智慧教室的技術(shù)架構(gòu)設(shè)計及面臨問題分析

上官水雨 柳彩志

摘 要 在分析智慧教室內(nèi)涵的基礎(chǔ)上，從物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等關(guān)鍵技術(shù)出發(fā)，重新設(shè)計智慧教室的技術(shù)架構(gòu)，重點從感知層、網(wǎng)絡(luò)層、服務(wù)層、應(yīng)用層、終端層等幾個層次進行闡述，并對智慧教室具體建設(shè)所面臨的困難與挑戰(zhàn)做了初步分析。

關(guān)鍵詞 智慧教室；物聯(lián)網(wǎng)；大數(shù)據(jù)；云計算

中圖分類號：G652 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2018）10-0007-04

Technical Architecture Design and Problems Analysis of Smart Classroom//SHANGGUAN Shuiyu， LIU Caizhi

Abstract Smart campus construction has been put forward for 10

years so far. As an important branch of smart campus， smart class-room attracts more and more attention， and various research insti-tutes and manufacturing enterprises make continuous efforts. Based on the analysis of the connotation of the smart classroom， this paper redesigns the technical structure of the smart classroom based on the

key technologies such as internet of things， big data and cloud com-puting. The key points are the perception layer， network layer， ser-vice layer， application layer and terminal layer. Several levels are elaborated， and the difficulties and challenges in the construction of the smart classroom are analyzed.

Key words smart classrooms； internet of things； big data； cloud computing

1 前言

伴隨著智慧校園概念的提出，作為智慧校園關(guān)鍵組成的智慧教室日益成為各級各類學(xué)校校園信息化建設(shè)和教學(xué)環(huán)境改造的重點。教學(xué)環(huán)境，狹義上包含班級內(nèi)影響教學(xué)的全部條件，分物理和社會文化心理環(huán)境。物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)等層出不窮的信息技術(shù)勢必會對教學(xué)環(huán)境改變產(chǎn)生極大的影響，智慧教室正是在智慧地球、智慧校園一系列概念及相關(guān)技術(shù)支持下的一種實踐成果。

同時也看到當(dāng)前學(xué)校課堂中存在的一些問題。如課堂練習(xí)強化環(huán)節(jié)，學(xué)生口頭或紙上作答，教師只能判斷教學(xué)效果大體情況，無法顧及全體學(xué)生和及時分析學(xué)生的積極態(tài)度與學(xué)習(xí)效果。而基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，集智慧教學(xué)、智能環(huán)境調(diào)控于一體的現(xiàn)代化智慧教室得到逐步推廣，智慧教室以智能化教學(xué)手段和創(chuàng)新的教育形式，為學(xué)校教育教學(xué)帶來新技術(shù)支持和課堂教學(xué)的多方位改變。

2 智慧教室的相關(guān)概念

智慧教室 智慧教室又稱智能教室、智慧教學(xué)環(huán)境。關(guān)于智慧教室的研討集中在2008年后，國內(nèi)外研究者給出不同方面的界定和描述。聶風(fēng)華等人的研究是其中典型的代表：“智慧教室是為教學(xué)活動提供智慧應(yīng)用服務(wù)的教室空間及其軟硬件裝備的總和。其基礎(chǔ)建立在物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等新興信息技術(shù)上，立足教學(xué)活動需求，提供智慧化的應(yīng)用服務(wù)是智慧教室的核心使命，達成最優(yōu)化的教學(xué)效果是智慧教室的終極目標?！盵1]

本文以上述觀點作為智慧教室的技術(shù)架構(gòu)設(shè)計理論指導(dǎo)，大量的技術(shù)裝備是智慧教室的物理基礎(chǔ)，智慧教學(xué)的實現(xiàn)依托于技術(shù)架構(gòu)的合理規(guī)劃。同時，智慧教室環(huán)境要實現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容呈現(xiàn)的優(yōu)化，為師生提供個性化服務(wù)，并實現(xiàn)智能化管理。

技術(shù)設(shè)計 智慧教室的技術(shù)設(shè)計是對智慧教室技術(shù)架構(gòu)體系的總體規(guī)劃，從技術(shù)視角全面規(guī)劃智慧教室的技術(shù)元素構(gòu)成、技術(shù)元素之間層級結(jié)構(gòu)以及技術(shù)元素間的邏輯關(guān)系[2]。技術(shù)架構(gòu)設(shè)計是智慧教室設(shè)計過程中的頂層設(shè)計，智慧教室結(jié)構(gòu)的合理性、功能性、可靠性、經(jīng)濟性等都決定于這一設(shè)計。技術(shù)架構(gòu)設(shè)計需要充分考慮學(xué)校性質(zhì)與學(xué)科間差異。智慧教室的設(shè)計要結(jié)合學(xué)校實際情況，做出適應(yīng)性的調(diào)整，使之符合具體的學(xué)科教學(xué)要求。另外，還要注意技術(shù)更迭等問題，保證基礎(chǔ)設(shè)施有良好的擴展性。

