物聯網+VR驅動的智慧教學模式改革研究
——以服裝設計課程為例

蔣國明

（浙江理工大學 信息技術中心，浙江 杭州）

教育部2021年3月印發的《教育部關于加強新時代教育管理信息化工作的通知》中指出：新時代教育管理信息化工作的總體要求是以習近平新時代中國特色社會主義思想為指導，深入貫徹黨的十九大和十九屆歷次全會精神，利用新一代信息技術提升教育管理數字化、智能化水平，以信息化支撐教育治理體系和治理能力現代化，在重點任務中也明確將重點探索物聯網在智慧校園建設中的應用[1]。同月《浙江省教育領域數字化改革工作方案》中提到：浙江省作為社會主義教育現代化先行省、示范區，將綜合運用數字化技術，高效構建教育治理新模式，要求在建設路徑上提升智能感知、主動服務等6項關鍵能力，加快推動感知從“局部”到“全景”的轉變[2]。

所以，在“十四五”開局之年，國家和地方政府密集出臺的這些政策和規范，充分說明了以物聯網等為代表的新一代信息技術對于高校推進智慧校園建設和數字化改革的重要支撐引領作用。

一 智慧教學面臨的機遇

學校信息化建設雖在“十三五”期間取得了一定成績，但與學?？傮w辦學水平和師生日益增長的信息化需求相比仍有一定差距，需進一步重視高等教育變革和教學模式創新，構建“以師生為中心”的高校信息化，著力推動信息技術與教育教學的深度融合，為構建創新型人才培養體系提供強有力支撐[3]。

“十四五”期間，學校信息化工作也將迎來新的機遇。主要表現為以下三個方面：

（一） 政策層面

黨的十九大做出了建設教育強國的重大部署，教育部將“加快信息化時代教育變革”作為推進教育現代化的十大戰略任務。我省也大力推進政府數字化轉型發展，浙江省教育廳印發了《2020年浙江省教育領域深化“最多跑一次”改革推進教育治理數字化轉型工作要點》，以“最多跑一次”改革為牽引，更高起點、更高標準、更高質量推進教育治理數字化轉型。國家和浙江省已將信息化作為重要發展戰略，全力推進高校信息化建設。

（二） 技術層面

物聯網、大數據、虛擬現實（VR）、人工智能、5G等為代表的“新基建”的迅猛發展，為一流大學建設孕育了最佳環境，使信息技術真正成為了促進人才培養、科研創新等的有力抓手[4]。

（三） 校情層面

學校正著力“五個浙理”建設，并迎來了“一校多區”的辦學新格局，亟需以信息化破解發展中遇到的各類難題和多校區辦學中資源共享等現實問題。學校將主動順應和引領信息技術革命浪潮，牢牢抓住“互聯網+數字化轉型”時代大變革、大發展、大融合的歷史機遇，緊密圍繞學校中長期發展目標，大力推動學校信息化既好又快發展，努力建設“數智校園”。

所以，如何圍繞學校教育發展規劃，加快推進教育信息化攻堅行動的步伐，特別是在“十四五”期間，更需深化教學模式和體系改革，做好教育信息化建設模式改革的研究工作。本文的研究工作主要圍繞學校智慧教學模式改革創新的解決方案展開。

二 智慧教學物聯網系統

（一） 物聯網定義

物聯網（IoT）是指物體按約定的協議通過信息傳感設備進行信息通信，實現將“物和物”的有效連接[5]。IoT將各種“內在智能”的傳感器、移動終端和“外在使能”的智慧設備，通過網絡實現互聯互通，并采用合適的信息網絡安全機制，提供高安全的實時監測、指揮調度、聯動告警等管理和服務功能。

