柯家海

(廣州醫(yī)科大學信息與現(xiàn)代教育技術(shù)中心，廣東 廣州 511436)

0 引言

計算機技術(shù)以及智能化技術(shù)的迅猛發(fā)展，已經(jīng)影響到人們生活的方方面面，改變了人們的生活習慣，還引發(fā)了高校智慧教室等支撐環(huán)境建設(shè)的變革。智慧教室等智能環(huán)境的建設(shè)改變了教與學的方式，并已經(jīng)開始深入影響到教育的理念[1]。以物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等新興技術(shù)為基礎(chǔ)，依托各類智能設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)，開展以學習者為中心的智能化教學支持環(huán)境建設(shè)，探索泛在、靈活、智能的教育教學新環(huán)境建設(shè)與應(yīng)用模式，是《教育信息化2.0行動計劃》的要求，也是新時代高校智慧教室建設(shè)發(fā)展的趨勢。

1 高校智慧教室建設(shè)的現(xiàn)狀

高校作為推進教育信息化的主體，其自身的信息化水平已經(jīng)成為衡量高校教學和科研綜合實力以及現(xiàn)代化水平的重要指標，而高校智慧教室等教學環(huán)境的建設(shè)也是高校信息化水平的重要組成部分，是推進教育信息化發(fā)展、推進“互聯(lián)網(wǎng)+教育”具體實施的必然選擇。

1.1 存在的問題

現(xiàn)階段，教學的主要場所是教室，教室的裝備管理及與之匹配的教學模式是學校信息化發(fā)展到一定階段的內(nèi)在訴求，很多高校的智慧教室建設(shè)存在如下問題：(1)沒有形成統(tǒng)一、有效的管理平臺，智能設(shè)備集成度不高，無法智能聯(lián)動和遠程控制。(2)缺少有效的教學云平臺，導(dǎo)致教與學資源體系分散，交互教學手段少，教學過程數(shù)據(jù)缺失。(3)缺乏維護管理系統(tǒng)，運維工作費時、費力，且效率低下。

為解決相關(guān)問題，各地高校紛紛圍繞《教育信息化2.0行動計劃》開展各類智慧教室建設(shè)，如華南理工大學、四川大學、華南師范大學等高校均已完成相當數(shù)量的智慧教室建設(shè)，并且還在不斷深化和改造中[2]。同時，很多高校也在不斷探索基于智慧教室的模式創(chuàng)新，將技術(shù)與教學深度融合，提供支撐探究式教學、混合式教學和翻轉(zhuǎn)課堂等教學模式的解決方案。

1.2 高校智慧教室的形態(tài)

目前，高校智慧教室形態(tài)一般可以分為：常規(guī)智慧教室、研討型智慧教室、會議型智慧教室。

(1)常規(guī)智慧教室將智能硬件和軟件系統(tǒng)等整合，教師不僅可以進行大、小屏互動，擺脫講臺的束縛，還可以遠程直接操控講臺上的交互設(shè)備。教學過程貫穿課前、課中、課后，為教師、學生打造了一個完整的教學生態(tài)圈。(2)研討型智慧教室順應(yīng)教學改革發(fā)展潮流而生，采用專業(yè)教學與教學研討相結(jié)合的方式，運用多媒體技術(shù)、交互技術(shù)等實現(xiàn)對學習資源的運用與共享，可以采用閱讀自講式、討論式、啟發(fā)式、專題式、案例和講授式等多種教學方式。(3)會議型智慧教室將設(shè)備與教學、會議結(jié)合起來，既有傳統(tǒng)智慧教室的功能，又可以通過視頻會議系統(tǒng)實現(xiàn)專家講座、同步授課、學術(shù)交流等，還可以實現(xiàn)與分校區(qū)及其他機構(gòu)的遠程教育教學功能。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)的高校智慧教室組成

