劉 宸 李國(guó)棟 張 哲 王 強(qiáng) 崔靜茹 折 波

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高校智慧教室的構(gòu)建與研究——以西安交通大學(xué)為例

劉 宸 李國(guó)棟 張 哲 王 強(qiáng) 崔靜茹 折 波

（西安交通大學(xué) 網(wǎng)絡(luò)信息中心，陜西西安 710049）

文章從傳統(tǒng)多媒體教室和網(wǎng)絡(luò)教室的弊端入手，首先論述了智慧教室的理論概念，并從高校課堂教學(xué)的實(shí)際需求出發(fā)，借鑒了以需求為導(dǎo)向的智慧教室“SMART”概念模型。然后，文章以西安交通大學(xué)的智慧教室建設(shè)為例，分析了智慧教室的基礎(chǔ)架構(gòu)及功能設(shè)計(jì)，并對(duì)智慧教室建成之后的運(yùn)作模式進(jìn)行了系統(tǒng)思考，以期能為高校智慧教室的研究、建設(shè)與應(yīng)用提供一些具有實(shí)際意義的參考。

高校；智慧教室；SMART

引言

隨著高校信息化建設(shè)的發(fā)展，傳統(tǒng)教室所支撐的課堂形態(tài)越來(lái)越不能適應(yīng)當(dāng)前教學(xué)改革的需求，各個(gè)高校紛紛開(kāi)啟模式創(chuàng)新之路，而智慧教室作為技術(shù)與教育深度融合的產(chǎn)物應(yīng)運(yùn)而生。智慧教室是一種有別于傳統(tǒng)授課學(xué)習(xí)方式的新型教學(xué)形式，作為一種典型的智慧學(xué)習(xí)環(huán)境，智慧教室是高校信息化發(fā)展到一定階段的內(nèi)在訴求，是智慧學(xué)習(xí)時(shí)代的必然選擇[1]。智慧教室發(fā)展的初期，針對(duì)的主要人群是中小學(xué)校，參與研究、建設(shè)和應(yīng)用的高校普遍很少。但隨著高校信息化的發(fā)展、教學(xué)改革的需要、教學(xué)成果的推廣和目標(biāo)人群的擴(kuò)大，智慧教室在高校中的地位和重要性愈發(fā)凸顯。本研究以西安交通大學(xué)（下文簡(jiǎn)稱(chēng)“學(xué)?！保┑闹腔劢淌医ㄔO(shè)為例，介紹了智慧教室的建設(shè)思路、集成方案和運(yùn)行模式，對(duì)學(xué)校教學(xué)特點(diǎn)的深刻理解和對(duì)教師教學(xué)場(chǎng)景需求進(jìn)行了精準(zhǔn)挖掘，以期能為高校智慧教室的研究、建設(shè)與應(yīng)用提供一些具有實(shí)際參考。

一 智慧教室概況

1 智慧教室發(fā)展現(xiàn)狀

從20世紀(jì)90年代中后期開(kāi)始，我國(guó)就開(kāi)始了大規(guī)模、大范圍的教育信息化建設(shè)。經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展，成效顯著，人們對(duì)教育信息化的認(rèn)識(shí)也有明顯提高[2]。授課教師的教學(xué)也由傳統(tǒng)的“黑板+粉筆”轉(zhuǎn)變成了“PPT+投影”的模式。而傳統(tǒng)多媒體教室或網(wǎng)絡(luò)教室大部分存在以下問(wèn)題：①教師教學(xué)效果不佳，缺乏互動(dòng)教學(xué)和交流研討，“填鴨式”的教學(xué)不利于學(xué)生的學(xué)習(xí)；②學(xué)生聽(tīng)課效果不佳，多媒體內(nèi)容的“堆砌”和呈現(xiàn)工具的“間斷性”展示，阻礙了學(xué)生對(duì)授課內(nèi)容的理解和消化；③教務(wù)監(jiān)督困難，缺乏教學(xué)過(guò)程跟蹤管理和教學(xué)效果評(píng)價(jià)的有效手段；④高校教學(xué)樓宇眾多，教室建設(shè)場(chǎng)地分散，缺乏集中管控手段；⑤多媒體教室的運(yùn)行狀況不能得到及時(shí)反饋，日常管理維護(hù)困難；⑥重管理輕服務(wù)，不能很好地對(duì)多媒體教室管理人員做好服務(wù)；⑦缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化體系和頂層建設(shè)規(guī)劃，不利于后期的可持續(xù)發(fā)展。

