教育新基建背景下高校智慧教室建設模式研究

摘" 要：隨著大數據、人工智能、物聯網的迅速發展，我國教育新基建的出臺和智慧教育藍皮書的發布，智慧教育成為當前社會的一個熱門話題，智慧教室為智慧教育提供良好的外部條件和技術支持。該文從智慧教室建設目標與系統架構出發，以智慧教室基礎設施建設和智慧教室教學平臺建設為研究對象，以期為后續智慧教室的建設提供借鑒。

關鍵詞：教育新基建；智慧教室；基礎設施建設；智慧教學平臺；智慧教育

中圖分類號：G481" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）25-0005-04

Abstract： With the rapid development of big data， artificial intelligence and the Internet of Things， the introduction of new educational infrastructure and the release of the blue book on smart education in China， smart education has become a hotspot in the current society. Smart classroom provides good external conditions and technical support for smart education. Starting with the construction goal and system architecture of smart classroom， this paper takes the infrastructure construction and teaching platform construction of smart classroom as the research object， in order to provide reference for the follow-up construction of smart classroom.

Keywords： new educational infrastructure; smart classroom; infrastructure construction; smart teaching platform; smart education

為深入貫徹落實黨的十九大精神，辦好網絡教育，積極推進“互聯網+教育”發展，推動信息技術與教育教學的深度融合，加快教育現代化和教育強國建設。國家先后發布了一系列政策文件。其中，教育部等六部門印發《關于推進教育新型基礎設施建設構建高質量教育支撐體系的指導阿意見》指出，要升級網絡學習空間，依托空間匯聚各類終端、應用和服務產生的數據，為教育教學改革提供支撐，促進規模化教育與個性化培養有機結合。構建教育經歷服務體系，建立師生數字檔案，記錄存儲學習經歷與成果；完善智慧教學設施，提升通用教室多媒體教學裝備水平，支持互動反饋、高清直播錄播等教學方式，支撐網絡條件下個性化的教與學；普及教學應用，開發基于大數據的智能診斷、資源推送和學習輔導等應用，促進學生個性化發展。開發基于人工智能的智能助教、智能學伴等教學應用，實現“人機共教、人機共育”，提高教育教學質量[1]。智慧教室是中國智慧教育的一個重要組成部分，賦能規模化教育與個性化培養有機結合。

1" 智慧教室建設目標與系統架構

智慧教室借助人工智能、大數據、物聯網等新型信息技術，對現有的教學空間、教學資源、教學模式和教學管理進行重新架構，從而創建一種新型的學生學習物理空間、資源空間和社交空間。從資源利用和資金角度來講，該教室應當與已有的教學資源和教學工具無縫銜接，從而實現教學數據和教學資源的匯聚、智能處理與共享。

智慧教室整體框架以云計算、AI服務平臺、智慧教學基礎設施等為基礎，利用大數據、人工智能、云計算等技術，建設包含用戶中心、認證中心、數據中心、資源中心、物聯中心和應用中心的教學中臺。基于標準化、開放化、智慧化和個性化的教學中臺能力，開通具有校本特色的個性化智慧教學場景，開發涵蓋“教、學、考、評、管、環境”6個方面的智慧課堂、智慧學習、智慧考試、智慧評估、智慧管理、智慧教學環境和智能大數據分析等核心智慧教育應用，幫助學校將原先自有、分散、獨立的教學系統、教學資源、教學數據整合打通，最終以統一門戶為入口，通過教學大數據綜合采集與分析能力，幫助學校進行科學有效的教學管理決策，為學校打造個性化的智慧教學生態。

2" 智慧教室基礎設施建設

智能基礎設施建設為智慧教室的實施提供了強有力的硬件支撐，也是我國教育新基建的重要內容之一。智慧教室使用傳感技術進行實測，且安裝自動調節智能化設備，在視覺、溫度、濕度、安全和光照等方面進行科學合理的調節，營造出人性化的教室環境[2]。它能夠實現高清直播或全自動錄播，幫助教師打造精品錄播課程，另配備小組互動工具，實現教學場景可定制化，可適用于翻轉課堂、混合式課堂等多種靈活教學模式。

