論高校智慧教室建設(shè)

■李 剛／內(nèi)蒙古財經(jīng)大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理實驗實訓(xùn)中心

隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)的發(fā)展，校園的建設(shè)、管理與云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不斷的融合，這不僅加快了高校信息化建設(shè)的腳步，并且令高校教室的管理工作也更加信息化、便捷化，使得高校教育資源利用率有了很大的提升，保證了教學(xué)的多樣性、豐富性。

智慧教室不同于傳統(tǒng)教室，因為智慧教室是在“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)的基礎(chǔ)上集成智能控制、錄播系統(tǒng)、個性化云桌面、在線尋課、智能管理、教學(xué)環(huán)境感知、呼叫服務(wù)于一體的全新、增強(qiáng)型的教室模式。教師不僅可以隨時獲得學(xué)生預(yù)習(xí)情況、課堂分組討論等學(xué)習(xí)動態(tài)，并且能及時收到學(xué)生的學(xué)習(xí)反饋，從而對學(xué)習(xí)情況提出更具有指導(dǎo)性的意見。智慧教室運(yùn)用現(xiàn)代化的技術(shù)手段控制整個教學(xué)過程，讓教學(xué)更加的便捷、智能、高效，幫助學(xué)生提升自主學(xué)習(xí)能力。為了充分發(fā)揮智慧教室的優(yōu)勢，提升教學(xué)和管理的水平，要將“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)與傳統(tǒng)的教學(xué)和管理模式相結(jié)合，建設(shè)新一代的信息化教學(xué)、管理模式，構(gòu)建在“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)支撐下的信息化平臺，提升教室資源的利用率，使教學(xué)水平更好的發(fā)揮，為師生營造更好的教學(xué)環(huán)境。

一、多媒體教室存在的問題

高校多數(shù)的多媒體教室還沒有實現(xiàn)智能化、一體化的運(yùn)行模式，在管理和使用過程中存在一些問題：

（1）高校的教室具有分布廣和數(shù)量多特點(diǎn)，設(shè)備由于采購的批次不同導(dǎo)致設(shè)備的型號也不同。教室內(nèi)的計算機(jī)需要定期的軟件升級和補(bǔ)丁的更新，這時管理人員需對不同的地點(diǎn)，不同型號的設(shè)備分批次維護(hù)。經(jīng)常在上課過程中多媒體設(shè)備會出現(xiàn)一些故障，維護(hù)人員需要現(xiàn)場解決，維護(hù)人員的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足教室的維護(hù)需求，導(dǎo)致教室設(shè)備不能及時的排除故障。

（2）大部分的教學(xué)任務(wù)都在多媒體教室進(jìn)行，教師對計算機(jī)使用水平不同，使用的移動存儲設(shè)備在與計算機(jī)拷貝數(shù)據(jù)的同時也極容易感染病毒對操作系統(tǒng)造成安全隱患，影響到教學(xué)秩序的正常運(yùn)行。

（3）在高校不同校區(qū)的不同教學(xué)樓都有多媒體教室，維護(hù)人員的辦公地點(diǎn)只能在各個教學(xué)樓內(nèi)逐一安排，辦公地點(diǎn)分散，不利于統(tǒng)一管理。

（4）多媒體教室內(nèi)的設(shè)備由于多次更新，教室內(nèi)的設(shè)備差別大，設(shè)備管理和資產(chǎn)統(tǒng)計大多數(shù)通過手工登記形式進(jìn)行。設(shè)備管理部門的領(lǐng)導(dǎo)不能對整體情況有詳細(xì)的了解，設(shè)備信息共享率低下，多媒體設(shè)備閑置的教育資源浪費(fèi)現(xiàn)象。

（5）多數(shù)普通教室進(jìn)過改造變成現(xiàn)有的多媒體教室，改造時由于經(jīng)費(fèi)原因?qū)淌覂?nèi)的環(huán)境布局欠考慮，功放系統(tǒng)沒有經(jīng)過聲場設(shè)計，音響安裝不當(dāng)，導(dǎo)致教室內(nèi)聲場不均勻、聲源位移。投影系統(tǒng)由于亮度不夠，多媒體教室內(nèi)必須將窗簾全部拉上，在夏天室內(nèi)空氣悶熱，室內(nèi)空氣不流通，一般教室內(nèi)沒有通風(fēng)系統(tǒng)，即使設(shè)計了也處于閑置狀態(tài)下。