（二） 建設原則

系統建設遵循以下四個原則：

1.標準化原則，在符合教育部和行業標準下，以《高等學校數字校園建設規范（試行）》為指導，以數據標準、應用集成、數據共享等重點要素融合為主線進行規劃和建設[6]。

2.先進性原則，按照智慧校園理念，以先進的系統工程方法論為指導[7]，建設一個可持續發展的、開放性的校級物聯網公共服務平臺。

3.擴展性原則，系統架構設計合理，在滿足現有系統使用的前提下，充分考慮今后擴展的需求。

4.安全性原則，系統設計充分考慮安全性，包括網絡安全、傳輸安全、數據安全和管理安全等[8]。

（三） 系統架構

系統架構可分為感知、網絡和應用三個層次[9]：

1.感知層。感知層主要由感知設備（如智能門鎖、溫濕度傳感器等）、控制器（智能開關、空調控制模組等）、測量儀器（如帶能耗采集的智能插座）設備構成，負責物體識別和信息采集。

2.網絡層。網絡層主要由IoT網關組成，負責將感知信息通過網絡傳輸給平臺應用層，負責控制指令下發和設備狀況上傳、物聯終端設備管理和情景策略設置等。

3.應用層。應用層主要由物聯網平臺提供對遠端采集數據的分布式存儲、物聯設備統一管理、智能聯動、遠程信息推送等服務，提供豐富的數據接口，打造智慧教學智能感知、環境監測等應用場景。

在物聯網系統架構中，技術協議、標準規范和網絡安全機制起到底層支撐作用，物聯網建設需要遵循各種標準規范，如ITU、ISO/IEC、oneM2M、IEEE等各行業標準化組織，一般選用MQTT等常見通訊協議，采用三網融合、M2M通信等技術進行融合組網[10]。物聯網+智慧教學系統架構能夠提供豐富的智能設備生態和云端開放SaaS平臺，為高校教學場景提供實時無感數據采集、智能化控制和數據分析等功能，滿足終端用戶多樣化服務需求，提升管理效率。

（四） 系統功能

在物聯網+智慧教學應用場景下，主要實現功能如下：

1.環境監測。布設包括溫濕度傳感器、PM2.5傳感器、噪音監測傳感器、VOC氣體探測傳感器感知設備，一旦有環境指標異常，將馬上告警并提醒及時處置。

2.智能照明。通過定時/集中控制，統一設置教室燈光的開啟和關閉策略。通過區分晴天白天/陰天白天，自動調節燈具的照亮度，確保環境空間和桌面、黑板照度的充分，保障照度的舒適度。

3.節能管理。通過傳感器和空調、新風、照明、插座等聯動，監測和調節設備能耗，比如通過設置用電控制策略實現只允許在教室開放時間內能使用插座電源。

三 技術支撐路徑

（一） 基于物聯網的智慧教學環境建設實踐

學校以邊緣云方式引入校級物聯網公共服務平臺，逐步實現環境的全面感知、管理的高效協同、生活的個性便捷等不同方面的需求。學校多媒體教室已多數配備智能門禁和電子班牌，智能門禁采用在線管理方式，支持一卡通刷卡開門、密碼開門、遠程APP開門，電子班牌支持與一卡通刷卡、人臉識別聯動開啟教室門禁。通過配置物聯網接入校園局域網的門禁無線數據采集器，實時采集和傳遞門禁信息，通過管理軟件，可以實時監控門禁設備的電量、信號、聯機狀態等信息，方便教學設備和人員進出的管控。

在教學區多媒體教室，研究基于一卡通和校園統一身份認證實現智慧教學環境控制：

1.首先在門口通過電子班牌人臉識別身份功能實現課程簽到，通過一卡通實體卡/虛擬卡刷卡控制門禁的開啟，聯動攝像監控記錄關鍵圖片，自動開啟多媒體教學中控系統和教學主機和智慧黑板/投影幕布。

