“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下高校智慧教室的構建研究

盧建寧

（玉林師范學院 廣西壯族自治區(qū)玉林市 537000）

智慧教室并非單純以信息化教學為建設目標，而是一個復雜且系統(tǒng)化的建設工程。其建設目標在于滿足教師與學生的“教”與“學”需求，創(chuàng)建一個技術先進、應用便捷、資源豐富、管理高效的教室空間。從實際功能來看，智慧教室既要滿足媒體共享應用、多端協(xié)同學習、跨媒介互動、可視化管理等功能，又要具備多功能、多平臺、易維護、易拓展等特征，進而達成全方位的教學與管理升級。

1 高校智慧教室建設中的“互聯(lián)網(wǎng)+”技術

智慧教室建設需要以當前先進的“互聯(lián)網(wǎng)+”技術為基本依據(jù)，通過硬件、軟件、系統(tǒng)、數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡、平臺等綜合模塊的協(xié)同服務，從而創(chuàng)建出滿足當前師生智能化教學的空間。

1.1 物聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)技術是當前創(chuàng)建智能化環(huán)境空間的重要技術。在智慧教室建設過程中，物聯(lián)網(wǎng)建設中的智能感知、普適計算、識別等技術具有重要功能。首先，在門禁設置中，物聯(lián)網(wǎng)可以建立師生識別系統(tǒng)，通過指紋、人像或學生卡即可識別身份，進而自動開放教室功能，同時也能自動生成日志，記錄師生的使用情況與細節(jié)。其次，物聯(lián)網(wǎng)技術可以有效調控教室內部的環(huán)境因素，包括噪聲、溫度、氣味、光線等。一方面，通過傳感器技術可以隨時檢測教室內部的各項環(huán)境參數(shù)，由此了解當前教室內部的環(huán)境狀態(tài)；另一方面，可以通過智能調節(jié)設備，通過調控教室內部的通風、換氣、燈具等相關設備，由此保證教室內部的聲音、溫度、光線等適合師生教學。

1.2 云計算

在信息化教學設計中，教師需要通過大量的數(shù)字化資源進行篩選與應用，而大量的資源信息會使得教學活動過于繁瑣，信息傳輸也會受到極大影響。對此，云計算技術可以構建云空間資源庫，通過分布式文件系統(tǒng)可以為各個教師與學生提供非常客觀的云空間，同時利用集群技術與網(wǎng)絡技術還可以實現(xiàn)隨時隨地調用資源的目的，為教師教學提供了更便捷的平臺。與此同時，智慧教室還可以利用云計算技術建立云桌面，甚至可以通過虛擬技術搭建教學平臺，讓智慧化教學更加鮮明有效，呈現(xiàn)出不同的形式與特征，也降低了教師進行智慧教學設計的難度。

1.3 大數(shù)據(jù)

在智慧教室建設過程中，會生成大量數(shù)據(jù)，通過這些數(shù)據(jù)可以反饋師生的教學與學習實情，因此在信息反饋與智能指導方面具有重要價值。所以，大數(shù)據(jù)系統(tǒng)就成為補足智慧教室建設的重要模塊。一方面，大數(shù)據(jù)系統(tǒng)可以收集教師的教學過程數(shù)據(jù)，進而結合學生的學習反饋進行分析，可以判斷教師教學設計中的優(yōu)勢與不足，以此為教師教學提供必要的改進建議。另一方面，大數(shù)據(jù)系統(tǒng)可以根據(jù)學生的學習活動，收集其學習過程中的各項數(shù)據(jù)，通過量化標準與模型建設，可以進一步分析學生之間的差異，進而為其提供個性化的教學服務，提供符合其成長需求的資源。

