“云+AI”背景下高校智慧教室的調(diào)研與設(shè)計

鄢放

（南京師范大學新聞與傳播學院 江蘇省南京市 210024）

1 引言

隨著信息技術(shù)與社會需求的發(fā)展，現(xiàn)代大學校園的發(fā)展趨勢是數(shù)據(jù)化、互聯(lián)網(wǎng)化、智慧化。歐美等發(fā)達國家愈來愈重視用設(shè)備的集成與通信技術(shù)來改造教室，大部分學校的教室已實現(xiàn)智慧化發(fā)展趨勢，教室內(nèi)設(shè)備間互聯(lián)，在數(shù)字化教學中起到重要的作用。在當今互聯(lián)網(wǎng)高速發(fā)展為交互式的教育和學習環(huán)境提供了便利。我國《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011-2020）》中明確提出“制定學校數(shù)字校園建設(shè)標準，實現(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施、教學資源、應(yīng)用能力等全面達標”的要求。教室是教育教學的主要場所，也是學校教學空間的基本單位。學校中教室的建設(shè)情況可以反映出學校的整體教學硬件的好壞。教育資源中的數(shù)字資源的建設(shè)可以從側(cè)面反映出學校在互聯(lián)網(wǎng)背景下的教育競爭力。在教學活動中，教室作為承載教師教學和課堂反饋的主要場所，在大學教育中不可或缺，因此，建設(shè)數(shù)字化校園需要對教室內(nèi)部的基礎(chǔ)設(shè)施、教學資源進行規(guī)劃與布局。智慧教育、智慧校園建設(shè)是教育現(xiàn)代化建設(shè)的重要環(huán)節(jié)。

1.1 數(shù)字化校園基礎(chǔ)建設(shè)

南京師范大學是一所具有百年辦學歷史的省屬重點綜合性大學。多年來重視校園網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，實現(xiàn)了千兆主干百兆分支接入的目標。有線、無線網(wǎng)絡(luò)信息點已遍布全校各個角落，為學校的教學科研管理等工作的進一步開展提供了有力支撐，為學校的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

由于數(shù)字化校園的建設(shè)具有階段性，多媒體教室建設(shè)在不同的年代，產(chǎn)品種類和型號各不相同，缺少統(tǒng)一的規(guī)劃，雖然這些系統(tǒng)的設(shè)計在設(shè)計之初較為合理，但由于當時的技術(shù)設(shè)備及各種軟硬件環(huán)境的限制，多媒體教室現(xiàn)狀總的來說有以下幾個問題：

1.1.1 系統(tǒng)復雜，不實用

教室的設(shè)備從最初的投影機、電腦到現(xiàn)在的電子白板、觸摸一體機、錄播系統(tǒng)等設(shè)備，系統(tǒng)復雜。經(jīng)常導致設(shè)備故障，影響正常上課秩序，影響發(fā)揮其價值。

圖1：智能控制中心

圖2：智慧教室總體設(shè)計思路

1.1.2 分期分批建設(shè)，系統(tǒng)不兼容

學校分批對教室進行信息化建設(shè)，不同時期的中控、投影或其他設(shè)備，不能夠很好的兼容，這就造成了在實際的使用中，操作上會相對繁瑣，給一線教師在使用中造成了不必要的困擾。

1.1.3 系統(tǒng)可靠性、穩(wěn)定性差

不同時期的產(chǎn)品可靠性和穩(wěn)定性上參差不齊。復雜瑣碎的設(shè)備操作與管理，增加了專業(yè)技術(shù)人員的管理與維護需求。

1.1.4 無法做到智慧管理

多媒體教室建設(shè)中存在著嚴重的“重硬輕軟”的現(xiàn)象，一堆的硬件設(shè)備部署在教室內(nèi)，相對獨立，不僅是給教師在使用上帶來的一定的困擾，而且在管理上也有很大的工作量產(chǎn)生。

