摘要：為改善高校智慧教學(xué)環(huán)境，開展信息化教學(xué)模式和教學(xué)方式的探索，滿足未來學(xué)校教學(xué)模式、教學(xué)方法、教育內(nèi)容的變革需求，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧教室已經(jīng)成為智慧校園建設(shè)的重要組成部分。文章介紹了智慧教室的主要核心技術(shù)，分析了智慧教室的功能需求，并闡述了在廣州醫(yī)科大學(xué)智慧教室建設(shè)的具體實(shí)現(xiàn)，滿足了學(xué)校教育發(fā)展及人才培養(yǎng)的需求，為高校智慧教室建設(shè)提供了借鑒與參考。

關(guān)鍵詞：智慧教室；智慧校園；物聯(lián)網(wǎng)；大數(shù)據(jù)；云計(jì)算；信息技術(shù)

中圖分類號(hào)：TP39文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

中央網(wǎng)絡(luò)安全和信息化委員會(huì)印發(fā)的《“十四五”國(guó)家信息化規(guī)劃》中，在十項(xiàng)重大任務(wù)的第八項(xiàng)“構(gòu)建普惠便捷的數(shù)字民生保障體系”中，首次提出“開展終身數(shù)字教育”，從基礎(chǔ)設(shè)施、教學(xué)變革等方面提出具體的要求，為“十四五”教育信息化發(fā)展指明了方向。隨著教育改革的逐步深化以及互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等新興信息技術(shù)的發(fā)展，技術(shù)與教學(xué)的整合也更為深入［1］，教育信息化開始進(jìn)入教育信息化3.0時(shí)代。為此，廣州醫(yī)科大學(xué)在學(xué)校“十四五”規(guī)劃中亦明確提出：推進(jìn)智慧校園建設(shè)，加強(qiáng)大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、5G、人工智能等技術(shù)與教育信息化的融合，建設(shè)一批智慧教室。

作為一種現(xiàn)代化教學(xué)手段和新型的教育形式，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧課室集智慧教學(xué)、環(huán)境智慧調(diào)節(jié)、視頻監(jiān)控、遠(yuǎn)程控制、資產(chǎn)管理等于一體，改變了教與學(xué)的方式，并已經(jīng)開始深入影響到教育的理念［2］。“智慧教室”的教學(xué)過程實(shí)現(xiàn)了多屏互動(dòng)、能效管理、智能點(diǎn)名、數(shù)據(jù)自動(dòng)采集等功能，利用信息技術(shù)提高教學(xué)效果，為開展信息化教學(xué)模式和教學(xué)方式的探索提供了積極有效的教學(xué)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，進(jìn)一步推動(dòng)信息技術(shù)與教育深度融合，“智慧教室”成了智慧校園建設(shè)的重要組成部分，能夠更好地推動(dòng)智慧校園的建設(shè)［3］。

本文介紹了智慧教室的主要核心技術(shù)，分析了智慧教室的功能需求，并闡述了在廣州醫(yī)科大學(xué)教室建設(shè)中的具體實(shí)現(xiàn)，以滿足現(xiàn)今以及未來十年內(nèi)高校人才培養(yǎng)及教育發(fā)展的需求，滿足未來學(xué)校教學(xué)模式、教學(xué)方法、教育內(nèi)容的變革，滿足與學(xué)校已有數(shù)據(jù)、資源、應(yīng)用的無縫集成。

1 核心技術(shù)

智慧教室是基于物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、泛在網(wǎng)絡(luò)以及人工智能等信息技術(shù)的智能化教學(xué)環(huán)境［4］。

1.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)概念的興起主要源于IBM的“智慧地球”和中國(guó)的“感知中國(guó)”兩個(gè)計(jì)劃［5］。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 ［6］。通過傳感器技術(shù)、RFID、嵌入式系統(tǒng)技術(shù)等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，搭建課室智能管控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)智慧課室中各種設(shè)備的集中管控。通過自動(dòng)檢測(cè)各設(shè)備運(yùn)行狀況，使設(shè)備狀態(tài)一目了然，為管理人員維護(hù)設(shè)備提供便利；通過對(duì)溫度、濕度、光線等的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可對(duì)課室內(nèi)的空調(diào)、燈光、窗簾等進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)控，為師生營(yíng)造更加人性化的教學(xué)環(huán)境。