2 高校智慧教室建設與管理中的問題分析

2.1 系統(tǒng)調研深度不足

智慧教室的建設需要建立大量通用或非通用的系統(tǒng)設備及非必選節(jié)點，這些節(jié)點的連通接口會直接影響智慧教室各儀器設備的應用效率。根據(jù)當前的調研反饋，在智慧教室建設過程中，對于智慧教師內部的設備型號、尺寸、接口等內容的關注不全面。比如在教室各類顯示屏的尺寸設計、中控主機背板后的各類接口、存儲空間的接口設計、物聯(lián)網(wǎng)環(huán)控的節(jié)點設計、APP軟件的適用效果等方面，一般在建設過程中會給予更多的關注，但是在其他一些方面卻存在忽視與輕視的問題。比如智慧教室的整體框架體系結構、各類設備的選型、物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點選定、信息化平臺的連通性、各功能模塊的實用度、非通用節(jié)點的集成拓展效果、智慧教室與智慧校園的對接關系等，這些內容在智慧教室建設過程中容易被忽視，從而導致在智慧教室實際應用過程中的實際效用產(chǎn)生了一定的影響。比如設備的安裝方式是否符合教師的使用習慣、設備功能服務是否增加了教學負擔、設備應用是否能有效提升教學效果、智慧教室是否符合教師的適應能力等，只有全面調研智慧教室的實際應用成效并反饋其特征與需求，才能進一步達到改革創(chuàng)新的目的與效果。因此，當前還需要增強對上述問題的關注與調研。

2.2 常態(tài)運維效果不佳

智慧教室屬于有密集設備網(wǎng)絡與系統(tǒng)資源構成的一體化項目，必須建立完善的運維保障機制，才能保證各項設備、網(wǎng)絡服務、教學輔助功能的有效運行與應用，否則不僅影響設備的使用效率，而且還會影響教學實效，給教師和學生較差的課堂體驗。目前高校在智慧教室建設過程中需要關注的運維問題主要包括以下幾點：

（1）智慧教師建設方與學校的質保合同到期時，相應附帶的運維服務也會結束，導致后期智慧教室失去了運行維護的工作保障。

（2）部分非通用型設備在應用安裝前缺乏完善的測試，導致實際運行過程中發(fā)生不適配、無法連通、軟件沖突等問題。

（3）智慧教室各類設備的接插件、觸控件等設備接口缺乏長期清潔工作，導致接觸不良等故障。

（4）智慧教室局域網(wǎng)或出口網(wǎng)絡也面臨諸多故障問題。

（5）智慧教室后臺服務器系統(tǒng)或節(jié)點需要定期進行固件升級，當失去運維團隊后，也就無法繼續(xù)升級。

（6）智慧教室的后臺數(shù)據(jù)會不斷累積，在缺乏定期清理后，會使得整體系統(tǒng)運行緩慢，甚至崩潰。

上述運維問題是高校在智慧課堂建設過程中容易遺漏的重要內容，必須建立良好的運維保障，比如通過購買第三方運維服務等，以保證智慧教室的長期穩(wěn)定運行。

3 高校智慧教室的框架體系與技術結構

3.1 集控服務平臺

集控服務平臺主要負責智慧教室內部硬件設備的集中管理與統(tǒng)一控制，并由此提供不同的管理服務，一般部署與高校校園IDC或指揮中心。該平臺需要存儲全校各個智慧教室設施與設備的相關信息，包括系統(tǒng)參數(shù)配置、當前運行狀態(tài)、教學資源信息等，屬于智慧教室管理后臺的上層管理中心，需要依托Windows或者Linux系統(tǒng)進行開發(fā)，同時建立對應的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，例如Mysql等。集控服務平臺需要對智慧教室中大量的不同類型的設備即下屬系統(tǒng)提供統(tǒng)一管理服務，比如合理分配IP，避免網(wǎng)絡沖突；合理設置端口，保證各設備之前有效連接與信息傳遞；科學設計地址與端口表并提供完整的維護流程等。

3.2 中控主機

中控主機是智慧教室管理的核心操控部件，將智慧教室中多種環(huán)境設備與物聯(lián)功能集于一身，進而建立獨立的中控臺會柜機。一般部署于智慧教室集控服務平臺下游，放置在各個教室之中，為教室提供客戶端設備，屬于下游階段的核心主機。當前國內關于中控主機的規(guī)范標準缺乏統(tǒng)一性，大多由廠商自主開發(fā)，集中于使用ARM Cortex+Linux系統(tǒng)的基本架構，部分廠商選用OPS為主機核心。