物聯(lián)網(wǎng)概念的興起主要源于IBM的“智慧地球”和中國的 “感知中國”兩個計劃[3]。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)的興起離不開兩個方面，一個是射頻識別(RFID)技術(shù)，使用電子產(chǎn)品編碼為每個產(chǎn)品提供唯一的標識。另一個是傳感網(wǎng)技術(shù)，由若干具有通信能力和計算能力的傳感器節(jié)點構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)。這兩項技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)接入以及智能計算技術(shù)的飛速發(fā)展、融合、應(yīng)用，促成了今天的物聯(lián)網(wǎng)。

物聯(lián)網(wǎng)是智慧教室建設(shè)的基本技術(shù)，智能感應(yīng)是物聯(lián)網(wǎng)最主要的特征，在智慧教室的建設(shè)中發(fā)揮重要作用。智慧教室是一個綜合型的物聯(lián)網(wǎng)共享平臺，能夠體現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的3個層次(應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、感知層)，運用射頻識別等技術(shù)，使傳感設(shè)備實時感知、捕獲和傳遞有關(guān)人、設(shè)備、資源的信息，按照約定的協(xié)議，通過可能的網(wǎng)絡(luò)接入方式和統(tǒng)一的信息平臺，進行信息通信和交換，實現(xiàn)泛在鏈接，從而完成對教室的高效管控和數(shù)據(jù)的存儲、分析和應(yīng)用，實現(xiàn)教室與教學的智能化管理[4]。

基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧教室包括：中央控制系子統(tǒng)、感知子系統(tǒng)、語音廣播子系統(tǒng)、顯示和無線投屏子系統(tǒng)、錄播子系統(tǒng)、遠程呼叫子系統(tǒng)、電子班牌子系統(tǒng)、無感知考勤子系統(tǒng)等。

2.1 中央控制子系統(tǒng)

中央控制子系統(tǒng)是智慧教室核心模塊和中樞，通過它實現(xiàn)對教室環(huán)境內(nèi)所有信息化設(shè)備或子系統(tǒng)的控制和管理，包括設(shè)備智能控制、教室環(huán)境智慧控制等。使用中央控制子系統(tǒng)，可以按課表自動開關(guān)、一卡通刷卡開關(guān)、本地操作，也可實現(xiàn)遠程對教室教學設(shè)備集中控制、狀態(tài)監(jiān)測、信號切換，完成設(shè)備狀態(tài)管理、報警等實用功能。同時也是教室環(huán)境中各類裝備、課堂活動情境大數(shù)據(jù)的匯聚點和中轉(zhuǎn)站，將教學設(shè)備和教學活動大數(shù)據(jù)推送給智慧教學環(huán)境管理控制中心。

2.2 感知子系統(tǒng)

智慧教室通過物聯(lián)網(wǎng)感知系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)備，對教室內(nèi)環(huán)境各種設(shè)備或系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息進行采集，并匯聚到教學環(huán)境管理控制中心，實現(xiàn)對教室各類設(shè)備及燈光、空調(diào)進行遠程控制管理，同時，結(jié)合教室內(nèi)照度、溫度情況能夠自動調(diào)節(jié)教室內(nèi)燈光亮度及教室內(nèi)溫度。

2.3 語音廣播子系統(tǒng)

語音廣播子系統(tǒng)包括拾音設(shè)備、調(diào)音放大設(shè)備、回放設(shè)備等。采用廣泛使用的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將音頻信號以標準IP包形式在校園網(wǎng)進行傳送，使用的是純數(shù)字傳輸?shù)碾p向音頻擴聲系統(tǒng)，并解決了傳統(tǒng)廣播與對講中存在的音質(zhì)不佳、維護管理復(fù)雜、缺乏互動性等問題。

2.4 顯示和無線投屏子系統(tǒng)

顯示子系統(tǒng)包括激光投影機、一體機、電子白板等顯示設(shè)備，滿足教學PPT等多媒體資料的顯示和教學互動的需要。無線投屏系統(tǒng)作為智能交互的有機組成部分，支持WINDOWS，ANDROID和IOS等環(huán)境，使師生之間、學生之間互動更為便捷，資源交流與獲取更高效簡單。

