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)；云計算；信息技術(shù)

中圖分類號：TP39文獻標(biāo)志碼：A

0 引言

中央網(wǎng)絡(luò)安全和信息化委員會印發(fā)的《“十四五”國家信息化規(guī)劃》中，在十項重大任務(wù)的第八項“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］，教育信息化開始進入教育信息化3.0時代。為此，廣州醫(yī)科大學(xué)在學(xué)?！笆奈濉币?guī)劃中亦明確提出：推進智慧校園建設(shè)，加強大數(shù)據(jù)、云計算、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］?！爸腔劢淌摇钡慕虒W(xué)過程實現(xiàn)了多屏互動、能效管理、智能點名、數(shù)據(jù)自動采集等功能，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)實驗環(huán)境，進一步推動信息技術(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”和中國的“感知中國”兩個計劃［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，實現(xiàn)對智慧課室中各種設(shè)備的集中管控。通過自動檢測各設(shè)備運行狀況，使設(shè)備狀態(tài)一目了然，為管理人員維護設(shè)備提供便利；通過對溫度、濕度、光線等的實時監(jiān)測，可對課室內(nèi)的空調(diào)、燈光、窗簾等進行實時調(diào)控，為師生營造更加人性化的教學(xué)環(huán)境。

1.2 云計算技術(shù)

云計算技術(shù)為優(yōu)質(zhì)教育資源的建設(shè)與共享提供了保障。云計算解決了大量優(yōu)質(zhì)教育資源安全、穩(wěn)定地存儲及備份，同時解決了教學(xué)資源的跨平臺訪問，保障了教育資源的共享。同時，師生可隨時隨地享受到云計算打造的云學(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，將由智能網(wǎng)絡(luò)、最先進的計算技術(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人臉識別攝像頭，可實現(xiàn)精準(zhǔn)識別學(xué)生，統(tǒng)計教室人員數(shù)量，用戶無感式智能考勤。同時，通過實時抓取的學(xué)生臉部表情、動作等提煉情緒特征，使教師可及時掌握學(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 互動需求

傳統(tǒng)課堂教學(xué)更多的是單方向的知識灌輸，缺乏雙向的互動，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)實現(xiàn)生機交互、師生交互、生生交互。教師可在課前準(zhǔn)備問題，課中隨時出題，及時了解每個學(xué)生對各個知識點的掌握程度，以便教師根據(jù)課堂情況及時調(diào)整教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)方法，并可隨時進行教學(xué)評價。學(xué)生可通過計算機或手持設(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、電動幕、音箱、麥克、信號屏蔽器，擴展控制燈光、風(fēng)扇、電動窗簾、空調(diào)等強電設(shè)備；智慧教室整套系統(tǒng)設(shè)備應(yīng)用智能，操作簡潔，使得課室管理人員易于操作及后期設(shè)備維護。

2.3 課堂自動錄播需求

教師通過簡單的操作，即可實現(xiàn)教學(xué)全過程錄制與實時播放，便于學(xué)生課前、課中、課后隨時學(xué)習(xí)；教師可以根據(jù)自己的課堂設(shè)計把錄播內(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重點、難點進行探討等功能。

2.4 教室環(huán)境設(shè)計需求

智慧教室應(yīng)通過現(xiàn)代教育技術(shù)創(chuàng)新教室設(shè)計，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)計不同形狀及類型的桌椅，課桌椅能夠任意移動，只需進行簡單的拼接就可以“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)用場景的不同，智慧教室可實現(xiàn)在線教學(xué)、課程點播、教學(xué)質(zhì)量評價、教學(xué)督導(dǎo)、輔助學(xué)生管理等不同的需求。

3 實現(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：推進智慧校園建設(shè)，加強大數(shù)據(jù)、云計算、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)生對實踐操作、主動探索、知識識記等的實際需求［9］。

智慧教室主要分講授型和研討型兩種。學(xué)校在建設(shè)智慧教室時更注重場景化、互動性、可擴展性、數(shù)據(jù)統(tǒng)計與質(zhì)量評估，可根據(jù)不同的目的、任務(wù)設(shè)計建設(shè)不同的智慧教室，力爭一室多用，以滿足日常教學(xué)、線上教學(xué)、線上線下混合教學(xué)、會議、自由討論、社團活動等不同應(yīng)用場景的需求。

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)、互動教學(xué)系統(tǒng)、教學(xué)云平臺、視頻會議、錄播管理軟件、電子白板軟件等。

3.2.2 計算機設(shè)備

計算機設(shè)備包括智能控制中心主機、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、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、高清攝像機、調(diào)音臺、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、學(xué)生定位分析儀等。

3.2.6 空間家具

空間家具包括移動講臺、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)計分析

通過對智慧課室的教學(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)生對課程學(xué)習(xí)內(nèi)容及知識點的查漏補缺，同時也為管理者提供教學(xué)評價及輔助決策依據(jù)。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計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、互動教學(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)分析進行設(shè)計，如圖2所示。

3.3.1 教師角色

針對課前導(dǎo)學(xué)、課堂互動及課后作業(yè)的數(shù)據(jù)，對課時、課程等進行分析，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、觀看媒體演示時長）、正確率、知識點掌握、教學(xué)目標(biāo)達成等。

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，也可以通過成績分析了解自己在課程中的學(xué)習(xí)變化數(shù)據(jù)及知識點掌握情況。

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)、訪問時長、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)管理員可以對校區(qū)、學(xué)院、系別、教師、課程、師生用戶等內(nèi)容進行管理。

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)、會議與答辯、遠(yuǎn)程教學(xué)等。

3.4.2 研討互動型智慧教室

研討互動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)互動教學(xué)等。

3.4.3 會議報告型智慧教室

會議報告型智慧教室主要支持講座、報告、項目答辯，也能支持現(xiàn)場直播、視頻會議等。

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，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