基于物聯網和大數據的高校智慧教室建設探討

柯家海

(廣州醫科大學信息與現代教育技術中心，廣東 廣州 511436)

0 引言

計算機技術以及智能化技術的迅猛發展，已經影響到人們生活的方方面面，改變了人們的生活習慣，還引發了高校智慧教室等支撐環境建設的變革。智慧教室等智能環境的建設改變了教與學的方式，并已經開始深入影響到教育的理念[1]。以物聯網、大數據等新興技術為基礎，依托各類智能設備及網絡，開展以學習者為中心的智能化教學支持環境建設，探索泛在、靈活、智能的教育教學新環境建設與應用模式，是《教育信息化2.0行動計劃》的要求，也是新時代高校智慧教室建設發展的趨勢。

1 高校智慧教室建設的現狀

高校作為推進教育信息化的主體，其自身的信息化水平已經成為衡量高校教學和科研綜合實力以及現代化水平的重要指標，而高校智慧教室等教學環境的建設也是高校信息化水平的重要組成部分，是推進教育信息化發展、推進“互聯網+教育”具體實施的必然選擇。

1.1 存在的問題

現階段，教學的主要場所是教室，教室的裝備管理及與之匹配的教學模式是學校信息化發展到一定階段的內在訴求，很多高校的智慧教室建設存在如下問題：(1)沒有形成統一、有效的管理平臺，智能設備集成度不高，無法智能聯動和遠程控制。(2)缺少有效的教學云平臺，導致教與學資源體系分散，交互教學手段少，教學過程數據缺失。(3)缺乏維護管理系統，運維工作費時、費力，且效率低下。

為解決相關問題，各地高校紛紛圍繞《教育信息化2.0行動計劃》開展各類智慧教室建設，如華南理工大學、四川大學、華南師范大學等高校均已完成相當數量的智慧教室建設，并且還在不斷深化和改造中[2]。同時，很多高校也在不斷探索基于智慧教室的模式創新，將技術與教學深度融合，提供支撐探究式教學、混合式教學和翻轉課堂等教學模式的解決方案。

1.2 高校智慧教室的形態

目前，高校智慧教室形態一般可以分為：常規智慧教室、研討型智慧教室、會議型智慧教室。

(1)常規智慧教室將智能硬件和軟件系統等整合，教師不僅可以進行大、小屏互動，擺脫講臺的束縛，還可以遠程直接操控講臺上的交互設備。教學過程貫穿課前、課中、課后，為教師、學生打造了一個完整的教學生態圈。(2)研討型智慧教室順應教學改革發展潮流而生，采用專業教學與教學研討相結合的方式，運用多媒體技術、交互技術等實現對學習資源的運用與共享，可以采用閱讀自講式、討論式、啟發式、專題式、案例和講授式等多種教學方式。(3)會議型智慧教室將設備與教學、會議結合起來，既有傳統智慧教室的功能，又可以通過視頻會議系統實現專家講座、同步授課、學術交流等，還可以實現與分校區及其他機構的遠程教育教學功能。

2 基于物聯網的高校智慧教室組成

物聯網概念的興起主要源于IBM的“智慧地球”和中國的 “感知中國”兩個計劃[3]。物聯網應用技術的興起離不開兩個方面，一個是射頻識別(RFID)技術，使用電子產品編碼為每個產品提供唯一的標識。另一個是傳感網技術，由若干具有通信能力和計算能力的傳感器節點構成的網絡。這兩項技術和互聯網、網絡接入以及智能計算技術的飛速發展、融合、應用，促成了今天的物聯網。

物聯網是智慧教室建設的基本技術，智能感應是物聯網最主要的特征，在智慧教室的建設中發揮重要作用。智慧教室是一個綜合型的物聯網共享平臺，能夠體現物聯網的3個層次(應用層、網絡層、感知層)，運用射頻識別等技術，使傳感設備實時感知、捕獲和傳遞有關人、設備、資源的信息，按照約定的協議，通過可能的網絡接入方式和統一的信息平臺，進行信息通信和交換，實現泛在鏈接，從而完成對教室的高效管控和數據的存儲、分析和應用，實現教室與教學的智能化管理[4]。

