基于智慧校园多方式认证下的 高校多媒体教室设计与实践
摘要：网络中控型多媒体教室设计方案是目前高校采取的主要形式，存在设备多、故障率高、检修困难等问题。本文从智慧校园建设要求出发，提出了一种基于智慧校园环境多方式认证下的高校多媒体教室设计方案，并 以 实 例与相关数据充分证明了该方案的低故障率特点。
关 键 词：智慧校园；多方式认证；网络；多媒体教室
随着高等学校教育教学改革的不断深入，现代信息技术的迅猛发展，利用数字化教学资源，借助计算机、投影、音响等设备进行多媒体教学越来越受到师生们的追捧。部分教师和学生都比较认同多媒体教学，认为多媒体教学能形象生动地展示教学的重点和难点，可以活跃课堂氛围，激发学生的学习兴趣。当前，所有高校都建有多媒体教室，多数课程教学采用了多媒体教学手段，桌面运行和维护的复杂性和成本也达到了新高，教育教学改革对教育信息化提出了新的挑战。因此，在智慧校园环境下如何构建功能丰富、性能稳定、操作简便、维护快捷的多媒体教室是当前各高校所重点关注的问题。
１ 多媒体教室的发展与现状分析
多媒体教室的发展主要经历了３个阶段。
第一阶段：视听型教室，主要利用图示型教材、视听觉教具（幻灯机、影碟机等）及二者各种组合形式进行教学，这种教室的设备简单、功能单一；
第二阶段：计算机辅助型 教 室，这一阶段的多媒体教室开始利用计算机、投 影 及 相 关 辅 助 教 学 软 件（ＰＰＴ，ＣＡＤ等）进行教学，此类多媒体教室设备复杂、功能强大，已逐步向教学现代化迈进；
第三阶段：智慧型教室，即现代多媒体教室，主要是基于 ＴＣＰ／ＩＰ的网络中控，利用其丰富的各类接口、齐全的控制功能、强大的可扩展性与可编程性、界面的可定制化等特点，将教室内诸多的计算机、投影、幕布、讲台、音视频等设备变成一个有机的整体．通过智能网络中控采集周边音视频设备的数据，利用控制软件进行远程集中控制，实现传统多媒体教室的网络化、数字化与智能化。这种多媒体教室设计方案是目前高校采取的主要形式。
智慧型多媒体教室虽然通过网络中控将教室内计算机、投影等各类设备变成了一个有机整体，并已实现了远程集中控制与管理，但还存在诸多问题。
１）网络中控的不稳定性 网络中控集网络、音频、视频、电源、控制等模块于一身，虽然功能强大，实现了基于网络的计算机、投影、幕布、讲台、音视频的集中控制，但复杂的电路模块与各类音视频设备的控制技术对其提出了很高的要求。各类模块接触不良、外接电压的变化、铁制讲台的静电流引起的短路等因素都会导致中控电路模块不能正常工作甚至烧毁。多种多媒体设备控制技术融合在一起，经常会因多媒体设备自身运行的不稳定性而导致中控系统的不稳定。
２）各类设备的不兼容性 智慧型多媒体教室的设备一般有讲台（含电磁锁）、刷卡器、计算机、网络中控、功放、音响、投影、幕布等，有的还有红外报警、监控等。各类设备来自国内、国外的不同厂家，各类设备的技术发展也参差不齐，虽然由网络中控将这些设备融合在了一起，但因技术标准的不同、质量的差异，有的还需要转接模块，往往因部分设备或者线路转接的问题导致系统整体性能的不稳定。
３）维护检修的复杂性 因多媒体教室中集成的设备很多，当问题出现时要检修相当困难。是线路问题，还是某一个设备的问题，这都需要花费大量的时间一步步排查，从而影响正常使用。
２ 智慧校园实现需求
所谓智慧校园，指的是以物联网为基础的智慧化校园工作、学习和生活一体化环境，这个一体化环境以各种应用服务系统为载体，将教学、科研、管理和校园生活进行充分融合。近年来，随着信息技术与物联网技术的飞速发展，各高校正如火如荼地开展智慧校园项目建设，利用信息交换与共享技术，消除校园信息孤岛现象，实现信息共享；利用 ＲＦＩＤ、二维码、视频监控等物联感知技术，构建校园智能感知环境；利用 ＬＤＡＰ访问技术，实现校园身份的统一认证。
因此，为实现校园的全面智慧化，方便老师的应用，建设的多媒体教室控制系统必须接入智慧校园平台，实现身份的统一认证。
３ 基于智慧校园多方式认证下的多媒体教室设计
众多的多媒体教学设备如果只是简单地安放到教室里，教师在授课时面对品牌各异的一大堆设备，既要专注地授课，又要熟练地操作各种教学设备，必然会顾此失彼，以致影响教学过程的正常进行。鉴于这样的情况及上述分析的网络中控型多媒体教室的问题，在智慧校园环境下，建设既能满足师生教学需求，又能操作简便、维护快捷的多媒体教室尤其重要。
３．１ 设计原则