3 智慧教室的關(guān)鍵技術(shù)

智慧教室是一個多種技術(shù)融合應(yīng)用的綜合場所，需要實現(xiàn)智慧教室功能協(xié)同、全面和標準統(tǒng)一，需要多方面技術(shù)的協(xié)同配合。從目前來看，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、云計算技術(shù)等是智慧教室中的最關(guān)鍵成分。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù) 物聯(lián)網(wǎng)指通過各種信息傳感設(shè)備，實時采集任何需要監(jiān)控、連接、互動的物體或過程等信息，與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合形成一個巨大網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)物與物、物與人，所有的物品與網(wǎng)絡(luò)的連接，方便識別、管理和控制[3]。物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)是信息的識別與采集，其架構(gòu)自下而上由感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層構(gòu)成。感知層主要實現(xiàn)對物理環(huán)境信息識別感知、采集處理，并利用通信模塊將信息傳送至上層。網(wǎng)絡(luò)層目前已非常成熟，主要完成信息傳遞、路由選擇和鏈接控制，可依托互聯(lián)網(wǎng)、公用電信網(wǎng)以及行業(yè)專用網(wǎng)。應(yīng)用層核心功能是完成數(shù)據(jù)處理與管理，將數(shù)據(jù)與用戶使用的應(yīng)用結(jié)合，實現(xiàn)物理環(huán)境的實時監(jiān)控、精準決策。

物聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)的拓展，完成互聯(lián)網(wǎng)與任何物體的連接，為智慧教室的信息化、自動化、智能化提供理想的解決方案。

大數(shù)據(jù)技術(shù) 大數(shù)據(jù)已成為當(dāng)下最熱門IT技術(shù)。大數(shù)據(jù)技術(shù)是數(shù)據(jù)一系列收集、存儲、管理、處理、分析、共享和可視化技術(shù)的集合。智慧教室對大數(shù)據(jù)技術(shù)中個性化識別和模式匹配的需求十分強烈，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的運用所產(chǎn)生的大量信息也為大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用的提高具體場景。

教育大數(shù)據(jù)是大數(shù)據(jù)下的一個子集，特指教育過程中產(chǎn)生的或依據(jù)教育需求采集到的一切可用于教育發(fā)展的數(shù)據(jù)集合[4]。教育大數(shù)據(jù)的發(fā)展推動著教育變革?！秶抑虚L期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020年）》中明確規(guī)定“關(guān)注學(xué)生不同特點與個性差異”。大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)能為學(xué)生量身定制教學(xué)手段、內(nèi)容、評價，有助于個性化教學(xué)實現(xiàn)。構(gòu)建基于大數(shù)據(jù)的課堂行為模型、學(xué)生綜合素質(zhì)評價模型、教師評價模型，對揭示深層次教學(xué)規(guī)律，滿足不同層級教學(xué)管理需求有積極意義。大數(shù)據(jù)技術(shù)已深入教育教學(xué)系統(tǒng)的改革創(chuàng)新，開展智慧教室的技術(shù)研究離不開大數(shù)據(jù)技術(shù)的支持。

云計算技術(shù) 云計算是繼大型計算機、互聯(lián)網(wǎng)變革后的又一巨變，已成為我國戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的一部分。云計算利用互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)隨時隨地、按需、便捷地使用共享計算設(shè)施、存儲設(shè)備、應(yīng)用程序等資源的計算模式[5]?！霸啤睆娬{(diào)計算的分布性和泛在性，能將各地服務(wù)器連接，實現(xiàn)大規(guī)模數(shù)據(jù)處理。智慧教學(xué)環(huán)境下，云計算能動態(tài)記錄不同學(xué)校學(xué)生在終端的學(xué)習(xí)表現(xiàn)及學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)，為大數(shù)據(jù)挖掘提供資源基礎(chǔ)。云計算與大數(shù)據(jù)相輔而行，讓教學(xué)獲取有意義的動態(tài)生成性內(nèi)容成為現(xiàn)實。

智慧教室的建設(shè)需要綜合運用多種信息技術(shù)，運用以物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和云計算為基礎(chǔ)的技術(shù)來實現(xiàn)智能化體現(xiàn)是可行的。除以上三種智能技術(shù)外，泛在網(wǎng)絡(luò)、增強現(xiàn)實、人工智能等技術(shù)不斷推進，也將成為智慧教室的有力支撐。

