智慧教室：概念特征、系統(tǒng)模型與建設(shè)案例強(qiáng)

聶風(fēng)華　鐘曉流　宋述

【摘要】文章從教室環(huán)境信息化建設(shè)的發(fā)展演變?nèi)胧郑紫汝U釋了智慧教室的理論概念，并從系統(tǒng)組成的角度構(gòu)建了智慧教室的iSMART模型。根據(jù)清華大學(xué)五道口金融學(xué)院智慧教室建設(shè)項目的工程案例，文章介紹了智慧教室的建設(shè)思路與集成方案，并對智慧教室建成之后的運(yùn)行模式進(jìn)行了系統(tǒng)思考，以期為智慧教室的研究、建設(shè)與運(yùn)行提供參考。

【關(guān)鍵詞】教室：智慧教室；智能教室；未來教室；iSMART

【中圖分類號】G40-057 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【論文編號】1009-8097（2013）07-0005-04

引言

教室的歷史可以一直追溯到古代蘇美爾人的“泥版書屋”和我國夏商周時期的“庠”、“序”、“學(xué)”、“校”。但現(xiàn)代意義上的教室則是在16世紀(jì)末班級授課制出現(xiàn)以后產(chǎn)生的。20世紀(jì)80年代以來，在以多媒體、計算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)為代表的信息技術(shù)浪潮的推動下，各級各類學(xué)校中教室環(huán)境日益步入信息時代，其演變發(fā)展可以分為多媒體和網(wǎng)絡(luò)化兩個階段：

多媒體階段建設(shè)的重點(diǎn)是教室中計算機(jī)和多媒體設(shè)備的推廣應(yīng)用。在多媒體教室中，教師通過計算機(jī)、投影儀、錄像機(jī)、VCD、DVD、音響等多媒體設(shè)備，運(yùn)用CAI課件（由文字、圖片、動畫、音頻、視頻等多種媒體元素組成）進(jìn)行教學(xué)，這徹底擺脫了傳統(tǒng)的黑板加粉筆的教學(xué)形式。

網(wǎng)絡(luò)化階段建設(shè)的重點(diǎn)是教室接入校園網(wǎng)并能便捷地訪問互聯(lián)網(wǎng)。在網(wǎng)絡(luò)化教室中，教師可以方便地調(diào)用網(wǎng)絡(luò)資源組織教學(xué)活動，學(xué)生可以隨時點(diǎn)播網(wǎng)絡(luò)課件進(jìn)行個性化的自主學(xué)習(xí)。除了面對面的交流外，師生還可以在網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行實(shí)時或非實(shí)時的互動，這大大拓展了教學(xué)活動的空間。

進(jìn)入21世紀(jì)的第二個十年，隨著以物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)為代表的新一代信息技術(shù)的日趨成熟，在教育領(lǐng)域，具有智慧技術(shù)、智慧應(yīng)用、智慧管理等特征的智慧教室成為新的建設(shè)熱點(diǎn)。本文結(jié)合當(dāng)前教育信息化的前沿技術(shù)趨勢，闡釋了智慧教室的概念與特征，并從系統(tǒng)組成的角度構(gòu)建了智慧教室的iSMART模型。根據(jù)清華大學(xué)五道口金融學(xué)院智慧教室建設(shè)項目的工程案例，文章介紹了智慧教室的建設(shè)思路與集成方案，并對智慧教室建成之后的運(yùn)行模式進(jìn)行了深入地思考，以期為智慧教室的信息化建設(shè)與運(yùn)行提供參考。

一 智慧教室的概念及特征

2008年11月，IBM首席執(zhí)行官彭明盛在其演講“智慧地球：下一代的領(lǐng)導(dǎo)議程”中首次提出了“智慧地球”的概念。2009年1月，在有奧巴馬總統(tǒng)參加的工商業(yè)領(lǐng)袖圓桌會議上，彭明盛闡釋了智慧地球的理念：將感應(yīng)器嵌入和裝備到電網(wǎng)、鐵路、建筑、大壩、油氣管道等各種物體中，形成物物相聯(lián)，然后通過超級計算機(jī)和云計算將其整合，實(shí)現(xiàn)社會與物理世界融合。奧巴馬對此給予了積極得回應(yīng)，并表示經(jīng)濟(jì)刺激資金將會投入到寬帶網(wǎng)絡(luò)等新興技術(shù)中去。2009年8月，時任中國總理溫家寶在無錫考察時提出要建設(shè)“感知中國中心”，這之后物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)迅速被列入國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的重點(diǎn)領(lǐng)域。正是在這樣的背景下智慧城市、智慧交通、智慧社區(qū)、智慧家居、智慧校園、智慧教室等新興概念不斷涌現(xiàn)。