（6）課程的安排大多時間集中，樓層低的教室使用率比較高。如此大多數(shù)多媒體教室處于閑置狀態(tài)，導(dǎo)致設(shè)備使用壽命差別大。

（7）大多數(shù)多媒體教室都是全天對外開放的，由于管理維護(hù)人員數(shù)量有限只能到晚上才能關(guān)閉，幾乎處于零監(jiān)管的狀態(tài)下，進(jìn)入教室的人員信息不能有效的記錄。

（8）大多數(shù)的多媒體設(shè)備和照明設(shè)備處于人工管理模式，還沒有實現(xiàn)教學(xué)設(shè)備智能化控制，存在教室內(nèi)設(shè)備無人使用但是常開的現(xiàn)象造成能源的浪費(fèi)。

二、智慧教室概念及特點(diǎn)

數(shù)字教室的進(jìn)一步發(fā)展形成了智慧教室，智慧教室是新的教育形式和現(xiàn)代化教學(xué)方法。在物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)手段上建立起一個具有智慧教學(xué)、環(huán)境智慧調(diào)節(jié)、人員考勤、資產(chǎn)管理、視頻監(jiān)控及遠(yuǎn)程控制于一體的新型現(xiàn)代化智慧教室系統(tǒng)，是推進(jìn)智慧校園的有效組成部分。它不僅是一個擁有多個先進(jìn)媒體設(shè)備的教室，而且是一個具有先進(jìn)教學(xué)方法的課堂教學(xué)模式。在智能教室中，老師和學(xué)生都有自己的移動終端設(shè)備。通過APP和其他應(yīng)用工具，教師和學(xué)生可以相互交流。教學(xué)媒體資源的多樣性滿足了教師的教學(xué)需求和學(xué)生對教師，學(xué)生和學(xué)生的學(xué)習(xí)需求。為教學(xué)互動創(chuàng)造有利條件。

在科技快速發(fā)展的信息時代，將傳感器、互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算等先進(jìn)的高科技應(yīng)用到教室環(huán)境中，從而更好的促進(jìn)教育教學(xué)活動的開展。具體一下特點(diǎn)：

（1）教學(xué)內(nèi)容展示形式更加多樣化、便利化，更適合學(xué)生的學(xué)習(xí)特點(diǎn)，增強(qiáng)了學(xué)生對所學(xué)知識的理解和加工，有助于師生之間的互動，降低學(xué)生的認(rèn)知負(fù)荷。

（2）對教學(xué)活動的開展提供了更靈活豐富的資源獲取形式。智慧教室為各類智能設(shè)備提供了端口，學(xué)生可以根據(jù)自己的需要接入教學(xué)平臺下載所需要的學(xué)習(xí)資料。

（3）教師通過教學(xué)平臺把教學(xué)內(nèi)容分發(fā)到學(xué)生手中，學(xué)生也可以將實驗結(jié)果通過投影系統(tǒng)展示給其他同學(xué)，促使師生和學(xué)生之間交流實現(xiàn)無障礙互動、演示、再生成。為了保證數(shù)據(jù)交互的流暢性，建設(shè)時是基于萬兆網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建。智慧教室還能夠記錄師生教學(xué)和學(xué)生互動的交互過程，為數(shù)據(jù)分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，支持教師的決策和學(xué)生的自我評估。智慧教室支持教學(xué)的深度互動，互動的過程中了解學(xué)生是否偏離交互主題，及時發(fā)現(xiàn)學(xué)生的困難與問題并加以引導(dǎo)或幫助。

（4）布局的靈活性、多樣性和管理的便利性是智慧教室在環(huán)境和管理的特點(diǎn)。座椅不再是死板的形式，可以跟隨教學(xué)、互動的需要靈活調(diào)整座椅位置，有助于互動教學(xué)模式的開展，使得學(xué)生互動組合更加的靈活多樣。智慧教室不僅考慮了桌椅的靈活性，在座椅的色彩、結(jié)構(gòu)、材料也做了科學(xué)的設(shè)計。智慧教室能夠調(diào)控聲音、光照、溫度、空氣等環(huán)境因素，使得教室環(huán)境更適合教學(xué)活動的進(jìn)行。

