| 标题 | 智慧课堂内移动终端无线互连技术研究 |
| 范文 | 邱静怡 摘要：以智慧课堂移动终端互连的特殊要求作为突破口，研究现有移动互连技术并指出其存在的不足，由此引出构建满足智慧课堂需求的终端无线互连技术特点，提出智慧课堂内移动终端互连的未来设计要点与可行的解决方案。 关键词：无线互连；移动终端；智慧课堂 DOIDOI：10.11907/rjdk.151399 中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号文章编号：16727800（2015）008018703 1 智慧教育的涵义、内容及其现实意义 教育部于2012年3月发布的《教育信息化十年发展规划（2011-2020）》中指出，我国教育信息化建设正从“起步、应用”阶段向“融合、创新”阶段迈进，教育信息化之路正在蓬勃发展且潜力巨大[1]。智慧教育成为信息化教育应用的一个新范式，智慧课堂作为一种典型的智能学习环境，成为各学校课堂环境建设的目标。新加坡国立教育学院设立BackPack.Net中心，积极打造“未来教室”，为学生配置电子书包，传递“处处是学习场所，不受时间、空间限制”的理念；戴尔“互联课堂”、华东师范大学“未来课堂”也在教室环境中引入学习终端（笔记本电脑或平板电脑，如iPad等）。智慧课堂可以看作是集物联网和教育云等新技术于一体的未来课堂的一种形式，是一种由“课堂教学支撑系统”整合了电脑终端、互动电子白板、实物展台、即时反馈系统、智能终端等软、硬件的教与学环境。在泛在网络环境支持下，智慧教室由数字内容资源、各类学科工具、教学管理与评价云服务以及多屏显示等装备构成，具有智能化、开发性、混合型、交互性和生态性等特征，可以满足或促进人与技术、资源、环境之间的良好互动。未来教室的发展趋势是智慧课堂，包括电子课本、电子课桌、电子书包、电子白板……在资源方面，由模拟媒体到数字媒体，再到网络媒体，资源最终都集中在教育云上，内容达到极大丰富，从而满足个性化的学习[2]。智慧教室中，多媒体互动数字教材是课堂的灵魂角色，而无线网络环境是课堂的基础建设。因此，研究课堂移动终端互连技术具有一定的理论价值和现实意义。 2 现有智慧课堂移动终端互连方式及存在的问题 与通用型终端设备相比，智慧课堂内的学习终端在网络互连方面存在特殊要求。本文通过实地调研某小学智慧课堂无线网络场景，如图1所示，智慧教室内师生均配备有学习终端，课堂内配备具有展示和交互功能的电子白板，所有数据信息的交互都通过无线路由器实现。得出当前使用无线AP（Access Point）构建的WLAN在智慧教学场景应用中存在以下问题： （1）密集性用户接入受限。教师发出指令要求学生打开学习终端，全班50个学生约2秒内同时开启学习终端连接课堂无线AP时，出现10多台学习终端网络连接受限的情况。而且出现这种情况后，往往只能通过重启学习终端的方式重新连接网络，说明当前的基础网络无法处理一个自然班容量的学生终端并发接入。 （2）聚集性、并发性数据传输受阻。在教学资源集中分发或上传过程中（如分发试卷或同时上传作业），偶尔出现文本试卷漏发和作业上交不齐的情况。而多媒体教学资源分发过程中甚至出现大部分学习终端停止下载或播放，说明现行的基础网络不能满足聚集性、并发性数据传输的教学应用需求。 （3）基础网络架构繁杂。为满足大量学生终端的高速稳定接入，部分教室甚至在一个教室内同时部署2～3台AP。这种繁杂的基础网络架构增大了校内多AP重叠部署和信道重叠干扰的几率，增加了布线施工成本和周期，严重影响用户接入感知，甚至导致在校内大规模开展智慧课堂教学完全不可行。 上述调研结果说明，固定的容纳50～60个学生数量的课堂教学场景势必导致密集性终端设备的接入和使用问题十分突出。而教学应用场景中的个性化学习、分组互动等应用无法避免大数据并发传输，这些都需要高带宽网络的支持。当前课堂使用的WLAN拥有的狭窄带宽无法承载如此高的应用需求，而构建WLAN的核心设备——无线AP（Access Point）更是成为无线传输的瓶颈。 3 当前主流研究方案分析 为了解决上述难题，国内外研究人员对无线互连技术进行了大量研究，目前具体有以下几种实施方案： 第一种方案是WLAN增强技术。WLAN技术增强方法包括： （1）利用IEEE 802.11ac标准的新一代超高速WLAN标准代替现有的IEEE 802.11n WLAN协议。IEEE 802.11ac是目前最新的无线局域网标准之一，其目标是利用5.8GHz频段制定Gbit/s以上数据传输速率的超高速WLAN标准，通过更宽的RF带宽（提升至160MHz）、更多的MIMO空间流（spatial streams）（增加到8）、多用户的MIMO，以及更高阶的调制（modulation）（达到 256QAM）等技术的提升，将课堂内基础网络带宽提升一个数量级。