4 智慧教室的技術(shù)設(shè)計

借鑒領(lǐng)域信息化的普遍規(guī)律及網(wǎng)絡(luò)標準化研究的基本分層方法，智慧教室的技術(shù)架構(gòu)設(shè)計采取層次化的體系結(jié)構(gòu)，有助于創(chuàng)建一個更好的互連環(huán)境，降低體系的復(fù)雜度，方便層間標準接口的工程模塊化。本文設(shè)計的技術(shù)架構(gòu)模型自底層往高層依次為感知層、網(wǎng)絡(luò)層、服務(wù)層、應(yīng)用層和終端層（如圖1所示）。

感知層 為所有上層提供最重要的信息來源。此層將各種感應(yīng)識別設(shè)備安裝在物理設(shè)施上，如智能傳感器、智能控制器。智能傳感器近幾年發(fā)展十分迅速，包括聲敏傳感器、光敏傳感器、溫濕敏傳感器、氣敏傳感器、人體位置傳感器等，用來感知教室的環(huán)境信息、人員的相關(guān)活動狀態(tài)，是實現(xiàn)自動檢測、控制的首要環(huán)節(jié)。智能控制器根據(jù)應(yīng)用需求控制相關(guān)設(shè)備，如多媒體設(shè)備控制器，教師選擇學(xué)科后，系統(tǒng)依據(jù)該教師教學(xué)風(fēng)格智能開啟多媒體設(shè)備，有效節(jié)省課堂準備時間。各類智能傳感器與控制器形成一個互通互聯(lián)的物聯(lián)網(wǎng)，及時捕獲教室環(huán)境信息并完成特定命令，為智慧教室各種應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐。類似于這個教學(xué)環(huán)境有了生物學(xué)特性，能感知也能反應(yīng)。目前，ZigBee、IP CAM、語音識別技術(shù)、RFID等智能感應(yīng)逐漸興起。

網(wǎng)絡(luò)層 向上傳送感知信息，向下傳遞命令，是連接感知層和服務(wù)層的樞紐，是智慧教室重要的基礎(chǔ)設(shè)施。這個層面綜合有線寬帶、無線Wi-Fi、移動3G/4G及短距離、低功耗的ZigBee等通信技術(shù)，構(gòu)建電信網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、廣播電視網(wǎng)與校園網(wǎng)的互通融合。IPv6作為通用協(xié)議，相比IPv4速度更快，具有更加穩(wěn)定的通信能力、更大的地址空間。這些技術(shù)為感知層采集的信息提供高覆蓋、高速率的傳輸服務(wù)，為教室系統(tǒng)應(yīng)用提供穩(wěn)定可靠的接入服務(wù)，也是智慧教室實現(xiàn)隨需、無所不含、泛在網(wǎng)絡(luò)的重要支撐。

服務(wù)層 對傳輸匯聚而來的信息進行高效整合利用，是智慧教室架構(gòu)的精髓。主要實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的存儲、檢索、挖掘、學(xué)習(xí)及保護功能。據(jù)其數(shù)據(jù)功能及技術(shù)，將服務(wù)層細分為云計算層與大數(shù)據(jù)層。

1）云計算層。云服務(wù)廉價且便利，大量的教育資源遷移到云上，建設(shè)區(qū)域化、分布式教育教學(xué)資源指日可待?！霸啤敝薪逃Y源易于使用，學(xué)生可隨時隨需選擇學(xué)習(xí)內(nèi)容，提高學(xué)習(xí)效率，有助于發(fā)展創(chuàng)新能力，也能促使教師適應(yīng)基于云環(huán)境的教與學(xué)，轉(zhuǎn)變教學(xué)觀念。擁有云環(huán)境，降低學(xué)校教育信息系統(tǒng)搭建的成本，解決資源閉塞、更新緩慢等信息問題，提高學(xué)校管理能力。系統(tǒng)可通過接入公共企業(yè)云，獲取優(yōu)質(zhì)的云服務(wù)，如微軟、Google、IBM、阿里等云平臺。

2）大數(shù)據(jù)層。其核心價值是在海量數(shù)據(jù)下挖掘、分析學(xué)生的學(xué)習(xí)習(xí)慣和思維偏差，找到滿足學(xué)生興趣的學(xué)習(xí)方式與資源，通過學(xué)生需求分析有針對性地調(diào)整自身。一方面，教師方便全面真實了解每個學(xué)生，實施個性化教學(xué)；另一方面，學(xué)生通過了解自己的學(xué)習(xí)狀態(tài)，開展有效的自主學(xué)習(xí)。

