智慧教室的設計與應用研究
——以安徽職業(yè)技術學院為例

賈薇薇，孫 駿，劉曉川，胡玲麗

（安徽職業(yè)技術學院 信息工程學院，安徽 合肥 230011）

2019年2月，中共中央辦公廳、國務院辦公廳印發(fā)了《加快推進教育現(xiàn)代化實施方案（2018—2022）》，文件指出，“鼓勵發(fā)展以學習者為中心的智能化學習環(huán)境，開展國家虛擬仿真實驗教學項目等建設，加快建設在線智能教室、智能實驗室、虛擬工廠（醫(yī)院）等智能學習空間［1］”。2019 年4月，教育部、財政部在《關于實施中國特色高水平高職學校和專業(yè)建設計劃的意見》中提出，“加快智慧校園建設，促進信息技術和智能技術深度融入教育教學和管理服務全過程……提升師生信息素養(yǎng)，建設智慧課堂和虛擬工廠，廣泛應用線上線下混合教學，促進自主、泛在、個性化學習［2］”。雖然兩份文件各有側重，但都強調“加快建設智能化教學環(huán)境、智能教室”，特別是在物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能和移動互聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術的支持下，智慧學習環(huán)境（如智慧教室）已成為智慧教育乃至教育信息化的核心組成部分［3］。如何構建網(wǎng)絡化、數(shù)字化、智能化的教學環(huán)境，規(guī)劃和推進智慧教室的建設成為各個高校教育技術工作者關注的熱點問題之一［4］。

1 智慧教室的概念界定

關于智慧教室的概念可以說是眾說紛紜：黃榮懷等從智慧學習環(huán)境構建的角度提出了“SMART”概念模型，認為智慧教室應具備優(yōu)化教學內容呈現(xiàn)、便利學習資源獲取、促進課堂交互開展、情境感知和環(huán)境管理等功能［5］；陳衛(wèi)東等人認為，智慧教室是一個能夠方便對教室所裝備的視聽、計算機、投影、交互白板等聲、光、電設備進行控制和操作，有利于師生無縫接入資源及從事教與學活動，并能適應遠程教學在內的多種學習方式，以自然的人機交互為特征，依靠智能空間技術實現(xiàn)的增強型教室［6］。以上兩種觀點從不同的角度對智慧教室做了概念厘清與功能詮釋。結合對智慧教室的文獻研究與調研結果，筆者認為，智慧教室的功能特點眾多，較之傳統(tǒng)的多媒體教室，智慧教室可實現(xiàn)物理空間的智能感知與控制，更便捷地獲取與呈現(xiàn)教學資源，有助于師生開展多種教學互動。近年來，物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、移動通訊、人工智能與教育的有機融合，為智慧教室的構建提供了技術支持與保障。

2 安徽職業(yè)技術學院智慧教室的設計

2.1 學校多媒體教室目前面臨的問題

安徽職業(yè)技術學院是一所國家示范性高職院校，學科涵蓋較廣，文理并蓄。從2005 年新校區(qū)動工以來，“電腦+投影機+幕布”型的多媒體教室逐漸覆蓋我校傳統(tǒng)教室與實訓室。但歷經(jīng)多年的使用與頻繁的修復，逐漸暴露出諸多弊端，已經(jīng)不能適應如今的教學改革和教育信息化的新環(huán)境，具體表現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）早年建設的傳統(tǒng)多媒體教室依托校園網(wǎng)實施遠端管控，設備陳舊性能低下，逢開學期間，各種軟、硬件系統(tǒng)崩潰頻發(fā)，排障工作量日益增長，給管理人員帶來繁重的運維壓力。

（2）傳統(tǒng)的多媒體教室對應的講授式教學僅能實現(xiàn)課件呈現(xiàn)與簡單的課堂問答，其空間設計無形中限制了師生交流與生生交流，容易使面授課變成教師的“一言堂”，不利于學生的認知、創(chuàng)新、思辨、自我發(fā)現(xiàn)與探索能力的發(fā)展。

（3）隨著教育信息化步伐的提檔加速，設備的智能管控、自動高清直錄播、教室監(jiān)控、教學督導、教學數(shù)據(jù)的收集與統(tǒng)計等需求越來越急迫，僅僅依靠在傳統(tǒng)多媒體教室里添加各類名目的攝像頭、系統(tǒng)主機，已經(jīng)無法實現(xiàn)全部功能的整合。

