環境激發了學生對學習的興趣，從而提高了教育和教學的品質。李認為，隨著教育部大力推進智慧校園建設，智慧校園的發展理念將具有廣闊的應用前景。然而，學院和大學仍處於數位校園的階段，仍然有很多問題。
透過分析系統的設計原則和設計目標，他設計和實現了一個完整的智慧校園管理系統。他的系統主要分為基於物聯網的人臉辨識終端硬體，和智慧校園軟體系統。儘管他研究的系統的使用者滿意度相對較高，但仍然存在某些缺點[1]。Kim 認為，學生參與的程度是指學生在課堂接受教育時，沉浸在學習中的程度。他提出了一種智慧教室的環境智慧演算法。該演算法透過即時衡量學生參與度向教師提供資訊。他提出了一種演算法，透過測量熱紅外影像，來評估學生的精神狀態來評估學生的參與度。他提出了一個使用熱紅外成像來描述學生參與度的測量模型。教師行動應用的顏色，將根據學生在課堂上的沉浸程度即時變化。
雖然他提出的演算法是創新的，但它缺乏演算法模擬[2]。Tissenbaum 和 Slotta 認為，儘管 K-12 媒體對生活的許多其他方面產生了重大影響，但人們的課堂環境尚未納入無處不在的計算、增強現實和其他新興技術，甚至觸控式螢幕。他開展了一系列基於設計的研究專案，以調查智慧課堂基礎設施，該基礎設施以新的協作和調查形式，為學生和教師提供支援，包括大型投影顯示器和小觸控表面的重要作用，以及學生在房間裡實體位置的依賴性。他的設計包括（1）大螢幕顯示器在傳輸彙總資訊和環境資訊方面的作用，（2）學生之間的即時通訊，（3）應用智慧軟體代理來制訂即時教學邏輯，（4）支援跨上下文學習，以及（5）調查角色、材料和環境的協調。
儘管他的研究，在促進智慧教室的發展方面發揮著一定的作用，但它缺乏具體的實驗資料[3]。Lin 認為，近年來，許多組織已經宣佈了軟體開發對國家、社會和個人的重要性。 在軟體開發過程中，經常遇到各種不可預測的問題，特別是在開發大型複雜的軟體時。
為了減少這些問題的可能性，學生必須應用軟體工程技術，來科學地定義軟體開發過程中所需的標準、模型和流程。他的目標是應用一種名為翻轉教室的創新教學方法，在軟體工程課程中實施，以學習者為中心的學習環境。此外，他還開發了一個智慧學習診斷系統，來支援本課程的教學。他在台灣一所大學進行了軟體工程課程的實驗，以探索擬議方法的有效性。實驗組採用翻轉課堂教學方法，對照組採用傳統的課堂教學方法。雖然他的研究更準確，但還不夠創新[4]。
透過物聯網應用程式平台，教師和學生建立一個具有強大信譽的學習體驗平台，教師和學生使用者可以透過實際操作和管理，整合到物聯網應用平台的各個方面，從而促進資訊資源的高速流動和共享。為了充分利用物聯網應用技術，來加強大學課堂的資訊管理，基於專業特點，促進多元化大學理論和應用實踐的整合，透過物聯網應用平台，為教師和學生提供強大的學習經驗信譽，教師和學生可以透過實際操作和管理，融入物聯網應用平台的各個方面。
2. 智慧教室系統設計
2.1. 物聯網
隨著物聯網的快速發展，將產生大量非結構化資料。這些資料呈指數級成長。這些資料是複雜和多型的，它們之間沒有明顯的相關性。然而，傳統的資料採集、分析、儲存和處理技術，無法滿足社會快速發展的需求[5,6]。因此，如果我們能夠根據資料、海量資料儲存、資料融合、資料查詢、搜尋和挖掘、智慧決策等特點，專注於物聯網資料處理中的以下關鍵技術，它將在資訊建設、智慧城市、工業製造、智慧農業、商業、金融、交通等領域發揮技術支援和推廣作用[7、8]。
假設在函式曲線的迴歸中，權重係數 A、標準差 S、行動應用行為變數 x，和線性變化變數 y，確保函式曲線和樣本點資料之間的高度擬合，有必要根據迴歸方程公式，在 x 和 y 之間建立替代關係表示式。計算的剩餘 SS 可用於確定擬合是否是複合資料探勘分析要求，表示式如下[9]：
曲線迴歸取樣點的轉換延遲，與感知精度之間的關係如下：
其中， 表示轉換延遲，d 表示感知準確性[10]。
線性資料探勘的錯誤如下：
