論高校智慧教室建設

■李 剛／內蒙古財經大學經濟管理實驗實訓中心

隨著“互聯網+”技術的發展，校園的建設、管理與云計算、大數據、物聯網技術不斷的融合，這不僅加快了高校信息化建設的腳步，并且令高校教室的管理工作也更加信息化、便捷化，使得高校教育資源利用率有了很大的提升，保證了教學的多樣性、豐富性。

智慧教室不同于傳統教室，因為智慧教室是在“互聯網+”技術的基礎上集成智能控制、錄播系統、個性化云桌面、在線尋課、智能管理、教學環境感知、呼叫服務于一體的全新、增強型的教室模式。教師不僅可以隨時獲得學生預習情況、課堂分組討論等學習動態，并且能及時收到學生的學習反饋，從而對學習情況提出更具有指導性的意見。智慧教室運用現代化的技術手段控制整個教學過程，讓教學更加的便捷、智能、高效，幫助學生提升自主學習能力。為了充分發揮智慧教室的優勢，提升教學和管理的水平，要將“互聯網+”技術與傳統的教學和管理模式相結合，建設新一代的信息化教學、管理模式，構建在“互聯網+”技術支撐下的信息化平臺，提升教室資源的利用率，使教學水平更好的發揮，為師生營造更好的教學環境。

一、多媒體教室存在的問題

高校多數的多媒體教室還沒有實現智能化、一體化的運行模式，在管理和使用過程中存在一些問題：

（1）高校的教室具有分布廣和數量多特點，設備由于采購的批次不同導致設備的型號也不同。教室內的計算機需要定期的軟件升級和補丁的更新，這時管理人員需對不同的地點，不同型號的設備分批次維護。經常在上課過程中多媒體設備會出現一些故障，維護人員需要現場解決，維護人員的數量遠遠不能滿足教室的維護需求，導致教室設備不能及時的排除故障。

（2）大部分的教學任務都在多媒體教室進行，教師對計算機使用水平不同，使用的移動存儲設備在與計算機拷貝數據的同時也極容易感染病毒對操作系統造成安全隱患，影響到教學秩序的正常運行。

（3）在高校不同校區的不同教學樓都有多媒體教室，維護人員的辦公地點只能在各個教學樓內逐一安排，辦公地點分散，不利于統一管理。

（4）多媒體教室內的設備由于多次更新，教室內的設備差別大，設備管理和資產統計大多數通過手工登記形式進行。設備管理部門的領導不能對整體情況有詳細的了解，設備信息共享率低下，多媒體設備閑置的教育資源浪費現象。

（5）多數普通教室進過改造變成現有的多媒體教室，改造時由于經費原因對教室內的環境布局欠考慮，功放系統沒有經過聲場設計，音響安裝不當，導致教室內聲場不均勻、聲源位移。投影系統由于亮度不夠，多媒體教室內必須將窗簾全部拉上，在夏天室內空氣悶熱，室內空氣不流通，一般教室內沒有通風系統，即使設計了也處于閑置狀態下。

（6）課程的安排大多時間集中，樓層低的教室使用率比較高。如此大多數多媒體教室處于閑置狀態，導致設備使用壽命差別大。

（7）大多數多媒體教室都是全天對外開放的，由于管理維護人員數量有限只能到晚上才能關閉，幾乎處于零監管的狀態下，進入教室的人員信息不能有效的記錄。

（8）大多數的多媒體設備和照明設備處于人工管理模式，還沒有實現教學設備智能化控制，存在教室內設備無人使用但是常開的現象造成能源的浪費。

二、智慧教室概念及特點

數字教室的進一步發展形成了智慧教室，智慧教室是新的教育形式和現代化教學方法。在物聯網、大數據等技術手段上建立起一個具有智慧教學、環境智慧調節、人員考勤、資產管理、視頻監控及遠程控制于一體的新型現代化智慧教室系統，是推進智慧校園的有效組成部分。它不僅是一個擁有多個先進媒體設備的教室，而且是一個具有先進教學方法的課堂教學模式。在智能教室中，老師和學生都有自己的移動終端設備。通過APP和其他應用工具，教師和學生可以相互交流。教學媒體資源的多樣性滿足了教師的教學需求和學生對教師，學生和學生的學習需求。為教學互動創造有利條件。

在科技快速發展的信息時代，將傳感器、互聯網、物聯網、云計算等先進的高科技應用到教室環境中，從而更好的促進教育教學活動的開展。具體一下特點：

（1）教學內容展示形式更加多樣化、便利化，更適合學生的學習特點，增強了學生對所學知識的理解和加工，有助于師生之間的互動，降低學生的認知負荷。

（2）對教學活動的開展提供了更靈活豐富的資源獲取形式。智慧教室為各類智能設備提供了端口，學生可以根據自己的需要接入教學平臺下載所需要的學習資料。

（3）教師通過教學平臺把教學內容分發到學生手中，學生也可以將實驗結果通過投影系統展示給其他同學，促使師生和學生之間交流實現無障礙互動、演示、再生成。為了保證數據交互的流暢性，建設時是基于萬兆網絡構建。智慧教室還能夠記錄師生教學和學生互動的交互過程，為數據分析提供基礎數據，支持教師的決策和學生的自我評估。智慧教室支持教學的深度互動，互動的過程中了解學生是否偏離交互主題，及時發現學生的困難與問題并加以引導或幫助。