（4）師生對便利的教學資源獲取與呈現(xiàn)、教學設備的現(xiàn)代化、物理空間環(huán)境的舒適度等方面的需求越來越強烈。

面對以上各種問題與挑戰(zhàn)，同時為了適應國家教育信息化發(fā)展要求和我校學科專業(yè)發(fā)展，從2019 年起，圍繞“智慧教學環(huán)境的構建”，我們展開了多方技術調研，探討智慧教室的設計方案，最終在2020 年暑期啟動智慧教室建設項目，并于年底完成驗收。

2.2 智慧教學環(huán)境的構建

智慧教室是一種典型的智慧教學環(huán)境，它以適當?shù)募夹g作為支撐，能實現(xiàn)教學環(huán)境智能化管理，環(huán)境及師生行為智能感知，優(yōu)化教學內容呈現(xiàn)，便利獲取多元化教學資源，便捷開展覆蓋全過程的教學互動，進行多維度數(shù)據(jù)記錄與分析，有效支撐教師開展互動式、混合式、個性化教學［7］。本研究認為，智慧教學環(huán)境的構建是智慧教室建設的關鍵所在，接下來我們將從教學環(huán)境的智能化設計與管理和智慧課堂的軟硬件設計兩方面來詳細介紹我校的智慧教室設計方案。

2.2.1 教學環(huán)境的智能化設計與管理

依托物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、移動通訊等信息技術，我校智慧教室集成了新型智慧教室終端控制平臺和教室空間管理系統(tǒng)，教學管理實現(xiàn)智能化和公開化，由“人管”轉變?yōu)椤爸悄芄芾怼?，不同系統(tǒng)的數(shù)據(jù)可以實現(xiàn)實時共享，節(jié)約管理人員的時間和精力，而且為師生營造出一個適合教學、激發(fā)創(chuàng)新、體驗友好、樂在其中的現(xiàn)代信息化教學管理空間。

2.2.1.1 教室空間管理系統(tǒng)

教室空間管理系統(tǒng)（如圖1 所示）包括門禁系統(tǒng)、智慧預約系統(tǒng)、考勤系統(tǒng)、信息發(fā)布系統(tǒng)等，實現(xiàn)了智能門禁管理、信息發(fā)布管理和教室預約、師生考勤等諸多功能，目前已對接我校智慧校園平臺、教務系統(tǒng)和校園一卡通系統(tǒng)，可實現(xiàn)課表聯(lián)動、教室使用狀態(tài)查詢、教師課前刷卡開門、預約空閑教室等功能。

圖1 教室空間管理系統(tǒng)

在學期中的授課期，對接教務系統(tǒng)和校園一卡通數(shù)據(jù)的教室空間管理系統(tǒng)終端會存有當前教室課表，它會在任意授課時段里為當前的授課教師授以刷卡開門的權限，當授課教師的一卡通身份、授課時間與課表一致時，教室電子鎖自動打開，否則電子鎖將不予回應，系統(tǒng)也會記錄“刷卡失敗”日志。同時教室空間管理系統(tǒng)終端也提供預約功能，師生可利用移動端的智慧教室預約系統(tǒng)輕松預約授課表以外的空閑時段。

2.2.1.2 智慧教室終端控制

傳統(tǒng)多媒體教室的終端控制系統(tǒng)，僅可遠程管控PC 教學電腦、投影機、幕布、擴音器等設備。新型智慧教室的終端控制平臺，利用互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)技術，實時反饋教室環(huán)境與各類設備設施的運行狀態(tài)，為教學管理者提供更加智能便捷、觸手可及的應用服務。

如圖2 所示，智慧教室的終端控制系統(tǒng)主要管控精品錄播系統(tǒng)、新風空調、教學互動設備、教學大屏、數(shù)字音頻處理系統(tǒng)、窗簾和燈光等，并利用互聯(lián)網(wǎng)絡技術，紅外技術與Sub-1G 物聯(lián)網(wǎng)技術實現(xiàn)遠程移動端、PC 端對智慧空間環(huán)境設備、教學設備等硬件設備的統(tǒng)一管控。

圖2 智慧教室設備終端控制拓撲圖

教學全自動高清錄播系統(tǒng)采用智能圖像跟蹤識別技術，可自動完成多機位鏡頭切換與導播出片，實現(xiàn)遠程直播、存儲教學視頻，它將源源不斷地充實校本資源庫。

智慧拾音擴音系統(tǒng)由兩只拾音話筒、一只手持式充電無線話筒和數(shù)字音頻處理器構成，不僅能有效拾取學生聲音，甚至教師在教室內自由走動時也能獲取放大、均勻的音質效果。