由此可見(jiàn)，傳統(tǒng)的多媒體教室或網(wǎng)絡(luò)教室已不能適用高校信息化教學(xué)的需求。為此，以探究化、高度信息化、強(qiáng)交互化、一體智能化等為特征的智慧教室孕育而生[3]。

2 智慧教室概念提出

在國(guó)外文獻(xiàn)中，智慧教室一般被稱(chēng)作“Smart Classroom、Intelligent Classroom或Classroom of Future”，其中“Smart Classroom”使用最為廣泛[4]。1988年，Rescigno提出了智慧教室“Smart Classroom”的概念。早期研究較多關(guān)注智慧教室的技術(shù)、裝備效能，如Skipton[5]認(rèn)為“智慧教室就是基于電子或技術(shù)增強(qiáng)的教室”。國(guó)內(nèi)關(guān)于智慧教室的研究最早從2008年開(kāi)始，黃榮懷等[6]認(rèn)為在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、富媒體技術(shù)、傳感技術(shù)及人工智能技術(shù)充分發(fā)展的信息時(shí)代，教室環(huán)境應(yīng)是一種能優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容呈現(xiàn)、便利學(xué)習(xí)資源獲取、促進(jìn)課堂交互開(kāi)展、具有情境感知和環(huán)境管理功能的新型教室，這種教室被稱(chēng)為智慧教室。

3 智慧教室的“SMART”概念模型

黃榮懷等[7]認(rèn)為，智慧教室的“智慧性”涉及教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化呈現(xiàn)、學(xué)習(xí)資源的便利獲取、課堂教學(xué)的深度互動(dòng)、情景感知與檢測(cè)、教室布局與電氣管理等方面的內(nèi)容，應(yīng)包括內(nèi)容呈現(xiàn)（Showing）、環(huán)境管理（Manageable）、資源獲?。ˋccessible）、及時(shí)互動(dòng)（Real-time Interactive）和情境感知（Testing）五大特征，簡(jiǎn)寫(xiě)為“SMART”，這五大特征正好構(gòu)建了智慧教室“SMART”概念模型，如圖1所示。韓國(guó)學(xué)者樸鐘鶴[8]則認(rèn)為“SMART”是由自主式（Self-directed）、興趣（Motivated）、能力與水平（Adaptive）、豐富的資料（Resource Enriched）、信息技術(shù)（Technology Embedded）等詞匯構(gòu)成。