2.1" 教室環境升級改造

學校課堂學習環境指在課堂中影響學生學習的情景性因素，對學習者特征、學習資源的可利用性、軟件技術的可交互性都有顯著影響[3]。教室是學生學習的主要場地，舒適的環境和智能的設備有助于提升學生學習的熱情，所以智慧教室有必要對現有的教室環境進行升級改造，從而能夠滿足智慧教學的需要。環境改造包含原有設備拆除、吊頂、墻面、地面處理、照明和門窗改造等。照明設計需要充分考慮視覺效果和舒適度，同時也需要考慮教學需要。合理的照明設計可以提高學生的學習效率，減輕視覺疲勞。綜合布線包含音箱線、電源線、網線、HDMI線及配電盤的施工；強弱電線路開槽，預埋PVC管，水泥砂漿封平；天花板上采用PVC穿管布線等。改變傳統的以白色基調為主的環境，巧妙選擇墻體、吸音板、吊頂和PVC地板等材料的顏色，利用色彩營造一種清新大氣、淡雅舒適、簡潔溫馨的感覺[4]。智慧教室的布局需要考慮師生互動、靈活性和空間利用率等因素，教師和學生的座位應該合理布置，方便師生之間的互動。

2.2" 視頻采集系統

建設和開發優質的教學資源，視頻采集系統是關鍵。視頻采集系統主要由高清錄播主機、錄播主機軟件和高清攝像機3部分組成。從設備的穩定性來考慮，高清錄播主機應采用嵌入式ARM架構設計，操作系統采用Linux或Windows，需要具備直播、點播、導播、錄制、互動和跟蹤等功能；視頻接口應有2個3G-SDI in接口、2個HDMI in接口和3個HDMI out接口，采集和輸出分辨率均應至少支持1 080 P/30 fps；音頻接口應有Digital MIC 3個接口、Line in 2個接口、Line out 1個接口和耳機監聽Headset 1個接口；網絡RJ-45 1個接口，支持1 000/100 Mbps自適應，支持IPv4、IPv6 雙協議棧；錄制分辨率支持1 080 P/30 fps、1 080 P/60 fps兩種格式，視頻編碼協議支持標準H.264，支持MP4視頻封裝格式；主機支持HTTP、RTMP、RTSP視頻傳輸協議，支持FTP文件傳輸協議，支持VISCA云臺控制協議。

高清攝像機采用逐行掃描成像模式，有效像素1 600萬以上；圖像采集分辨率支持4 608*3 488；最大水平視場角49°，最大垂直視場角28.2°；視頻采用H.264或H.265編碼格式，音頻采用AAC編碼格式；采用RJ-45網絡接口，支持10/100/1 000 M網速自適應；傳輸視頻可通過3G-SDI和網絡2種接口；設備具備跟蹤分析功能，無需輔助跟蹤攝像頭即可完成對象的跟蹤捕捉，可便捷進行遠程互動教學應用。

錄播主機軟件采用B/S架構設計，教師或視頻制作管理人員使用谷歌、360和Microsoft Edge等瀏覽器通過網絡直接訪問錄播主機進行導播和管理；軟件支持錄制、暫停、停止等操作，支持全自動和手動2種錄制模式，能夠實現錄制過程中實時切換錄制模式；支持高低碼流同步錄制，支持電影模式和資源模式錄制，可實現復合畫面、每個攝像機畫面及電腦課件畫面的獨立封裝和點播；支持自定義錄制分辨率、幀率和碼率；軟件支持分段錄制技術，當錄制的課程時間較長時，可按照用戶設定的文件時長自動分割錄制成多個視頻文件；支持對所有接入視頻和錄制效果畫面的實時預覽，手動導播模式下支持信號源實時切換錄制；支持畫中畫、雙分屏和三分屏等錄制布局，支持多個視頻圖層自由疊加組合，自定義布局時可隨意拖拉畫面窗口，支持自定義布局方式；轉場特效支持漸變、縮放、切換等；支持添加字幕，并可對字幕描邊、字幕背景和字幕顏色進行設置；支持插入錄制好的片頭和片尾。設備運用圖像識別分析技術，實現攝像機同時完成畫面拍攝和跟蹤檢測功能，無需輔助設施，支持教師、學生行為的全自動跟蹤功能（包括教師走動、授課特寫、課件跟蹤和學生起立等場景）；課件電腦跟蹤支持“鼠鍵觸發檢測”和“圖像變化檢測”2種自動跟蹤方式，可自定義電腦信號呈現保留時間。

在教室可以布置1臺高清錄播主機和4臺高清攝像機，增加行為定位分析儀和控制面板。實現六畫面視頻錄制及直播點播：教師特寫畫面+教師全景畫面+計算機畫面+學生特寫畫面+實驗室全景畫面+教師板書畫面。實現自動跟蹤、手動控制跟蹤功能，可作為跨班、跨校區授課的主講教室或者聽課教室。