三、智慧教室的功能

智慧教室是以物聯(lián)網(wǎng)、云計算的新科技手段為依托，有多個系統(tǒng)模塊協(xié)作構(gòu)成的。包含了無線傳感模塊、無線投影模塊、射頻識別模塊、多屏顯示模塊、自動錄播模塊等等，主要分為管理系統(tǒng)和教學(xué)系統(tǒng)。

（一）智能管理系統(tǒng)

管理系統(tǒng)包含有無線傳感器、射頻識別器從而實現(xiàn)考勤功能，資產(chǎn)管理功能、，智慧調(diào)節(jié)光照、溫度、空氣質(zhì)量的功能，視頻監(jiān)控功能的智慧化管理。與此同時，通過網(wǎng)絡(luò)和教務(wù)處排課系統(tǒng)實時對接，實現(xiàn)上課前打開教室內(nèi)設(shè)備，課程結(jié)束自動關(guān)閉設(shè)備。

（1）考勤模塊?？记谀K是由RFID讀卡器和后臺系統(tǒng)組成。管理人員預(yù)先給學(xué)生和教師統(tǒng)一授權(quán)，師生可以通過校園卡在讀卡器讀取數(shù)據(jù)后，交互到后臺系統(tǒng)識別身份后進(jìn)入，實現(xiàn)了進(jìn)入教室人員的實名登記，便于考勤的統(tǒng)計和教室的管理。

（2）資產(chǎn)管理模塊。教室內(nèi)設(shè)備都貼有對應(yīng)RFID標(biāo)簽，標(biāo)簽上存有設(shè)備的詳細(xì)信息，教室門口還安裝有特高頻讀卡器，對教室內(nèi)的設(shè)備統(tǒng)一管理，教室內(nèi)的設(shè)備進(jìn)入或搬離都會通知管理人員，同時強(qiáng)行搬離設(shè)備還會發(fā)出警報。

（3）照明控制模塊。光照控制模塊通過人體傳感器感知教室內(nèi)什么位置有人從而接受光照傳感器發(fā)來的數(shù)據(jù)通過特定算法對燈光控制器和窗簾控制器發(fā)出指令從而實現(xiàn)照明的智慧控制。如果教室內(nèi)沒有人，后臺會接受到人體傳感器發(fā)來的數(shù)據(jù)，關(guān)閉燈光。

（4）空調(diào)控制模塊。室內(nèi)的溫度和濕度通過傳感器讀取數(shù)據(jù)后，傳輸?shù)胶笈_應(yīng)用進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和預(yù)先設(shè)定的指標(biāo)對比，當(dāng)溫度和濕度不在指標(biāo)范圍之內(nèi)時，后臺應(yīng)用控制空調(diào)，讓室內(nèi)溫濕度指標(biāo)回到正常值，實現(xiàn)室內(nèi)的溫濕度自動控制。

（5）門窗監(jiān)視模塊。門窗都安裝有磁模塊可以感知門窗的狀態(tài)，后臺應(yīng)用可以設(shè)置門窗的關(guān)閉時段，如果在關(guān)閉時段門窗打開會直接通知管理人員和保衛(wèi)處，實現(xiàn)對門窗的自動監(jiān)視和預(yù)警。

（6）通風(fēng)換氣模塊。后臺系統(tǒng)接收到二氧化碳濃度傳感器的數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)分析，根據(jù)設(shè)置好的濃度范圍是否進(jìn)行抽風(fēng)換氣，通過室外空氣改善室內(nèi)二氧化碳濃度。

（7）視頻監(jiān)控模塊。利用無線攝像頭和相關(guān)配套監(jiān)控組成監(jiān)控模塊，可以為資產(chǎn)和人員出入情況的查看依據(jù)。

（二）智能教學(xué)系統(tǒng)

智能教學(xué)系統(tǒng)主要運(yùn)用擴(kuò)聲系統(tǒng)、虛擬桌面、交互白板和交互投屏系統(tǒng)、在線巡課與常態(tài)化錄播系統(tǒng)等實現(xiàn)智能化教學(xué)。

