智慧教室技術方案設計與實踐

劉景 唐燕梅

摘 ? 要：智慧教室作為信息技術與教育教學深度融合的典型形態引起了廣泛關注，有別于多媒體教室，其顯著特點是以校園網、互聯網為基礎通過多種信息技術手段，優化教育教學過程，豐富課堂教學組織形式，拓寬師生課上課下的溝通與互動途徑，改善教學評價方式，踐行“以學生為中心”的教育發展理念。文章對方案設計的整體過程進行了回顧，對學校多媒體教室支撐教學的現狀進行了分析，結合學校實際情況給出智慧教室建設的思路、總體技術框架和子系統建設方案。

關鍵詞：智慧教室;專有網絡;共建共享

中圖分類號：G434;G642 文獻標志碼：B 文章編號：1673-8454（2021）21-0067-06

一、引言

西南交通大學智慧教室一期建設始于2019年7月，經過前期調研、現狀分析、方案設計等工作，于2020年12月完成本期建設工作，本文對方案設計的整體過程進行了回顧，對學校多媒體教室支撐教學的現狀進行了分析，結合學校實際情況給出智慧教室建設的思路、總體技術框架和子系統建設方案。

二、現狀分析

受限于常規的桌椅布局，多媒體教室在課程教學開展過程中缺少對啟發式教學、參與式教學、協作式教學等模式的有效支撐。

1.對教學模式的支撐不足

高校教育信息化從管理信息化轉向教學信息化，服務于教學、創新教學模式支撐成為新的建設重點。當前傳統的多媒體教室，設備僅具備基本的上課條件，缺少對教學改革的有效支撐，課堂學生參與度低，缺少有效的教學工具來提升教學效率和教學效果。

2.學生自主學習的積極性不高

學生自己沒有一個綜合學情分析、課前預習、課后鞏固復習與作業、課堂資料記錄備查、微課及資源庫的個人學習空間。自主學習缺乏積極性。

3.教學評價和督導的效率偏低

學校還在采用“推門課”這種傳統的聽評課形式，需要教學質量監督組成員親臨教室現場進行聽課、評課，對教師的授課心理和學生的聽課情緒有影響，授課過程也缺乏記錄途徑和反饋。

4.新型教學模式存在支撐問題

多媒體教室建設的核心出發點更多的是考慮教學環境中的設備，而不是以支撐新型教學模式為出發點進行設計，因此教室功能不能有效滿足教學模式的需求。

5.多媒體設備操作復雜

目前這些信息化教學的工具集成度低，各自獨立，缺乏互操作性;而且操作復雜，多數教師很難全部熟練掌握，甚至上課時還需專人輔助完成設備操作，教師被這些新技術所淹沒，不但沒有增強教師能力使其教學更輕松，而且消耗不少教師的精力，不能專注于教學。

6.教學環境可靠性不足

傳統多媒體教室設備多，連接復雜，易感染病毒，可維護性低，直接影響教學工作;授課教師自帶筆記本等設備進行教學工作，不熟悉教室線路連接或是設備兼容問題，導致教學效率低，影響授課效果，課前準備的教學素材無法有效展示;同時，傳統多媒體教室教師被講臺綁定，活動范圍受限，不利于師生互動。

綜上所述，智慧教室的建設應結合智慧校園基礎環境，以互聯網、物聯網為載體，為全校師生提供“教”與“學”創新的手段和環境，支持創新，引領創新，關注師生感受，讓學生成為教學活動的主體，讓數據成為教學管理的載體。

三、智慧教室建設思路和目標

1.頂層規劃、分步建設

智慧教室的建設是一項系統工程，不僅僅是實現多媒體教室2.0，還要結合教學需求、課程內容、師生心理，體現教學方法的創新，堅持整體規劃、分步實施、不同子系統協調發展，從而有序推進智慧教室的建設。

2.更新理念、創新模式

教學目的是培養學生解決問題的能力和創新精神，實現信息技術和教育教學的深度融合，營造匹配和適應新型教學模式的整體學習環境，使課堂真正從以“教”為中心轉變為以“學”為中心，讓課堂更有趣、教學更有效、教室更簡單。[1]

3.分類設計、全面支撐

結合學習空間設計原則，為師生提供配套的學習環境。支持學生彼此協作、便捷接入網絡、營造更真實的學習環境，同時尊重學生的個性化需求，推動自適應和個性化學習，全面支撐教學活動和教學策略。[2]