2.遠紅外檢測感應人體進入，聯動教室智能燈光控制，自動開啟照明燈，光照度儀探測光照強弱，根據傳感器反饋的日照強弱信息，自動開關窗簾等。

3.空調根據采集的溫濕度信息，自動開啟并設定溫度和啟停狀態，根據PM2.5、VOC氣體探測傳感器采集的信息，控制新風系統的啟停狀態等。

4.基于標準的行業物聯網規范實現資源的分級控制和各類終端感知設備的統一接入和聯動管理。

基于物聯網的智慧教學環境典型場景如圖1所示。

圖1 基于物聯網的智慧教學環境典型場景

（二） 基于VR的智慧教學模式改革實踐

通過VR頭盔/眼鏡，結合5G等技術，實時線上互動相關教學內容，可更加突顯學校服裝設計全國特色專業學科優勢，充分展示VR技術在服裝設計等課程教學中的創新應用。VR技術從2016年之后一直沒有大的發展，很大原因是普通的網絡無法支撐全景圖像的數據傳輸，而隨著具備大帶寬、低時延特性的5G技術成熟落地，這個問題也就迎刃而解，全景直播也就應運而生。通過5G網絡將多目全景相機采集圖像數據經畫面拼接后實時傳輸到VR眼鏡中，我們帶上眼鏡即可置身于全景720度的教學現場、高山流水的沉浸式感受之中。同時異地布置多套VR頭盔，供異地人員實時查看4K的VR全景畫面，實現異地傳送的效果。

1.5G+VR的設計繪畫智慧教學模式實踐。利用虛擬現實VR-3D繪畫技術在三維空間里繪畫，服裝設計課程教學可進入沉浸式體驗，當你戴上VR頭盔的時候，師生的四周都將是3D的虛擬空間，可以在任何表面上隨意噴漆作畫?；趯W校專業學科的特性，可拓展課程設計軟件進行空間化服裝設計或原稿設計。師生可直接在虛擬模特上作畫與設計，且可以像使用圖像處理一樣，隨意調整顏色和筆刷并使用各種輔助繪圖工具，相較于一般的服裝設計軟件，大大提升效率與設計觀賞性。同時，其他師生與觀察者可以通過投影或顯示屏畫面同步觀看繪畫內容，讓沒有帶VR眼鏡的人也仿佛參與其中，在師生迸發靈感的同時，傳遞感染力，豐富設計類學科教學形式。同時直播課程開始后，老師可以通過智慧終端進行播控管理，利用5G網絡實現多地課堂同步上課。

2.5G+全息課堂應用研究。建設以“5G+全息投影”技術為基礎的智慧教學場景，可解決多校區高質量連接難以全面實現的問題。通過一對多、多對多等的直播互動模式，可實現多校區共享優質資源。遠程全息課堂多用于公開課、大型講座等場景，傳統的有線連網方式大大限制了全息課堂的應用范圍，并且有線連網存在成本高、靈活性差等問題，5G的移動大帶寬打破了遠程全息課堂的地域瓶頸限制，可實現隨需隨用，靈活開課。通過全息投影的呈現方式，將學校的采集端課堂，異地同步到另接收端課堂中，實現異地同上一節課的新教學方式。采集課堂內容不受限制，更快的融入正常教學。多角度、高清晰度人像和板書，課堂更具生動性。該模式部署快捷、操作簡單，物聯網式智能教室，一鍵操作即可完成全息課堂環境部署。

5G+VR的智慧教學應用典型場景如圖2所示。

圖2 5G+VR的智慧教學應用典型場景

四 結語

基于物聯網+VR技術的在線教學模式研究，是學校做好疫情防控常態化工作下開展教育教學改革研究的一個補充方案，通過信息技術來推動教學方式變革，逐步實現線上、線下相結合的智慧教學模式，做到停課也不停學。同時學校希望借此形成融合共享的人才培養生態和產學研創新育人新模式，改革以知識傳授為主的傳統課堂教學模式，推進以學生為中心的研究型教學模式，構建新型的師生關系。

學校深入貫徹新發展理念，進一步深化構建信息技術中心與教育教學部門緊密融合、高效協同的新發展格局，開展物聯網+VR驅動的智慧教學模式改革研究。學校以物聯網、VR、5G等新一代信息技術為依托，探索構建服務人才培養的智慧教學環境，推動全校性物聯網平臺建設，推動跨部門、跨校區的智慧物聯網感知體系建設，研究具有理工特色的智慧教學模式，推動新技術引領教學模式的改革與創新，實現跨部門之間的制度重塑和協同工作。數字化改革可選擇“有突出成效”的案例試點突破，以標志性成果實現學?！皵底只母铩边M程中“以點帶面”的示范引領效應，助力智慧校園建設，推動學校教育事業高質量發展。