柯家海

(广州医科大学信息与现代教育技术中心，广东 广州 511436)

0 引言

计算机技术以及智能化技术的迅猛发展，已经影响到人们生活的方方面面，改变了人们的生活习惯，还引发了高校智慧教室等支撑环境建设的变革。智慧教室等智能环境的建设改变了教与学的方式，并已经开始深入影响到教育的理念[1]。以物联网、大数据等新兴技术为基础，依托各类智能设备及网络，开展以学习者为中心的智能化教学支持环境建设，探索泛在、灵活、智能的教育教学新环境建设与应用模式，是《教育信息化2.0行动计划》的要求，也是新时代高校智慧教室建设发展的趋势。

1 高校智慧教室建设的现状

高校作为推进教育信息化的主体，其自身的信息化水平已经成为衡量高校教学和科研综合实力以及现代化水平的重要指标，而高校智慧教室等教学环境的建设也是高校信息化水平的重要组成部分，是推进教育信息化发展、推进“互联网+教育”具体实施的必然选择。

1.1 存在的问题

现阶段，教学的主要场所是教室，教室的装备管理及与之匹配的教学模式是学校信息化发展到一定阶段的内在诉求，很多高校的智慧教室建设存在如下问题：(1)没有形成统一、有效的管理平台，智能设备集成度不高，无法智能联动和远程控制。(2)缺少有效的教学云平台，导致教与学资源体系分散，交互教学手段少，教学过程数据缺失。(3)缺乏维护管理系统，运维工作费时、费力，且效率低下。

为解决相关问题，各地高校纷纷围绕《教育信息化2.0行动计划》开展各类智慧教室建设，如华南理工大学、四川大学、华南师范大学等高校均已完成相当数量的智慧教室建设，并且还在不断深化和改造中[2]。同时，很多高校也在不断探索基于智慧教室的模式创新，将技术与教学深度融合，提供支撑探究式教学、混合式教学和翻转课堂等教学模式的解决方案。

1.2 高校智慧教室的形态

目前，高校智慧教室形态一般可以分为：常规智慧教室、研讨型智慧教室、会议型智慧教室。

(1)常规智慧教室将智能硬件和软件系统等整合，教师不仅可以进行大、小屏互动，摆脱讲台的束缚，还可以远程直接操控讲台上的交互设备。教学过程贯穿课前、课中、课后，为教师、学生打造了一个完整的教学生态圈。(2)研讨型智慧教室顺应教学改革发展潮流而生，采用专业教学与教学研讨相结合的方式，运用多媒体技术、交互技术等实现对学习资源的运用与共享，可以采用阅读自讲式、讨论式、启发式、专题式、案例和讲授式等多种教学方式。(3)会议型智慧教室将设备与教学、会议结合起来，既有传统智慧教室的功能，又可以通过视频会议系统实现专家讲座、同步授课、学术交流等，还可以实现与分校区及其他机构的远程教育教学功能。

2 基于物联网的高校智慧教室组成

物联网概念的兴起主要源于IBM的“智慧地球”和中国的 “感知中国”两个计划[3]。物联网应用技术的兴起离不开两个方面，一个是射频识别(RFID)技术，使用电子产品编码为每个产品提供唯一的标识。另一个是传感网技术，由若干具有通信能力和计算能力的传感器节点构成的网络。这两项技术和互联网、网络接入以及智能计算技术的飞速发展、融合、应用，促成了今天的物联网。

物联网是智慧教室建设的基本技术，智能感应是物联网最主要的特征，在智慧教室的建设中发挥重要作用。智慧教室是一个综合型的物联网共享平台，能够体现物联网的3个层次(应用层、网络层、感知层)，运用射频识别等技术，使传感设备实时感知、捕获和传递有关人、设备、资源的信息，按照约定的协议，通过可能的网络接入方式和统一的信息平台，进行信息通信和交换，实现泛在链接，从而完成对教室的高效管控和数据的存储、分析和应用，实现教室与教学的智能化管理[4]。

基于物联网的智慧教室包括：中央控制系子统、感知子系统、语音广播子系统、显示和无线投屏子系统、录播子系统、远程呼叫子系统、电子班牌子系统、无感知考勤子系统等。

2.1 中央控制子系统

中央控制子系统是智慧教室核心模块和中枢，通过它实现对教室环境内所有信息化设备或子系统的控制和管理，包括设备智能控制、教室环境智慧控制等。使用中央控制子系统，可以按课表自动开关、一卡通刷卡开关、本地操作，也可实现远程对教室教学设备集中控制、状态监测、信号切换，完成设备状态管理、报警等实用功能。同时也是教室环境中各类装备、课堂活动情境大数据的汇聚点和中转站，将教学设备和教学活动大数据推送给智慧教学环境管理控制中心。

2.2 感知子系统

智慧教室通过物联网感知系统的相关设备，对教室内环境各种设备或系统的数据信息进行采集，并汇聚到教学环境管理控制中心，实现对教室各类设备及灯光、空调进行远程控制管理，同时，结合教室内照度、温度情况能够自动调节教室内灯光亮度及教室内温度。

2.3 语音广播子系统

语音广播子系统包括拾音设备、调音放大设备、回放设备等。采用广泛使用的TCP/IP网络技术，将音频信号以标准IP包形式在校园网进行传送，使用的是纯数字传输的双向音频扩声系统，并解决了传统广播与对讲中存在的音质不佳、维护管理复杂、缺乏互动性等问题。

2.4 显示和无线投屏子系统

显示子系统包括激光投影机、一体机、电子白板等显示设备，满足教学PPT等多媒体资料的显示和教学互动的需要。无线投屏系统作为智能交互的有机组成部分，支持WINDOWS，ANDROID和IOS等环境，使师生之间、学生之间互动更为便捷，资源交流与获取更高效简单。

