云邊協同的極簡智慧教室設計與實現

摘要：本研究采用云邊協同架構，利用云上平臺+邊緣節點AI能力，設計具有低成本、高集成、強互動、規模化的極簡智慧教室建設模式，通過AI降噪、AI轉寫、OCR識別實現高質量音頻、視頻、圖文的智能加工、處理，自動生成結構化教學資源，推動學校智慧教室建設從“示范性、比賽性場地建設”上升為“普及化、智慧化環境”，打造以學生為中心的全校范圍線上線下混合教學空間，實現面向教育教學資源云共享，圍繞教學閉環，構建線上與線下相結合、課內與課外相融合的一體化無邊界智慧教學空間體系。

關鍵詞：智慧教室;邊緣云;5G專網;中臺

中圖分類號：TP319? 文獻標識碼：A? 論文編號：1674-2117（2022）09-0109-04

2020年2月，教育部印發《2020年教育信息化和網絡安全工作要點》，提出深入推進《教育信息化2.0行動計劃》，實施好“加快推進教育信息化攻堅行動”。智慧教室作為教育信息化落地實施的場地，是智慧教育發展的基礎，因此從2021年起，國內外高校開始大批量建設智慧教室，常態化部署智慧教室。

● 智慧教室

1.定義

智慧教室是教學空間的一種類型，也是智慧教學開展的典型代表場地。黃榮懷等認為智慧教室應該包括內容呈現（Showing）、環境管理（Manageable）、資源獲取（Accessible）、及時互動（Real-time Interactive）、情景感知（Testing）五大特征，并構建了智慧教室SMART模型。[1]基于智慧教學空間環境，打造覆蓋“教、學、管、評”教學全場景、貫穿“課前、課中、課后”教學全流程的教學服務平臺，實現多源教育資源匯聚、混合教學模式快速切換、教育質量精準評價。

2.存在問題

目前，高校智慧教學空間的建設雖然開展得如火如荼，但大部分建設仍然停留在教室設備的智能管理上，采用設備堆疊方式建設，沒有統一的資源平臺，存在教學關注點不清晰，沒有統一規劃、不能實現規模化建設，無法實現精準教學評價和個性化學習推送等問題。

● 高校極簡智慧教室架構設計

面對當前智慧教室建設的種種問題，需摒棄智慧化教學環境推倒重來、堆疊式建設模式，以當前高校信息化建設為基礎，設計一種極簡智慧教室架構。筆者認為，針對智慧教室SMART模型的五大特色，智慧教室規模建設可在現有通用多媒體課室的基礎上[2]，結合實際教學中的特點和要求，引入AI云平臺+AI邊緣云，為學生、教師、學校主管部門、課室管理中心等人員提供智慧教學和管理相關服務。

智慧教室建設內容包括教學強相關基礎設施、智慧教室中臺、教學弱相關基礎設施、XR實訓室，其中，教學強相關基礎設施和智慧教室中臺是建設重點（如圖1）。

重點建設教學強相關基礎設施，可在原有多媒體教室加裝錄播系統設備，實現資源獲取（Accessible）;每間教室增加應用終端，實現實時互動（Real-time Interactive）;每棟樓增加邊緣云，實現情境感知（Testing）;數據中心部署AI能力平臺，提供云邊協同云端AI能力平臺。

AI能力平臺為智慧應用終端提供AI降噪、語音轉寫、同聲傳譯、人臉識別、OCR識別等能力，邊緣云實現對視頻存儲的人臉考勤、行為分析等，智慧應用終端作為教室內邊緣節點，邊緣云作為樓棟邊緣節點，通過AI能力，實現教室內設備輕量級部署，AI能力集中后端平臺，實現極簡智慧教室設計。

1.教學強相關設施層

教學強相關設施層采用極簡架構，包括多媒體系統（利用原有多媒體教室）、錄播系統、智慧應用終端、邊緣云、AI能力平臺，各功能模塊設備的低耦合、高內聚，實現功能高擴展、運維極簡化。

（1）錄播系統

錄播系統是實現教學過程采集的硬件設備，錄播系統中音頻質量是一個較難解決的問題。教室是一個開放的空間，周圍的風聲、雨聲、機械聲、其他教室人聲等都是錄播系統的噪聲源，嚴重影響課堂音視頻錄制的質量。采用AI降噪算法與拾音矩陣相結合的方式很好地解決了這個問題，大大提高了錄播的音頻質量，又使教室錄播系統達到最精簡的程度，實現攝像頭*2+拾音矩陣*1+擴音麥*1的極簡錄播系統配置。

