高校智慧教室的構建與研究——以西安交通大學為例

劉 宸 李國棟 張 哲 王 強 崔靜茹 折 波

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高校智慧教室的構建與研究——以西安交通大學為例

劉 宸 李國棟 張 哲 王 強 崔靜茹 折 波

（西安交通大學 網絡信息中心，陜西西安 710049）

文章從傳統多媒體教室和網絡教室的弊端入手，首先論述了智慧教室的理論概念，并從高校課堂教學的實際需求出發，借鑒了以需求為導向的智慧教室“SMART”概念模型。然后，文章以西安交通大學的智慧教室建設為例，分析了智慧教室的基礎架構及功能設計，并對智慧教室建成之后的運作模式進行了系統思考，以期能為高校智慧教室的研究、建設與應用提供一些具有實際意義的參考。

高校；智慧教室；SMART

引言

隨著高校信息化建設的發展，傳統教室所支撐的課堂形態越來越不能適應當前教學改革的需求，各個高校紛紛開啟模式創新之路，而智慧教室作為技術與教育深度融合的產物應運而生。智慧教室是一種有別于傳統授課學習方式的新型教學形式，作為一種典型的智慧學習環境，智慧教室是高校信息化發展到一定階段的內在訴求，是智慧學習時代的必然選擇[1]。智慧教室發展的初期，針對的主要人群是中小學校，參與研究、建設和應用的高校普遍很少。但隨著高校信息化的發展、教學改革的需要、教學成果的推廣和目標人群的擴大，智慧教室在高校中的地位和重要性愈發凸顯。本研究以西安交通大學（下文簡稱“學校”）的智慧教室建設為例，介紹了智慧教室的建設思路、集成方案和運行模式，對學校教學特點的深刻理解和對教師教學場景需求進行了精準挖掘，以期能為高校智慧教室的研究、建設與應用提供一些具有實際參考。

一 智慧教室概況

1 智慧教室發展現狀

從20世紀90年代中后期開始，我國就開始了大規模、大范圍的教育信息化建設。經過20多年的發展，成效顯著，人們對教育信息化的認識也有明顯提高[2]。授課教師的教學也由傳統的“黑板+粉筆”轉變成了“PPT+投影”的模式。而傳統多媒體教室或網絡教室大部分存在以下問題：①教師教學效果不佳，缺乏互動教學和交流研討，“填鴨式”的教學不利于學生的學習；②學生聽課效果不佳，多媒體內容的“堆砌”和呈現工具的“間斷性”展示，阻礙了學生對授課內容的理解和消化；③教務監督困難，缺乏教學過程跟蹤管理和教學效果評價的有效手段；④高校教學樓宇眾多，教室建設場地分散，缺乏集中管控手段；⑤多媒體教室的運行狀況不能得到及時反饋，日常管理維護困難；⑥重管理輕服務，不能很好地對多媒體教室管理人員做好服務；⑦缺乏統一的標準化體系和頂層建設規劃，不利于后期的可持續發展。

由此可見，傳統的多媒體教室或網絡教室已不能適用高校信息化教學的需求。為此，以探究化、高度信息化、強交互化、一體智能化等為特征的智慧教室孕育而生[3]。

2 智慧教室概念提出

在國外文獻中，智慧教室一般被稱作“Smart Classroom、Intelligent Classroom或Classroom of Future”，其中“Smart Classroom”使用最為廣泛[4]。1988年，Rescigno提出了智慧教室“Smart Classroom”的概念。早期研究較多關注智慧教室的技術、裝備效能，如Skipton[5]認為“智慧教室就是基于電子或技術增強的教室”。國內關于智慧教室的研究最早從2008年開始，黃榮懷等[6]認為在網絡技術、富媒體技術、傳感技術及人工智能技術充分發展的信息時代，教室環境應是一種能優化教學內容呈現、便利學習資源獲取、促進課堂交互開展、具有情境感知和環境管理功能的新型教室，這種教室被稱為智慧教室。

