物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下高校智慧教室建設(shè)路徑探究

丁勝和

（唐山師范學(xué)院 現(xiàn)代教育技術(shù)中心，河北 唐山 063000）

《國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020 年）》，將“加快教育信息化進(jìn)程”單設(shè)在第十九章，其中強(qiáng)調(diào)了“信息技術(shù)對(duì)教育發(fā)展具有革命性影響，必須予以高度重視。把教育信息化納入國(guó)家信息化發(fā)展整體戰(zhàn)略，超前部署教育信息網(wǎng)絡(luò)”[1]，體現(xiàn)了我國(guó)在教育信息化進(jìn)程方面的整體戰(zhàn)略和謀篇布局。十年來“提升教育質(zhì)量、促進(jìn)教育均衡、支撐終身學(xué)習(xí)”[2]成為教育信息化的歷史使命。2017 年，我國(guó)首屆智慧教育國(guó)際研討會(huì)發(fā)布《智慧教育宣言》：“智慧教育的核心是實(shí)施以發(fā)展學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)智慧、提高學(xué)習(xí)者的創(chuàng)新能力為目標(biāo)，具有創(chuàng)新性、個(gè)性化、自主性、高效性、融通性以及持續(xù)性等六大核心特征的智慧學(xué)習(xí)?！盵3]2018 年，教育部長(zhǎng)陳寶生《在新時(shí)代全國(guó)高等學(xué)校本科教育工作會(huì)議上的講話》中要求“高校要將現(xiàn)代信息技術(shù)深度融入教育教學(xué)，打造智慧學(xué)習(xí)環(huán)境，重塑教育教學(xué)形態(tài)”[4]。按照這一講話精神，我國(guó)高校在實(shí)施智慧教育目標(biāo)上，通過創(chuàng)建智慧教室（或稱智慧學(xué)習(xí)環(huán)境）和智慧教學(xué)，用課堂革命推動(dòng)教育教學(xué)的不斷變革；2020 年新冠肺炎疫情影響下，更多的線上教學(xué)使“學(xué)生獲得了前所未有的學(xué)習(xí)自主性和自我調(diào)控的空間，教師則從知識(shí)的傳輸者轉(zhuǎn)變?yōu)橹R(shí)的促進(jìn)者和評(píng)價(jià)者。而教師和學(xué)生的角色轉(zhuǎn)型恰恰體現(xiàn)了信息技術(shù)在教學(xué)中融合的核心價(jià)值[5]。

1 多媒體教室的困境

早期智慧教室基本是以多媒體教室為主、教師單機(jī)操作的、通過現(xiàn)代教育技術(shù)完成教學(xué)任務(wù)的信息化環(huán)境，其主要困境有：（1）因傳統(tǒng)教室布局受限，教學(xué)模式一般采用講授型或演示型，形式單一，教學(xué)互動(dòng)少，難以開展個(gè)性化、探究式協(xié)作學(xué)習(xí)；（2）因開啟智能終端的線上討論而產(chǎn)生大量的交流信息，缺少快速統(tǒng)計(jì)、提取和保存信息的手段，造成師生、人機(jī)交互對(duì)話中有效信息迅速被覆蓋；（3）因受網(wǎng)絡(luò)環(huán)境限制，在發(fā)展數(shù)字化校園建設(shè)過程中，如果校園無線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)不完善、覆蓋不全面或終端不穩(wěn)定，就會(huì)難以滿足師生網(wǎng)絡(luò)教學(xué)互動(dòng)和訪問學(xué)習(xí)資源，也會(huì)缺少為合作學(xué)習(xí)、線上學(xué)習(xí)等教學(xué)活動(dòng)提供良好的技術(shù)保障；（4）因缺少課程實(shí)時(shí)錄制教室，不僅難以及時(shí)采集學(xué)生學(xué)習(xí)效度數(shù)據(jù)，也容易造成校本課程教學(xué)資源的大量缺失。

2 智慧教室概念及其系統(tǒng)功能需求

智慧教室是“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)課堂交互開展，具有情境感知和管理功能的新型教室”，是“一種典型的智慧學(xué)習(xí)環(huán)境”[6]的物化，具有記錄學(xué)習(xí)過程、識(shí)別學(xué)習(xí)情景、聯(lián)接學(xué)習(xí)社群和感知物理環(huán)境四大特征[7]。在智慧教室的“SMART”概念模型中，內(nèi)容呈現(xiàn)、環(huán)境管理、資源獲取、及時(shí)互動(dòng)、情境感知五個(gè)維度正好體現(xiàn)了智慧教室的特征[6]，其中環(huán)境管理和情境感知是智慧教室裝備的共性要求。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下的高校智慧教室應(yīng)通過物聯(lián)網(wǎng)+智慧化設(shè)備+智慧化應(yīng)用體系，實(shí)現(xiàn)對(duì)各項(xiàng)教學(xué)資源的綜合感知和訪問[7]，支持教學(xué)活動(dòng)的智慧開展。