2.5 錄播子系統(tǒng)和遠程呼叫子系統(tǒng)

(1)錄播子系統(tǒng)：教室采用分布式、高清編碼的錄播子系統(tǒng)，錄播子系統(tǒng)組成包括錄播主機、錄播主機系統(tǒng)軟件、拾音麥克風、高清攝像機組成，可對教學全過程進行直播或者錄播。

(2)遠程呼叫子系統(tǒng)：遠程呼叫求助是解決教學現(xiàn)場技術(shù)支持的手段之一，當教室設(shè)備發(fā)生問題需要管理控制中心處理，教師可利用教室內(nèi)IP電話呼叫主控室的管理人員。

2.6 電子班牌子系統(tǒng)和無感知考勤系統(tǒng)

(1)電子班牌系統(tǒng)：是校園宣傳、溝通互動的平臺，主要功能包括：教室名稱、時鐘系統(tǒng)、實時天氣、課程安排、班級實時情況、實時新聞、學校情況、教學狀況、專業(yè)知識、講座等。

(2)無感知考勤系統(tǒng)：通過高清攝像頭進行無感知人臉采集，生成教師和學生的考勤數(shù)據(jù)和軌跡數(shù)據(jù)，即可輕松實現(xiàn)無感知考勤，且攝像頭可以同時抓拍多張人臉，提高考勤的效率。

3 大數(shù)據(jù)技術(shù)在高校智慧教室中的應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)是數(shù)據(jù)采集來源的重要途徑，云計算為數(shù)據(jù)的存儲和訪問提供了渠道，大數(shù)據(jù)技術(shù)則為決策支持和數(shù)據(jù)應(yīng)用提供有效的幫助，因此，也成為必然的發(fā)展趨勢。大數(shù)據(jù)具有5個技術(shù)特點：容量大、種類多、速度快、準確性、價值密度低。即5V：Volume，Variety，Velocity，Veracity，Value。大數(shù)據(jù)技術(shù)具有眾多類型的數(shù)據(jù)庫、大量非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)中快速處理、分析和獲取有價值信息的能力。在智慧教室的建設(shè)與應(yīng)用過程中，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)對數(shù)據(jù)進行處理分析，能夠為學校教學、管理等方面提供精準有效的數(shù)據(jù)支持。

3.1 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

智慧教室的大數(shù)據(jù)分析需要有豐富的數(shù)據(jù)源支撐，分別是智能控制及數(shù)據(jù)采集平臺、混合式教學及數(shù)據(jù)采集平臺、音頻信息采集平臺、視頻信息采集平臺、教學評價系統(tǒng)、教師行為定位系統(tǒng)等。通過多維度的數(shù)據(jù)采集，形成全流程數(shù)據(jù)源的大數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析系統(tǒng)，提供更加精準的預(yù)測與分析結(jié)果。

智慧教室的教學大數(shù)據(jù)的教學行為模型可以為管理者、教師提供不同功能的決策依據(jù)。管理者快速了解所關(guān)心的整體教學數(shù)據(jù)變化，并提供決策輔助建議，能更好地掌控全局，運籌帷幄。教師通過個人畫像和課堂教學數(shù)據(jù)了解自身教學效果和課堂反饋提供渠道，能快速了解所帶學生、相關(guān)課程、課堂等方面數(shù)據(jù)，便于教師調(diào)整教學模式，不斷優(yōu)化課堂。智慧教室的大數(shù)據(jù)教學行為模型如表1所示。