3 智慧教室的“SMART”概念模型

黃榮懷等[7]認為，智慧教室的“智慧性”涉及教學內容的優化呈現、學習資源的便利獲取、課堂教學的深度互動、情景感知與檢測、教室布局與電氣管理等方面的內容，應包括內容呈現（Showing）、環境管理（Manageable）、資源獲取（Accessible）、及時互動（Real-time Interactive）和情境感知（Testing）五大特征，簡寫為“SMART”，這五大特征正好構建了智慧教室“SMART”概念模型，如圖1所示。韓國學者樸鐘鶴[8]則認為“SMART”是由自主式（Self-directed）、興趣（Motivated）、能力與水平（Adaptive）、豐富的資料（Resource Enriched）、信息技術（Technology Embedded）等詞匯構成。

圖1 智慧教室“SMART”概念模型

二 西安交通大學智慧教室建設案例

1 建設原則

本研究在智慧教室的架構設計上更傾向于黃榮懷提出的智慧教室“SMART”概念模型。在智慧教室建設的過程中，學校立足于教學需求，明確建設目標，規劃頂層設計，分步推進實施，并且組建高效設計團隊，公開招標擇優選擇系統集成商，實施全程質量管理，嚴格管控項目風險[9]。智慧教室建設主要遵循以下4項原則：①實用性，是指應充分滿足本校授課教學的需求，適應未來教學授課發展的趨勢，在項目的建設中以實用性為根本前提；②先進性，是指在滿足高校教學需求的實用性基礎上，還應采用前瞻性、先進性和開創性的技術，以滿足未來智慧教室的發展趨勢；③可靠性，是指應采用成熟穩定的、已在較多成功案例中應用的解決方案和硬件設備，以確保系統的可靠、穩定和安全；④擴展性，是指應充分考慮教室物理空間和各類硬件設備的統一融合，充分發揮系統整體的最優性能，同時遵循標準化建設體系，優先頂層設計，充分考慮系統未來的擴充和升級。

2 建設情況

以學校的教學需求為導向，以提升課堂教學質量為目標，學校建設的智慧教室的主要設備如表1所示，設備之間的拓撲結構如圖2所示。

表1 主要設備清單

（1）基礎設施系統

在建設中，學校后勤保障部配合中心負責整個智慧教室基礎設施的建設工作。后勤保障部根據智慧教室的功能需求和設計規范，負責教室基礎設施部分的建設，包括教室物理空間、黑板講臺、桌椅板凳、通風空調、供電配電、燈光照明等各子系統的部署實施。

（2）基礎網絡系統

網絡信息中心充分發揮校園網優勢，保障智慧教室課程錄播、遠程授課、互動教學和教學資源利用率。智慧教室網絡拓撲采用2臺華為12808物理核心交換機虛擬化為1臺邏輯設備作為中心節點。每棟教學樓采用2臺Juniper 5100物理匯聚交換機虛擬化為1臺邏輯設備作為樓宇匯聚，通過雙路萬兆光纖鏈路聚合到中心節點。在每間教室放置一臺24口Juniper 2100 POE交換機，雙路千兆光纖鏈路聚合到樓宇匯聚。教室中的網絡設備連接到POE交換機上，實現了POE供電，簡化了終端設備安裝部署的難度。在網絡拓撲中，所有骨干線路設備全部保持兩臺設備在線，互相冗余和均衡負載，雙鏈路聚合保障了教室網絡線路通暢和數據轉發、音視頻傳輸、設備運行的可靠性，有力地支持課堂教學的正常進行。學校智慧教室網絡拓撲圖如圖3示。