常態錄播主要用于常態化錄制課堂資源，包括6景位視頻采集：教師全景+教師近景+學生全景+學生近景+授課屏幕+導播畫面。導播畫面可以自動跟蹤，自動切換景位。

（2）智慧應用終端

智慧應用終端是教室內流量匯聚、功能匯聚節點，是教室邊緣節點，采用嵌入式軟硬件一體化主機設計，整機靜音、無風扇，具有教學過程錄制、導播、互動、管理、存儲等功能。向下納入并管理異構錄播系統設備，獲取教室6路音視頻流，對接AI平臺，調用云AI能力，實現教學過程的實時語音轉寫、同聲傳譯、人臉識別等;向上接入智慧教室中臺，同步獲取課表，上傳教學音視頻、字幕、圖文資源;對接邊緣云，邊緣云獲取教學視頻流，進行視頻、圖文的處理、分析，分析結果自動上傳智慧教室中臺。

智慧應用終端接入智慧教室中臺，課表自動同步，掃碼統一認證，教師在教室內只需選擇開啟需要的軟件功能，即可實現極簡操作，資源自動加工、匯聚（如上頁圖2）。

（3）邊緣云

邊緣云節點是樓棟流量匯聚、AI功能匯聚節點，是樓棟邊緣節點，具有AI算法和AI算力，采用云邊協同架構下發算法，硬件采用存算檢一體智能平臺架構進行邊緣計算，是邊緣AI節點，在智慧教室場景的應用主要是處理、分析視頻、圖片數據，包括實時、非實時。邊緣云采用“算法與資源解耦、算法與數據解耦”的多算法服務框架，構建針對多種算法的差異化運行環境，利用錄播系統課堂視頻，進行分析，包括實時和非實時視頻分析，集成人臉識別、行為分析、區域監控等算法，可按需加載第三方算法，實現批量教室的無感考勤、行為分析，實現對課堂出勤率、課堂混亂程度的預警，并可以作為校園安防、學生AI實訓開發的硬件基礎平臺。

通過邊緣云打造教學視頻存儲和分析平臺，教室監控、常態化錄播、直播、巡課、督導、無感考勤和課情分析等功能在物理上融合為一體，多個功能攝像頭合一重復使用，免錄播主機，簡化了教室部署和運維，降低了成本，適合快速大規模部署。

（4）AI能力平臺

AI能力平臺是智慧校園節點，部署在校園數據中心，具有AI算法和AI能力，是云AI節點。通過深度學習平臺對不同場景應用進行算法建模、開發、訓練等，最終成為成品的AI能力，并將AI能力部署在AI能力服務器，提供AI能力服務，在智慧教室場景的應用主要是音視頻數據、圖片數據的分析、處理。

（5）網絡架構

極簡智慧教室架構采用教室、樓棟、校園三級網絡架構，支撐大流量并發及存儲，并通過建設5G融合專網實現5G+校園的融合，實現泛在網絡接入;利用5G切片、高帶寬、低時延能力支撐智慧教室視頻流、VR/AR實訓室、工業互聯網工廠及相關的遠程在線操作（如上頁圖3）。

2.智慧教室中臺

智慧教室中臺提供標準化南北向接口，調用AI平臺及邊緣云能力，對接教室內智慧應用終端實現教學資源的智能加工、分析、編輯及統一匯聚。

智慧教室中臺能提供完善的教學資源生態服務，是整個信息化教學建設中不可或缺的基礎服務平臺。智慧教室中臺能夠對所有錄制的視頻進行實時/按需添加字幕功能，字幕需要系統自動完成，需要支持修改功能，支持語音轉寫、視頻智能切片、OCR識別、人物標簽、知識點標簽，智能標記某個時間點講授的關鍵內容，視頻播放時在進度條上展示關鍵內容圖文提醒（圖片+文字）。