1.2 云計(jì)算技術(shù)

云計(jì)算技術(shù)為優(yōu)質(zhì)教育資源的建設(shè)與共享提供了保障。云計(jì)算解決了大量?jī)?yōu)質(zhì)教育資源安全、穩(wěn)定地存儲(chǔ)及備份，同時(shí)解決了教學(xué)資源的跨平臺(tái)訪問，保障了教育資源的共享。同時(shí)，師生可隨時(shí)隨地享受到云計(jì)算打造的云學(xué)習(xí)環(huán)境上的各種學(xué)習(xí)服務(wù)。

1.3 泛在網(wǎng)絡(luò)

泛在網(wǎng)絡(luò)指無所不在的網(wǎng)絡(luò)社會(huì)，將由智能網(wǎng)絡(luò)、最先進(jìn)的計(jì)算技術(shù)以及其他領(lǐng)先的數(shù)字技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施武裝而成的技術(shù)社會(huì)形態(tài)［7］。從網(wǎng)絡(luò)技術(shù)上，泛在網(wǎng)絡(luò)是通信網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)的高度協(xié)同和融合 ［8］，是智慧教育體系全面連通、無縫訪問的基礎(chǔ)。在智慧教室中，泛在網(wǎng)絡(luò)主要包括智能終端、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層3個(gè)部分。

1.4 人工智能技術(shù)

在智慧課室建設(shè)中，通過全方位AI人臉識(shí)別攝像頭，可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)識(shí)別學(xué)生，統(tǒng)計(jì)教室人員數(shù)量，用戶無感式智能考勤。同時(shí)，通過實(shí)時(shí)抓取的學(xué)生臉部表情、動(dòng)作等提煉情緒特征，使教師可及時(shí)掌握學(xué)生上課情緒并做出相應(yīng)的教學(xué)策略調(diào)整，助力提升教學(xué)質(zhì)量。

2 功能需求

2.1 互動(dòng)需求

傳統(tǒng)課堂教學(xué)更多的是單方向的知識(shí)灌輸，缺乏雙向的互動(dòng)，智慧教室就是要打破這一禁錮，建立數(shù)據(jù)的雙向流通。為解決在傳統(tǒng)課室中的師生課堂互動(dòng)手段匱乏、學(xué)生課堂參與度低、研討組織效率低、課堂數(shù)據(jù)無記錄、成果無保留等問題，智慧教室應(yīng)實(shí)現(xiàn)生機(jī)交互、師生交互、生生交互。教師可在課前準(zhǔn)備問題，課中隨時(shí)出題，及時(shí)了解每個(gè)學(xué)生對(duì)各個(gè)知識(shí)點(diǎn)的掌握程度，以便教師根據(jù)課堂情況及時(shí)調(diào)整教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)方法，并可隨時(shí)進(jìn)行教學(xué)評(píng)價(jià)。學(xué)生可通過計(jì)算機(jī)或手持設(shè)備給予反饋，上課期間可以隨堂表決等。

2.2 物聯(lián)網(wǎng)智能控制與運(yùn)維需求

智慧教室需支持智能集控物聯(lián)功能，可控制電腦、教學(xué)大屏、投影機(jī)、電動(dòng)幕、音箱、麥克、信號(hào)屏蔽器，擴(kuò)展控制燈光、風(fēng)扇、電動(dòng)窗簾、空調(diào)等強(qiáng)電設(shè)備；智慧教室整套系統(tǒng)設(shè)備應(yīng)用智能，操作簡(jiǎn)潔，使得課室管理人員易于操作及后期設(shè)備維護(hù)。

2.3 課堂自動(dòng)錄播需求

教師通過簡(jiǎn)單的操作，即可實(shí)現(xiàn)教學(xué)全過程錄制與實(shí)時(shí)播放，便于學(xué)生課前、課中、課后隨時(shí)學(xué)習(xí)；教師可以根據(jù)自己的課堂設(shè)計(jì)把錄播內(nèi)容發(fā)給學(xué)生課前學(xué)習(xí)，以便學(xué)生在課堂上能夠針對(duì)重點(diǎn)、難點(diǎn)進(jìn)行探討等功能。