應(yīng)用層 該層從“以數(shù)據(jù)為中心”轉(zhuǎn)化為“以人為中心”，基于感知層收集、網(wǎng)絡(luò)層傳輸、服務(wù)層挖掘的信息，催生出諸多外延應(yīng)用。智慧教室包含的場所多、設(shè)備繁、連接雜、數(shù)據(jù)大，應(yīng)用分四類：資產(chǎn)管理、教學(xué)管理、教學(xué)應(yīng)用和社會化服務(wù)。

資產(chǎn)管理主要包括照明管理、空調(diào)管理、門禁管理、實錄監(jiān)控管理、多媒體設(shè)備管理、IP廣播等。智慧教學(xué)環(huán)境下的設(shè)備不再孤立存在，多個設(shè)備的應(yīng)用集于一體，具有情景感知、設(shè)備協(xié)作等特點。通過協(xié)調(diào)多個設(shè)備，可整合出更多的功能服務(wù)。

教學(xué)管理與教學(xué)應(yīng)用屬較高層次應(yīng)用，教學(xué)管理支持的管理包括：評價分析，支持學(xué)生對班級、課程、教師、環(huán)境等的評價；考勤分析，支持對師生早退、請假、曠課數(shù)據(jù)的記錄與量化。教學(xué)應(yīng)用提供以下教學(xué)支持。

1）支持資源服務(wù)。支持教學(xué)資源的海量存儲、高速傳

輸、實時交互，提高師生資源檢索和使用效率；支持紙本內(nèi)容數(shù)字化、課堂現(xiàn)場錄制，開展高效評量服務(wù)，保存每位學(xué)生的學(xué)習(xí)評量歷程，建造學(xué)習(xí)大數(shù)據(jù)庫，進一步挖掘和分析數(shù)據(jù)。

2）支持個性診斷。云計算虛擬桌面技術(shù)實現(xiàn)終端設(shè)備最小化，手機、平板可接入教室內(nèi)學(xué)習(xí)系統(tǒng)，開啟個性化學(xué)習(xí)。運用學(xué)習(xí)診斷分析技術(shù)，學(xué)生作業(yè)上傳即可取得診斷報告，方便教師進一步深入分析學(xué)習(xí)狀況。

3）支持補救教學(xué)。學(xué)生間學(xué)習(xí)表現(xiàn)差別大，補救內(nèi)容不盡相同。評量和個性化診斷服務(wù)，產(chǎn)生豐富的教與學(xué)數(shù)據(jù)，涉及電子教材、數(shù)字筆記、活動歷程、診斷報告及補救音視頻。這些數(shù)據(jù)自動上傳至云端補救平臺，學(xué)生直接登入學(xué)習(xí)系統(tǒng)，進行課后補救學(xué)習(xí)，減少師生負擔(dān)。

4）支持泛在學(xué)習(xí)。沖破封閉式的傳統(tǒng)教室，學(xué)生可攜帶不同終端設(shè)備，進行隨時隨需的無縫交流與學(xué)習(xí)。

社會化服務(wù)居于智慧教室應(yīng)用最高層次。從智慧教室環(huán)境下產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)中挖掘有意義的、人工不易獲取的信息，為智慧教室提供智能決策。社會化服務(wù)將促使教學(xué)模式轉(zhuǎn)變、人才培養(yǎng)模式創(chuàng)新。

終端層 交互終端設(shè)備有PC終端、移動終端、控制終端、多屏展示終端、一卡通、自主設(shè)備、可穿戴設(shè)備等。這些終端設(shè)備基于師生身處的特定環(huán)境提供個性化、自適應(yīng)的人機交互模式。

終端使用者有教師、學(xué)生、家長、教育管理者、社會公眾。不同角色對應(yīng)不同接口，才能實現(xiàn)對推送內(nèi)容的個性化樣式定制、個性化內(nèi)容定制、個性化服務(wù)定制及個性化內(nèi)容推薦。

教師端：輔助教師做好評量及診斷工作，開展個性化教學(xué)，如批作業(yè)系統(tǒng)，用特定機器快速掃描采集作業(yè)數(shù)據(jù)，精確統(tǒng)計錯誤率；選擇題統(tǒng)計每個選項的答題人數(shù)；簡答題統(tǒng)計出現(xiàn)頻率高的字詞等。