智慧教室中臺對接系統包括：智慧教室中臺與學習平臺對接，實現學習平臺通過智慧教室中臺調用教學實時音視頻、字幕、圖文等，打造高質量混合式教學模式;提供南向接口，支持行業普遍使用的標準協議供異構廠家設備接入，并對接智慧應用終端實現課堂教學過程數據結構化采集存儲，與智慧應用各軟件對接，實現中臺與課室的無縫聯動;與AI開放平臺對接，調用AI能力，實現實時/非實時智能分析、處理音視頻數據;與邊緣云對接，獲取邊緣云加工、分析的人臉識別、行為分析等數據;與直播平臺對接，實現課堂教學校內外網分流直播;與教務系統、統一身份系統對接，實現統一認證、權限分配、空間分配。

3.教學平臺

教學平臺與智慧教室中臺對接，獲取課堂教學視頻，利用教學平臺自身的直播間功能、在線教學功能、云教務功能，實現線下教學、直播教學、錄播教學、智慧教室教學等多種教學方式的混合教學，多種教學方式之間靈活切換。[3]

4.教學弱相關

智慧教室的環境感知部分包括環境監測（溫度、濕度等），智能門禁、智能空調、智能窗簾、智能燈光等，主要是便于教學管理，對于教學資源的生產、混合教學的開展、精準評價的數據采集基本沒有作用，因此可以結合資金總量情況，弱化教學弱相關基礎設施的建設。

● 邊緣AI架構智慧教室應用

智慧應用終端定義標準南向接口，基于標準協議設計開發，南向接口實現異構設備統一接入、管理，完全兼容、利用原有多媒體教室攝像頭、PC等;調用AI能力平臺語音轉寫能力，在教室邊緣側實現講課過程的語音轉寫。

邊緣云將AI能力平臺的視頻、圖片算法在本地加載，實現教學視頻切片、無感考勤、課堂分析等。

智慧教室中臺對接智慧應用終端實現異構硬件設備的接入，實現校本資源統一管理平臺，實現資源的統一匯聚。邊緣架構的智慧教室實現教室內設備極簡、對教室環境要求極簡，通過AI能力，借助教室內智慧應用終端、樓棟邊緣云即可實現教學過程的自動、智能處理，實現教學過程的結構化保存。

智慧教室中臺可實現以下功能：①視頻錄制。支持按課表、按現場教師打卡，開始執行常態錄播模塊功能進行教學視頻錄制，錄播視頻存入智慧教室中臺，并調用AI開放平臺和邊緣云AI集群對教學過程進行加工、分析、存儲、視頻剪輯、制作，平臺具有權限控制，教師只能查看自己課堂的錄播視頻及相關AI分析處理數據。②視頻編輯。支持統一集中錄像管理功能，教師可根據權限對自己的課程視頻進行獲取、播放、刪除、編輯、下載、鎖定等操作。提供資源回收站功能，可對誤刪除的資源進行再次恢復。提供視頻上傳記錄功能，可查看各個錄播主機的視頻上傳情況。③視頻管理。教師可根據權限對錄制視頻進行管理，上傳視頻管理、視頻審核、視頻推薦、視頻觀看。④教學督導。支持在線巡課，查看教室的實時監控畫面、進行畫面切換控制、查看課堂動態、對課堂進行評價、對課堂截圖錄像、查看巡課記錄。[4]⑤視頻調用。提供視頻調用接口，可實時調用課室內任一路視頻用于直播教學;可按需將錄播視頻上傳至教學平臺。⑥課堂評價。考勤數據、課堂質量數據、課堂動態等數據統計與展示。

● 結束語

云邊AI驅動的簡約型智慧教室架構推動學校的智慧教學空間建設普及化，支撐泛在教育，創新教學模式，提高整體教學質量的轉變，利用“互聯網+教育”思維，挖掘先進的教學理念，應用物聯網、云計算、大數據、人工智能等先進技術，構建教育教學新場景和互聯網形態教學環境體系。

參考文獻：

[1]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，2014，24（06）：99-105.

[2]蔡建軒，李梅.高職院校多功能智慧教室的設計與實現[J].中國教育網絡，2018（08）：68-70.

[3]鄭凱，劉麗清，林南暉.華南師范大學以“新師范”為理念，打造教學支撐環境[J].中國教育網絡，2019（Z1）：56-59.

[4]馮廣，伍文燕.廣東工業大學“智慧工廠”破解跨校區管理難題[J].中國教育網絡，2020（01）：60-62.

作者簡介：石琳（1986—），女，河南人，碩士研究生，研究方向為教育信息技術。

基金項目：教育部中國高校產學研創新基金（數字化智能引擎驅動無邊界學習空間構建：2021ALA02003）。