4.兼容開放、融合統一

以統一標準、統一平臺的形式，集多媒體設備管理、常態化錄播、教學管理、物聯感知等多款應用于一體，建設綜合教學服務平臺。充分考慮原有校園應用系統的利舊性原則，并堅持開放性原則，兼容第三方應用，開放后期擴展功能。為師生構建協作、互動、物聯的開放教學應用平臺，采集教與學過程數據，全面支撐大規模常態化教學活動。通過建設教學綜合服務中心，全面提升高校的教學變革水平，及教學管理、監督評價、決策支持等服務水平，切實提升教育教學的現代化水平。[3]

5.穩定可靠、簡單易用

智慧教室的物理空間集成了多媒體設備、常態化錄播設備、物聯感知設備、教學系統等，其穩定、可靠、安全運行，是全面支撐教學活動的基礎保障。集成的設備與功能眾多，要簡化操作，做到簡單易用，具備良好的互操作性。通過簡單易用的平臺來增強教與學的能力，使教師的教學更輕松，簡化師生溝通。

綜上所述，智慧教室的建設不能一蹴而就，需要循序漸進，“搭架子，擴內容”，本期智慧教室的建設目標有以下方面：一是建設完善的信息化支撐環境，實現對教師授課過程、學生學習過程的數字化支持;二是構建支持不同教學系統、應用軟硬件運行的環境，適應多種教學活動的開展;三是營造適應兩地三校區課程講授、師生互動、板書錄制、資源分享等跨校區教學需要的基礎環境;四是實現教師一鍵上課、課表自動計劃、學生點到考勤、在線巡課評課等智慧化教學管理;五是實現教室內各類教學設備設施的統一管理和控制，支持教室空間的可視化管理。

四、智慧教室總體架構設計

西南交通大學智慧教室拓展了物理教室的時間、空間、受眾、功能和內容，構建以學習者為中心的學習空間，服務于教師、學生和教學，如圖1所示。

1.基礎設施層

基礎設施層為智慧教室學習空間提供硬件功能實現和軟件平臺運行的環境，包括教室內的有線網絡、無線網絡、與校園網連接的網絡、設備管理網絡、顯示控制設備、教學講臺，教學管理、課堂互動軟件，以及錄播系統需要的計算、存儲資源等。[4]

2.支撐平臺層

支撐平臺層為智慧教室教學平臺、互動平臺、教學管理與服務提供支撐，包括數據交換、數據處理、數據服務、支撐平臺和統一接口等功能單元。[5]

3.應用平臺層

應用平臺層是在支撐平臺層的基礎上構建智慧教室的環境、資源、管理和服務等應用，包括智慧教學應用、智慧教學資源、智慧教室環境感知、智慧教室運管維服務四大部分。

4.應用終端

通過智慧教室統一的信息門戶，不同角色的用戶可以隨時隨地訪問平臺服務和資源。[6]

5.信息安全體系

基于網絡環境智慧教室涉及多個軟硬件設備系統，因此按照不低于《信息安全技術網絡安全等級保護定級指南》規定的二級要求進行設計，貫穿智慧教室總體框架多個層面，包括物理安全、網絡安全、主機安全、應用安全和數據安全。[7]

五、建設內容

1.智慧教室教學功能

（1）講臺子系統

兼顧傳統授課模式，每間教室都會配置講臺子系統，它是在常規電教及計算機設備基礎上發展起來的，兼具教學、學術報告、會議、綜合性研討、演示交流等功能。它整合了目前大多數電子化產品的常見功能，全面支持windows下的各種文件格式，方便教師在智慧教室環境開展經典授課模式。通過云端資源空間和目錄服務，教師可使用自己的賬號訪問課程相關的課件、多媒體文件，輕松實現生動的演示效果。

（2）分組子系統

分組子系統用于分組教學環境，每間教室設計容納人數24～36人，使用分組桌椅布局，一般分為4～6組，每組6～8人，每組配置多媒體顯示大屏及投屏終端設備。如圖2所示，分組子系統主要用于研討型教室空間，主要包括中央視覺區、小組信息島、移動講臺和可書寫墻面等。

分組子系統支持多屏互動式的學習空間。滿足有用且易用原則，采用固定小組信息島，即來即用。實現教師與小組間、小組與小組間的信息分享，允許學生自帶設備參與課堂及小組內、組間的內容展示。同時支持TBL（小組合作學習）、PBL（基于問題或項目的學習）。依托于互動教學模式的屏幕調度系統，可將教師、學生小組的內容凝聚在一起，支持簡單、靈活的共享模式。[8]

分組子系統的出現改變了傳統集中授課模式，強調教與學、師與生、生與生之間的互動式教學，提供靈活方便的交流環境，適用于基于項目式學習、基于問題教學及分組互動教學等。[9]該類型教室專注于協作或探究型課堂，如研究生小班課堂。