利用紅外技術和Sub-1G 無線射頻技術，燈光、窗簾、新風空調設備與智慧教室控制終端實現(xiàn)了無線連接，最終完成了對教室環(huán)境和設備實現(xiàn)自我感知與智能控制。

2.2.2 智慧課堂的軟硬件設計

智慧課堂是課堂教學的一種高級形式，是基于云平臺和網(wǎng)絡學習空間充分利用智慧教室的信息化支撐環(huán)境所開展的教學和學習活動［8］。智慧課堂的軟硬件設計應從信息化支撐環(huán)境入手，充分挖掘支持課堂教學的工具和資源，高效便捷地支持智慧教室中的教學和學習活動。

2.2.2.1 教學互動的軟硬件設計

我校智慧教室選用升降講臺、可拼接桌椅以及電力軌道等設備，確保師生的多樣化教學活動不受限制。桌椅均采用國內先進環(huán)保型材料，方便移動，可自由拼接，多種座位布局形式間可靈活切換，滿足講授、互動、合作、探究式教學模式的開展。各教室采用的教學軟件略有不同，其中兩間采用職教云學習平臺，覆蓋教學全環(huán)節(jié)、貫穿課堂教學的課前、課中、課后三階段，輕松連接職教云資源庫，為師生線上線下的互動和資源獲取提供了便利；其他智慧教室安裝了同屏調度和多屏互動面授教學軟件，可輕松實現(xiàn)面授課的互動教學，能夠滿足不同類型課程的信息化教學模式的開展。

2.2.2.2 用于記錄分析教學過程的軟硬件設計

智慧教室的智慧班牌是教室空間管理系統(tǒng)的終端設備，它可獲取學生的出勤狀況，并面向管理者提供全面、實時、精要、直觀的高清考勤分析視圖和動態(tài)督導信息，便于管理者實時精準地了解課堂教學的運行情況。其中一間智慧教室選用了人臉考勤系統(tǒng)，布設在教室前方的可旋轉高清攝像頭，可以巡航式地自動變焦拍攝人臉，結合AI人臉識別技術可核對上課學生的身份，同時基于拍下的教學視頻執(zhí)行人臉識別、動作識別、表情識別的計算分析，最終可呈現(xiàn)直觀的學生行為、專注度、上座率的實時數(shù)據(jù)統(tǒng)計，有利于學校管理層獲得高效的教學評價的閉環(huán)反饋，是豐富教學質量評估的有力輔助。

2.2.2.3 用于呈現(xiàn)教學資料的軟硬件設計

在呈現(xiàn)視覺材料方面共設計了三種形式：①兩間智慧教室分別布設兩塊86 寸智能交互大屏，大屏可直接廣播到學生討論平板或55 寸邊屏，同時學生也可將手機或平板屏幕傳送到邊屏和86寸教師大屏上供全體師生觀摩討論。②其他智慧教室分別布設了多視窗演示系統(tǒng)和雙屏互動系統(tǒng)，它們均可一次性展示多種媒體形式的教學資料。多視窗演示系統(tǒng)允許用戶訪問豐富的多媒體資源，對多種媒體資源進行窗口式管理：從實時視頻、幻燈片到網(wǎng)頁和圖像，并可采用多種布局在高清屏幕上同時顯示，創(chuàng)造更精彩的浸入式學習體驗。③所有的智慧教室均具備有線和無線投屏功能。它可將教師電腦、手機或平板屏幕投射到教室的顯示大屏上，只需借助智慧教室內網(wǎng)，就可無卡頓、順暢地實現(xiàn)投屏。此功能穩(wěn)定高效，是教師們常用的教學手段之一。

在呈現(xiàn)聽覺材料方面共采取兩種措施：①對教室的地面、墻面和頂部做吸音處理，每間教室僅通過兩只吊裝話筒拾取教師及學生的聲音，在離麥克風至少8米范圍內智慧拾音擴音，擴聲清晰、無嘯叫，通過智慧擴聲系統(tǒng)的輔助技術手段，可將混響時間控制在0.5秒范圍內，具有有效過濾教室內的空調、新風發(fā)出的噪音干擾功能。②為教師配備移動無線話筒，替代教師的標配擴音器，此舉受到了教師們的一致歡迎。

