智慧教室的技術架構設計及面臨問題分析

上官水雨 柳彩志

摘 要 在分析智慧教室內涵的基礎上，從物聯網、大數據、云計算等關鍵技術出發，重新設計智慧教室的技術架構，重點從感知層、網絡層、服務層、應用層、終端層等幾個層次進行闡述，并對智慧教室具體建設所面臨的困難與挑戰做了初步分析。

關鍵詞 智慧教室；物聯網；大數據；云計算

中圖分類號：G652 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2018）10-0007-04

Technical Architecture Design and Problems Analysis of Smart Classroom//SHANGGUAN Shuiyu， LIU Caizhi

Abstract Smart campus construction has been put forward for 10

years so far. As an important branch of smart campus， smart class-room attracts more and more attention， and various research insti-tutes and manufacturing enterprises make continuous efforts. Based on the analysis of the connotation of the smart classroom， this paper redesigns the technical structure of the smart classroom based on the

key technologies such as internet of things， big data and cloud com-puting. The key points are the perception layer， network layer， ser-vice layer， application layer and terminal layer. Several levels are elaborated， and the difficulties and challenges in the construction of the smart classroom are analyzed.

Key words smart classrooms； internet of things； big data； cloud computing

1 前言

伴隨著智慧校園概念的提出，作為智慧校園關鍵組成的智慧教室日益成為各級各類學校校園信息化建設和教學環境改造的重點。教學環境，狹義上包含班級內影響教學的全部條件，分物理和社會文化心理環境。物聯網、人工智能、大數據等層出不窮的信息技術勢必會對教學環境改變產生極大的影響，智慧教室正是在智慧地球、智慧校園一系列概念及相關技術支持下的一種實踐成果。

同時也看到當前學校課堂中存在的一些問題。如課堂練習強化環節，學生口頭或紙上作答，教師只能判斷教學效果大體情況，無法顧及全體學生和及時分析學生的積極態度與學習效果。而基于物聯網技術，集智慧教學、智能環境調控于一體的現代化智慧教室得到逐步推廣，智慧教室以智能化教學手段和創新的教育形式，為學校教育教學帶來新技術支持和課堂教學的多方位改變。

2 智慧教室的相關概念

智慧教室 智慧教室又稱智能教室、智慧教學環境。關于智慧教室的研討集中在2008年后，國內外研究者給出不同方面的界定和描述。聶風華等人的研究是其中典型的代表：“智慧教室是為教學活動提供智慧應用服務的教室空間及其軟硬件裝備的總和。其基礎建立在物聯網、大數據、云計算等新興信息技術上，立足教學活動需求，提供智慧化的應用服務是智慧教室的核心使命，達成最優化的教學效果是智慧教室的終極目標。”[1]

本文以上述觀點作為智慧教室的技術架構設計理論指導，大量的技術裝備是智慧教室的物理基礎，智慧教學的實現依托于技術架構的合理規劃。同時，智慧教室環境要實現教學內容呈現的優化，為師生提供個性化服務，并實現智能化管理。

技術設計 智慧教室的技術設計是對智慧教室技術架構體系的總體規劃，從技術視角全面規劃智慧教室的技術元素構成、技術元素之間層級結構以及技術元素間的邏輯關系[2]。技術架構設計是智慧教室設計過程中的頂層設計，智慧教室結構的合理性、功能性、可靠性、經濟性等都決定于這一設計。技術架構設計需要充分考慮學校性質與學科間差異。智慧教室的設計要結合學校實際情況，做出適應性的調整，使之符合具體的學科教學要求。另外，還要注意技術更迭等問題，保證基礎設施有良好的擴展性。

3 智慧教室的關鍵技術

智慧教室是一個多種技術融合應用的綜合場所，需要實現智慧教室功能協同、全面和標準統一，需要多方面技術的協同配合。從目前來看，物聯網技術、大數據技術、云計算技術等是智慧教室中的最關鍵成分。