（4）布局的靈活性、多樣性和管理的便利性是智慧教室在環境和管理的特點。座椅不再是死板的形式，可以跟隨教學、互動的需要靈活調整座椅位置，有助于互動教學模式的開展，使得學生互動組合更加的靈活多樣。智慧教室不僅考慮了桌椅的靈活性，在座椅的色彩、結構、材料也做了科學的設計。智慧教室能夠調控聲音、光照、溫度、空氣等環境因素，使得教室環境更適合教學活動的進行。

三、智慧教室的功能

智慧教室是以物聯網、云計算的新科技手段為依托，有多個系統模塊協作構成的。包含了無線傳感模塊、無線投影模塊、射頻識別模塊、多屏顯示模塊、自動錄播模塊等等，主要分為管理系統和教學系統。

（一）智能管理系統

管理系統包含有無線傳感器、射頻識別器從而實現考勤功能，資產管理功能、，智慧調節光照、溫度、空氣質量的功能，視頻監控功能的智慧化管理。與此同時，通過網絡和教務處排課系統實時對接，實現上課前打開教室內設備，課程結束自動關閉設備。

（1）考勤模塊?？记谀K是由RFID讀卡器和后臺系統組成。管理人員預先給學生和教師統一授權，師生可以通過校園卡在讀卡器讀取數據后，交互到后臺系統識別身份后進入，實現了進入教室人員的實名登記，便于考勤的統計和教室的管理。

（2）資產管理模塊。教室內設備都貼有對應RFID標簽，標簽上存有設備的詳細信息，教室門口還安裝有特高頻讀卡器，對教室內的設備統一管理，教室內的設備進入或搬離都會通知管理人員，同時強行搬離設備還會發出警報。

（3）照明控制模塊。光照控制模塊通過人體傳感器感知教室內什么位置有人從而接受光照傳感器發來的數據通過特定算法對燈光控制器和窗簾控制器發出指令從而實現照明的智慧控制。如果教室內沒有人，后臺會接受到人體傳感器發來的數據，關閉燈光。

（4）空調控制模塊。室內的溫度和濕度通過傳感器讀取數據后，傳輸到后臺應用進行數據分析和預先設定的指標對比，當溫度和濕度不在指標范圍之內時，后臺應用控制空調，讓室內溫濕度指標回到正常值，實現室內的溫濕度自動控制。

（5）門窗監視模塊。門窗都安裝有磁模塊可以感知門窗的狀態，后臺應用可以設置門窗的關閉時段，如果在關閉時段門窗打開會直接通知管理人員和保衛處，實現對門窗的自動監視和預警。

（6）通風換氣模塊。后臺系統接收到二氧化碳濃度傳感器的數據，通過數據分析，根據設置好的濃度范圍是否進行抽風換氣，通過室外空氣改善室內二氧化碳濃度。

（7）視頻監控模塊。利用無線攝像頭和相關配套監控組成監控模塊，可以為資產和人員出入情況的查看依據。

（二）智能教學系統

智能教學系統主要運用擴聲系統、虛擬桌面、交互白板和交互投屏系統、在線巡課與常態化錄播系統等實現智能化教學。

（1）擴聲系統。為了保證良好的聽聞環境使得師生之間交流更加的順暢，智慧教室還加裝了擴聲系統。擴聲系統由拾音器、功放、音響構成。同時擴聲系統還能為在線課程收集師生之間的聲音數據。擴聲系統對教學環境有著重要的影響，一個好的聽聞環境可以提高語言的可懂度。

（2）桌面虛擬化。桌面虛擬化是有服務器虛擬化、存儲虛擬化等技術構建的。學生可以通過自己的任何設備，不同地點，隨時通過網絡訪問自己的個人桌面。解決了基于傳統PC形式，應用軟件綁定在PC上一但PC出現問題。

（3）交互式電子白板。交互式電子白板是通過網絡和計算機相連，可以和電腦交互，并利用投影機將計算機上的內容投影到電子白板屏幕上。交互式電子白板的引入在一定程度上擺脫了電腦前操作的束縛，教師可以在交互式電子白板上直接操作，如編輯、批注、書寫板書等功能，有效的提高了授課的效率。在教學實踐中，若將投影白板作為主要的教學輔助手段進行教學，在備課思路上與以往的幻燈片制作不同，無論是練習的設計，還是新知的呈現，都體現出教師的能動操作，而不是看電腦演繹，光是這點，就為課堂教學師生的親和度加分不少。利用交互式投影白板靈活、有效地實施教學過程。運用投影白板，教師操作發射筆，既可以播放設計好的幻燈片，展現教學設計意圖，也可以隨時更換模式，根據學生的需要進行靈活的編輯、刪改。教師可以根據課堂上的情況隨機地利用投影白板的資源進行教學活動，完全滿足教學雙方的需要。