其中，i 代表使用者規模，j 代表資料挖掘民意調查的數量，函式 P 用於曲線擬合[11]。
線性資料探勘的使用者需求結論，與實際需求之間的相似性如下：
物聯網技術的特點是讓物體感知環境，相互溝通，並具有簡單的智慧，因此對於建築設計，物聯網需要支援上述三個主要特徵。一般來說，智慧物聯網的技術架構可以分為三個層次。我們可以稱之為控制層或感知層、傳輸層或網路層，以及應用程式層或服務層[12、13]。
在物聯網終端裝置感知到周圍的環境資料後，這些資料需要傳輸。因此，需要網路層的支援。透過網路層的連線，可以串聯物件，形成網格結構。除了傳輸，還必須確保資料傳輸的保密性和正確性，同時需要穩定性和連續性。 更高級別的要求是佔用更少的頻寬，傳輸過程需要佔用更少的能耗[14，15]。
Zigbee 無線網路信道分佈見表1。不同型別的網路，可用於傳輸不同型別的資料，以實現網路資源的最佳配置和感測器網路，和當前網路的完美整合，並實現快速、穩定、準確、安全和可靠的資料傳輸。在終端上，可以根據資料特性和使用者需求，實現各種功能要求，這可以透過應用程式設計和開發[16]來實現。
2.2. 智慧課堂系統
智慧教室系統的系統結構如圖1所示。 Pad 行動平台允許使用者註冊和登入，並實現基本人臉資訊的收集和上傳；透過從 PC 工作站接收說明，完成人臉出勤資訊的收集和預處理；完成人臉出勤資訊的提交，實現線上考試、教學評估、電子白板顯示等功能，教學評估資訊和績效資訊的結果，可以即時查詢[17]。
課堂上的裝置控制系統，使用 PID 控制相關技術，來設定目標溫度值，實現自動溫度控制，並調整目標區域穩定執行的設定值。 三種 PID 演算法之間的關係是[18]
在公式中， 代表總產出值， 表示當前偏差值， 代表歷史偏差值，以及表示最新的偏差值[19]。
假設 N 感測器，用於執行目標物體的特定效能指數的特徵檢測，並按升序排序，以獲得一組檢測序列 ，其中 T1 是檢測序列的下限，Tn 是檢測序列的上限[20]。 將中位數TM定義為
根據多變數函式的極端值理論，總平均平方誤差的最小條件獲得。與每個感測器相對應的重量是。當方差較小時，相應的權重評估係數較大[21]。 加權因素每個感測器，對應於最小總平均平方誤差是[22]
2.3. 智慧教室
任何教育生態系統，都與社會環境密不可分。教育生態系統中的物質流動、能源流動和資訊流動，最終將轉化為社會效益併為社會服務。無論是培養人才還是技術發明和創造，它們最終都會出現在社會中。社會得到了發展和進步，產生的經濟效益投資於教育，以促進教育的再發展，形成永續發展的良性循環[23]。教育對歷史和文化遺產負有責任。任何教育生態系統不僅具有為人民和社會服務的功能，而且或多或少包含文化細節。 例如，在大學裡，文化遺產在某種程度上，比教導和教育人們更重要，它是支援其成功長期發展的精神力量[24]。
上課前，學會激勵學生獨立學習。該課程基於雲技術、偉大的智慧和其他資訊科技，平板電腦用於將課堂與資源相結合，為學生提供豐富的學習資源，併為學生使用大資料和其他技術。即時追蹤和評估學習過程和學習回饋[25]。「智慧課堂」透過自學計劃、微電影、教學資源、家庭作業、評估等，整合課前自學、課前自學、課堂上回答問題和關鍵解釋，以及課後回饋服務。「智慧課堂」使教學越來越智慧，使教育環境越來越網路化，使學生的學習越來越個性化，使學生能夠適應資訊化的社會環境，促進學生智慧的發展[26]。
基於智慧教室的基本教學過程如圖2所示。 上課前，教師分析學生的作業，明確學生的現有知識和經驗，並結合學生的年齡和身心發展特徵，初步確定教學目標。根據學習情況、教科書分析、教學困難和學生在預覽中遇到的問題，教師確定教學設計方案[27]。
學生展示自己的預覽結果，並提出自己的困惑。 在調查過程中，教師應提供相應的指導。 老師將作業傳送給學生客戶，學生在完成作業後將其提交給老師。 老師及時糾正作業，向學生提供回饋，並透過平板電腦線上回答問題。 學生總結他們學到的東西，並在課後將他們的感受或問題上傳到學習平台，教師組織學生討論和交流，作為擴充套件的補充。教師推動網路資源，使學生能夠根據自己的情況擴大學習[28，29]。