2.3" 顯示系統及分組討論設備

顯示系統通常包括投影儀或大屏幕顯示器、音響設備、電腦或其他多媒體設備等。這些設備可以幫助教師更好地展示教學內容，提高課堂互動和學生參與度。同時，分組討論設備可以讓學生在小組內更加方便地進行合作學習和互動交流。目前，智慧教室的顯示系統一般采用86寸教育一體機，為了兼顧不同位置的視覺效果，在教室前后各安裝2塊，可以同時實現研究組成員課件、報告及教學數據展示。用6塊65寸的分組觸控一體機來構建教室研討式討論環境，實現分組討論、小組研討及投屏、主屏廣播、副屏共享和投屏畫面對比等功能，滿足小組主機交互、各小組間課題討論交互需求。

2.4" 物聯網控制系統

物聯網控制系統是一種利用物聯網技術，實現對教室設備和環境進行智能化管理和控制的系統。該系統可以實現對燈光、溫度、空氣質量等設備和環境進行實時監測和自動控制，提高教室的舒適度和安全性，提高教學效果和學習體驗。物聯網控制系統主要包括傳感器、數據采集器、控制中心和用戶終端。它通過安裝在教室內部的傳感器實現對環境參數的實時監測，如溫度、濕度、二氧化碳濃度和光照強度等；數據采集器負責將傳感器采集到的數據傳輸到控制中心進行處理和分析；控制中心是整個系統的核心部分，負責對傳感器采集的數據進行處理和分析，并通過執行命令控制燈光、空調、通風等設備進行智能化管理和控制；用戶終端是用戶與系統進行交互的主要手段，用戶可以通過手機、電腦等終端對教室環境進行監測和控制。簡單而言，它能夠實現教室多媒體設備的集中管控，窗簾、空調、燈光智能管控，一鍵開關設備、遠程開關設備、與課表聯動定時開關設備等，設備運行狀態遠程監測、預警、分析、管理。

2.5" 音頻采集系統

音頻采集系統通常用于教學現場的音頻記錄和處理，可以通過麥克風、揚聲器和混音設備等，將課堂上的聲音采集并傳輸到主控臺進行處理和存儲。主要包括音頻主機、紅外接收器、主擴音線陣列音柱、輔音線陣列音柱、無線麥克風和有線麥克風等設備。錄制教學視頻或網絡直播時，為了能夠遠距離清晰無損拾音，防嘯叫、低延時、本地擴音，可以增加吊麥話筒，頻率范圍在40～18 000 Hz，吊麥即使與音響距離很近也不會發生嘯叫，吊麥與人無接觸，干凈衛生。最終實現教室各成員、計算機的音頻采集，教室內音源播放，錄播系統音頻采集。

2.6" 網絡通信

為了保障直播質量，有條件的院校可為智慧教室建設千兆或萬兆專網。該專網可至少提供單鏈路1 000 Mbps數據流量的傳輸保障，對數據的專網專用服務，有效提升了數據傳輸安全和性能。每個教室部署1臺Wi-Fi6高密度無線AP，千兆與接入交換機互聯，可帶各類無線終端120臺（生均2臺），每生保障帶寬5 Mbps，無線上聯帶寬總需求為300 Mbps[5]。

2.7" 門禁管理及電子班牌

通過門禁管理設備，進行出入口管理，實現人臉識別開鎖、指紋開鎖、密碼開鎖和遠程開鎖等功能。通過電子班牌系統實現教室信息展示、校園信息展示、新聞展示和授課情況展示等功能。

3" 智慧教室教學平臺建設

智慧教室教學平臺以學習者為中心，以教育中臺為入口，以課程資源、課程教學、課程評價和課程管理等核心教學為主線，融合了人工智能技術，滿足學校線下教學、線上線下混合教學、直播教學等多種授課模式需求。在教學常態化運行過程中，實現數據和資源全鏈路打通，改變傳統的單純的依賴督導組的方式，采用數據分析的方法，全面監測教學質量，支撐學校在個性化教學、自適應學習、智慧評價等領域的應用落地。

3.1" 智慧教育中臺

智慧教育中臺的功能主要包含基礎信息管理、基礎數據交換服務和統一認證對接。基礎信息管理的功能可以分為用戶管理、用戶基本信息維護和批量導入班級信息和學生信息；基礎數據交換服務提供教務系統數據與教學平臺數據對接及維護；統一認證對接，支持學號、微信號和手機號等方式進行認證，認證成功后即可訪問相關資源。