2.4 教室環(huán)境設(shè)計(jì)需求

智慧教室應(yīng)通過現(xiàn)代教育技術(shù)創(chuàng)新教室設(shè)計(jì)，為師生提供輕松舒適的學(xué)習(xí)環(huán)境，通過環(huán)境建設(shè)促進(jìn)教學(xué)模式創(chuàng)新，激發(fā)學(xué)生課堂參與積極性。高?？筛鶕?jù)不同需要設(shè)計(jì)不同形狀及類型的桌椅，課桌椅能夠任意移動(dòng)，只需進(jìn)行簡(jiǎn)單的拼接就可以“變形”，滿足高校不同形式的課堂討論需求。

2.5 應(yīng)用需求

按照應(yīng)用場(chǎng)景的不同，智慧教室可實(shí)現(xiàn)在線教學(xué)、課程點(diǎn)播、教學(xué)質(zhì)量評(píng)價(jià)、教學(xué)督導(dǎo)、輔助學(xué)生管理等不同的需求。

3 實(shí)現(xiàn)與成效

廣州醫(yī)科大學(xué)在學(xué)?！笆奈濉币?guī)劃中明確提出：推進(jìn)智慧校園建設(shè)，加強(qiáng)大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、5G、人工智能等技術(shù)與教育信息化的融合，建設(shè)一批智慧教室。智慧教室可滿足醫(yī)學(xué)生對(duì)實(shí)踐操作、主動(dòng)探索、知識(shí)識(shí)記等的實(shí)際需求［9］。

智慧教室主要分講授型和研討型兩種。學(xué)校在建設(shè)智慧教室時(shí)更注重場(chǎng)景化、互動(dòng)性、可擴(kuò)展性、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與質(zhì)量評(píng)估，可根據(jù)不同的目的、任務(wù)設(shè)計(jì)建設(shè)不同的智慧教室，力爭(zhēng)一室多用，以滿足日常教學(xué)、線上教學(xué)、線上線下混合教學(xué)、會(huì)議、自由討論、社團(tuán)活動(dòng)等不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。

3.1 整體系統(tǒng)拓?fù)?/p>

整體系統(tǒng)拓?fù)湓O(shè)計(jì)如圖1所示。

3.2 智慧課室建設(shè)的主要內(nèi)容

3.2.1 應(yīng)用軟件系統(tǒng)

應(yīng)用軟件系統(tǒng)包括智慧課室中控管理系統(tǒng)、分組研討系統(tǒng)、互動(dòng)教學(xué)系統(tǒng)、教學(xué)云平臺(tái)、視頻會(huì)議、錄播管理軟件、電子白板軟件等。

3.2.2 計(jì)算機(jī)設(shè)備

計(jì)算機(jī)設(shè)備包括智能控制中心主機(jī)、視頻處理器、教學(xué)工作站等。

3.2.3 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備

網(wǎng)絡(luò)設(shè)備包括路由器、交換機(jī)、無線AP等。

3.2.4 輸入輸出設(shè)備

輸入輸出設(shè)備包括錄播主機(jī)、高清攝像機(jī)、調(diào)音臺(tái)、無線話筒、功放、交互式智能平板等。

3.2.5 其他專業(yè)設(shè)備

其他專業(yè)設(shè)備包括溫濕度傳感器、空調(diào)物聯(lián)終端、電子班牌、窗簾控制繼電器、窗簾電機(jī)、學(xué)生定位分析儀等。

3.2.6 空間家具

空間家具包括移動(dòng)講臺(tái)、學(xué)生拼接桌椅、定制黑板白板書寫墻等。

3.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

通過對(duì)智慧課室的教學(xué)數(shù)據(jù)分析，可以為教師、學(xué)生提供預(yù)測(cè)與分析結(jié)果，便于教師調(diào)整教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)模式，方便學(xué)生對(duì)課程學(xué)習(xí)內(nèi)容及知識(shí)點(diǎn)的查漏補(bǔ)缺，同時(shí)也為管理者提供教學(xué)評(píng)價(jià)及輔助決策依據(jù)。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析需要多維度的數(shù)據(jù)源支撐，包括智能中控系統(tǒng)、音視頻信息采集平臺(tái)、互動(dòng)教學(xué)系統(tǒng)等。功能模塊設(shè)需基于教師、學(xué)生、學(xué)校管理人員等不同的角色、不同視角的數(shù)據(jù)分析進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖2所示。