3.3 操控面板

操控面板是與師生進行互動的操控類設備，一般采用RS232串口或其他方式與主機連接，通過機械按鍵、觸摸按鍵等方式提供人為操作的按鈕。當前的操控面板還會增設液晶顯示屏，由師生通過觸屏操作面板，以調控智慧教室內的設備，完成對各項設備的調整與應用。在當前的智慧教室建設中，操控面板有一體式管控面板，也有分模塊管理面板，比如設備控制類就主要調控多媒體、攝像錄播等系統(tǒng)設備，環(huán)控類面板就主要控制空調、通風系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)、加濕系統(tǒng)等，以調節(jié)教室內部的環(huán)境。此外還有以平板為間接操控的軟件設計，通過安裝APP并連接智慧教室網(wǎng)絡，即可對各項面板進行點觸控制，同樣可以起到便捷調控的效果。控制面板的功能一般包括設備系統(tǒng)的開關、功能切換、數(shù)值調節(jié)以及使用狀態(tài)查詢等內容。

3.4 多媒體系統(tǒng)設備

多媒體系統(tǒng)設備在智慧教室建設中具有重要地位，且占據(jù)了較大的比重，包括大量的多媒體類設備。比如智慧白板，其既支持安卓系統(tǒng)，又可以使用Windows系統(tǒng)，同時還支持粉筆板書，甚至可以應用多媒體軟件輔助教學，使其屏幕呈現(xiàn)內容可以跟隨調控通道而變化。主屏幕一般采用LED或LCD材料構建，比如LED模塊組裝屏、LCD拼接屏等。其中LED模塊組裝屏的整體性能更高，其模塊控制電路使用了微控制器、串行掃描與驅動電路等內容的配合，可以保證其畫面清晰、色彩豐富且呈現(xiàn)效果豐滿，可以達到更優(yōu)質的視覺效果。LCD拼接屏則采用了更優(yōu)秀的拼接技術，接縫可以達到毫米級以下，讓學生的觀感更平滑柔順。同時，智慧教室一般需要多塊顯示屏分立布設，但各個屏幕之間可以互相聯(lián)通，在需要時可以呈現(xiàn)不同、相同或拼接的內容，其中的互聯(lián)協(xié)議主要包括閃聯(lián)、DLNA、AirPlay、Miracast等，可以有效實現(xiàn)師生屏幕的內容互傳、展示分享、同步互動等效果，輔助教師完成不同的教學活動。

3.5 攝像錄播系統(tǒng)

智慧教室建設還需要完善的網(wǎng)絡攝像頭與自動錄播系統(tǒng)支持。網(wǎng)絡攝像頭主要采用傳統(tǒng)的攝像頭搭配聯(lián)網(wǎng)組件的方式，以IP地址作為視頻流服務開源代碼的開發(fā)基礎，并滿足不同的IP配置方式，比如TCP/IP、http以及靜態(tài)或動態(tài)配置方式，由此保證攝像頭記錄的內容信息可以直接通過網(wǎng)絡傳輸?shù)浇K端，進而既可以提供監(jiān)控功能，又可以通過大數(shù)據(jù)系統(tǒng)對錄像畫面進行信息采集與分析，由此達到相應的應用效果。與此同時，在攝像頭系統(tǒng)基礎上還可以建立自動錄播系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要以廣電系統(tǒng)為基礎，智慧教室可以通過攝像頭與錄音設備將教師或學生的課堂教學與學習過程進行記錄，進而通過網(wǎng)絡將拍攝視頻直接傳輸?shù)骄W(wǎng)絡終端，一方面可以形成直播效果，為遠程教育提供更好的服務，用戶可以通過瀏覽器或教學平臺的直播軟件觀看教學過程。另一方面可以將教學過程錄制為教學視頻，進而上傳至教學平臺的網(wǎng)課模塊，為其他專業(yè)或因故缺課的學生提供拓展與補償?shù)臋C會。該系統(tǒng)的實現(xiàn)則需要建立后臺服務平臺，一般部署于學校IDC或中心機房，采用FF-MPEG流媒體平臺即可實現(xiàn)。