圖1 智慧教室“SMART”概念模型

二 西安交通大學(xué)智慧教室建設(shè)案例

1 建設(shè)原則

本研究在智慧教室的架構(gòu)設(shè)計(jì)上更傾向于黃榮懷提出的智慧教室“SMART”概念模型。在智慧教室建設(shè)的過(guò)程中，學(xué)校立足于教學(xué)需求，明確建設(shè)目標(biāo)，規(guī)劃頂層設(shè)計(jì)，分步推進(jìn)實(shí)施，并且組建高效設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)，公開(kāi)招標(biāo)擇優(yōu)選擇系統(tǒng)集成商，實(shí)施全程質(zhì)量管理，嚴(yán)格管控項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)[9]。智慧教室建設(shè)主要遵循以下4項(xiàng)原則：①實(shí)用性，是指應(yīng)充分滿足本校授課教學(xué)的需求，適應(yīng)未來(lái)教學(xué)授課發(fā)展的趨勢(shì)，在項(xiàng)目的建設(shè)中以實(shí)用性為根本前提；②先進(jìn)性，是指在滿足高校教學(xué)需求的實(shí)用性基礎(chǔ)上，還應(yīng)采用前瞻性、先進(jìn)性和開(kāi)創(chuàng)性的技術(shù)，以滿足未來(lái)智慧教室的發(fā)展趨勢(shì)；③可靠性，是指應(yīng)采用成熟穩(wěn)定的、已在較多成功案例中應(yīng)用的解決方案和硬件設(shè)備，以確保系統(tǒng)的可靠、穩(wěn)定和安全；④擴(kuò)展性，是指應(yīng)充分考慮教室物理空間和各類(lèi)硬件設(shè)備的統(tǒng)一融合，充分發(fā)揮系統(tǒng)整體的最優(yōu)性能，同時(shí)遵循標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)體系，優(yōu)先頂層設(shè)計(jì)，充分考慮系統(tǒng)未來(lái)的擴(kuò)充和升級(jí)。

2 建設(shè)情況

以學(xué)校的教學(xué)需求為導(dǎo)向，以提升課堂教學(xué)質(zhì)量為目標(biāo)，學(xué)校建設(shè)的智慧教室的主要設(shè)備如表1所示，設(shè)備之間的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

表1 主要設(shè)備清單

（1）基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)

在建設(shè)中，學(xué)校后勤保障部配合中心負(fù)責(zé)整個(gè)智慧教室基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)工作。后勤保障部根據(jù)智慧教室的功能需求和設(shè)計(jì)規(guī)范，負(fù)責(zé)教室基礎(chǔ)設(shè)施部分的建設(shè)，包括教室物理空間、黑板講臺(tái)、桌椅板凳、通風(fēng)空調(diào)、供電配電、燈光照明等各子系統(tǒng)的部署實(shí)施。

（2）基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

網(wǎng)絡(luò)信息中心充分發(fā)揮校園網(wǎng)優(yōu)勢(shì)，保障智慧教室課程錄播、遠(yuǎn)程授課、互動(dòng)教學(xué)和教學(xué)資源利用率。智慧教室網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳捎?臺(tái)華為12808物理核心交換機(jī)虛擬化為1臺(tái)邏輯設(shè)備作為中心節(jié)點(diǎn)。每棟教學(xué)樓采用2臺(tái)Juniper 5100物理匯聚交換機(jī)虛擬化為1臺(tái)邏輯設(shè)備作為樓宇匯聚，通過(guò)雙路萬(wàn)兆光纖鏈路聚合到中心節(jié)點(diǎn)。在每間教室放置一臺(tái)24口Juniper 2100 POE交換機(jī)，雙路千兆光纖鏈路聚合到樓宇匯聚。教室中的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備連接到POE交換機(jī)上，實(shí)現(xiàn)了POE供電，簡(jiǎn)化了終端設(shè)備安裝部署的難度。在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲?，所有骨干線路設(shè)備全部保持兩臺(tái)設(shè)備在線，互相冗余和均衡負(fù)載，雙鏈路聚合保障了教室網(wǎng)絡(luò)線路通暢和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、音視頻傳輸、設(shè)備運(yùn)行的可靠性，有力地支持課堂教學(xué)的正常進(jìn)行。學(xué)校智慧教室網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖3示。

（3）網(wǎng)絡(luò)感知系統(tǒng)

除了智慧教室講桌上的有線網(wǎng)絡(luò)接口，在所有教室的前后墻上都安裝了4個(gè)網(wǎng)絡(luò)信息端口，頂部部署了2臺(tái)無(wú)線AP，實(shí)現(xiàn)了有線無(wú)線全覆蓋。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)中控，集中管控智慧教室內(nèi)所有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備啟動(dòng)和關(guān)閉，包括電腦、窗簾、空調(diào)、屏蔽儀等設(shè)備的開(kāi)啟和關(guān)閉。在教室內(nèi)設(shè)置光照傳感器、溫濕度傳感器和環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器，分別實(shí)現(xiàn)對(duì)教室內(nèi)燈光亮度、溫濕度和PM 2.5數(shù)值的感知與控制。