1.2 智慧教室的定義

有人認為智慧教室，它僅是對教室里的電子化設(shè)備的總的稱謂。只要能夠利用電子投影、計算機、擴放音設(shè)備，就能夠算作智慧教室了。智慧教室主要是幫助教師實現(xiàn)多媒體教學的物理空間，在這個空間中，可以進行相關(guān)的教學互動等活動。也有人認為，在互聯(lián)網(wǎng)時代的背景之下，教室應(yīng)該兼具現(xiàn)實空間和云端互聯(lián)的教學互動任務(wù)。在互聯(lián)的過程中，將教學資源整合成為數(shù)字信息，供教學各主體自由的取用，滿足教學和學習的個性化需求。

北京師范大學的黃懷榮教授 提出了智慧教室的“SMART”概念模型。智慧教室的“智慧”體現(xiàn)在設(shè)備管理和教室安排使用的智能性。在教學上體現(xiàn)在：教學內(nèi)容呈現(xiàn)的多樣性、數(shù)字資源的使用的便利性、課堂互動的便捷性等內(nèi)容。

智慧教室是支撐師生的教與學的教室空間的軟硬件的集合，是一種新型的教育形式和現(xiàn)代化教學手段。智慧教室設(shè)備符合物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)和感知等三個層次。教室通過運用傳感器、射頻識別等技術(shù)，使信息數(shù)據(jù)在傳感設(shè)備間實時傳遞。通過可用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)定，如：Wi-Fi 的無線局域網(wǎng)、移動通信、電信和聯(lián)通網(wǎng)等實現(xiàn)設(shè)備和信息之間的傳輸。

總體來說，智慧教室是在物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能（AI）等新興信息技術(shù)的推動下的教室信息化建設(shè)的最新形態(tài)。運用智慧技術(shù)，提供智慧服務(wù)，實現(xiàn)智慧管理，是智慧教室的主要特征。

2 項目設(shè)計

2.1 設(shè)計原則

智慧教室的整體方案以教育更簡單、更智慧為出發(fā)點，立足教學需求，明確建設(shè)目標，可以總體統(tǒng)籌規(guī)劃，分步實施、推進。本方案采用模塊化設(shè)計架構(gòu)，提供包括智慧教育所需要的所有硬件、軟件以及物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境等。要求能夠為智慧教學提供基礎(chǔ)的硬件、軟件與環(huán)境支撐。方案上主要遵循如下原則：

2.1.1 實用性與先進性

以教學活動實際需求為出發(fā)點，不斷追求教學環(huán)境的智能水平，以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)時代的信息化教學的整體趨勢。

2.1.2 可靠性與高性能

采用成熟并有較多成功案例的技術(shù)裝備與解決方案，保證教學系統(tǒng)的安全與可靠。

2.1.3 完備性與拓展性

充分考慮教室與內(nèi)部設(shè)施的契合性，因地制宜，適當增減設(shè)備，保證整體性完備性。同時遵循各種標準化體系，為將來設(shè)備的增添和各設(shè)備間的連接提供便利。具體來說應(yīng)該做到以下目標：

（1）設(shè)備統(tǒng)一管理：智慧教室整體解決方案，通過智能化設(shè)計，將交互式電子大屏、錄播、功放、投影儀、燈光、空調(diào)、窗簾等設(shè)備能進行統(tǒng)一的管控，簡化管理。

（2）系統(tǒng)穩(wěn)定可靠：設(shè)備之間應(yīng)該同一品牌，應(yīng)充分考慮設(shè)備之間的兼容性和穩(wěn)定性的問題。

（3）設(shè)計簡化布線：智慧教室的建設(shè)應(yīng)該考慮線纜的部署問題，以簡化布線為出發(fā)點，從功能完整性出發(fā)。

（4）教學智慧化：支持獨立部署和模塊化部署，發(fā)揮信息化的手段優(yōu)勢，幫助老師和學生完成教與學模式的雙重轉(zhuǎn)變。

（5）符合相關(guān)標準：項目中各系統(tǒng)設(shè)計要求滿足國家、地區(qū)及相關(guān)行業(yè)標準。

2.2 方案核心

本方案的核心為智能控制中心。智能控制中心為模塊化設(shè)計，可以根據(jù)實際情況按需選配?？傆嬎膶樱繉泳鶠楣I(yè)級標準1U高度。每層之間通過POGO PIN 彈針的形式實現(xiàn)供電、供網(wǎng)、控制信號傳輸。POGO PIN 共有64 個引腳，每個引腳分別被賦予了不同的功能。如圖1 所示。