（3）錄播子系統

智慧教室提供錄播功能，分為常態化錄播和精品錄播。常態化錄播以方便制作教學資源、方便教師自行操作錄制課程視頻為目標，通過在教室空間部署錄播子系統，授課教師可以自行控制錄播過程，在開展課程教學的同時就可以完成視頻錄制，教師根據需要可以進行后期編輯。常態化錄播系統如圖3所示。

在滿足高清畫面錄播的同時還可以部署4K錄播系統，實現名師教學錄制與直播、名師教學資源共享、跨校區教學合作/學術交流等應用，如圖4所示。

（4）跨校區互動子系統

跨校區的互動子系統是以“云+端”的方式連接多個校區，任何互動錄播課室均可快速發起互動教學、研討活動。[10]“云”是指借助嵌入式的云主機，構建云互動資源池，對所有互動教室音視頻交互系統實現信息注冊、管控、互動聯通等應用?！岸恕笔侵干险n教室端部署的互動型錄播系統，既支持本地課程實時錄制，也支持與互動云實現聯通，靈活組建互動課堂。依托跨多個校區的專線網絡，可以實現校區間的互動視頻教學，適用于教學資源共享、多校區教學互動、跨區域視頻培訓等場景?？缧^互動子系統如圖5所示。

2.教學平臺

智慧教學互動系統主要圍繞“課前——課中——課后”三個教學場景進行開發設計，包含師生實時互動、教學全周期數據分析等功能，平臺采用“云+校+端”架構模式，包括云端系統平臺、教學互動系統和移動App應用系統。智慧教學互動系統主要實現教師教學、學生學習、教務管理、教師課程課件管理和教學活動評價的全程智慧化。云端教學平臺是智慧教學系統平臺核心應用系統之一，通過與智能化教室、移動App應用、微信小程序相配合運用，使線上線下高效融合，實現課堂內外的師生互動、教師課前備課、學生課前預習、課前課后作業發布、通知管理、網上課堂等。

教學云端平臺可以作為私有云方式，部署至校內本地服務器，部署架構如圖6所示。

按照學院、專業、課程的不同，教師、教學管理人員可以獲取不同的學情數據，基于這些數據搭建評測模型，進行大數據分析，形成面向不同維度、不同角色的學情報告，如圖7所示。

3.智慧教室空間環境

智慧教室空間環境是指除了與教學相關的軟件、硬件功能之外的教室環境，包括了電子班牌子系統、門禁與考勤子系統、音頻擴音及對講子系統、監控視頻子系統、教室環境控制子系統。

（1）電子班牌子系統，安裝在每間教室的入口處，用于顯示學期課表信息、當前課堂授課信息、通知公告等內容，由后臺進行內容管理和發布，課程、通知、新聞等信息來自于相關系統數據，電子班牌自身不產生數據。

（2）門禁與考勤子系統，安裝在每間教室的入口處，用于教室門開閉管理和學生考勤。

（3）音頻擴音及對講子系統，每間教室內均安裝有音頻采集和播放裝置，對講子系統用于解決教室和總控室之間語音溝通，協助授課教室進行設備的操作。

（4）監控視頻子系統，每間教室均安裝有一臺360度全視角云臺視頻攝像頭，可以實現對教室內活動的實時監控和指揮。

（5）教室環境控制子系統，實現對教室內物聯網設備（包括燈光、窗簾、空調、新風系統等）的統一管理，提供遠程信息推送和告警等與智慧教室場景相關的應用，如圖8所示。

4.智慧教室運行保障系統

智慧教室涉及數十種設備的集成建設，在運行保障方面完全依賴于人工是不現實的，因此在設計時就要考慮以后的運行維護工作。通過建設運管維系統實現設備運行狀態監測、開關機控制、遠程故障報修、配置進度查詢、處理結果等操作，實現管理人員、操作過程（相應的管理制度和事件處理流程）和技術三者的融合。主要功能模塊包括以下方面。

（1）設備狀態查詢

系統界面通過形象化的圖標或圖標的顏色，將每個教室對應的設備工作狀態集中反映出來，管理員看到所要了解教室號的圖標，就能了解到該教室多媒體設備當前的工作狀態。在設備出現異常情況時，系統可以自動提示，生成預警信息，上傳到平臺，如圖9所示。

（2）設備控制

系統支持對單個教室的設備控制，也支持對多個或全部設備的集中控制，支持按校區、教學樓、樓層等分組控制，支持自定義選擇目標教室控制，如圖10所示。

（3）電子課表

用戶可自定義課表中課節、上課時間、下課時間和課節數量，根據本校的實際情況設置，設置后即生成與自身對應的課表，從而實現運管維系統無人值守自動管理。電子課表的無人值守管控方式主要有兩種：一是按課表定時自動解鎖或自動開啟教室設備的方式;二是按課表和校園一卡通刷/插卡一對一嚴格對應，以達到精準控制。