基于“SMART”概念模型，智慧教室系統(tǒng)功能需求包括軟硬件兩大方面：軟件應(yīng)用需求主要包括環(huán)境智能感知、采光智能控制、通風(fēng)智能調(diào)節(jié)、室內(nèi)智能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、門禁智能運(yùn)用、監(jiān)控管理系統(tǒng)智能兼容平臺(tái)等。硬件應(yīng)用需求包括：（1）實(shí)現(xiàn)管理和監(jiān)控所有設(shè)備、系統(tǒng)、資源的能力，如對(duì)環(huán)境信息采集與傳輸?shù)闹悄芙K端，主要包括攝像頭、教室環(huán)境監(jiān)測(cè)分析和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)硬盤等硬件設(shè)施；（2）為環(huán)境管理提供依據(jù)，如對(duì)教室溫度濕度、照明強(qiáng)度、光線色彩、氣味等參數(shù)的自動(dòng)控制功能，其中包括對(duì)教學(xué)輔助工具如電動(dòng)投影設(shè)備的開關(guān)、升降、節(jié)目源的切換等智能控制；（3）針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的集成控制系統(tǒng)[8]如開拓物聯(lián)網(wǎng)管理平臺(tái)的綜合集成，通過技術(shù)和環(huán)境的結(jié)合，在空間結(jié)構(gòu)的靈活調(diào)整、隨堂資源的實(shí)時(shí)保存、個(gè)性教學(xué)的精準(zhǔn)有效等方面做到以人為本，為師生實(shí)現(xiàn)定制信息推送和資源共享、交互方式友好高效、泛在式學(xué)習(xí)融合和個(gè)性化學(xué)習(xí)支持等提供信息化技術(shù)支持。詳見圖1。

圖1 智慧教室構(gòu)成示意圖

3 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下的智慧教室系統(tǒng)架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下的高校智慧教室管理系統(tǒng)一般分為應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、感知層。應(yīng)用層是為智慧教室提供設(shè)備監(jiān)控和故障恢復(fù)；網(wǎng)絡(luò)層的功能體現(xiàn)多媒體教室控制功能；感知層包括RFID、無線通信、傳感器、攝像頭等。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下的高校智慧教室系統(tǒng)架構(gòu)可按“數(shù)據(jù)分層、功能分布”的思路架構(gòu)，保證核心功能的多樣性和應(yīng)用的延展性，自上而下可分為終端層、應(yīng)用層、服務(wù)層、網(wǎng)絡(luò)層、基礎(chǔ)設(shè)備層等。詳見表1。

表1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下的高校智慧教室系統(tǒng)架構(gòu)

終端層的核心功能是全面連通智慧教室的多媒體工具和傳感器設(shè)備，在管理系統(tǒng)控制下實(shí)現(xiàn)高效、便捷的智能化運(yùn)行體系，創(chuàng)設(shè)全新的教學(xué)模式，并獲取和處理教育資源，從大量隱藏?cái)?shù)據(jù)中挖掘有價(jià)值的數(shù)據(jù)[9]，通過處理分析實(shí)時(shí)收錄的數(shù)據(jù)，提供智能化的個(gè)性化教育服務(wù)；應(yīng)用層為智慧教室提供應(yīng)用系統(tǒng)集成和設(shè)備遠(yuǎn)程控制，可處理已收集的感知數(shù)據(jù)，包括對(duì)錄播系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)資源、視頻網(wǎng)站、遠(yuǎn)程互動(dòng)等各類軟件系統(tǒng)數(shù)據(jù)的管理控制和整合分析；服務(wù)層通過采集和分析各類數(shù)據(jù)，為智慧教室提供信息技術(shù)和基礎(chǔ)設(shè)備支撐，利用課堂錄播系統(tǒng)記錄、收集教學(xué)過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，以便跟蹤學(xué)習(xí)過程和監(jiān)測(cè)學(xué)習(xí)結(jié)果，保障智慧教室功能正常和數(shù)據(jù)安全；網(wǎng)絡(luò)層為智慧教室提供網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和可靠傳輸保障，部署在每一間智慧教室內(nèi)，隨時(shí)隨地使用包括有線網(wǎng)絡(luò)、無線網(wǎng)絡(luò)、傳感網(wǎng)絡(luò)等物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)，并通過物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)連通各種傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施；基礎(chǔ)設(shè)備層不僅涵蓋服務(wù)于智慧教室的PC 機(jī)、服務(wù)器、大型機(jī)等多媒體設(shè)備，還包括智慧教室網(wǎng)絡(luò)中控器、攝像頭、無線訪問點(diǎn)等教學(xué)管理設(shè)備以及對(duì)室內(nèi)環(huán)境如溫度濕度、燈光、門窗等智能控制設(shè)備。