3. 智慧課堂系統模擬實驗
3.1. 系統的測試環境
智慧課堂教學系統的測試環境，主要包括以光無線交換機，及其分散式無線系統為核心的物聯網工程實驗平台的硬體環境，和相關作業系統，以及資料庫，並輔之以智慧訪問閘道器，及其分散式有線系統。軟體環境由兩部分組成，具體的測試環境配置如表2所示。
3.2. 環境智慧感知
對於溫度檢測，我們主要使用 DS18B20 晶片來檢測課堂上的溫度。對於教室的光強，我們使用光阻器來收集光資料，在放大器放大後，使用單晶片機的 A/D 取樣過程來獲得光強，並與時鐘模組相結合，以區分課堂光的影響。 在學院和大學的教室裡，大多數參與者是成年人，他們向外部世界排放熱量和溼度。有效監測範圍設定為 0-100RH，解析度為 2.5%RH。 同時，根據裝置的電氣和物理特性，進行故障自我檢查和報警。為了不影響室內活動或教學過程，警報僅發生在伺服器端，或使用者的行動終端上，不支援現場哨子報警報，以促進人員故障後的維護和安全，並支援人體靜電或洩漏保護。
3.3. 資料採集測試
該測試採用直接觀察源資料的方法，資料格式不會轉換兩次，這確保了源資料的準確性。資料幀中的資料由相關軟體解碼，解碼的資料透過 printf 重置列印在 PC 螢幕上。此測試使用 USR-TCP232 網路除錯助理，來除錯資料採集。透過收集資料的控制功能，我們可以看到智慧教室的原型系統，實現了資料採集、輸出和資料處理，以及裝置控制等閉環功能，並實現了自動控制。測試人員可以即時控制裝置的執行，測試功能可以完全實現智慧教室的管理，節省人工成本，提高安全指數和裝置利用率。
3.4. 裝置失控警報測試
收到控制指令後，控制系統節點開始對裝置進行調節。當裝置開始工作時，它會將資訊返回到主機管理系統。主頁裝置控制模組，將接收控制裝置的返回值，表明裝置符合配置，如果您沒有收到返回的任務訊號，並且系統預設為裝置故障或通訊故障，則系統將再次傳送控制命令。如果執行控制命令連續傳送10次，系統仍然沒有返回訊號。然後，系統將把報告的資料傳送到管理員保留的手機資訊中，以報告教室裡裝置失去控制的情況。這使管理員能夠首次掌握智慧教室中裝置的控制和操作狀態，並即時掌握和故障排除故障。
3.5. 效能測試
為了最佳化系統的安全性和可靠性，硬體採用了雙電腦備份交換，並在軟體上採用了流程監控和管理策略。智慧課堂教學系統對，系統的穩定執行要求相對較高，系統中的資料需要長期儲存特性，不允許發生事故。 一旦資料丟失或系統癱瘓，將給學校帶來不可估量的後果。同時，智慧教室中的資料互動量相對較大，因此有必要建構一個高度可用的叢集伺服器，以便系統不僅具有一定程度的穩定性，而且還可以快速響應使用者的訪問請求。
3.6. 智慧評估
本研究使用智慧評估方法來評估教學品質。在智慧評估中，智慧教學工具雨教室收集學生學習過程或學習結果的資料，以實現對學生的全面評估。大數據為智慧課堂教學的評估提供了重要支援。根據各種資料來源，模組化分析技術用於形成視覺化分析結果。前一個教學評估是由教師進行的單一評估。 在智慧評估中，教師是學生評估的主體，學生是被評估的物件，也是評估和教學品質評估的主體。
4. 結果和討論
智慧教室的實際空間佈局如圖3所示。 在雲桌面、行動網際網路等技術的支援下，它形成了智慧課堂雲桌面軟體、智慧課堂雲桌面管理系統、智慧課堂雲桌面計算模組、智慧課堂雲桌面儲存模組，和即時課程錨定系統（教學環境背景系統（教學平台）和智慧課堂雲桌面終端）。
在裝置上，學習者和教師明確表示，目前的硬體裝置需要升級和改革，他們認為需要重新考慮顯示屏的數量、位置、大小和清晰度，螢幕的相互互動，以及對手持裝置和音訊系統的支援，應該是「沈默的」，並可以支援教師和學生之間的互動。網路品質繼續得到加強，實體環境的多樣性需要加強。此外，希望能夠提供更輕或更綠色的學習工具，並考慮各種終端裝置的型別和數量。