（4）學(xué)習(xí)資源重復(fù)利用平臺(tái)

通過(guò)常態(tài)錄播系統(tǒng)，采用Hadoop/HDFS存儲(chǔ)手段，實(shí)現(xiàn)全校教學(xué)資源的錄制與播放。完成了全校394間教室授課過(guò)程的全錄制與檢索，以每小時(shí)為一個(gè)錄制單元，實(shí)現(xiàn)了視頻數(shù)據(jù)的統(tǒng)一批量自動(dòng)轉(zhuǎn)碼存儲(chǔ)等功能。通過(guò)該平臺(tái)保障了大型活動(dòng)的全球直播和精品課程的跨校區(qū)直播，有力地支持了追蹤教室授課、學(xué)習(xí)動(dòng)態(tài)和課堂板書(shū)。

圖2 西安交通大學(xué)智慧教室主要設(shè)備拓?fù)鋱D

（5）電子考勤系統(tǒng)

在每個(gè)教室門(mén)口安裝一臺(tái)或多臺(tái)考勤機(jī)，學(xué)生使用校園一卡通刷卡簽到或采用具有無(wú)線定位人臉識(shí)別的智慧教室APP進(jìn)行簽到，授課教師通過(guò)校內(nèi)統(tǒng)一身份認(rèn)證登錄考勤系統(tǒng)，實(shí)時(shí)查看學(xué)生到課率，并可對(duì)忘帶校園一卡通的學(xué)生手動(dòng)補(bǔ)錄考勤。教學(xué)樓宇入口的考勤展示大屏，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)滾動(dòng)顯示本樓宇每門(mén)課程的考勤狀況，做到對(duì)每門(mén)課程上課情況的實(shí)時(shí)公開(kāi)，方便學(xué)校領(lǐng)導(dǎo)、教務(wù)人員、老師和學(xué)生了解課程的考勤情況。

（6）教務(wù)督導(dǎo)系統(tǒng)

通過(guò)智慧教室的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)了教務(wù)督導(dǎo)的全過(guò)程電子化。與智慧教室中控大屏監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)接，實(shí)現(xiàn)全校區(qū)、多樓宇的教學(xué)實(shí)時(shí)督導(dǎo)。與電子考勤系統(tǒng)對(duì)接，提供課程信息查詢、學(xué)生考勤查詢和全校課程到課率統(tǒng)計(jì)等信息。

（7）IP語(yǔ)音對(duì)講系統(tǒng)

智慧教室主控室實(shí)現(xiàn)7×24有人值守，通過(guò)教室的IP語(yǔ)音對(duì)講系統(tǒng)一鍵呼叫智慧教室主控室，實(shí)現(xiàn)教室設(shè)備的實(shí)時(shí)報(bào)修、快速反饋和及時(shí)維修。對(duì)簡(jiǎn)單的問(wèn)題，當(dāng)場(chǎng)回答或遠(yuǎn)程協(xié)助教師，不影響課堂正常的授課秩序。個(gè)性化推送與全面廣播相融合，實(shí)現(xiàn)全樓宇、全教室的IP廣播全覆蓋。

（8）電子班牌系統(tǒng)

通過(guò)電子班牌實(shí)時(shí)展示教室信息，支持教室整個(gè)學(xué)期的課表查詢和學(xué)生刷卡后查詢個(gè)人課表情況。推送教室個(gè)性化公播，起到宣傳和推廣作用。利用教室攝像頭，可以實(shí)時(shí)查詢教室模糊化快照，方便學(xué)生查詢教室的實(shí)時(shí)狀況。