表1中的测试结果显示，课堂内一台IEEE 802.11ac协议支持的AP和32个无线终端共同工作时，所有终端都能获得大于2Mbps的数据传输量，可完全满足智慧课堂教学场景的需求。然而，在一个自然班容量的智慧课堂中，要求所有终端都能满足2Mbps通信带宽则需要部署两套802.11ac的AP设备，从而增加了网络架构的复杂性，也限制了智慧课堂在校园范围内的广泛使用。 （2）智能MIMO多天线技术。在多天线系统中引入交叉极化和圆极化等多种极化形式的天线单元能有效提升无线通信系统的整体性能，保障教室内无线信号均衡覆盖无死角，而这将会增加终端设备通信设计的复杂性。 另一类解决方案是密集AP部署。为了保证教室内的覆盖和服务质量，需要布置多个AP，在整个教学楼同时部署的情况下，将使802.11无线局域网中的AP呈现一种高密度分布。这种AP密集的无线网络在具有稳定的网络覆盖区域、高通信速率和低能耗等优势的同时，也带来了不少亟需解决的问题，如强烈的物理干扰、激烈的接入竞争，需要从AP规划、信道分配和功率控制等多方面进行协调研究。 然而，不论是将网络基础协议从802.11n升级为新一代802.11ac协议，还是采用智能天线和多AP部署的方式，都是通过提升网络空口资源的方式来提高网络性能，这仅是从“量”的层面提升网络性能，而不能解决智慧教室中WLAN星型网络架构的固有缺陷导致的密集用户接入受限和聚集性、并发性数据传输受阻问题。 4 Ad Hoc组网解决方案 为此，本文率先提出将Ad Hoc网络架构应用于终端无线互连上的课堂教学场景，如图2所示。Ad Hoc网络是由一组任意分布且可随机移动的节点以自组织的方式构建的无线通信网络，且不依赖于任何已有的固定和有线网络基础设施。它不仅打破了传统的WiFi星型接入无线基础网络架构，可利用学习终端之间的Ad Hoc功能，自组织构建成网状架构，以降低无线AP瞬时接入压力，消除网络传输瓶颈，提升整网的可靠性和稳定性，而且能利用路由协议，根据网络状态灵活选择单播、组播和广播路由方式，支持高性能的本地通信以满足智慧教室应用需求。特别是其组播路由机制能在网络层支持课堂的小组合作学习方式，提高多媒体互动资源的传输效率，降低网络成本，为学习终端的应用推广提供了保障。 虽然我国《国家中长期科学与技术发展规划纲要（2006-2020）》[3]为信息技术领域确定了3个前沿技术，Ad Hoc网络技术便是其中之一，部分研究者已开始对Ad Hoc网络技术应用于教学环境进行相关的尝试。但是直至今日，Ad Hoc网络在实际应用中并不普遍，大量研究仍处在仿真和实验阶段（仿真规模在数百至数千节点，实验规模在几十个节点左右）。主要原因在于一方面运营商出于商业目的限制移动自组织网络的应用，另一方面智能手机、PDA、掌上电脑等终端设备的处理能力和有限的无线链路带宽限制了移动自组织网络的应用和网络体系结构的架设。但Ad Hoc网络无需基础通信设施的支持，能在任何时间、地点，随时搭建使用的突出优势，使其在教育、救灾抢险、工商业以及文化娱乐等领域有着广泛的应用需求，对Ad Hoc网络进行深入研究和应用尝试是移动终端设备的发展趋势。 5 结语 本文通过分析课室内智慧终端无线组网存在的固有问题，提出在课室教学场景中的无线终端使用Ad Hoc组网。该方式符合网络技术前沿发展方向，也体现了教育信息化的应用需求。在未来的工作中，将继续研究Ad Hoc组网模式下如何构造高效的单播、组播路由协议，以满足各种课堂教学场景的需求。 参考文献： [1] 杨宗凯.教育信息化十年发展展望——未来教室、未来学校、未来教师、未来教育[J].中国教育信息化，2011（9）：1415. [2] JOHNSON L，ADAMS BECKER S，CUMMINS M，et al.NMC horizon report 2013 higher education edition[EB/OL].http：//www.nmc.org/pdf/2013horizonreportk12CN.pdf. [3] 国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定[EB/OL].http：//www.gov.cn/zwgk/201010/18/content_1724848.htm. （责任编辑：黄 健） |
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