（4）常態化錄播系統。常態化錄播系統是在網絡和多媒體技術的基礎上對授課過程進行記錄和傳播的一種現代教育技術系統。常態化錄播系統是針對課堂教學過程實施錄制開發的，為了避免拍攝過程中對教學秩序的干擾，影響教學的順利開展，常態化錄播系統具備自動錄制、自動上傳、自動編目和網絡直播的功能，具有無需人工操作的特點。課程資源通過非線性編輯存儲于專門的點播系統，供師生課后播放，尤其為學生回溯教學過程、鞏固和加深對知識點的理解提供了條件。常態化錄播系統的使用為學生突破時空限制的學習、個性化的學習和更公平的學習提供了必要的條件。學校通過“智慧教室”的建設，提升了信息化在教學中的支撐作用，從教學環境、教學資源等方面提升了信息化服務的質量。

四、智慧教室物聯網系統結構和網絡架構

（一）物聯網系統架構

物聯網作為一個系統網絡，與其他網絡一樣，也有其內部特有的架構。智慧教室物聯網系統結構縱向分為3層：底層感知控制層，中間層網絡交互層，上層應用服務層。（見圖1）

圖1 智慧教室物聯網系統結構縱向分層圖

RFID（射頻識別技術）、傳感器網絡技術、二維碼技術、視頻采集技術構成了智慧教室的最底層，也是智慧教室的感知層，可以看作人體的感知器官，它是智慧教室獲取數據信息的直接渠道，可以為應用服務層獲取聲音、光線、溫度、濕度、二氧化碳濃度、人員信息等，可以隨時獲取及時上傳。

網絡交互層是智慧教室的中間層，感知層獲取的各類信息通過WIFI、ZigBee、校園局域網進行傳輸，將聲音、光線、溫度、濕度、二氧化碳濃度、人員信息的變化程度實時、可靠的發送到應用服務層。

應用服務層是智慧教室的最上層，相當于人的大腦包含了各種控制系統，感知層獲取的各類感知數據通過網絡交互層上傳到各自的控制系統進行處理、判斷和決策，為智慧教室提供服務，各個系統協同工作，從而實現對物的智能化監控和管理，完成人與物、物與物之間的智慧溝通。

（二）系統網絡架構

在智能教室管理系統中，物聯網的正常運行需要可靠數據服務的支持。數據服務器負責存儲收集的數據信息，并根據操作需要實現數據的具體使用。在控制系統中，管理員可以根據使用需要設置數據采集和存儲規則，為各類終端設備的智能控制提供數據支持。

在智能教室管理系統中，不同終端可以通過無線數傳網絡，校園網，互聯網進行數據交換。數據交互網絡通過分布式解決方案進行部署。整體架構如圖所示。根據各功能模塊的不同功能，管理系統由數據采集，數據傳輸，數據處理，遠程控制等功能模塊組成。（見圖2）

在網絡體系結構方面，綜合分析應用需求和設計規劃后，智能管理系統的網絡結構采用三層網絡結構。網絡的具體類型包括以下三種類型：

（1）無線數據節點，主要用于各類傳感器的數據采集和傳輸通道。監測對象主要包括溫度和濕度，光照強度和二氧化碳濃度。

（2）無線 數據傳輸網絡。

（3）數據路由器。主要功能是為每個傳感器的傳統數據提供一個統一的數據接口。傳感器收集的數據可以集中傳輸到數據中心，數據中心負責分析和處理。

圖2 整體架構圖

五、結語

智慧教室所裝備的技術融合了真實和虛擬學習空間，能夠多層次多通道地擴展教學交互活動，支持學生獲得真實的學習體驗；智慧教室還具備對學習過程數據和學習環境數據自動化采集、分析、建模和決策能力，為教師和學生提供全程化的教學管理和支持。

在智慧教室這樣一個高級而復雜的技術環境下，它很可能會通過更加復雜的機制影響到教師對教學環境的感知，進而影響到教師在智慧教室中的教學方法選擇。智慧教室空間設計的靈活性有助于教師獲得良好的教學操作體驗。智慧教室的技術應用通過數據管理促進了師生反饋和學生的學習機會均等從而影響了教師創新教學方法的選擇。

盡管智慧教室可以看作數字化教室，但是和計算機為主要配置的數字化教室相比，其在技術裝備、技術使用、學習數據管理方面更具豐富性和智能性。在教室裝備中更多使用支持無線接入的便攜手持設備，如平板電腦、智能手機等；在人機（環境）互動中更多借助傳感器、體感技術，可穿戴設備等增強臨場感；在學習者支持中更多使用智能代理和數據挖掘等技術提供適應性和個性化學習反饋。