智能控制中心由下到上依次為：

第一層為基礎(chǔ)層即智能控制中心主機，是整個系統(tǒng)的硬件控制支撐。它提供網(wǎng)絡(luò)交換、低壓直流供電、控制串口以及可控電源。主機主要實現(xiàn)對周邊設(shè)備的控制以及對其他模塊的供電、提供網(wǎng)絡(luò)交換以及信號傳輸。

第二層嵌入式錄播模塊，是智能錄播系統(tǒng)的核心組件。支持多路SDI 輸入和多種音視頻輸入、輸出，結(jié)合當前最先進的編碼芯片提供視頻的編解碼服務(wù)，可以播放流媒體、網(wǎng)絡(luò)視頻。通過教師的高清攝像頭，可以錄制教學現(xiàn)場視頻，課后可以輕松存取，方便課程視頻的制作。同時，在課程過程中，可以通過網(wǎng)絡(luò)進行現(xiàn)場課程的直播，方便線上課程的開展。

第三層智能功放模塊，選用D 類放大器，具有超低功耗，針對音頻、視頻、中控、機柜等進行優(yōu)化?？筛鶕?jù)教室面積合理布局，通過對音箱數(shù)量和位置進行排布，調(diào)整聽音環(huán)境。同時，選擇相應(yīng)的功率放大器，保證聲音擴散性良好?？梢赃x配聲音均衡器、混響器等設(shè)備，保證聲場分布均勻。在課前調(diào)整聽音環(huán)境，保證學生在聽感上，達到響度合適與自然，適應(yīng)不同課程的需求。

第四層是云終端&音視頻切換矩陣模塊。該模塊對接交互智能大屏，充分調(diào)動數(shù)字資源。矩陣模塊提供了音視頻的多種輸入輸出端，可以與上下級設(shè)備相連，方便實現(xiàn)音視頻內(nèi)容的切換。

2.3 系統(tǒng)架構(gòu)

智慧教室總體設(shè)計思路：以采用模塊化設(shè)計的智能控制中心系列產(chǎn)品為中心，輔以智能物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)、智能音視頻交互系統(tǒng)、智能錄播系統(tǒng)、教師控制端APP 以及智慧教室綜合管理平臺，最終完成整個智慧教室生態(tài)圈的建設(shè)。如圖2 所示。

2.3.1 智能物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)

物聯(lián)網(wǎng)控制器通過Zigbee（紫蜂協(xié)議）和紅外接口與智能設(shè)備銜接，通過RS485 端口與智能控制中心主機相連，接受中控的控制。

2.3.2 智能錄播系統(tǒng)

一體化攝像機通過SDI（串行數(shù)字接口）和網(wǎng)線與嵌入式錄播主機相連，懸掛全向數(shù)字麥克風通過網(wǎng)線與嵌入式錄播主機相連，可以根據(jù)需要連接互聯(lián)網(wǎng)視頻會議平臺，完成線上線下同步教學。

2.3.3 本地擴音系統(tǒng)

智能音箱通過2 根音頻線與智能功放模塊音頻輸出相連。

2.3.4 智能交互系統(tǒng)

交互智能大屏通過HDMI 和Tough-out 與云終端&音視頻切換矩陣連接，實現(xiàn)視頻傳輸和觸屏控制；通過RS232 端口與智能控制中心主機相連接，接受控制。

2.3.5 教師控制端APP

通過便攜電腦各類端口以無線或有線的方式與智能控制中心主機連接，實現(xiàn)教師登錄考勤、對教室各類設(shè)備包括燈光、空調(diào)、一鍵錄播、其他設(shè)備開關(guān)機的輕松管理和控制。

2.3.6 智慧教室綜合管理平臺

智慧教室綜合管理平臺一般設(shè)在教室管理辦公室內(nèi)。它通過網(wǎng)絡(luò)，與各智慧教室的智能控制主機交換網(wǎng)口相連。管理平臺可以實現(xiàn)對教室遠程視頻和設(shè)備的監(jiān)控、對故障信號進行預警，還可以實現(xiàn)幫助管理人員進行遠程地操控。在教學方面，可以通過平臺方便教務(wù)人員安排課程和房間、預約教室。在課程結(jié)束后，甚至可以對課程的情況進行回放，并生成統(tǒng)計數(shù)據(jù)，如：到課率、課程設(shè)備使用情況、課程設(shè)備故障分析等。同時保證設(shè)備資產(chǎn)管理與學校一卡通系統(tǒng)對接等功能，讓教學智慧化，讓管理智能化。