智慧課堂模式在各個方面對學生的好處見表3。 從表中可以看出，76.9% 的學生認為這種教學方法，對提高他們對學習的興趣非常有幫助，23.1% 的學生認為這種教學方法很有幫助，這充分表明每個人都充分認識到這種教學方法，可以提高他們對學習的興趣。在提高跨文化溝通能力方面，61.5% 的學生認為這非常有幫助，23.1% 的學生認為它很有幫助，15.4% 的學生持中立態度。大多數學生認為這種教學方法，有助於他們提高跨文化溝通能力。
智慧課堂教學系統使用更多的教師和學生，因此，當最大使用者數量線上時，系統事務的平均響應時間必須小於 5 秒，最大反應時間小於 10 秒，反應事務成功率高於98%，CPU佔用。 速率應小於80%，記憶體使用率應小於 80%。具體測試資料如表4所示。 當線上使用者數量的負載達到 500 時，系統的平均響應時間為 3.65 秒，最大響應時間為 5.11 秒，這與預期值一致。 CPU 和記憶體佔用率也可以確保系統的穩定性。
為了評估智慧課堂模式的有效性，本文選擇了 100 名平行班級的高中生，以確保除了不同的教學模式外，他們在各個方面沒有明顯的差異。課堂教學結構的比較結果如圖4所示。 在這項實驗研究中，以學生為主體的實驗班的互動行為佔 50%，高於以教師為主體的互動行為比例（46.7%）；以學生為主體的對照班的互動行為佔 40.6%，低於以教師為主體的互動行為比例（57.9%）。 與這兩個班級相比，實驗班上以學生為主體的互動行為比例，比對照班高出約 10%，以教師為主體的互動行為比例，比對照班低約 11%。
本文選擇的實驗環境是一個室內測試環境，終端節點和協調器之間的距離為五米，視線沒有障礙物。按照上述過程操作，並觀察最終結果。開機後，我們使用示波器觀察資料收發器介面的資料傳輸波形圖。該圖顯示了資料傳輸和接收過程中，晶片資料引腳的電平訊號。高電平代表數字 1，低電平代表數字 0，波形圖顯示晶片可以接收傳送的資料。波形圖如圖5所示。 根據測試結果，協調員成功獲得了從裝置終端傳輸的資料包。資料包的內容經過驗證，以證明資料包的內容，在資料傳輸之前和之後是一致的，並且沒有發現資料傳輸錯誤。根據資料包頭中傳送的資料時間戳，和接收資料戳之間的差異比較，我們可以計算出平均傳輸時間約為 10 毫秒，99.9% 的資料傳輸延遲小於 30 毫秒。
系統寫入率結果如圖6所示。 隨著距離的增加，讀寫率保持在 90% 以上，趨勢總體穩定。在傳統的教學模式中，教師透過書籍和黑板向學生傳授知識，而學生則透過課堂和考試測試自己的學習效果，但這種傳統模式在課堂上傳授知識和技能的方式，是單一且相對無聊的。教學效果不夠好，老師無法即時掌握學生的知識和技能學習。智慧教室完全適應了物聯網時代的發展，整合了網路電子和實用教學，豐富了教學方法，並透過資料記錄了學校教師，和學生的各種情況，也方便教師即時瞭解學生的掌握情況。
5. 結論
教育改革依賴於教育裝置的增加。 只有在現有技術的幫助下，才能再滿足教師和學生的需求，促使教育領域的研究人員積極積極開發新技術，研究新的教育裝置。新技術和新裝置在智慧教室中所佔比例越來越大，這已經成為智慧教室發展的強大推動力。本文試圖透過調查教育資訊化建設的現狀，從教學業務流程運作的現實要求，和未來創新教學業務流程的現實要求出發，從發展需求的角度，討論和研究了智慧課堂教學系統的設計和實施。
本文基於物聯網應用系統的原型架構、實施策略和軟體平台，從系統實現、主要技術、系統功能實現，以及系統安裝和除錯等方面，介紹了大學智慧課堂物聯網系統的實施計劃。網路應用技術和資料探勘技術的結合，透過軟體平臺、硬體平台和整合技術的應用，解決了大學教育和教學管理中課堂管理、學生出勤率、裝置管理，以及教學活動管理中的許多資訊科技問題。
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