功能丰富：应首先满足师生多媒体教学的基本需求，即利用多媒体计算机、投影仪、幕布、音响等设备，按教学要求综合处理、控制并播放文本、图形图像、音频视频等多种媒体信息。其次师生可以利用校园网络，随时获取校园网内、网外的数字化教学资源。最后，多媒体设备管理人员可以基于校园网络，通过集中控制系统对多媒体讲台、投影仪、幕布等设备进行远程集中管理。
性能稳定：尽可能减少不必要的设备，优化内部线路，从而达到降低故障率，提高系统整体性能的功效。当出现某故障时，能启用第二方案来保障多媒体教学的正常进行。
操作简便：多媒体设备的操作应简单并人性化，从而使老师将更多的精力放在教学上。
维护快捷：集中控制系统能实时监控所有多媒体设备的运行状态，当出现问题时技术人员可以第一时间进行检修，在进行检修设备时，可以快速地查找、发现和解决问题。
３．２ 设计思路
在智慧校园环境下利用其统一身份认证库，实现与多媒体教室控制系统服务器上的身份库对接与同步。通过手机客户端、计算机客户端、一卡通刷卡等程序在控制系统服务器上首先进行身份认证，并在认证后利用网络投影仪（以下简称投影仪）服务程序开启投影仪或者 ＲＳ２３２接口发送开启投影仪命令，教师即可通过无线、ＶＧＡ，ＵＳＢ，ＨＤＭＩ等传输方式 将 随 身 携 带 的 笔 记 本（或 ＰＡＤ 等移 动 设 备）信 号 传 输 至 投 影仪。多媒体讲台内部只有网络、电源等模块，线路简单，各类模块间与信号线连接等采用即插即用方式，出现问题时检修与更换方便，设计原理如图1所示。这种基于智慧校园多方式认证下的多媒体教室设备简单、功能强大、系统稳定、操作简便、维护快捷，不仅保障了教学的正常开展，而且大大提高了设备的管理与维护效率。
３．３ 设计方案
根据设计原则与思路，优化设计网络结构，便于控制网络投影仪与使用网络资源；采用多方式认证模式认证系统并开启投影仪，提供多种选择，进一步保障教学正常开展；简化多媒体教室结构，降低系统故障率。
3.3.1 网络结构设计
网络规划设计是现代智慧型多媒体教室建设的基础，使网络环境既能独立在多媒体教室专网上运行并获取专网中的教学资源，又能充分共享校园网和互联网上的各种教学资源，并为多媒体教学环境提供高效安全的运行保证。在网络结构设计时需要考虑到以后的升级扩容、大容量的信息传输、网络的安全保障等。鉴于这样的因素，校园网主干与楼宇间应采用千兆光纤连接，楼宇内部采用百兆连接至教室，在因大容量媒体传输应用需求提高时，只需将主干连接端设备或模块升级至支持万兆链路即可。在网络设置上，交换机利用 ＶＬＡＮ 进行划分，教室中的投影仪、网络模块等均使用内部ＩＰ地址进行静态分配，教师所用计算机使用内部ＩＰ地址进行动态自动分配，经过服务器 ＤＮＳ设置后，即可访问校园网内部资源，若需访问校园外网资源，只需在出口 ＲａｄＷａｒｅ上进行 ＮＡＴ 转换即可。集中控制服务器、ＦＴＰ服务器、音视频服务器等，也采用 ＮＡＴ（网络地址转换）和基于 ＮＡＴ 的防火墙技术。
3.3.2 系统控制的多方式认证
多媒体控制系统认证是实现多媒体设备自动化管理的重要保障，也是实现校园智慧化的重要 内 容 之一。目前，一般高校多媒体教室控制认证系统自成体系，即便少数学校已经实现了与校园其他管理系统的统一身份认证，但也是单一认证的方式。为实现校园的智慧化，并且充分保障多媒体教学的正常进行，本文采取了基于智慧校园环境下的多方式认证。
１）统一身份认证的实现 搭建多媒体控制系统本地服务器，建立身份库，将其与智慧校园统一身份认证库对接，利用同步机制将智慧校园统一身份认证库中的身份信息同步至本地服务器，从而实现本地服务器身份信息与智慧校园数据中心身份同步。
２）多方式认证的实现 单一认证方式往往会因某设备或者系统故障而影响多媒体设备的正常使用，为解决这样的问题，构建一卡通刷卡、计算机客户端、手机客户端等多种程序认证系统。这里主要描述如何来控制投影仪的开关，实现如图２所示。
一卡通刷 卡 认 证：利 用 一 卡 通 卡 片 通 过 刷 卡器刷卡后，网络模块即获得用户信息，然后到控制系统服务器的 身 份 库 中 进 行 身 份 认 证，认 证 通 过后利用 ＲＳ２３２接口发送开启投影仪命令。
计算机客 户 端 程 序 认 证：当 教 师 所 携 带 的 笔记本连上校园网后，通过计算机客户端认证程序，将输入的认证信息到控制系统服务器的身份库中进行身份认证，认证通过后即可运行投影仪服务程序（网络投影仪一般自带），实现投影仪的开、关控制。