三 西安交通大學(xué)智慧教室應(yīng)用

2017年9月，學(xué)校第三期智慧教室項(xiàng)目的建設(shè)基本完成，共建設(shè)智慧教室近400間。智慧教室的應(yīng)用結(jié)果顯示，其在提升教師課堂教學(xué)、提高學(xué)生到課率、學(xué)生課后自主學(xué)習(xí)、教學(xué)秩序監(jiān)督、教學(xué)效果監(jiān)督、優(yōu)質(zhì)資源共享、降低教室空閑率等方面起到了非常明顯的促進(jìn)作用。

圖3 西安交通大學(xué)智慧教室網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

1 智慧教室大數(shù)據(jù)分析應(yīng)用

高校智慧教室大數(shù)據(jù)分析挖掘具有四重典型價(jià)值[10]：①基于分析、監(jiān)控、預(yù)測(cè)和預(yù)警，使得高校管理更加精準(zhǔn)高效，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)治理，改變管理的模糊性；②可以更加準(zhǔn)確地分析評(píng)價(jià)課堂教學(xué)質(zhì)量，支持多樣化數(shù)據(jù)采集和多維度數(shù)據(jù)分析；③使得教和學(xué)更加智慧、更加有效，教師可以了解學(xué)生的進(jìn)展和興趣點(diǎn)、學(xué)習(xí)路徑，對(duì)學(xué)習(xí)者進(jìn)行精準(zhǔn)分類(lèi)；④教學(xué)服務(wù)的個(gè)性化、精準(zhǔn)化推薦與服務(wù)，學(xué)習(xí)績(jī)效的個(gè)性化評(píng)價(jià)和個(gè)性化的教學(xué)管理，提高了教學(xué)的效率和質(zhì)量。

2 服務(wù)對(duì)象和目標(biāo)

智慧教室項(xiàng)目覆蓋了學(xué)校公共課程的所有教室，為師生提供了優(yōu)質(zhì)的教學(xué)條件，提升了教學(xué)質(zhì)量；為教務(wù)人員和管理人員提供了數(shù)據(jù)支撐、管理決策和運(yùn)維輔助：①智慧化的教學(xué)條件解決了教師授課中的各種問(wèn)題，提供了優(yōu)質(zhì)的教學(xué)條件保障；教師更加關(guān)注教學(xué)活動(dòng)本身，努力提升自身教學(xué)水平和能力，教學(xué)不再受外在教學(xué)條件的限制。②智慧教室為學(xué)生課前、課中、課后學(xué)習(xí)提供形成了一套智慧化的學(xué)習(xí)體系和學(xué)習(xí)環(huán)境。③智慧教室對(duì)教師上課、學(xué)生學(xué)習(xí)、教室使用等日常教學(xué)活動(dòng)進(jìn)行了高效率的管理，使教務(wù)人員的管理更加數(shù)字化和智能化，能更好地對(duì)教師的各項(xiàng)教學(xué)進(jìn)行評(píng)估，把握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，為制定各類(lèi)教學(xué)計(jì)劃提供了數(shù)據(jù)依據(jù)。④教室管理智能化，使管理人員無(wú)需投入大量人力、物力去做重復(fù)和繁雜的管理與維護(hù)；教學(xué)過(guò)程遇到問(wèn)題能夠遠(yuǎn)程及時(shí)解決，不再耽誤日常教學(xué)任務(wù)，提升了管理人員對(duì)教室的精細(xì)化管理。

