物聯網技術下高校智慧教室建設路徑探究

丁勝和

（唐山師范學院 現代教育技術中心，河北 唐山 063000）

《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010-2020 年）》，將“加快教育信息化進程”單設在第十九章，其中強調了“信息技術對教育發展具有革命性影響，必須予以高度重視。把教育信息化納入國家信息化發展整體戰略，超前部署教育信息網絡”[1]，體現了我國在教育信息化進程方面的整體戰略和謀篇布局。十年來“提升教育質量、促進教育均衡、支撐終身學習”[2]成為教育信息化的歷史使命。2017 年，我國首屆智慧教育國際研討會發布《智慧教育宣言》：“智慧教育的核心是實施以發展學習者的學習智慧、提高學習者的創新能力為目標，具有創新性、個性化、自主性、高效性、融通性以及持續性等六大核心特征的智慧學習。”[3]2018 年，教育部長陳寶生《在新時代全國高等學校本科教育工作會議上的講話》中要求“高校要將現代信息技術深度融入教育教學，打造智慧學習環境，重塑教育教學形態”[4]。按照這一講話精神，我國高校在實施智慧教育目標上，通過創建智慧教室（或稱智慧學習環境）和智慧教學，用課堂革命推動教育教學的不斷變革；2020 年新冠肺炎疫情影響下，更多的線上教學使“學生獲得了前所未有的學習自主性和自我調控的空間，教師則從知識的傳輸者轉變為知識的促進者和評價者。而教師和學生的角色轉型恰恰體現了信息技術在教學中融合的核心價值[5]。

1 多媒體教室的困境

早期智慧教室基本是以多媒體教室為主、教師單機操作的、通過現代教育技術完成教學任務的信息化環境，其主要困境有：（1）因傳統教室布局受限，教學模式一般采用講授型或演示型，形式單一，教學互動少，難以開展個性化、探究式協作學習；（2）因開啟智能終端的線上討論而產生大量的交流信息，缺少快速統計、提取和保存信息的手段，造成師生、人機交互對話中有效信息迅速被覆蓋；（3）因受網絡環境限制，在發展數字化校園建設過程中，如果校園無線網絡建設不完善、覆蓋不全面或終端不穩定，就會難以滿足師生網絡教學互動和訪問學習資源，也會缺少為合作學習、線上學習等教學活動提供良好的技術保障；（4）因缺少課程實時錄制教室，不僅難以及時采集學生學習效度數據，也容易造成校本課程教學資源的大量缺失。

2 智慧教室概念及其系統功能需求

智慧教室是“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，具有情境感知和管理功能的新型教室”，是“一種典型的智慧學習環境”[6]的物化，具有記錄學習過程、識別學習情景、聯接學習社群和感知物理環境四大特征[7]。在智慧教室的“SMART”概念模型中，內容呈現、環境管理、資源獲取、及時互動、情境感知五個維度正好體現了智慧教室的特征[6]，其中環境管理和情境感知是智慧教室裝備的共性要求。物聯網技術下的高校智慧教室應通過物聯網+智慧化設備+智慧化應用體系，實現對各項教學資源的綜合感知和訪問[7]，支持教學活動的智慧開展。

基于“SMART”概念模型，智慧教室系統功能需求包括軟硬件兩大方面：軟件應用需求主要包括環境智能感知、采光智能控制、通風智能調節、室內智能實時監測、門禁智能運用、監控管理系統智能兼容平臺等。硬件應用需求包括：（1）實現管理和監控所有設備、系統、資源的能力，如對環境信息采集與傳輸的智能終端，主要包括攝像頭、教室環境監測分析和數據存儲硬盤等硬件設施；（2）為環境管理提供依據，如對教室溫度濕度、照明強度、光線色彩、氣味等參數的自動控制功能，其中包括對教學輔助工具如電動投影設備的開關、升降、節目源的切換等智能控制；（3）針對物聯網系統的集成控制系統[8]如開拓物聯網管理平臺的綜合集成，通過技術和環境的結合，在空間結構的靈活調整、隨堂資源的實時保存、個性教學的精準有效等方面做到以人為本，為師生實現定制信息推送和資源共享、交互方式友好高效、泛在式學習融合和個性化學習支持等提供信息化技術支持。詳見圖1。