（1）擴(kuò)聲系統(tǒng)。為了保證良好的聽聞環(huán)境使得師生之間交流更加的順暢，智慧教室還加裝了擴(kuò)聲系統(tǒng)。擴(kuò)聲系統(tǒng)由拾音器、功放、音響構(gòu)成。同時擴(kuò)聲系統(tǒng)還能為在線課程收集師生之間的聲音數(shù)據(jù)。擴(kuò)聲系統(tǒng)對教學(xué)環(huán)境有著重要的影響，一個好的聽聞環(huán)境可以提高語言的可懂度。

（2）桌面虛擬化。桌面虛擬化是有服務(wù)器虛擬化、存儲虛擬化等技術(shù)構(gòu)建的。學(xué)生可以通過自己的任何設(shè)備，不同地點(diǎn)，隨時通過網(wǎng)絡(luò)訪問自己的個人桌面。解決了基于傳統(tǒng)PC形式，應(yīng)用軟件綁定在PC上一但PC出現(xiàn)問題。

（3）交互式電子白板。交互式電子白板是通過網(wǎng)絡(luò)和計算機(jī)相連，可以和電腦交互，并利用投影機(jī)將計算機(jī)上的內(nèi)容投影到電子白板屏幕上。交互式電子白板的引入在一定程度上擺脫了電腦前操作的束縛，教師可以在交互式電子白板上直接操作，如編輯、批注、書寫板書等功能，有效的提高了授課的效率。在教學(xué)實踐中，若將投影白板作為主要的教學(xué)輔助手段進(jìn)行教學(xué)，在備課思路上與以往的幻燈片制作不同，無論是練習(xí)的設(shè)計，還是新知的呈現(xiàn)，都體現(xiàn)出教師的能動操作，而不是看電腦演繹，光是這點(diǎn)，就為課堂教學(xué)師生的親和度加分不少。利用交互式投影白板靈活、有效地實施教學(xué)過程。運(yùn)用投影白板，教師操作發(fā)射筆，既可以播放設(shè)計好的幻燈片，展現(xiàn)教學(xué)設(shè)計意圖，也可以隨時更換模式，根據(jù)學(xué)生的需要進(jìn)行靈活的編輯、刪改。教師可以根據(jù)課堂上的情況隨機(jī)地利用投影白板的資源進(jìn)行教學(xué)活動，完全滿足教學(xué)雙方的需要。

（4）常態(tài)化錄播系統(tǒng)。常態(tài)化錄播系統(tǒng)是在網(wǎng)絡(luò)和多媒體技術(shù)的基礎(chǔ)上對授課過程進(jìn)行記錄和傳播的一種現(xiàn)代教育技術(shù)系統(tǒng)。常態(tài)化錄播系統(tǒng)是針對課堂教學(xué)過程實施錄制開發(fā)的，為了避免拍攝過程中對教學(xué)秩序的干擾，影響教學(xué)的順利開展，常態(tài)化錄播系統(tǒng)具備自動錄制、自動上傳、自動編目和網(wǎng)絡(luò)直播的功能，具有無需人工操作的特點(diǎn)。課程資源通過非線性編輯存儲于專門的點(diǎn)播系統(tǒng)，供師生課后播放，尤其為學(xué)生回溯教學(xué)過程、鞏固和加深對知識點(diǎn)的理解提供了條件。常態(tài)化錄播系統(tǒng)的使用為學(xué)生突破時空限制的學(xué)習(xí)、個性化的學(xué)習(xí)和更公平的學(xué)習(xí)提供了必要的條件。學(xué)校通過“智慧教室”的建設(shè)，提升了信息化在教學(xué)中的支撐作用，從教學(xué)環(huán)境、教學(xué)資源等方面提升了信息化服務(wù)的質(zhì)量。

四、智慧教室物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

（一）物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)作為一個系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，與其他網(wǎng)絡(luò)一樣，也有其內(nèi)部特有的架構(gòu)。智慧教室物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)縱向分為3層：底層感知控制層，中間層網(wǎng)絡(luò)交互層，上層應(yīng)用服務(wù)層。（見圖1）

圖1 智慧教室物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)縱向分層圖

RFID（射頻識別技術(shù)）、傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、二維碼技術(shù)、視頻采集技術(shù)構(gòu)成了智慧教室的最底層，也是智慧教室的感知層，可以看作人體的感知器官，它是智慧教室獲取數(shù)據(jù)信息的直接渠道，可以為應(yīng)用服務(wù)層獲取聲音、光線、溫度、濕度、二氧化碳濃度、人員信息等，可以隨時獲取及時上傳。