2.5 录播子系统和远程呼叫子系统

(1)录播子系统：教室采用分布式、高清编码的录播子系统，录播子系统组成包括录播主机、录播主机系统软件、拾音麦克风、高清摄像机组成，可对教学全过程进行直播或者录播。

(2)远程呼叫子系统：远程呼叫求助是解决教学现场技术支持的手段之一，当教室设备发生问题需要管理控制中心处理，教师可利用教室内IP电话呼叫主控室的管理人员。

2.6 电子班牌子系统和无感知考勤系统

(1)电子班牌系统：是校园宣传、沟通互动的平台，主要功能包括：教室名称、时钟系统、实时天气、课程安排、班级实时情况、实时新闻、学校情况、教学状况、专业知识、讲座等。

(2)无感知考勤系统：通过高清摄像头进行无感知人脸采集，生成教师和学生的考勤数据和轨迹数据，即可轻松实现无感知考勤，且摄像头可以同时抓拍多张人脸，提高考勤的效率。

3 大数据技术在高校智慧教室中的应用

物联网是数据采集来源的重要途径，云计算为数据的存储和访问提供了渠道，大数据技术则为决策支持和数据应用提供有效的帮助，因此，也成为必然的发展趋势。大数据具有5个技术特点：容量大、种类多、速度快、准确性、价值密度低。即5V：Volume，Variety，Velocity，Veracity，Value。大数据技术具有众多类型的数据库、大量非结构化数据和半结构化数据中快速处理、分析和获取有价值信息的能力。在智慧教室的建设与应用过程中，利用大数据技术对数据进行处理分析，能够为学校教学、管理等方面提供精准有效的数据支持。

3.1 数据统计分析

智慧教室的大数据分析需要有丰富的数据源支撑，分别是智能控制及数据采集平台、混合式教学及数据采集平台、音频信息采集平台、视频信息采集平台、教学评价系统、教师行为定位系统等。通过多维度的数据采集，形成全流程数据源的大数据统计分析系统，提供更加精准的预测与分析结果。

智慧教室的教学大数据的教学行为模型可以为管理者、教师提供不同功能的决策依据。管理者快速了解所关心的整体教学数据变化，并提供决策辅助建议，能更好地掌控全局，运筹帷幄。教师通过个人画像和课堂教学数据了解自身教学效果和课堂反馈提供渠道，能快速了解所带学生、相关课程、课堂等方面数据，便于教师调整教学模式，不断优化课堂。智慧教室的大数据教学行为模型如表1所示。

表1 智慧教室的大数据教学行为模型

3.2 数据可视化

系统可对教室总数、使用教室、空闲教室、教室使用率、设备数量、设备日常使用率、设备故障率等数据进行统计，并通过图形展示出来，整合课堂可量化行为数据和主观行为数据，如：多媒体使用次数、学生回答问题次数、教师走下讲台频次，对此类与教学质量监测相关度较高的数据进行收集和分析，最终输出可视化图表，在监控中心大屏展示，方便学校领导、督导巡视员等能直观地查看教学过程。

4 高校智慧教室的“智慧”体现

高校智慧教室的生态环境不仅包括智能终端、基础设施等硬件环境，还包括应用系统、学习空间等软件环境[5]。打造智慧的教育环境，满足信息化环境下教学教研和学习活动需要，高校智慧教室需要实现智慧的教学、管理和决策。

4.1 智慧的“教学”

智慧教室面向授课教师提供一键式操作的教学设备使用界面，建立以学生为中心的智慧教学云平台，支持教师灵活的开展讲授式教学、混合式教学、翻转课堂、跨校区实时互动课堂等创新型的教学模式，教学活动贯穿课前、课中、课后全过程。智慧教学云平台系统，集成微信验证等统一身份认证，解决教学过程中遇到的问题，为师生的教学活动提供支撑，支持学生通过手机、平板、笔记本等终端即时提交对教师发起问题的回答，支持学生在线完成作业、获取答疑辅导等，完整地记录学生的学习过程数据，支持学习报表的动态生成与可视化呈现，从而达到智慧教学的效果。

4.2 智慧的“管理”

智慧教室中央控制系统实现了对智慧教室的设备、环境、业务系统等进行统一的智能管理、运维管理，将校园中的智慧教室连接在一起，教室管理人员可以通过系统对各种智慧教室进行使用日常管理，通过“物联感知”将教室中智能装备的使用、运行、管理、控制等的信息数据汇聚到控制中心，对教学环境及装备进行智能化管控，并能实时课表联动、更新设备档案、教学环境档案、运行日志和智能分析等，还可以巡视所有智慧教室，实现诸如教学现场监控、考场电子巡视等教学需求。

4.3 智慧的“决策”

在智慧教室对教学过程的智能化支持和对教学装备的智能化管控，服务课堂互动教学活动的开展，并通过大数据技术得出结论来进行相关决策。通过采集、分析教学云平台和教室中的教学行为等相关数据，准确地了解师生教学状况，智能化地进行教学过程的分析与诊断。同时，通过分析智慧教室中的智能设备，得出各类智慧教室的利用率、各类智能设备的利用率、故障率等情况，为管理者提供评价依据与决策建议。

5 结语

基于物联网和大数据的智慧教室是集智慧教学、数据分析、设备管理、人员考勤、环境智慧调节、视频监控及远程控制等于一体的新型教学环境，智慧教室的应用要立足于高校的需求，依托物联网、大数据、人工智能等技术，改善和提升高校的教学环境。因此，建设更多的智慧教室是高校校园信息化建设的重要工作，将进一步提升高校综合实力，促进我国教育现代化进程。