就智慧教室而言，研究者從不同的角度對其進(jìn)行了界定和描述，與之相近的概念還有智能教室、未來教室等。黃榮懷等認(rèn)為在傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、富媒體技術(shù)及人工智能技術(shù)充分發(fā)展的信息時代，教室環(huán)境應(yīng)是一種能優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容呈現(xiàn)、便利學(xué)習(xí)資源獲取、促進(jìn)課堂交互開展，具有情景感知和環(huán)境管理功能的新型教室，這種教室被稱為智慧教室。陳衛(wèi)東等認(rèn)為智能教室，就是一個能夠方便對教室所裝備的視聽、計算機(jī)、投影、交互白板等聲、光、電設(shè)備進(jìn)行控制和操作，有利于師生無縫地接入資源及從事教與學(xué)活動，并能適應(yīng)包括遠(yuǎn)程教學(xué)在內(nèi)的多種學(xué)習(xí)方式，以自然的人機(jī)交互為特征的，依靠智能空間技術(shù)實(shí)現(xiàn)的增強(qiáng)型教室。楊宗凱認(rèn)為未來的教室一定是云端教室，包括電子課本、電子課桌、電子書包、電子白板……在資源方面，由模擬媒體到數(shù)字媒體，再到網(wǎng)絡(luò)媒體，資源最終都在教育云上，內(nèi)容達(dá)到極大豐富，從而滿足個性化的學(xué)習(xí)。

本文作者認(rèn)為智慧教室是為教學(xué)活動提供智慧應(yīng)用服務(wù)的教室空間及其軟硬件裝備的總和。智慧教室是在物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等新興信息技術(shù)的推動下，教室信息化建設(shè)的最新形態(tài)。立足教學(xué)活動需求，提供智慧化的應(yīng)用服務(wù)是智慧教室的核心使命，達(dá)成最優(yōu)化的教學(xué)效果是智慧教室的終極目標(biāo)。運(yùn)用智慧技術(shù)，提供智慧服務(wù)，實(shí)現(xiàn)智慧管理是智慧教室區(qū)別于以往多媒體教室和網(wǎng)絡(luò)化教室的主要特征。

二 智慧教室的系統(tǒng)模型

1 智慧教室的“SMART”概念模型

黃榮懷等認(rèn)為智慧教室的“智慧性”涉及教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化呈現(xiàn)、學(xué)習(xí)資源的便利獲取、課堂教學(xué)的深度互動、情景感知與檢測、教室布局與電氣管理等方面的內(nèi)容，可概括為內(nèi)容呈現(xiàn)（Showing）、環(huán)境管理（Manageable）、資源獲取（Accessible）、及時互動（Real-time Interactive）、情境感知（Testing）五個維度，簡寫為“S.M.A.R.T”，這五個維度正好體現(xiàn)了智慧教室的特征，可稱為“SMART”概念模型。

2 智慧教室的“iSMART”系統(tǒng)模型

“SMART”概念模型的側(cè)重點(diǎn)在于呈現(xiàn)智慧教室的“智慧性”特征。為了提供更具操作性的建設(shè)參考，本文作者從系統(tǒng)組成的角度構(gòu)建了智慧教室的“iSMART”模型。在該模型中智慧教室由基礎(chǔ)設(shè)施、網(wǎng)絡(luò)感知（networkSensor）、可視管理（visual Management）、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmentedreality）、實(shí)時記錄（real-time Recording）、泛在技術(shù)（ubiquitousTechnology）六大系統(tǒng)組成，將六大系統(tǒng)關(guān)鍵字的首字母提取出來，縮寫為“iSMART”。