4 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下高校智慧教室建設(shè)的原則與路徑

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下高校智慧教室建設(shè)應(yīng)統(tǒng)一管理設(shè)備，建設(shè)思路應(yīng)遵循以下原則：（1）需求導(dǎo)向。遵循信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合原則，為智慧教學(xué)和智慧學(xué)習(xí)提供可靠的技術(shù)支持與環(huán)境支撐。（2）簡(jiǎn)單操作。遵循突出應(yīng)用和服務(wù)的建設(shè)理念，關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用注重方便快捷實(shí)用，保障系統(tǒng)在教與學(xué)中的流暢和安全。（3）個(gè)性服務(wù)。精準(zhǔn)數(shù)據(jù)分析是智慧教室環(huán)境區(qū)別于傳統(tǒng)教室的技術(shù)支撐，創(chuàng)設(shè)有效的教學(xué)方案，提供各類教學(xué)數(shù)據(jù)便于教師因材施教。遵循讓學(xué)生獲得定制式學(xué)習(xí)體驗(yàn)的原則，開展自主、探究、合作的教學(xué)模式，突出信息技術(shù)在教學(xué)過程中的優(yōu)勢(shì)和效果。

在設(shè)計(jì)思路上應(yīng)注意以下幾方面：（1）智能環(huán)境。智慧教室應(yīng)體現(xiàn)數(shù)字化及互動(dòng)性[7]。數(shù)字化方面可采取“物聯(lián)設(shè)備+雙屏配備+智慧監(jiān)控系統(tǒng)”的形式，支持師生獲取豐富的教學(xué)資源和便利的學(xué)習(xí)工具，也能將智慧監(jiān)控系統(tǒng)用于安全監(jiān)控以及錄制授課視頻、評(píng)估教學(xué)環(huán)節(jié)中。互動(dòng)性方面可采用“智慧拼合桌椅+教師平板+學(xué)生互動(dòng)平板”的形式，改變傳統(tǒng)教室的空間布局，根據(jù)教學(xué)模式調(diào)整座位布局，可靈活變成“秧苗式”“圓形”[6]形式便于學(xué)生或自主學(xué)習(xí)、或深入探究、或小組討論等。手持或移動(dòng)設(shè)備的靈活性能使課堂利用率大大提高，方便學(xué)生隨時(shí)組成小組協(xié)作討論。（2）智能便捷。目前，高校多校區(qū)辦學(xué)成為常態(tài)，但不同校區(qū)、不同型號(hào)、不同操作流程的設(shè)備無形中增加了教學(xué)和管理的難度。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下的智慧教室設(shè)計(jì)，應(yīng)將各校區(qū)多媒體教室的所有感知點(diǎn)統(tǒng)一連入傳感網(wǎng)絡(luò)再并入校園網(wǎng)，與排課系統(tǒng)、一卡通等系統(tǒng)互通共享，隨時(shí)獲取各個(gè)教室的設(shè)備感知情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)多校區(qū)教室的全面感知，及時(shí)有效地管理和維護(hù)智慧教室。（3）智能控制。包括對(duì)教室內(nèi)溫濕度、照明設(shè)備、門窗設(shè)備、通風(fēng)系統(tǒng)以及多媒體教學(xué)設(shè)備。溫濕度、照明可通過設(shè)置溫濕度傳感器和光照傳感器，完成教室溫濕度和燈光亮度的采集、傳輸和分析，獲取和保證溫濕的舒適度和光照的合理性；門窗可通過門窗設(shè)備智能控制，系統(tǒng)自動(dòng)開啟與關(guān)閉門窗，按照預(yù)設(shè)時(shí)間參數(shù)和對(duì)學(xué)生人數(shù)的監(jiān)測(cè)結(jié)果完成智能控制任務(wù)；空調(diào)和換氣扇設(shè)備構(gòu)成通風(fēng)系統(tǒng)，可通過傳感器采集的氣體濃度結(jié)果，系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)通風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，保持良好空氣質(zhì)量。系統(tǒng)可實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)室內(nèi)教學(xué)設(shè)備的運(yùn)行情況，保證各類教學(xué)工作的需求。