基于物聯網的智慧教室包括：中央控制系子統、感知子系統、語音廣播子系統、顯示和無線投屏子系統、錄播子系統、遠程呼叫子系統、電子班牌子系統、無感知考勤子系統等。

2.1 中央控制子系統

中央控制子系統是智慧教室核心模塊和中樞，通過它實現對教室環境內所有信息化設備或子系統的控制和管理，包括設備智能控制、教室環境智慧控制等。使用中央控制子系統，可以按課表自動開關、一卡通刷卡開關、本地操作，也可實現遠程對教室教學設備集中控制、狀態監測、信號切換，完成設備狀態管理、報警等實用功能。同時也是教室環境中各類裝備、課堂活動情境大數據的匯聚點和中轉站，將教學設備和教學活動大數據推送給智慧教學環境管理控制中心。

2.2 感知子系統

智慧教室通過物聯網感知系統的相關設備，對教室內環境各種設備或系統的數據信息進行采集，并匯聚到教學環境管理控制中心，實現對教室各類設備及燈光、空調進行遠程控制管理，同時，結合教室內照度、溫度情況能夠自動調節教室內燈光亮度及教室內溫度。

2.3 語音廣播子系統

語音廣播子系統包括拾音設備、調音放大設備、回放設備等。采用廣泛使用的TCP/IP網絡技術，將音頻信號以標準IP包形式在校園網進行傳送，使用的是純數字傳輸的雙向音頻擴聲系統，并解決了傳統廣播與對講中存在的音質不佳、維護管理復雜、缺乏互動性等問題。

2.4 顯示和無線投屏子系統

顯示子系統包括激光投影機、一體機、電子白板等顯示設備，滿足教學PPT等多媒體資料的顯示和教學互動的需要。無線投屏系統作為智能交互的有機組成部分，支持WINDOWS，ANDROID和IOS等環境，使師生之間、學生之間互動更為便捷，資源交流與獲取更高效簡單。

2.5 錄播子系統和遠程呼叫子系統

(1)錄播子系統：教室采用分布式、高清編碼的錄播子系統，錄播子系統組成包括錄播主機、錄播主機系統軟件、拾音麥克風、高清攝像機組成，可對教學全過程進行直播或者錄播。

(2)遠程呼叫子系統：遠程呼叫求助是解決教學現場技術支持的手段之一，當教室設備發生問題需要管理控制中心處理，教師可利用教室內IP電話呼叫主控室的管理人員。

2.6 電子班牌子系統和無感知考勤系統

(1)電子班牌系統：是校園宣傳、溝通互動的平臺，主要功能包括：教室名稱、時鐘系統、實時天氣、課程安排、班級實時情況、實時新聞、學校情況、教學狀況、專業知識、講座等。

(2)無感知考勤系統：通過高清攝像頭進行無感知人臉采集，生成教師和學生的考勤數據和軌跡數據，即可輕松實現無感知考勤，且攝像頭可以同時抓拍多張人臉，提高考勤的效率。

3 大數據技術在高校智慧教室中的應用

物聯網是數據采集來源的重要途徑，云計算為數據的存儲和訪問提供了渠道，大數據技術則為決策支持和數據應用提供有效的幫助，因此，也成為必然的發展趨勢。大數據具有5個技術特點：容量大、種類多、速度快、準確性、價值密度低。即5V：Volume，Variety，Velocity，Veracity，Value。大數據技術具有眾多類型的數據庫、大量非結構化數據和半結構化數據中快速處理、分析和獲取有價值信息的能力。在智慧教室的建設與應用過程中，利用大數據技術對數據進行處理分析，能夠為學校教學、管理等方面提供精準有效的數據支持。