基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)包括物理空間、桌椅裝置、供配電、通風(fēng)空調(diào)、燈光照明等子系統(tǒng)。布局合理的物理空間和符合人體工程學(xué)的課座椅構(gòu)成智慧教室的空間環(huán)境。安全可靠、健康節(jié)能的供配電、通風(fēng)空調(diào)和燈光照明也是必備的設(shè)施條件。

網(wǎng)絡(luò)感知系統(tǒng)包括網(wǎng)絡(luò)接入、射頻識別、人體識別等子系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)接入既可以是有線的也可以是無線的。射頻識別（RFID）、人體識別系統(tǒng)（HRS）等傳感裝置，按約定的協(xié)議，把各種設(shè)備相連并進(jìn)行信息交換，實(shí)現(xiàn)智能化識別和感知。

可視管理系統(tǒng)包括中控、能耗、監(jiān)控等子系統(tǒng)。智慧教室中軟硬件裝備、運(yùn)行能耗、教室現(xiàn)場等都可以被實(shí)時監(jiān)控，并基于大數(shù)據(jù)進(jìn)行智能化地分析，最終管理員可以通過可視化界面查看運(yùn)行狀況和進(jìn)行管理操作。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)包括交互演示、視頻會議、穿戴設(shè)備等子系統(tǒng)。交互演示子系統(tǒng)代表著智慧教室的教學(xué)信息呈現(xiàn)能力。視頻會議子系統(tǒng)支持異地同步互動教學(xué)。借助穿戴設(shè)備子系統(tǒng)，物理環(huán)境與虛擬環(huán)境的無縫融合更為便捷。

實(shí)時記錄系統(tǒng)包括課程錄播、電子學(xué)檔、課堂應(yīng)答等子系統(tǒng)。課程錄播子系統(tǒng)用于記錄教學(xué)全過程。電子學(xué)檔子系統(tǒng)為教師教學(xué)決策和學(xué)生自主學(xué)習(xí)提供有效數(shù)據(jù)支持。課堂應(yīng)答子系統(tǒng)支持課堂教學(xué)的及時反饋、深度互動。

泛在技術(shù)系統(tǒng)包括云端服務(wù)和移動終端等子系統(tǒng)。泛在技術(shù)強(qiáng)調(diào)信息技術(shù)和環(huán)境融為一體。智慧教室中的泛在技術(shù)既包括處于云端的海量教育資源和教育應(yīng)用服務(wù)，也包括本地的筆記本、平板、智能手機(jī)等移動終端。

需要說明的是，作為智慧教室建設(shè)的一個參考模型，“iSMART”的六大系統(tǒng)是缺一不可的，但具體到“iSMART”模型六大系統(tǒng)所包含的諸多子系統(tǒng)，在智慧教室實(shí)際工程建設(shè)項目中則會根據(jù)需求和經(jīng)費(fèi)的情況有所取舍。

三 智慧教室的建設(shè)案例

清華大學(xué)五道口金融學(xué)院成立于2012年3月，由中國人民銀行與清華大學(xué)合作，在中國人民銀行研究生部的基礎(chǔ)上組建而成。五道口金融學(xué)院以“培養(yǎng)金融領(lǐng)袖，引領(lǐng)金融實(shí)踐，貢獻(xiàn)民族復(fù)興，促進(jìn)世界和諧”為使命，按照國際最先進(jìn)的金融學(xué)科和商學(xué)院高等教育模式辦學(xué)，借助清華百年來豐厚的教育教學(xué)資源和金融業(yè)界的緊密聯(lián)系，建設(shè)國內(nèi)領(lǐng)先、國際一流的金融高等教育平臺和金融學(xué)術(shù)、政策研究平臺。

為了給全院師生提供一個技術(shù)領(lǐng)先、功能全面、應(yīng)用便捷的信息化教學(xué)環(huán)境，五道口金融學(xué)院成立伊始便啟動了“清華大學(xué)五道口金融學(xué)院信息化教學(xué)環(huán)境及視聽?wèi)?yīng)用系統(tǒng)工程”建設(shè)項目。下面以項目中1間162平方米70席的教室為例，介紹智慧教室的設(shè)計原則與建設(shè)方案。