3 方案核心價值

3.1 資源共享，實現(xiàn)互動課堂

根據(jù)學校的實際情況，提供常態(tài)化精品錄播系統(tǒng)。資源是教育教學的核心，錄播能夠保證資源的實時產(chǎn)生和保存，能夠促進資源的交流，讓更多的學生能夠享受優(yōu)質(zhì)資源。

音、視頻交互系統(tǒng)，能夠讓課堂與網(wǎng)絡(luò)即時通訊、實時互動。教師和學生的任何課堂靈感能夠被網(wǎng)絡(luò)有效的實時反饋，讓學生愿意互動，樂于互動，享受互動。

3.2 統(tǒng)一管控，簡化教學管理

智慧教室的統(tǒng)一管控能夠簡化教學管理。采用嵌入式架構(gòu)桌面化統(tǒng)一管理，解決傳統(tǒng)大屏使用電腦管理難、監(jiān)控難、存儲匱乏、損壞率高、功耗大等多重問題；教師控制端APP 是教室端控制的核心軟件。智慧教室綜合管理平臺采用B/S 架構(gòu)設(shè)計，只要有網(wǎng)就能管控。操作原則以實用為準，老師講臺刷卡或者密碼鍵入登錄考勤后，可以選擇自己喜歡的上課模式，可以按需調(diào)節(jié)燈光亮度、空調(diào)溫度，并能輕松地切換輸入/輸出源，隨時一鍵錄播；課后，僅需點擊一鍵下課，即可以完成教室設(shè)備的關(guān)閉。

管理平臺能夠?qū)λ械陌惭b了智能控制中心設(shè)備的教室進行統(tǒng)一化管理。方便管理部門人員，實現(xiàn)實時監(jiān)控與快速響應(yīng)；在課程中完成對教師考勤的記錄，教室和設(shè)備使用率的分析，最終可以報表的形式呈現(xiàn)，方便相關(guān)人員的查閱和分析；能夠方便管理教室的預約、教室排課（或者對接原有教務(wù)系統(tǒng)）；能夠?qū)芾韱T的權(quán)限進行控制、追蹤并記錄登錄數(shù)據(jù)，做到從上到下、從里到外的無死角管控。

3.3 智慧物聯(lián)，打造優(yōu)質(zhì)體驗

智慧連接所有設(shè)備，讓操控簡單。各個設(shè)備之間深度互聯(lián)，讓兼容性和易用性不再困擾老師，為學生和老師打造優(yōu)質(zhì)的教學體驗。教室是知識傳授的重陣，良好的環(huán)境將有助于學生成績的提高。

3.4 模塊設(shè)計，靈活升級部署

智能控制中心是智慧教室核心設(shè)備，采用模塊化設(shè)計。（智能控制中心主機、嵌入式錄播模塊、智能功放模塊、云終端/音視頻切換矩陣）解決各個模塊之間的供電、供網(wǎng)、控制信號傳輸?shù)葐栴}，讓分段部署成為現(xiàn)實，設(shè)備兼容穩(wěn)定不再是問題。

4 結(jié)語

隨著教學信息化進程的發(fā)展與推進，學校的教學課堂的改革與創(chuàng)新受到廣泛的關(guān)注。信息化改革的重點應(yīng)該以“便利”作為出發(fā)點，充分發(fā)揮教育中的師生主體的能動性。多重模塊相結(jié)合的多媒體教學設(shè)施的使用，與數(shù)字教學資源的配置，對信息化教學的發(fā)展有所裨益。因此，需要深入挖掘信息技術(shù)在教學中的潛力，充分了解信息化設(shè)備在教學中的作用，合理利用和調(diào)配數(shù)字資源。建成以學生學習便利為中心，以教師應(yīng)用便捷為準則的新型信息化教學環(huán)境。