物聯網技術 物聯網指通過各種信息傳感設備，實時采集任何需要監控、連接、互動的物體或過程等信息，與互聯網結合形成一個巨大網絡，實現物與物、物與人，所有的物品與網絡的連接，方便識別、管理和控制[3]。物聯網的基礎是信息的識別與采集，其架構自下而上由感知層、網絡層和應用層構成。感知層主要實現對物理環境信息識別感知、采集處理，并利用通信模塊將信息傳送至上層。網絡層目前已非常成熟，主要完成信息傳遞、路由選擇和鏈接控制，可依托互聯網、公用電信網以及行業專用網。應用層核心功能是完成數據處理與管理，將數據與用戶使用的應用結合，實現物理環境的實時監控、精準決策。

物聯網是互聯網的拓展，完成互聯網與任何物體的連接，為智慧教室的信息化、自動化、智能化提供理想的解決方案。

大數據技術 大數據已成為當下最熱門IT技術。大數據技術是數據一系列收集、存儲、管理、處理、分析、共享和可視化技術的集合。智慧教室對大數據技術中個性化識別和模式匹配的需求十分強烈，物聯網技術的運用所產生的大量信息也為大數據技術應用的提高具體場景。

教育大數據是大數據下的一個子集，特指教育過程中產生的或依據教育需求采集到的一切可用于教育發展的數據集合[4]。教育大數據的發展推動著教育變革。《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010—2020年）》中明確規定“關注學生不同特點與個性差異”。大數據挖掘技術能為學生量身定制教學手段、內容、評價，有助于個性化教學實現。構建基于大數據的課堂行為模型、學生綜合素質評價模型、教師評價模型，對揭示深層次教學規律，滿足不同層級教學管理需求有積極意義。大數據技術已深入教育教學系統的改革創新，開展智慧教室的技術研究離不開大數據技術的支持。

云計算技術 云計算是繼大型計算機、互聯網變革后的又一巨變，已成為我國戰略性新興產業的一部分。云計算利用互聯網實現隨時隨地、按需、便捷地使用共享計算設施、存儲設備、應用程序等資源的計算模式[5]。“云”強調計算的分布性和泛在性，能將各地服務器連接，實現大規模數據處理。智慧教學環境下，云計算能動態記錄不同學校學生在終端的學習表現及學習行為數據，為大數據挖掘提供資源基礎。云計算與大數據相輔而行，讓教學獲取有意義的動態生成性內容成為現實。

智慧教室的建設需要綜合運用多種信息技術，運用以物聯網、大數據和云計算為基礎的技術來實現智能化體現是可行的。除以上三種智能技術外，泛在網絡、增強現實、人工智能等技術不斷推進，也將成為智慧教室的有力支撐。

4 智慧教室的技術設計

借鑒領域信息化的普遍規律及網絡標準化研究的基本分層方法，智慧教室的技術架構設計采取層次化的體系結構，有助于創建一個更好的互連環境，降低體系的復雜度，方便層間標準接口的工程模塊化。本文設計的技術架構模型自底層往高層依次為感知層、網絡層、服務層、應用層和終端層（如圖1所示）。

感知層 為所有上層提供最重要的信息來源。此層將各種感應識別設備安裝在物理設施上，如智能傳感器、智能控制器。智能傳感器近幾年發展十分迅速，包括聲敏傳感器、光敏傳感器、溫濕敏傳感器、氣敏傳感器、人體位置傳感器等，用來感知教室的環境信息、人員的相關活動狀態，是實現自動檢測、控制的首要環節。智能控制器根據應用需求控制相關設備，如多媒體設備控制器，教師選擇學科后，系統依據該教師教學風格智能開啟多媒體設備，有效節省課堂準備時間。各類智能傳感器與控制器形成一個互通互聯的物聯網，及時捕獲教室環境信息并完成特定命令，為智慧教室各種應用提供數據支撐。類似于這個教學環境有了生物學特性，能感知也能反應。目前，ZigBee、IP CAM、語音識別技術、RFID等智能感應逐漸興起。