圖1 智慧教室構成示意圖

3 物聯網技術下的智慧教室系統架構

物聯網技術下的高校智慧教室管理系統一般分為應用層、網絡層、感知層。應用層是為智慧教室提供設備監控和故障恢復；網絡層的功能體現多媒體教室控制功能；感知層包括RFID、無線通信、傳感器、攝像頭等。

物聯網技術下的高校智慧教室系統架構可按“數據分層、功能分布”的思路架構，保證核心功能的多樣性和應用的延展性，自上而下可分為終端層、應用層、服務層、網絡層、基礎設備層等。詳見表1。

表1 物聯網技術下的高校智慧教室系統架構

終端層的核心功能是全面連通智慧教室的多媒體工具和傳感器設備，在管理系統控制下實現高效、便捷的智能化運行體系，創設全新的教學模式，并獲取和處理教育資源，從大量隱藏數據中挖掘有價值的數據[9]，通過處理分析實時收錄的數據，提供智能化的個性化教育服務；應用層為智慧教室提供應用系統集成和設備遠程控制，可處理已收集的感知數據，包括對錄播系統、網絡資源、視頻網站、遠程互動等各類軟件系統數據的管理控制和整合分析；服務層通過采集和分析各類數據，為智慧教室提供信息技術和基礎設備支撐，利用課堂錄播系統記錄、收集教學過程中產生的數據，以便跟蹤學習過程和監測學習結果，保障智慧教室功能正常和數據安全；網絡層為智慧教室提供網絡技術和可靠傳輸保障，部署在每一間智慧教室內，隨時隨地使用包括有線網絡、無線網絡、傳感網絡等物聯網組網技術，并通過物聯網網關連通各種傳統網絡設施；基礎設備層不僅涵蓋服務于智慧教室的PC 機、服務器、大型機等多媒體設備，還包括智慧教室網絡中控器、攝像頭、無線訪問點等教學管理設備以及對室內環境如溫度濕度、燈光、門窗等智能控制設備。

4 物聯網技術下高校智慧教室建設的原則與路徑

物聯網技術下高校智慧教室建設應統一管理設備，建設思路應遵循以下原則：（1）需求導向。遵循信息技術與教育教學深度融合原則，為智慧教學和智慧學習提供可靠的技術支持與環境支撐。（2）簡單操作。遵循突出應用和服務的建設理念，關鍵技術的應用注重方便快捷實用，保障系統在教與學中的流暢和安全。（3）個性服務。精準數據分析是智慧教室環境區別于傳統教室的技術支撐，創設有效的教學方案，提供各類教學數據便于教師因材施教。遵循讓學生獲得定制式學習體驗的原則，開展自主、探究、合作的教學模式，突出信息技術在教學過程中的優勢和效果。

在設計思路上應注意以下幾方面：（1）智能環境。智慧教室應體現數字化及互動性[7]。數字化方面可采取“物聯設備+雙屏配備+智慧監控系統”的形式，支持師生獲取豐富的教學資源和便利的學習工具，也能將智慧監控系統用于安全監控以及錄制授課視頻、評估教學環節中。互動性方面可采用“智慧拼合桌椅+教師平板+學生互動平板”的形式，改變傳統教室的空間布局，根據教學模式調整座位布局，可靈活變成“秧苗式”“圓形”[6]形式便于學生或自主學習、或深入探究、或小組討論等。手持或移動設備的靈活性能使課堂利用率大大提高，方便學生隨時組成小組協作討論。（2）智能便捷。目前，高校多校區辦學成為常態，但不同校區、不同型號、不同操作流程的設備無形中增加了教學和管理的難度。物聯網技術下的智慧教室設計，應將各校區多媒體教室的所有感知點統一連入傳感網絡再并入校園網，與排課系統、一卡通等系統互通共享，隨時獲取各個教室的設備感知情況，實現對多校區教室的全面感知，及時有效地管理和維護智慧教室。（3）智能控制。包括對教室內溫濕度、照明設備、門窗設備、通風系統以及多媒體教學設備。溫濕度、照明可通過設置溫濕度傳感器和光照傳感器，完成教室溫濕度和燈光亮度的采集、傳輸和分析，獲取和保證溫濕的舒適度和光照的合理性；門窗可通過門窗設備智能控制，系統自動開啟與關閉門窗，按照預設時間參數和對學生人數的監測結果完成智能控制任務；空調和換氣扇設備構成通風系統，可通過傳感器采集的氣體濃度結果，系統自動調節通風系統的運行狀況，保持良好空氣質量。系統可實時調節室內教學設備的運行情況，保證各類教學工作的需求。