學(xué)生端：學(xué)生按個人喜好選擇界面樣式，云端會對個人學(xué)習(xí)階段特點及知識掌握情況進行反饋，形成診斷報告，且系統(tǒng)將推送有針對性的題，避免重復(fù)做題，學(xué)習(xí)效率得到提高。學(xué)生時間節(jié)省，可參與各種利于身心發(fā)展的實踐活動，德智體美得以均衡全面發(fā)展。

家長端：提供實時的學(xué)生診斷書，家長第一時間全面了解孩子身心狀況，針對一目了然的優(yōu)缺點，適時給予鼓勵和協(xié)助，為學(xué)生健康成長提供有效保障。

教育管理端：對班級乃至整個校園收集到的海量數(shù)據(jù)進行分類、整理、匯總、分析統(tǒng)計，逐漸積累成教育大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，幫助教育管理者了解各班學(xué)習(xí)狀況與教學(xué)成效，落實教學(xué)精進策略，為學(xué)校創(chuàng)設(shè)有針對性校本方案提供依據(jù)。

社會公眾端：如對于命題者，能準確診斷試題優(yōu)劣，提升命題品質(zhì)；而對于其他社會公眾，掌握學(xué)校教育的新動態(tài)，一定程度上影響社會發(fā)展的方向。

5 智慧教室建設(shè)的困難與挑戰(zhàn)

首先，智慧教室本質(zhì)上還是一種教學(xué)環(huán)境，這種智能化的教學(xué)環(huán)境，對師生及教學(xué)科研人員提出新要求：要求教師改變傳統(tǒng)教室下“滿堂灌”的教學(xué)觀，具備將新技術(shù)與教學(xué)高效整合的設(shè)計能力，全面理解終身學(xué)習(xí)、適應(yīng)性學(xué)習(xí)理念；要求學(xué)生改變傳統(tǒng)課堂上“拿來主義”的學(xué)習(xí)觀，主動探索知識，提高學(xué)習(xí)能力，德智體美均衡發(fā)展；要求教學(xué)研究人員把握教學(xué)與科技發(fā)展新動向，對教學(xué)內(nèi)容進行適當(dāng)調(diào)整，使之更符合時代發(fā)展需求。

其次，智慧教室教學(xué)系統(tǒng)的核心內(nèi)容是個性化學(xué)習(xí)，在此基礎(chǔ)上延伸出自適應(yīng)學(xué)習(xí)。借助自適應(yīng)的實時預(yù)測能監(jiān)測學(xué)生的知識缺陷，實現(xiàn)學(xué)習(xí)平臺資源的高效推送，引導(dǎo)學(xué)生選擇最適合自己的學(xué)習(xí)內(nèi)容。國內(nèi)的自適應(yīng)學(xué)習(xí)尚未成熟，相關(guān)研發(fā)團隊將重點放在知識圖譜上，未來研究還可能涉及人的情感變量、社會協(xié)作等領(lǐng)域。

另外，智慧教室技術(shù)體系的全部實現(xiàn)，資金動輒上百萬，而且教室信息化建設(shè)領(lǐng)域的變化近年來十分迅速，給學(xué)校造成極大的技術(shù)壓力和資金障礙。校方可以根據(jù)學(xué)校、班級的個性化差異，選擇最合適的教室建設(shè)方案，在教學(xué)環(huán)境的局部做出改變與嘗試。值得注意的是，智慧教室的局部建設(shè)更要考慮到系統(tǒng)性、長期發(fā)展等問題，為之后形成綜合統(tǒng)一的教學(xué)環(huán)境奠定基礎(chǔ)。

最后，智慧教室尚缺乏統(tǒng)一的標準體系。智慧教室從一種概念變?yōu)橐环N現(xiàn)實，進而發(fā)展成一定規(guī)模，最后形成標準，需要雄厚的技術(shù)基礎(chǔ)和資金支持來拓展智慧教室應(yīng)用。目前在全球范圍內(nèi)尚無統(tǒng)一標準體系出臺，標準的缺失影響了不同企業(yè)的智慧教室產(chǎn)品間的相互識別與互通互聯(lián)，大大限制技術(shù)應(yīng)用和產(chǎn)品規(guī)?；?。盡快制定統(tǒng)一、規(guī)范的標準，是智慧教室發(fā)展的前提。

6 結(jié)語

智慧教室在教育信息化建設(shè)中占重要位置，我國要緊跟先進國家的步伐，借鑒各國智慧教室建設(shè)的經(jīng)驗，利用當(dāng)下熱門技術(shù)，在實際教學(xué)環(huán)境中不斷嘗試、磨合，探索出符合我國國情的智慧教室建設(shè)新方向。本文提出的觀點借鑒了前人研究的成果，希望能與關(guān)注智慧教室研究的同志一起探討與分享。

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