3.6 環(huán)控設備

環(huán)境控制設備是對教室內部環(huán)境調節(jié)的關鍵系統(tǒng)與設備，是智慧教室系統(tǒng)框架建設的必備要素。其一般需要建立網(wǎng)口連接智慧主機，通過網(wǎng)絡延伸對智慧教室內環(huán)境相關的設備進行實時地調控與監(jiān)測，以此保證教室環(huán)境良好，給教師和學生最佳的外在體驗。首先，該系統(tǒng)需要由環(huán)控網(wǎng)關分別連接下游設備節(jié)點，比如485、Wi-Fi、Zigbee、RF433MHZ等。在節(jié)點位置一般會設置各類調節(jié)裝置，包括空氣質量監(jiān)控系統(tǒng)、窗簾控制電機、智能紅外遙控、單火開關、智能門鎖、調光面板、光照傳感器等。對于特殊設備還可以進行無線聯(lián)網(wǎng)控制，以此保證通過調節(jié)操控面板達成相應環(huán)境調控的目標。對于紅外遙控設備而言，則需要先由智慧主機發(fā)出控制命令，通過物聯(lián)網(wǎng)將命令傳遞至環(huán)控網(wǎng)關，網(wǎng)關通過控制紅外遙控器發(fā)出對應的命令，進而在紅外操控下相應的設備接收信號，完成對應的操作或調控。因此，中控主機還需要建立紅外學習口，可以由此接收和讀取紅外遙控命令，并將其紅外命令信息進行編碼，由此轉變成網(wǎng)絡可直接傳遞的信息數(shù)據(jù)。對于部分既可以采用紅外又可以使用串口控制的設備，比如某EPSON攝影機，其開關機有著固定的串口碼，智慧中控主機可以依據(jù)相應的波特率提供串口指令字節(jié)，進而通過串口TX引腳向其串口RX引腳發(fā)送，由此完成開關控制效果。此外，對于計算機類設備，則可以通過設置BIOS系統(tǒng)，建立LAN喚醒完成控制。

3.7 輔助教學平臺系統(tǒng)

輔助教學平臺屬于獨立用戶或多用戶教學系統(tǒng)，通過為學生提供學習資源、互動途徑、微課視頻、評價模塊、習題資源、考試模塊、線上管理系統(tǒng)等功能，達成輔助教學的效果和目的。該系統(tǒng)在智慧教室建設中具有良好的補充和拓展作用，可以將線上線下教學建立深度連接，以此幫助教師與學生達成更統(tǒng)一的學習效果與進度。具體而言，智慧教室系統(tǒng)與輔助教學平臺之間的聯(lián)系主要表現(xiàn)為以下幾方面：

（1）資源互通。其通過建立統(tǒng)一的資源庫，教師在備課時可以直接將制定好的教案等資源上傳至教學平臺，在課堂教學時可以隨時調用，學生也可以通過設備終端進行自由下載，比如預習微課、習題訓練等。

（2）在線管理。智慧教室可以通過智慧門禁、攝像頭等設備對學生進行管理，相應的數(shù)據(jù)可以直接上傳至教學評平臺，并針對學生的考勤問題、抬頭率、設備使用情況等進行反饋，由此教師可以直接通過在線反饋對學生進行課上管理。

（3）教學評價。教師無法在課堂教學中關注每一個學生，因此在過程性評價中也存在一定的缺陷與不足。而智慧教室可以將每一個學生的出勤、課上表現(xiàn)、習題成果、考試成績等各項數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，為教師提供了更科學便捷的評價輔助信息。