網絡層 向上傳送感知信息，向下傳遞命令，是連接感知層和服務層的樞紐，是智慧教室重要的基礎設施。這個層面綜合有線寬帶、無線Wi-Fi、移動3G/4G及短距離、低功耗的ZigBee等通信技術，構建電信網、互聯網、廣播電視網與校園網的互通融合。IPv6作為通用協議，相比IPv4速度更快，具有更加穩定的通信能力、更大的地址空間。這些技術為感知層采集的信息提供高覆蓋、高速率的傳輸服務，為教室系統應用提供穩定可靠的接入服務，也是智慧教室實現隨需、無所不含、泛在網絡的重要支撐。

服務層 對傳輸匯聚而來的信息進行高效整合利用，是智慧教室架構的精髓。主要實現對數據的存儲、檢索、挖掘、學習及保護功能。據其數據功能及技術，將服務層細分為云計算層與大數據層。

1）云計算層。云服務廉價且便利，大量的教育資源遷移到云上，建設區域化、分布式教育教學資源指日可待。“云”中教育資源易于使用，學生可隨時隨需選擇學習內容，提高學習效率，有助于發展創新能力，也能促使教師適應基于云環境的教與學，轉變教學觀念。擁有云環境，降低學校教育信息系統搭建的成本，解決資源閉塞、更新緩慢等信息問題，提高學校管理能力。系統可通過接入公共企業云，獲取優質的云服務，如微軟、Google、IBM、阿里等云平臺。

2）大數據層。其核心價值是在海量數據下挖掘、分析學生的學習習慣和思維偏差，找到滿足學生興趣的學習方式與資源，通過學生需求分析有針對性地調整自身。一方面，教師方便全面真實了解每個學生，實施個性化教學；另一方面，學生通過了解自己的學習狀態，開展有效的自主學習。

應用層 該層從“以數據為中心”轉化為“以人為中心”，基于感知層收集、網絡層傳輸、服務層挖掘的信息，催生出諸多外延應用。智慧教室包含的場所多、設備繁、連接雜、數據大，應用分四類：資產管理、教學管理、教學應用和社會化服務。

資產管理主要包括照明管理、空調管理、門禁管理、實錄監控管理、多媒體設備管理、IP廣播等。智慧教學環境下的設備不再孤立存在，多個設備的應用集于一體，具有情景感知、設備協作等特點。通過協調多個設備，可整合出更多的功能服務。

教學管理與教學應用屬較高層次應用，教學管理支持的管理包括：評價分析，支持學生對班級、課程、教師、環境等的評價；考勤分析，支持對師生早退、請假、曠課數據的記錄與量化。教學應用提供以下教學支持。

1）支持資源服務。支持教學資源的海量存儲、高速傳

輸、實時交互，提高師生資源檢索和使用效率；支持紙本內容數字化、課堂現場錄制，開展高效評量服務，保存每位學生的學習評量歷程，建造學習大數據庫，進一步挖掘和分析數據。

2）支持個性診斷。云計算虛擬桌面技術實現終端設備最小化，手機、平板可接入教室內學習系統，開啟個性化學習。運用學習診斷分析技術，學生作業上傳即可取得診斷報告，方便教師進一步深入分析學習狀況。

3）支持補救教學。學生間學習表現差別大，補救內容不盡相同。評量和個性化診斷服務，產生豐富的教與學數據，涉及電子教材、數字筆記、活動歷程、診斷報告及補救音視頻。這些數據自動上傳至云端補救平臺，學生直接登入學習系統，進行課后補救學習，減少師生負擔。

4）支持泛在學習。沖破封閉式的傳統教室，學生可攜帶不同終端設備，進行隨時隨需的無縫交流與學習。

社會化服務居于智慧教室應用最高層次。從智慧教室環境下產生的海量數據中挖掘有意義的、人工不易獲取的信息，為智慧教室提供智能決策。社會化服務將促使教學模式轉變、人才培養模式創新。

終端層 交互終端設備有PC終端、移動終端、控制終端、多屏展示終端、一卡通、自主設備、可穿戴設備等。這些終端設備基于師生身處的特定環境提供個性化、自適應的人機交互模式。