3.3.1 教師角色

針對(duì)課前導(dǎo)學(xué)、課堂互動(dòng)及課后作業(yè)的數(shù)據(jù)，對(duì)課時(shí)、課程等進(jìn)行分析，具體內(nèi)容包括出勤分析、活躍度（學(xué)生回答提問的次數(shù)、黑板做題、觀看媒體演示時(shí)長(zhǎng)）、正確率、知識(shí)點(diǎn)掌握、教學(xué)目標(biāo)達(dá)成等。

3.3.2 學(xué)生角色

學(xué)生可以了解自己在課程中的整體情況，也可以通過成績(jī)分析了解自己在課程中的學(xué)習(xí)變化數(shù)據(jù)及知識(shí)點(diǎn)掌握情況。

3.3.3 學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)角色

學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)可以了解該學(xué)院的開課數(shù)量、用戶人數(shù)、訪問次數(shù)、訪問時(shí)長(zhǎng)、授課次數(shù)、課程排行等信息，也能夠了解院系排行及全校的數(shù)據(jù)信息。

3.3.4 管理員角色

系統(tǒng)管理員可以對(duì)校區(qū)、學(xué)院、系別、教師、課程、師生用戶等內(nèi)容進(jìn)行管理。

3.4 目前學(xué)校建成的3類智慧教室

3.4.1 混合型智慧教室

混合型智慧教室主要支持小組教學(xué)、PBL教學(xué)、講授型教學(xué)、會(huì)議與答辯、遠(yuǎn)程教學(xué)等。

3.4.2 研討互動(dòng)型智慧教室

研討互動(dòng)型智慧教室主要支持小組教學(xué)、PBL教學(xué)、遠(yuǎn)程教學(xué)、跨校區(qū)互動(dòng)教學(xué)等。

3.4.3 會(huì)議報(bào)告型智慧教室

會(huì)議報(bào)告型智慧教室主要支持講座、報(bào)告、項(xiàng)目答辯，也能支持現(xiàn)場(chǎng)直播、視頻會(huì)議等。

4 結(jié)語

智慧教室是高校智慧校園建設(shè)的主要內(nèi)容，本文介紹了智慧教室應(yīng)用的主要核心技術(shù)，分析了智慧教室的主要功能需求，并闡述了在廣州醫(yī)科大學(xué)教室建設(shè)中的具體實(shí)現(xiàn)，為學(xué)校應(yīng)用信息化技術(shù)開展教學(xué)模式和教學(xué)方式的探索提供了新型教學(xué)環(huán)境，同時(shí)亦為高校智慧教室建設(shè)提供了借鑒與參考。隨著新技術(shù)的迅猛發(fā)展及應(yīng)用，智慧課室建設(shè)也必將迭代升級(jí)，才能在助學(xué)、助教、助管、助研上發(fā)力，持續(xù)支撐學(xué)校教育信息化應(yīng)用模式的變革與創(chuàng)新。

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Design and implementation of intelligent classroom in universities：A case study of Guangzhou Medical University

HuangJinrong

（The Center of Information and Modern Educational Technology，Guangzhou Medical University， Guangzhou 511436， China）

Abstract：In order to improve the intelligent teaching environment in universities， carry out the exploration of information-based teaching mode and teaching methods， and meet the reform of future school teaching mode， teaching method and content， the intelligent classroom based on the Internet of Things technology has become an important part of the construction of smart campus. This paper introduces the main core technologies of intelligent classroom， analyzes the functional requirements of intelligent classroom， and expounds the design and implementation in the classroom construction of Guangzhou Medical University， which meets the needs of school education development and talent training， and provides reference for the construction of intelligent classroom in universities.

Key words： intelligent classroom; smart campus; Internet of Things; big data; cloud computing; information technology