網(wǎng)絡(luò)交互層是智慧教室的中間層，感知層獲取的各類信息通過WIFI、ZigBee、校園局域網(wǎng)進(jìn)行傳輸，將聲音、光線、溫度、濕度、二氧化碳濃度、人員信息的變化程度實時、可靠的發(fā)送到應(yīng)用服務(wù)層。

應(yīng)用服務(wù)層是智慧教室的最上層，相當(dāng)于人的大腦包含了各種控制系統(tǒng)，感知層獲取的各類感知數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)交互層上傳到各自的控制系統(tǒng)進(jìn)行處理、判斷和決策，為智慧教室提供服務(wù)，各個系統(tǒng)協(xié)同工作，從而實現(xiàn)對物的智能化監(jiān)控和管理，完成人與物、物與物之間的智慧溝通。

（二）系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

在智能教室管理系統(tǒng)中，物聯(lián)網(wǎng)的正常運(yùn)行需要可靠數(shù)據(jù)服務(wù)的支持。數(shù)據(jù)服務(wù)器負(fù)責(zé)存儲收集的數(shù)據(jù)信息，并根據(jù)操作需要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的具體使用。在控制系統(tǒng)中，管理員可以根據(jù)使用需要設(shè)置數(shù)據(jù)采集和存儲規(guī)則，為各類終端設(shè)備的智能控制提供數(shù)據(jù)支持。

在智能教室管理系統(tǒng)中，不同終端可以通過無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)，校園網(wǎng)，互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。數(shù)據(jù)交互網(wǎng)絡(luò)通過分布式解決方案進(jìn)行部署。整體架構(gòu)如圖所示。根據(jù)各功能模塊的不同功能，管理系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)處理，遠(yuǎn)程控制等功能模塊組成。（見圖2）

在網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)方面，綜合分析應(yīng)用需求和設(shè)計規(guī)劃后，智能管理系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)的具體類型包括以下三種類型：

（1）無線數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)，主要用于各類傳感器的數(shù)據(jù)采集和傳輸通道。監(jiān)測對象主要包括溫度和濕度，光照強(qiáng)度和二氧化碳濃度。

（2）無線 數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。

（3）數(shù)據(jù)路由器。主要功能是為每個傳感器的傳統(tǒng)數(shù)據(jù)提供一個統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口。傳感器收集的數(shù)據(jù)可以集中傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)中心負(fù)責(zé)分析和處理。

圖2 整體架構(gòu)圖

五、結(jié)語

智慧教室所裝備的技術(shù)融合了真實和虛擬學(xué)習(xí)空間，能夠多層次多通道地擴(kuò)展教學(xué)交互活動，支持學(xué)生獲得真實的學(xué)習(xí)體驗；智慧教室還具備對學(xué)習(xí)過程數(shù)據(jù)和學(xué)習(xí)環(huán)境數(shù)據(jù)自動化采集、分析、建模和決策能力，為教師和學(xué)生提供全程化的教學(xué)管理和支持。

在智慧教室這樣一個高級而復(fù)雜的技術(shù)環(huán)境下，它很可能會通過更加復(fù)雜的機(jī)制影響到教師對教學(xué)環(huán)境的感知，進(jìn)而影響到教師在智慧教室中的教學(xué)方法選擇。智慧教室空間設(shè)計的靈活性有助于教師獲得良好的教學(xué)操作體驗。智慧教室的技術(shù)應(yīng)用通過數(shù)據(jù)管理促進(jìn)了師生反饋和學(xué)生的學(xué)習(xí)機(jī)會均等從而影響了教師創(chuàng)新教學(xué)方法的選擇。

盡管智慧教室可以看作數(shù)字化教室，但是和計算機(jī)為主要配置的數(shù)字化教室相比，其在技術(shù)裝備、技術(shù)使用、學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)管理方面更具豐富性和智能性。在教室裝備中更多使用支持無線接入的便攜手持設(shè)備，如平板電腦、智能手機(jī)等；在人機(jī)（環(huán)境）互動中更多借助傳感器、體感技術(shù)，可穿戴設(shè)備等增強(qiáng)臨場感；在學(xué)習(xí)者支持中更多使用智能代理和數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)提供適應(yīng)性和個性化學(xué)習(xí)反饋。