（4）教室管制

為了更有效地進行管控，系統提供了教室管控功能，在非上課時段，如假期、節假日、考試等，可以禁用教室設備，在禁用的情況下被禁用的教室設備取消了使用權限，處于禁用狀態，在教室端，無法打開設備，有效防止了設備濫用的情況。教室管制可以自由選擇，可以是單個教室，也可以是一組教室，還可以是全部教室，應用靈活方便。

（5）事件預警

實時監測系統設備的運行狀態，并實時采集數據信息，在系統中若偵測到異常信息，立即發出警告提示信息，如投影機故障、燈泡使用超時、麥克風電量不足、電腦啟動異常等。

（6）課堂轉播

系統支持實時和定時兩種方式的課堂轉播，該功能可以實現課堂觀摩、網絡聽課、評估、上大課等應用。

（7）IC卡管理

教師通過自己的校園卡在教室端直接認證解鎖應用。運管維系統中的IC卡管理功能可以與校園一卡通系統對接，直接獲取一卡通數據，實現教師身份認證，實時對接，數據完全同步，丟卡、換卡等工作后臺自動處理，無需人工干預。

（8）錄播管理

進行錄播實時狀態監測，支持以區域真實電子地圖形式展示各校區的錄播在線狀態和運行數據。電子地圖分多級管理，支持逐級點擊各級地圖模塊進入模式，并觀看對應的數據。

（9）環境控制管理

該功能對接物聯網智慧環境控制子系統，實現對教室內物聯網設備的統一管理，提供智能聯動策略、遠程信息推送和告警等與智慧教室場景相關的應用。

（10）備件管理

備件管理功能模塊具備備件分類、備件申購與入庫、備件領用與出庫、備件安裝維修以及備件消耗統計等多個功能，能滿足日常使用。[11]

5.智慧教室基礎網絡環境

為更好地保障智慧教室教學活動的開展，智慧教室考慮采用獨立組網方式，各校區的智慧教室獨立組網，通過連接校區的校園主干網互聯互通，從而形成一張西南交大的智慧教室獨立網絡，如圖11所示。

在各校區每間教室部署相應的高密AP，承載學生、設備數據在教室內的互動數據傳輸，AP接入教室的交換機通過千兆網與控制室的核心交換機互聯互通。

本次設計三個校區的智慧教室專網自成一個局域網，各校區的業務vlan終結于出口防火墻設備，三個校區互聯設計采用三層路由進行互訪。智慧教室物聯網通過教室端的物聯網關連接教室的網絡交換機，完成L2到L3的轉換，與智慧教室網絡融為一體，如圖12所示。每個校區設計部署一臺高性能防火墻與犀浦校區核心交換設備互聯，隔離智慧教室網外部網絡（即校園網）的非法訪問。

六、結語

根據智慧教室技術方案總體框架，我校開展了一期建設，完成了智慧教室內、外，物理空間與網絡空間相關軟件和硬件系統的建設，實現了既定的目標。

參考文獻：

[1]王會燕.“同步課堂”教學環境支持與教學適應性研究——以講授課為例[D].武漢：華中師范大學，2015.

[2]學習空間的建設要綜合考慮技術的最新發展和學生的個性化學習需求[EB/OL].http：//blog.sina.com.cn/s/blog_c3ed52710101 azb5.html.

[3]物聯網技術應用——智慧校園第1章概述-原創力文檔[EB/OL].https：//max.book118.com/html/2020/0525/6124100105002203.shtm.

[4]智慧校園管理平臺-涵謙億網絡技術公司-開發教育應用軟件-教育[EB/OL].https：//www.erp8.org/news/208.html.

[5]聯奕資訊[EB/OL].http：//www.ly-sky.com/cms/schd/47.jhtml.

[6]高校教育信息化實踐者[EB/OL].http：//www.bangtech.com.cn/SC.html.

[7]智慧教室建設指南[EB/OL].https：//xw.qq.com/cmsid/20201119A0HOQ100.

[8]RG-GTS-S多屏調度系統|多屏互動系統-教學互動系統-銳捷網絡[EB/OL].http：//www.ruijie.com.cn/cp/zhjs-jxhd/gtss/.

[9]吳平頤.研討型課堂的設計與應用[D].上海：華東師范大學，2011.

[10]常態化錄播解決方案_知乎[EB/OL].https：//zhuanlan.zhihu.com/p/347338875.

[11]備品備件庫存管理軟件一般可實現哪些功能？ [EB/OL].https：//www.56tim.com/archives/107445.

（編輯：王天鵬）