手机客户 端 程 序 认 证：当 运 行 手 机 客 户 端 认证程序时，输入认证信息后，由运营商服务器连接至校园内投影 控 制 系 统 服 务 器，并到其身份库中进行身份认证，认证通过后即可运行投影仪服务程序，实现投影仪的开、关控制。
多方式认证的实现给教师提供了开启投影仪的多种选择，避免了只使用某一种方式认证并开启投影仪时出现故障而影响正常教学。
3.3.3多媒体教室结构设计
基于“功能丰富、性能稳定、操作简便、维护快捷”这一设计原则，多媒体教室结构主要围绕４个方面开展设计。
功能：为满足多媒体教学基本需求，教室中配备投影仪、幕布、多媒体讲台、有源音响等设备；为满足网络教学需求，教室内建设专用局域网络，可连接至校园网；为满足远程集中控制，基于校园网络，通过集中控制系统实现远程网络投影仪、刷卡系统的远程集中管理。多媒体讲台的集成面板上配有 ＨＤＭＩ，ＵＳＢ，ＶＧＡ，ＬＡＮ，ＬＩＮＥＯＵＴ 等接口，用于各种设备的有线连接与信号传输。投影仪配有无线传输模块，教师所携带笔记本、ＰＡＤ、手机等移动设备可支持无线传输方式将信号传输至投影仪，充分体现高自由度的特点。
性能：多媒体教室中去除了传统的网络中 控、公 共 计 算 机、功 放、电 磁 锁等设备，多媒体讲台内部结构与线路非常简单，设备故障率将大大降低。
操作：由于 设 备 不 多，开 启 系 统 程序 较 少，教 师 只 需 简 单 地 连 接 ＶＧＡ，ＬＡＮ 等接口线，通过刷卡或者手机、计算机客户端程序认证即可控制投影仪的开关，操作简便。
维护：由于 设 备 少、讲 台 内 部 结 构与线路简单，连接线路均采用即插即用转接，检修与更换均容易 快 捷。集 中 控制系统能实时监控所有多媒体设备的运行状态，在出现问题时，技 术 人 员 可 第一时间进行检修。多媒体教室结构设计如图３所示。
４ 基于智慧校园多方式认证下的多媒体教室实践
为说明本文提出的多媒体教室设计方案的优越性，现以江苏省南通航运职业技术学院多媒体教室项目建设为例。２０１３年新增网络中控型多媒体教室４０间，每间教室设备主要有投影仪、幕布、多媒体讲台、电磁锁、网络中控、刷卡器、功放、音响、公共计算机等。根据本文所述建设方案，２０１４年新增新型网络多媒体教室１３３间，每间教室设备主要有网络投影仪、幕布、多媒体讲台、刷卡器、有源音响等。从两批多媒体教室的运行情况来看，新型网络多媒体教室操作简单、故障率低、检修方便，教师可以利用笔记本、ＰＡＤ等移动设备进行多媒体教学，自由度高、亲和力强。
为分析两种多媒体教室的运行性能，分别对两批多媒体教室使用中出现的各类故障进行了同期（投入运行后９０ｄ内）统计，如表１所示。
多媒体设备的故障率是一个重要的可行性指标，常被用来度量多媒体设备的性能。设备在ｔ时刻的故障率，表示设备在ｔ时刻以前一直正常工作，在ｔ时刻以后单位时间内故障的概率，记为λ（ｔ）。假定Ｎ０ 个相同 的元件在ｔ＝０时刻投入运行，随着时间的推移，有些元件将发生故障，记Ｎｓｔ为ｔ时刻完好的元件数，那么故障率计算公式为
λ（ｔ）＝ １Δｔ（Ｎｓｔ－Ｎｓｔ＋Δｔ）／Ｎｓｔ
其中 Ｎｓｔ－Ｎｓｔ＋Δｔ 则为在Δｔ时间内发生故障的元件数。
表１中设备元件发生的故障主要有元件自身损坏、接口接触不良或者参数设置有误，也有人为操作失误所致。由于每个设备元件发生故障时都会影响到该教室多媒体设备的正常运行，因此可将发生故障的元件计为该教室整套设备。这样，根据上述故障率计算公式，利用表１中数据可计算出２０１３年所建网络中控型多媒体教室故障率为２．７５％，２０１４年所建新型网络多媒体教室故障率为０．８２％。
从以上数据分析可得出，由于新型网络多媒体教室内部结构与线路简单，设备元件数大大减少，因此总的故障率大大降低，多媒体教室整体性能大大提升。
５ 结 语
网络化的多媒体教学方法和技术是高等院校重要的信息基础设施，是衡量高等院校信息化基础建设和学校日常教学管理先进水平的重要指标。系统的建设不仅缓解了当前许多高校规模不断扩大，师资力量不足的现实问题，而且实现了多媒体的网络化教学和管理。运用新型网络多媒体教室，减少了传统网络中控型多媒体教室的一些设备，简化了内部结构，降低了设备故障率。采用基于智慧校园环境的多方式认证，不仅实现了与智慧校园各类信息化项目的集成对接，而且避免了只使用某一种方式认证和开启投影仪时出现故障而影响正常教学的情况，也提高了多媒体设备使用的满意度。
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