（3）網絡感知系統

除了智慧教室講桌上的有線網絡接口，在所有教室的前后墻上都安裝了4個網絡信息端口，頂部部署了2臺無線AP，實現了有線無線全覆蓋。通過網絡中控，集中管控智慧教室內所有網絡設備啟動和關閉，包括電腦、窗簾、空調、屏蔽儀等設備的開啟和關閉。在教室內設置光照傳感器、溫濕度傳感器和環境監測傳感器，分別實現對教室內燈光亮度、溫濕度和PM 2.5數值的感知與控制。

（4）學習資源重復利用平臺

通過常態錄播系統，采用Hadoop/HDFS存儲手段，實現全校教學資源的錄制與播放。完成了全校394間教室授課過程的全錄制與檢索，以每小時為一個錄制單元，實現了視頻數據的統一批量自動轉碼存儲等功能。通過該平臺保障了大型活動的全球直播和精品課程的跨校區直播，有力地支持了追蹤教室授課、學習動態和課堂板書。

圖2 西安交通大學智慧教室主要設備拓撲圖

（5）電子考勤系統

在每個教室門口安裝一臺或多臺考勤機，學生使用校園一卡通刷卡簽到或采用具有無線定位人臉識別的智慧教室APP進行簽到，授課教師通過校內統一身份認證登錄考勤系統，實時查看學生到課率，并可對忘帶校園一卡通的學生手動補錄考勤。教學樓宇入口的考勤展示大屏，實時動態滾動顯示本樓宇每門課程的考勤狀況，做到對每門課程上課情況的實時公開，方便學校領導、教務人員、老師和學生了解課程的考勤情況。

（6）教務督導系統

通過智慧教室的建設，實現了教務督導的全過程電子化。與智慧教室中控大屏監控系統對接，實現全校區、多樓宇的教學實時督導。與電子考勤系統對接，提供課程信息查詢、學生考勤查詢和全校課程到課率統計等信息。

（7）IP語音對講系統

智慧教室主控室實現7×24有人值守，通過教室的IP語音對講系統一鍵呼叫智慧教室主控室，實現教室設備的實時報修、快速反饋和及時維修。對簡單的問題，當場回答或遠程協助教師，不影響課堂正常的授課秩序。個性化推送與全面廣播相融合，實現全樓宇、全教室的IP廣播全覆蓋。

（8）電子班牌系統

通過電子班牌實時展示教室信息，支持教室整個學期的課表查詢和學生刷卡后查詢個人課表情況。推送教室個性化公播，起到宣傳和推廣作用。利用教室攝像頭，可以實時查詢教室模糊化快照，方便學生查詢教室的實時狀況。

三 西安交通大學智慧教室應用

2017年9月，學校第三期智慧教室項目的建設基本完成，共建設智慧教室近400間。智慧教室的應用結果顯示，其在提升教師課堂教學、提高學生到課率、學生課后自主學習、教學秩序監督、教學效果監督、優質資源共享、降低教室空閑率等方面起到了非常明顯的促進作用。

圖3 西安交通大學智慧教室網絡拓撲圖

1 智慧教室大數據分析應用

高校智慧教室大數據分析挖掘具有四重典型價值[10]：①基于分析、監控、預測和預警，使得高校管理更加精準高效，實現精準治理，改變管理的模糊性；②可以更加準確地分析評價課堂教學質量，支持多樣化數據采集和多維度數據分析；③使得教和學更加智慧、更加有效，教師可以了解學生的進展和興趣點、學習路徑，對學習者進行精準分類；④教學服務的個性化、精準化推薦與服務，學習績效的個性化評價和個性化的教學管理，提高了教學的效率和質量。