4 “互聯(lián)網(wǎng)+”背景下高校智慧教室的構建策略

4.1 構建硬件空間，創(chuàng)建便捷環(huán)境

硬件空間建設是高校智慧教室構建的基礎所在，一般主要包括三個模塊。

（1）空間環(huán)境多元化模塊。智慧教室與傳統(tǒng)教室應具備功能上的鮮明差異，能夠提供多種教學或活動功能，同時還能符合不同專業(yè)、學科的基本需求。因此，在空間環(huán)境的多元化實現(xiàn)過程中，需要對其布局空間進行優(yōu)化設置，一要打造組合型桌椅。一方面要采用專業(yè)化設計，優(yōu)化其材質選擇與人體工程學設計，保證學生久坐也不會疲勞；另一方面要建立不同組合效果，比如“圓桌式”“秧苗式”“混合式”等，通過調整桌椅的擺放形式，可以讓智慧教室呈現(xiàn)出通用型、專用型、研究型等不同形態(tài)，滿足小組協(xié)作學習、師生親密互動、課堂集體活動、學生競賽、學生考試等不同的教學需求。二要調控裝飾環(huán)境，根據(jù)專業(yè)或學科特征，形成簡約性、多功能、友好化等不同裝飾效果，滿足學生不同學習內容的環(huán)境營造。三要優(yōu)化教室裝修，比如要安裝吸音吊頂，做好燈光控制，為講臺設置木質背景，墻面要采用環(huán)保硅藻泥，采用復合型強化地板，安裝電動窗簾等。

（2）智慧教學設施模塊。智慧教學的實現(xiàn)需要全面依托信息化教學設備，因此在智慧課堂建設過程中，需要形成完備的信息化教學設施服務。一方面，電子白板已經(jīng)成為輔助智慧教學實施的重要設備，因此需要通過多點觸控液晶屏、一體化錄播設備、高性能音視頻矩陣等設施建設，以此滿足電子白板的多功能應用，并讓教師能夠輕松掌握其使用方式與技巧。另一方面，全方位的數(shù)據(jù)收集是支持大數(shù)據(jù)系統(tǒng)運行的基礎，也是形成智能化教學體系的前提。因此，智慧教室還必須配備人工智能人臉識別、數(shù)據(jù)傳感器、視覺分析等諸多設備，既可以幫助教師在教學過程中完成批注、講解、創(chuàng)設情境、營造氛圍、生成微視頻資源等活動，又可以通過大數(shù)據(jù)系統(tǒng)分析數(shù)據(jù)，反饋學生的個體學習報告，從而為教師教學設計提供更多的科學依據(jù)。

（3）環(huán)境管理模塊。智慧教室需要通過物聯(lián)網(wǎng)技術與校園網(wǎng)絡以及傳感技術等配合，從而達成智能化調控教室環(huán)境的目的。師生的教學過程會受到環(huán)境的直接影響，溫度過高、濕度過大、噪聲太強等都會嚴重影響學生的學習效率。而通過物聯(lián)網(wǎng)技術配合智能化的門窗、空調、通分、光照、環(huán)境監(jiān)測等系統(tǒng)，可以隨時了解到當前教室內部的環(huán)境狀態(tài)與各項參數(shù)，通過設置調控指標，即可由物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)自動調控各系統(tǒng)進行運轉，從而保證智慧教室內部形成良好的環(huán)境狀態(tài)。此外，師生也可以根據(jù)自己的區(qū)域需求，通過控制面板或App軟件，對局部區(qū)域的光照、空調等進行調控，進而滿足學生的差異性需求。

4.2 構建軟件空間，提升資源利用

軟件空間則是驅動諸多硬件設備運轉的關鍵內容，是影響智慧教室建設的核心因素之一。目前來說，軟件空間的建設主要分為七個系統(tǒng)模塊。

（1）物聯(lián)感知模塊。該模塊主要驅動物聯(lián)網(wǎng)、傳感器以及環(huán)境管理硬件設備等內容，一方面收集PM2.5、溫濕度、光照度、紅外人體感應等實際環(huán)境參數(shù)，進而對教室環(huán)境指標建立明確認知；另一方面通過軟件預設，從而自動調節(jié)新風系統(tǒng)、空調通風系統(tǒng)、光照系統(tǒng)等設備，使得環(huán)境參數(shù)達到適宜師生上課學習的狀態(tài)。

（2）智能中控模塊。該系統(tǒng)主要用于人為控制與操作使用，主要包括定制化程序系統(tǒng)、觸摸式面板與屏幕等，師生可以依據(jù)需求自行操作，并獲取環(huán)境信息參數(shù)、呼叫值班室、激發(fā)緊急警報等，方便師生在不同環(huán)境或場景因素下使用。

（3）智慧教學模塊。智慧教室建設的基本目標在于實現(xiàn)智慧化教學，而信息化教學設備的使用就必須依靠相應的軟件模塊進行驅動。比如多屏演示系統(tǒng)、互動教學模塊、多媒體應用技術、學生信息統(tǒng)計、課堂數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析等，通過各種智慧化教學服務功能，可以促進師生的互動關系與有效反饋，從而提升教學的效率與質量。