終端使用者有教師、學生、家長、教育管理者、社會公眾。不同角色對應不同接口，才能實現對推送內容的個性化樣式定制、個性化內容定制、個性化服務定制及個性化內容推薦。

教師端：輔助教師做好評量及診斷工作，開展個性化教學，如批作業系統，用特定機器快速掃描采集作業數據，精確統計錯誤率；選擇題統計每個選項的答題人數；簡答題統計出現頻率高的字詞等。

學生端：學生按個人喜好選擇界面樣式，云端會對個人學習階段特點及知識掌握情況進行反饋，形成診斷報告，且系統將推送有針對性的題，避免重復做題，學習效率得到提高。學生時間節省，可參與各種利于身心發展的實踐活動，德智體美得以均衡全面發展。

家長端：提供實時的學生診斷書，家長第一時間全面了解孩子身心狀況，針對一目了然的優缺點，適時給予鼓勵和協助，為學生健康成長提供有效保障。

教育管理端：對班級乃至整個校園收集到的海量數據進行分類、整理、匯總、分析統計，逐漸積累成教育大數據基礎，幫助教育管理者了解各班學習狀況與教學成效，落實教學精進策略，為學校創設有針對性校本方案提供依據。

社會公眾端：如對于命題者，能準確診斷試題優劣，提升命題品質；而對于其他社會公眾，掌握學校教育的新動態，一定程度上影響社會發展的方向。

5 智慧教室建設的困難與挑戰

首先，智慧教室本質上還是一種教學環境，這種智能化的教學環境，對師生及教學科研人員提出新要求：要求教師改變傳統教室下“滿堂灌”的教學觀，具備將新技術與教學高效整合的設計能力，全面理解終身學習、適應性學習理念；要求學生改變傳統課堂上“拿來主義”的學習觀，主動探索知識，提高學習能力，德智體美均衡發展；要求教學研究人員把握教學與科技發展新動向，對教學內容進行適當調整，使之更符合時代發展需求。

其次，智慧教室教學系統的核心內容是個性化學習，在此基礎上延伸出自適應學習。借助自適應的實時預測能監測學生的知識缺陷，實現學習平臺資源的高效推送，引導學生選擇最適合自己的學習內容。國內的自適應學習尚未成熟，相關研發團隊將重點放在知識圖譜上，未來研究還可能涉及人的情感變量、社會協作等領域。

另外，智慧教室技術體系的全部實現，資金動輒上百萬，而且教室信息化建設領域的變化近年來十分迅速，給學校造成極大的技術壓力和資金障礙。校方可以根據學校、班級的個性化差異，選擇最合適的教室建設方案，在教學環境的局部做出改變與嘗試。值得注意的是，智慧教室的局部建設更要考慮到系統性、長期發展等問題，為之后形成綜合統一的教學環境奠定基礎。

最后，智慧教室尚缺乏統一的標準體系。智慧教室從一種概念變為一種現實，進而發展成一定規模，最后形成標準，需要雄厚的技術基礎和資金支持來拓展智慧教室應用。目前在全球范圍內尚無統一標準體系出臺，標準的缺失影響了不同企業的智慧教室產品間的相互識別與互通互聯，大大限制技術應用和產品規模化。盡快制定統一、規范的標準，是智慧教室發展的前提。

6 結語

智慧教室在教育信息化建設中占重要位置，我國要緊跟先進國家的步伐，借鑒各國智慧教室建設的經驗，利用當下熱門技術，在實際教學環境中不斷嘗試、磨合，探索出符合我國國情的智慧教室建設新方向。本文提出的觀點借鑒了前人研究的成果，希望能與關注智慧教室研究的同志一起探討與分享。

參考文獻

[1]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，2013，23（7）：5-8.

[2]習海旭，廖宏建，黃純國.智慧學習環境的架構設計與實施策略[J].電化教育研究，2017，38（4）：72-76.

[3]百度百科.物聯網[EB/OL].http：//baike.baidu.com/view/1136308.htm，2017-02-15

[4]王麗珍，劉佳星.教育大數據對網絡教研的影響[J].中國電化教育，2016，11（5）：51-55.

[5]薛慧麗，邵孟良.云計算的核心技術與應用前景研究[J].實驗室科學，2015（6）：55-59.