2 服務對象和目標

智慧教室項目覆蓋了學校公共課程的所有教室，為師生提供了優質的教學條件，提升了教學質量；為教務人員和管理人員提供了數據支撐、管理決策和運維輔助：①智慧化的教學條件解決了教師授課中的各種問題，提供了優質的教學條件保障；教師更加關注教學活動本身，努力提升自身教學水平和能力，教學不再受外在教學條件的限制。②智慧教室為學生課前、課中、課后學習提供形成了一套智慧化的學習體系和學習環境。③智慧教室對教師上課、學生學習、教室使用等日常教學活動進行了高效率的管理，使教務人員的管理更加數字化和智能化，能更好地對教師的各項教學進行評估，把握學生的學習情況，為制定各類教學計劃提供了數據依據。④教室管理智能化，使管理人員無需投入大量人力、物力去做重復和繁雜的管理與維護；教學過程遇到問題能夠遠程及時解決，不再耽誤日常教學任務，提升了管理人員對教室的精細化管理。

3 數據支撐和決策

智慧教室的建成為學校的教育教學質量實時監測大數據平臺提供了可靠的數據支撐和保障。該大數據平臺通過信息采集、評價、督導、建立反饋機制，對影響課堂教育教學質量的各類要素進行智能化大數據分析，面向用戶提供了教學課堂質量監督的全過程信息化服務，形成了一套科學合理、行之有效的教學質量保障與監控體系，實現量化精準、常態持續、全面覆蓋、實時動態的課堂教學綜合質量評價。

四 結束語

西安交通大學智慧教室項目的建設，開創了國內高校大規模智慧教室建設的先河。該項目融合了多系統、多業務、多數據和多網絡，涵蓋15種設備類型、3000多臺物理設備，覆蓋全校394間公共課教室，涉及教務處、網絡信息中心、網絡學院和后勤保障部等校內職能部門。智慧教室建設的完成，為學校的教學過程精細化管理和教學質量的綜合評價提供了重要的基礎數據。

[1][6][7]黃榮懷,胡永斌,楊俊鋒,等.智慧教室的概念及特征[J].開放教育研究,2012,(2):22-27.

[2]汪基德.從教育信息化到信息化教育——學習《國家中長期教育改革和發展規劃綱要(2010-2010年)》之體會[J].電化教育研究,2011,(9):5-10、15.

[3]程敏.信息化環境中智慧教室的構建[J].現代教育技術,2016,(2):101-107.

[4]王玉龍,蔣家傅.以需求為導向的智慧教室系統構建[J].現代教育技術,2014,(6):99-105.

[5]Skipton C. Moving from “dumb” to “smart” classroom: Technology options and implementation issues[J]. Journal of College Teaching &Learning, 2006,(6):19-27.

[8]樸鐘鶴.教育的革命:韓國智能教育戰略探析[J].教育科學,2012,(4):87-91.

[9]聶風華,鐘曉流,宋述強.智慧教室:概念特征、系統模型與建設案例[J].現代教育技術,2013,(7):5-8.

[10]鄭慶華.高校教育大數據的分析挖掘與利用[J].中國教育信息化,2016,(7):28-31.

The Construction and Research of University Smart Classroom ——Taking Xi’an Jiao Tong University as an Example

LIU Chen LI GUO-dong ZHANG zhe WANG Qiang CUI Jing-ru SHE bo

Starting from the disadvantages of traditional multimedia classdroom and network classroom, the artilce firstly defined the theoretical concept of smart classroom. Then, the demand-oriented “SMART” (Showing, Manageable, Accessible, Real-time interactive, Testing) conceptual model was constructed based on the actual needs of university classroom teaching. Meanwhile, this article took the construction of smart classroom in Xi'an Jiao Tong University as a case to analyze the basic structure and function of smart classroom. Finally, the systematic refelection on the operation mode of smart classroom was offered, expecting to provide valuable reference for the research, construction and operation of smart classroom in universities.

university; smart classroom; SMART

G40-057

A

1009—8097（2018）10—0070—06

10.3969/j.issn.1009-8097.2018.10.010

劉宸，碩士，工程師，研究方向為計算機網絡、計算機應用技術，郵箱為liuchen@xjtu.edu.cn。

2018年3月20日

編輯：小西