（4）智慧門禁模塊。該系統(tǒng)主要用于智能調控師生進出智慧教室與使用設備的權限，由此達到節(jié)約資源、提升管理效率的目的。一方面，該系統(tǒng)應與相應硬件設備配合，滿足刷卡、掃碼、指紋識別、人臉識別等多種開門方式；另一方面，還應通過聯(lián)網(wǎng)與教務處排課系統(tǒng)建立聯(lián)系，能夠依據(jù)課程表自動調控和切換門禁。

（5）智能班牌模塊。該模塊具有信息展示與智能查詢的基本功能，比如可以動態(tài)展示班級與教室的時間安排、展示校園公告、呈現(xiàn)環(huán)境監(jiān)控信息等；同時也可以實現(xiàn)課表咨詢、教室預約、統(tǒng)計考勤等功能。

（6）音視頻錄播模塊。智慧教室應為線上教學、教學評價等綜合功能提供額外支持，教師可以在上課時打開錄播系統(tǒng)，將整節(jié)課的教學過程進行記錄。一方面，大數(shù)據(jù)系統(tǒng)可以根據(jù)教師教學的活動過程，對其師生交互行為、教學專注度、學生表現(xiàn)等數(shù)據(jù)進行分析，并由此生成科學的師生評價成果。另一方面，教師可以將錄制的教學視頻上傳至教學平臺，供學生進行線上學習。

（7）云桌面模塊。該系統(tǒng)可以簡化計算機在課堂教學中的使用，通過將大量數(shù)據(jù)與計算功能轉移至云間，可以有效提升資源利用率，方便教師的教學使用。

4.3 創(chuàng)設服務空間，優(yōu)化教學功能

智慧教室的建設還需要其發(fā)揮出應有的服務功能，進一步為教師教學、學生學習提供必要助力。

（1）要具備資源服務功能。智慧教室的智慧化教學系統(tǒng)應與云端資源庫建立連接關系，進而打造線上線下一體、備授課一體、智能資源推薦等服務功能，學生在線上線下學習時可以登錄平臺后延續(xù)學習過程，教師在備課時制作的課件與信息化資源可以自動存儲于云空間，進而在上課時可以隨時調用。而教師在教學過程中，智能系統(tǒng)還可以依據(jù)當前的教學場景智能提供資源，以此進一步優(yōu)化教師的教學活動。此外還可以通過音視頻錄制模塊，將線下教學轉化為線上直播教學，提供遠程教學服務功能。

（2）要升級教學服務模式。為方便教師操作，并助力教師采用開放互動的教學方法，可以由智慧教室為教師提供適配性較高的教學模式服務。比如在理論講授環(huán)節(jié)，可以切換講授模式，主要由教師進行講解；在教學引導環(huán)節(jié)，可以切入情境模式，可以將教師提前準備好的視聽情境進行呈現(xiàn)；在學生討論活動中，可以切入研討模式，讓學生作為學習主體。而在各種教學模式下，教學系統(tǒng)會自動調節(jié)主屏演示、多屏演示、多屏對比、大屏演示、四分組投屏等功能，以滿足教師的教學需求。

（3）要達成完善的數(shù)據(jù)服務功能。智慧教室除了可以為師生提供和推薦學習資源之外，還應借助人臉識別、眼動儀、動作捕捉等技術建立數(shù)據(jù)采集與挖掘系統(tǒng)，并由此對教師與學生的教與學行為進行檢測評估，通過大數(shù)據(jù)系統(tǒng)為教師提供教學決策，也能為學生提供個性化的學習方案，以此達到智能化教育的目標。

5 結語

綜上所述，隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”時代的到來，信息化教學已經(jīng)實現(xiàn)了全面升級。高校在智慧教室建設的過程中應充分發(fā)揮物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算的等前沿科技，同時結合師生教學需求，打造硬件、軟件與智能服務三大空間體系，以此為師生提供全面、便捷、智能化的服務，進而推動現(xiàn)代高校教學水平的持續(xù)化提升。