1 建設(shè)原則

在建設(shè)過程中，我們要立足教學(xué)需求，明確建設(shè)目標(biāo)，總體統(tǒng)籌規(guī)劃，分步實(shí)施推進(jìn)，同時組建高效的設(shè)計團(tuán)隊，并通過招投標(biāo)的方式選擇系統(tǒng)集成商，實(shí)施全程質(zhì)量管理，嚴(yán)格控制項目風(fēng)險。在建設(shè)方案上主要遵循如下原則：

（1）實(shí)用性與先進(jìn)性：滿足教學(xué)活動的實(shí)際需求，在保證方案實(shí)用性的基礎(chǔ)上，還應(yīng)著眼于提升整個教室環(huán)境的智能化水平，以適應(yīng)未來智慧教室的發(fā)展趨勢。

（2）可靠性與高性能：采用成熟并有較多成功案例的技術(shù)裝備與解決方案，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定、安全和可靠，同時為教學(xué)活動的全過程提供高效率、高品質(zhì)的支持。

（3）完備性與拓展性：充分考慮物理空間和各種技術(shù)裝備的優(yōu)化融合，發(fā)揮整體系統(tǒng)的最優(yōu)性能，同時遵循各種標(biāo)準(zhǔn)化體系，充分考慮到未來系統(tǒng)的升級與擴(kuò)充。

2 實(shí)施方案

在基礎(chǔ)設(shè)施方面，根據(jù)物理空間的面積和層高，設(shè)計成70席的扇形階梯教室。建聲條件按混響時間1.0±0.2秒、隔聲系數(shù)35dB設(shè)計，聲學(xué)傳輸特性參照國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。2人座中央預(yù)留2個通用外接電源插口、2個網(wǎng)絡(luò)接口，可翻蓋設(shè)計，線路直接從腳架管中引出，其他線路覆蓋于地毯之下。照明條件要求講臺與大屏幕工作區(qū)域150至4001x可調(diào)，學(xué)生作業(yè)面200至4001x可調(diào)。

在感知網(wǎng)絡(luò)方面，除了桌面上的有線網(wǎng)絡(luò)接口外，在教室內(nèi)加裝無線路由，實(shí)現(xiàn)WIFI網(wǎng)絡(luò)全覆蓋。在教室兩個門外各安裝一組人臉識別系統(tǒng)和RFID考勤機(jī)，對進(jìn)入教室的人員進(jìn)行身份識別，對師生進(jìn)行考勤記錄，并通過無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇虅?wù)管理系統(tǒng)。在教室內(nèi)設(shè)置兩組溫濕度傳感器和光照傳感器，實(shí)現(xiàn)對室內(nèi)溫濕度和燈光亮度的感知和控制。

在泛在技術(shù)方面，學(xué)院專門開發(fā)了基于云計算技術(shù)的金融教育資源庫和移動學(xué)習(xí)管理系統(tǒng)。云資源、云服務(wù)與學(xué)生的筆記本、平板電腦、智能手機(jī)等移動終端一起組成了一個隨時隨地、虛實(shí)結(jié)合的個性化學(xué)習(xí)空間。

本期項目建設(shè)的智慧教室除了基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)感知系統(tǒng)和泛在技術(shù)系統(tǒng)外，還包括可視管理系統(tǒng)的智能控制子系統(tǒng)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的交互演示子系統(tǒng)和視頻會議子系統(tǒng)、實(shí)時記錄系統(tǒng)的課程錄播子系統(tǒng)。其中主要設(shè)備如表1所列，設(shè)備間的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示。

結(jié)語

作為最典型、最核心的教學(xué)環(huán)境，教室正日益從多媒體階段、網(wǎng)絡(luò)化階段進(jìn)入智慧化階段。智慧教室旨在為教學(xué)活動提供人性化、智能化的互動空間。除了空間布局靈活多樣、課桌椅符合人體工程學(xué)原理外，智慧教室還具有網(wǎng)絡(luò)感知和可視管理的功能，能夠優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容的演示呈現(xiàn)、全程記錄課堂教學(xué)活動、無縫接入云端資源與服務(wù)等。對教室智慧性的追求不僅限于技術(shù)裝備和系統(tǒng)組成，更重要的意義在于如何支持教學(xué)活動的智慧開展，進(jìn)而打造智慧課堂，這也是未來我們探究的重點(diǎn)。