3 數(shù)據(jù)支撐和決策

智慧教室的建成為學(xué)校的教育教學(xué)質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)平臺(tái)提供了可靠的數(shù)據(jù)支撐和保障。該大數(shù)據(jù)平臺(tái)通過(guò)信息采集、評(píng)價(jià)、督導(dǎo)、建立反饋機(jī)制，對(duì)影響課堂教育教學(xué)質(zhì)量的各類(lèi)要素進(jìn)行智能化大數(shù)據(jù)分析，面向用戶提供了教學(xué)課堂質(zhì)量監(jiān)督的全過(guò)程信息化服務(wù)，形成了一套科學(xué)合理、行之有效的教學(xué)質(zhì)量保障與監(jiān)控體系，實(shí)現(xiàn)量化精準(zhǔn)、常態(tài)持續(xù)、全面覆蓋、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的課堂教學(xué)綜合質(zhì)量評(píng)價(jià)。

四 結(jié)束語(yǔ)

西安交通大學(xué)智慧教室項(xiàng)目的建設(shè)，開(kāi)創(chuàng)了國(guó)內(nèi)高校大規(guī)模智慧教室建設(shè)的先河。該項(xiàng)目融合了多系統(tǒng)、多業(yè)務(wù)、多數(shù)據(jù)和多網(wǎng)絡(luò)，涵蓋15種設(shè)備類(lèi)型、3000多臺(tái)物理設(shè)備，覆蓋全校394間公共課教室，涉及教務(wù)處、網(wǎng)絡(luò)信息中心、網(wǎng)絡(luò)學(xué)院和后勤保障部等校內(nèi)職能部門(mén)。智慧教室建設(shè)的完成，為學(xué)校的教學(xué)過(guò)程精細(xì)化管理和教學(xué)質(zhì)量的綜合評(píng)價(jià)提供了重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

[1][6][7]黃榮懷,胡永斌,楊俊鋒,等.智慧教室的概念及特征[J].開(kāi)放教育研究,2012,(2):22-27.

[2]汪基德.從教育信息化到信息化教育——學(xué)習(xí)《國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010-2010年)》之體會(huì)[J].電化教育研究,2011,(9):5-10、15.

[3]程敏.信息化環(huán)境中智慧教室的構(gòu)建[J].現(xiàn)代教育技術(shù),2016,(2):101-107.

[4]王玉龍,蔣家傅.以需求為導(dǎo)向的智慧教室系統(tǒng)構(gòu)建[J].現(xiàn)代教育技術(shù),2014,(6):99-105.

[5]Skipton C. Moving from “dumb” to “smart” classroom: Technology options and implementation issues[J]. Journal of College Teaching &Learning, 2006,(6):19-27.

[8]樸鐘鶴.教育的革命:韓國(guó)智能教育戰(zhàn)略探析[J].教育科學(xué),2012,(4):87-91.

[9]聶風(fēng)華,鐘曉流,宋述強(qiáng).智慧教室:概念特征、系統(tǒng)模型與建設(shè)案例[J].現(xiàn)代教育技術(shù),2013,(7):5-8.

[10]鄭慶華.高校教育大數(shù)據(jù)的分析挖掘與利用[J].中國(guó)教育信息化,2016,(7):28-31.

The Construction and Research of University Smart Classroom ——Taking Xi’an Jiao Tong University as an Example

LIU Chen LI GUO-dong ZHANG zhe WANG Qiang CUI Jing-ru SHE bo

Starting from the disadvantages of traditional multimedia classdroom and network classroom, the artilce firstly defined the theoretical concept of smart classroom. Then, the demand-oriented “SMART” (Showing, Manageable, Accessible, Real-time interactive, Testing) conceptual model was constructed based on the actual needs of university classroom teaching. Meanwhile, this article took the construction of smart classroom in Xi'an Jiao Tong University as a case to analyze the basic structure and function of smart classroom. Finally, the systematic refelection on the operation mode of smart classroom was offered, expecting to provide valuable reference for the research, construction and operation of smart classroom in universities.

university; smart classroom; SMART

G40-057

A

1009—8097（2018）10—0070—06

10.3969/j.issn.1009-8097.2018.10.010

劉宸，碩士，工程師，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)，郵箱為liuchen@xjtu.edu.cn。

2018年3月20日

編輯：小西