3.1 數據統計分析

智慧教室的大數據分析需要有豐富的數據源支撐，分別是智能控制及數據采集平臺、混合式教學及數據采集平臺、音頻信息采集平臺、視頻信息采集平臺、教學評價系統、教師行為定位系統等。通過多維度的數據采集，形成全流程數據源的大數據統計分析系統，提供更加精準的預測與分析結果。

智慧教室的教學大數據的教學行為模型可以為管理者、教師提供不同功能的決策依據。管理者快速了解所關心的整體教學數據變化，并提供決策輔助建議，能更好地掌控全局，運籌帷幄。教師通過個人畫像和課堂教學數據了解自身教學效果和課堂反饋提供渠道，能快速了解所帶學生、相關課程、課堂等方面數據，便于教師調整教學模式，不斷優化課堂。智慧教室的大數據教學行為模型如表1所示。

表1 智慧教室的大數據教學行為模型

3.2 數據可視化

系統可對教室總數、使用教室、空閑教室、教室使用率、設備數量、設備日常使用率、設備故障率等數據進行統計，并通過圖形展示出來，整合課堂可量化行為數據和主觀行為數據，如：多媒體使用次數、學生回答問題次數、教師走下講臺頻次，對此類與教學質量監測相關度較高的數據進行收集和分析，最終輸出可視化圖表，在監控中心大屏展示，方便學校領導、督導巡視員等能直觀地查看教學過程。

4 高校智慧教室的“智慧”體現

高校智慧教室的生態環境不僅包括智能終端、基礎設施等硬件環境，還包括應用系統、學習空間等軟件環境[5]。打造智慧的教育環境，滿足信息化環境下教學教研和學習活動需要，高校智慧教室需要實現智慧的教學、管理和決策。

4.1 智慧的“教學”

智慧教室面向授課教師提供一鍵式操作的教學設備使用界面，建立以學生為中心的智慧教學云平臺，支持教師靈活的開展講授式教學、混合式教學、翻轉課堂、跨校區實時互動課堂等創新型的教學模式，教學活動貫穿課前、課中、課后全過程。智慧教學云平臺系統，集成微信驗證等統一身份認證，解決教學過程中遇到的問題，為師生的教學活動提供支撐，支持學生通過手機、平板、筆記本等終端即時提交對教師發起問題的回答，支持學生在線完成作業、獲取答疑輔導等，完整地記錄學生的學習過程數據，支持學習報表的動態生成與可視化呈現，從而達到智慧教學的效果。

4.2 智慧的“管理”

智慧教室中央控制系統實現了對智慧教室的設備、環境、業務系統等進行統一的智能管理、運維管理，將校園中的智慧教室連接在一起，教室管理人員可以通過系統對各種智慧教室進行使用日常管理，通過“物聯感知”將教室中智能裝備的使用、運行、管理、控制等的信息數據匯聚到控制中心，對教學環境及裝備進行智能化管控，并能實時課表聯動、更新設備檔案、教學環境檔案、運行日志和智能分析等，還可以巡視所有智慧教室，實現諸如教學現場監控、考場電子巡視等教學需求。

4.3 智慧的“決策”

在智慧教室對教學過程的智能化支持和對教學裝備的智能化管控，服務課堂互動教學活動的開展，并通過大數據技術得出結論來進行相關決策。通過采集、分析教學云平臺和教室中的教學行為等相關數據，準確地了解師生教學狀況，智能化地進行教學過程的分析與診斷。同時，通過分析智慧教室中的智能設備，得出各類智慧教室的利用率、各類智能設備的利用率、故障率等情況，為管理者提供評價依據與決策建議。

5 結語

基于物聯網和大數據的智慧教室是集智慧教學、數據分析、設備管理、人員考勤、環境智慧調節、視頻監控及遠程控制等于一體的新型教學環境，智慧教室的應用要立足于高校的需求，依托物聯網、大數據、人工智能等技術，改善和提升高校的教學環境。因此，建設更多的智慧教室是高校校園信息化建設的重要工作，將進一步提升高校綜合實力，促進我國教育現代化進程。