3.2" 智慧課堂建設

為教師提供統一的課程管理功能，進入系統后會顯示教師本學期內所教授的全部課程，也可選擇進入以往學期的課程，進入課程后能看到所教授的教學班個數及學生名單，可以添加學生名單或刪除學生；教師可以創建班級，邀請學生客戶端掃碼加入班級；教師可以自主創建課程、歸檔課程和刪除課程等功能；教師可以上傳DOC、DOCX、PPT、PPTX、XLS、XLSC、WPS、PDF、視頻和音頻等教師常用資源，進行課程章節設置；可以在平臺添加每章節的作業并設置正確答案，學生完成作業后，大部分的作業可實現智能批改；支持課程團隊成員間的課程克隆，克隆后課程團隊可以在此基礎上繼續完善或修改課程資源，形成適合本班學生學情的課堂資源。

3.3" 教學測試系統

教學測試系統由題庫系統、組卷系統、在線考試系統、閱卷系統和試卷存檔幾部分組成。題庫系統建設支持添加和管理知識體系，標簽體系建設完成后可為每道試題手動匹配標簽，如知識點、題目難度、題目所屬章節、所屬課程、考查內容和考查技能等，實現對分層管理及后續的智能抽題組卷功能，增加試題審批功能，確保試題的質量。組卷系統可以實現教師手動編輯創建新試卷或自動隨機組卷，這2種組卷方式均支持從已有題庫系統中隨機選題組卷。為了全面考查學生，在組卷時可以從各章節題庫難易程度隨機選取試題。對于選擇題而言，可以打亂選項，防止作弊。在線考試系統支持學生線上考試，答題內容實時保存，允許二次登陸，為了適合各專業學生，在線考試系統支持手寫體或拍照上傳，支持雙機位監考，統計學生切屏的次數。閱卷系統可同時滿足集中、分散的方式進行云端閱卷。建立學生電子化考試數據的檔案室，存檔內容包含學生成績單、成績報告、試題與參考答案和批閱留痕。

3.4" 教學數據分析

教學數據分析是通過對多維教育大數據進行數據預處理、數據建模和數據可視化等數據分析技術，來了解學生的學習情況、識別學生的學習需求、優化教學策略和改進教師的教學方法。多維大數據包括學生、學校教務部門、督導組和教師在內，涵蓋課前、課中、課后教學全過程中各個環節的數據。教學數據分析可以幫助教師識別學生的學習難點和優勢，以及學生所需要的支持和資源。通過對學生表現的細節進行分析，教師可以了解學生的個體差異，并為每個學生制定相應的教育計劃。教學數據分析也可以為學校管理者提供有用的信息，以幫助他們更好地管理學校資源。此外，教學數據分析還可以幫助教師了解自己的教學風格和偏好，并為其提供定制的教育培訓和發展計劃。學生可看到自己所學的各門課程的數據、個人知識圖譜和系統根據各人學情畫像推送的個性化學習資源，了解自己的學習情況及每個課堂的學習數據，發現自己的不足，改正自己的缺點，以數據為驅動力，提升自身學習的興趣和緊迫感。

4" 結束語

綜上所述，智慧教室是一種通過信息技術和教育科技提高教育教學質量和效率的教學環境，可以更好地滿足現代學生的學習需求和教育教學的要求。智慧教室的建設需要各種硬件系統和軟件系統的支撐，每間智慧教室都需投入幾百萬的資金，為了節約資金，大部分的高校采用建立智慧教室示范區的模式。由于智慧教室數量少，教師需申請才能使用，這也制約了教師參與的積極性，智慧教室的建設與發展仍任重道遠。希望在教育新基建背景下，智慧教室能夠得到蓬勃發展，為我國在智慧教育的探索中盡一份微薄之力。

參考文獻：

[1] 教育部 中央網信辦 發展改革委 工業和信息化部 財政部 人民銀行關于推進教育新型基礎設施建設構建高質量教育支撐體系的指導意見[J].中華人民共和國國務院公報，2021（25）：48-52.

[2] 趙鵬.基于物聯網技術的智慧教室系統設計與實現研究[J].科技創新與應用，2022，12（31）：103-106.

[3] 栗佳，文王維.基于智慧教育的課堂學習環境設計研究[J].科技風，2023（3）：62-64.

[4] 張凱，楊再明.智慧教室的構建與應用研究——以中國礦業大學為例[J].現代教育技術，2018，28（10）：81-86.

[5] 陳曄.IPv6場景下高校智慧教室組網問題研究[J].網絡安全和信息化，2022（8）：83-87.