表1 智慧教室的大數(shù)據(jù)教學行為模型

3.2 數(shù)據(jù)可視化

系統(tǒng)可對教室總數(shù)、使用教室、空閑教室、教室使用率、設(shè)備數(shù)量、設(shè)備日常使用率、設(shè)備故障率等數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，并通過圖形展示出來，整合課堂可量化行為數(shù)據(jù)和主觀行為數(shù)據(jù)，如：多媒體使用次數(shù)、學生回答問題次數(shù)、教師走下講臺頻次，對此類與教學質(zhì)量監(jiān)測相關(guān)度較高的數(shù)據(jù)進行收集和分析，最終輸出可視化圖表，在監(jiān)控中心大屏展示，方便學校領(lǐng)導(dǎo)、督導(dǎo)巡視員等能直觀地查看教學過程。

4 高校智慧教室的“智慧”體現(xiàn)

高校智慧教室的生態(tài)環(huán)境不僅包括智能終端、基礎(chǔ)設(shè)施等硬件環(huán)境，還包括應(yīng)用系統(tǒng)、學習空間等軟件環(huán)境[5]。打造智慧的教育環(huán)境，滿足信息化環(huán)境下教學教研和學習活動需要，高校智慧教室需要實現(xiàn)智慧的教學、管理和決策。

4.1 智慧的“教學”

智慧教室面向授課教師提供一鍵式操作的教學設(shè)備使用界面，建立以學生為中心的智慧教學云平臺，支持教師靈活的開展講授式教學、混合式教學、翻轉(zhuǎn)課堂、跨校區(qū)實時互動課堂等創(chuàng)新型的教學模式，教學活動貫穿課前、課中、課后全過程。智慧教學云平臺系統(tǒng)，集成微信驗證等統(tǒng)一身份認證，解決教學過程中遇到的問題，為師生的教學活動提供支撐，支持學生通過手機、平板、筆記本等終端即時提交對教師發(fā)起問題的回答，支持學生在線完成作業(yè)、獲取答疑輔導(dǎo)等，完整地記錄學生的學習過程數(shù)據(jù)，支持學習報表的動態(tài)生成與可視化呈現(xiàn)，從而達到智慧教學的效果。

4.2 智慧的“管理”

智慧教室中央控制系統(tǒng)實現(xiàn)了對智慧教室的設(shè)備、環(huán)境、業(yè)務(wù)系統(tǒng)等進行統(tǒng)一的智能管理、運維管理，將校園中的智慧教室連接在一起，教室管理人員可以通過系統(tǒng)對各種智慧教室進行使用日常管理，通過“物聯(lián)感知”將教室中智能裝備的使用、運行、管理、控制等的信息數(shù)據(jù)匯聚到控制中心，對教學環(huán)境及裝備進行智能化管控，并能實時課表聯(lián)動、更新設(shè)備檔案、教學環(huán)境檔案、運行日志和智能分析等，還可以巡視所有智慧教室，實現(xiàn)諸如教學現(xiàn)場監(jiān)控、考場電子巡視等教學需求。

4.3 智慧的“決策”

在智慧教室對教學過程的智能化支持和對教學裝備的智能化管控，服務(wù)課堂互動教學活動的開展，并通過大數(shù)據(jù)技術(shù)得出結(jié)論來進行相關(guān)決策。通過采集、分析教學云平臺和教室中的教學行為等相關(guān)數(shù)據(jù)，準確地了解師生教學狀況，智能化地進行教學過程的分析與診斷。同時，通過分析智慧教室中的智能設(shè)備，得出各類智慧教室的利用率、各類智能設(shè)備的利用率、故障率等情況，為管理者提供評價依據(jù)與決策建議。

5 結(jié)語

基于物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)的智慧教室是集智慧教學、數(shù)據(jù)分析、設(shè)備管理、人員考勤、環(huán)境智慧調(diào)節(jié)、視頻監(jiān)控及遠程控制等于一體的新型教學環(huán)境，智慧教室的應(yīng)用要立足于高校的需求，依托物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)，改善和提升高校的教學環(huán)境。因此，建設(shè)更多的智慧教室是高校校園信息化建設(shè)的重要工作，將進一步提升高校綜合實力，促進我國教育現(xiàn)代化進程。