2.3 我校智慧教室較之傳統(tǒng)多媒體教室的優(yōu)勢

在智慧教室的設計與構建過程中，始終以師生的教學訴求為出發(fā)點，以解決傳統(tǒng)多媒體教室的存在問題為前提，力圖打造優(yōu)質的智慧教學環(huán)境。建成后的智慧教室較之傳統(tǒng)多媒體教室有著顯而易見的優(yōu)勢：

（1）遠程可控的運維管理。教室管理員能在瀏覽器端和手機端遠程查看電力能耗監(jiān)控、教室設備狀態(tài)和監(jiān)控視頻，更能實時操控智慧教室的所有教學設備和教學環(huán)境參數(shù)。結合定期維護和更新，可確保運維管理工作和日常教學活動的同步，隨時為日常面授課與教學賽事直錄播提供精準、全方位的服務。

（2）集高清直錄播、督導評價、考試監(jiān)控功能于一身。在合理的光學和聲學環(huán)境下，5 機位的高清直錄播系統(tǒng)已經(jīng)能基本實現(xiàn)遠程直播教學、網(wǎng)上巡課督導評價和考場監(jiān)控功能。

（3）高速無線網(wǎng)絡、多屏顯示、有線與無線投屏、便攜擴音使教學資源獲取與呈現(xiàn)更便捷。分功能使用的兩套高速無線網(wǎng)絡、有線與無線投屏、多屏顯示系統(tǒng)為師生帶來優(yōu)質的教學體驗，吊麥和手持紅外話筒為師生提供全方位的擴音服務。

（4）教學互動軟件與靈活的教學空間相結合使教學組織形式更豐富，師生互動更通暢?；诼毥淘频木€上線下混合式教學模式，通過微信“掃一掃”的分組討論教學模式，雙屏互動、多視窗呈現(xiàn)富媒體資料為主要特征的沉浸式教學空間。豐富的教學互動方式給師生們帶來多方位的教學場景和體驗。

3 智慧教室的應用成效

我校智慧教室項目目前已安全運行2 個學期。筆者對參與智慧教室授課的師生做了多輪問卷調查，參與調查的學生有220 人，教師有11 人，收回學生的有效問卷218 份，收回教師的有效問卷11份。

從表1和表2中發(fā)現(xiàn)94.03%的學生和90.91%的教師對智慧教室的教學環(huán)境“非常滿意”，相對于傳統(tǒng)的多媒體教室，大部分教師與學生愿意在智慧教室里上課，認為智慧教室有助于提升“上課專注度”“溝通交流能力”“學習積極性”“環(huán)境舒適度”以及“信息化教學適應度”。從后期的訪談也發(fā)現(xiàn)，大部分教師與學生對教室環(huán)境的提升表現(xiàn)出很高的認可，他們喜歡智慧教室的教學環(huán)境，傾向于在優(yōu)質的教學環(huán)境中工作與學習，認為能提高學習效率。

表1 智慧教室學生滿意度調查

表2 智慧教室教師滿意度調查

但不盡人意之處仍然存在：有 72.73%的教師認為智慧教室的“互動方式”需要提升和優(yōu)化，同時他們認為“系統(tǒng)功能”“學習終端”“授課方式”和“學習方式”仍需加強（如圖3所示）。從師生訪談中也了解到，學生對于教學互動太少感到遺憾；教師在教學互動軟件的使用上存在疑慮（雖然我們已經(jīng)對教師做過使用培訓），同時教師們還希望提供智慧教室的互動教學案例加以借鑒。綜合以上調查數(shù)據(jù)和訪談結果不難發(fā)現(xiàn)，智慧教室的教學互動不僅需要智慧教室設計者的獨具匠心，同時也需要師生的積極參與。

圖3 智慧教室的提升與優(yōu)化意見

4 結語

我們圍繞“智慧教學環(huán)境的構建”完成了教室環(huán)境的智能化管控，營造出便于開展教學活動的智慧課堂的軟硬件環(huán)境，實現(xiàn)了教學互動方式的部分轉變，贏得了師生們的普遍認可。智慧教室的建設要立足于高校的實際需求，在物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、移動通訊、人工智能技術與教育的深度融合中不斷優(yōu)化高校的智慧教學環(huán)境。智慧教室的應用要以師生的滿意度作為著力點，同時還要求學校的教學激勵政策作為保障。我們深信，隨著智慧教室建設與應用案例的日臻成熟，智慧教室將成為高校教學信息化能力提升的重要途徑，也將在高校教育現(xiàn)代化中扮演著越來越重要的角色。