智慧教室的技术架构设计及面临问题分析

上官水雨 柳彩志

摘 要 在分析智慧教室内涵的基础上，从物联网、大数据、云计算等关键技术出发，重新设计智慧教室的技术架构，重点从感知层、网络层、服务层、应用层、终端层等几个层次进行阐述，并对智慧教室具体建设所面临的困难与挑战做了初步分析。

关键词 智慧教室；物联网；大数据；云计算

中图分类号：G652 文献标识码：B

文章编号：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

伴隨着智慧校园概念的提出，作为智慧校园关键组成的智慧教室日益成为各级各类学校校园信息化建设和教学环境改造的重点。教学环境，狭义上包含班级内影响教学的全部条件，分物理和社会文化心理环境。物联网、人工智能、大数据等层出不穷的信息技术势必会对教学环境改变产生极大的影响，智慧教室正是在智慧地球、智慧校园一系列概念及相关技术支持下的一种实践成果。

同时也看到当前学校课堂中存在的一些问题。如课堂练习强化环节，学生口头或纸上作答，教师只能判断教学效果大体情况，无法顾及全体学生和及时分析学生的积极态度与学习效果。而基于物联网技术，集智慧教学、智能环境调控于一体的现代化智慧教室得到逐步推广，智慧教室以智能化教学手段和创新的教育形式，为学校教育教学带来新技术支持和课堂教学的多方位改变。

2 智慧教室的相关概念

智慧教室 智慧教室又称智能教室、智慧教学环境。关于智慧教室的研讨集中在2008年后，国内外研究者给出不同方面的界定和描述。聂风华等人的研究是其中典型的代表：“智慧教室是为教学活动提供智慧应用服务的教室空间及其软硬件装备的总和。其基础建立在物联网、大数据、云计算等新兴信息技术上，立足教学活动需求，提供智慧化的应用服务是智慧教室的核心使命，达成最优化的教学效果是智慧教室的终极目标。”[1]

本文以上述观点作为智慧教室的技术架构设计理论指导，大量的技术装备是智慧教室的物理基础，智慧教学的实现依托于技术架构的合理规划。同时，智慧教室环境要实现教学内容呈现的优化，为师生提供个性化服务，并实现智能化管理。

技术设计 智慧教室的技术设计是对智慧教室技术架构体系的总体规划，从技术视角全面规划智慧教室的技术元素构成、技术元素之间层级结构以及技术元素间的逻辑关系[2]。技术架构设计是智慧教室设计过程中的顶层设计，智慧教室结构的合理性、功能性、可靠性、经济性等都决定于这一设计。技术架构设计需要充分考虑学校性质与学科间差异。智慧教室的设计要结合学校实际情况，做出适应性的调整，使之符合具体的学科教学要求。另外，还要注意技术更迭等问题，保证基础设施有良好的扩展性。

3 智慧教室的关键技术

智慧教室是一个多种技术融合应用的综合场所，需要实现智慧教室功能协同、全面和标准统一，需要多方面技术的协同配合。从目前来看，物联网技术、大数据技术、云计算技术等是智慧教室中的最关键成分。

物联网技术 物联网指通过各种信息传感设备，实时采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程等信息，与互联网结合形成一个巨大网络，实现物与物、物与人，所有的物品与网络的连接，方便识别、管理和控制[3]。物联网的基础是信息的识别与采集，其架构自下而上由感知层、网络层和应用层构成。感知层主要实现对物理环境信息识别感知、采集处理，并利用通信模块将信息传送至上层。网络层目前已非常成熟，主要完成信息传递、路由选择和链接控制，可依托互联网、公用电信网以及行业专用网。应用层核心功能是完成数据处理与管理，将数据与用户使用的应用结合，实现物理环境的实时监控、精准决策。

物联网是互联网的拓展，完成互联网与任何物体的连接，为智慧教室的信息化、自动化、智能化提供理想的解决方案。

大数据技术 大数据已成为当下最热门IT技术。大数据技术是数据一系列收集、存储、管理、处理、分析、共享和可视化技术的集合。智慧教室对大数据技术中个性化识别和模式匹配的需求十分强烈，物联网技术的运用所产生的大量信息也为大数据技术应用的提高具体场景。

教育大数据是大数据下的一个子集，特指教育过程中产生的或依据教育需求采集到的一切可用于教育发展的数据集合[4]。教育大数据的发展推动着教育变革。《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020年）》中明确规定“关注学生不同特点与个性差异”。大数据挖掘技术能为学生量身定制教学手段、内容、评价，有助于个性化教学实现。构建基于大数据的课堂行为模型、学生综合素质评价模型、教师评价模型，对揭示深层次教学规律，满足不同层级教学管理需求有积极意义。大数据技术已深入教育教学系统的改革创新，开展智慧教室的技术研究离不开大数据技术的支持。

云计算技术 云计算是继大型计算机、互联网变革后的又一巨变，已成为我国战略性新兴产业的一部分。云计算利用互联网实现随时随地、按需、便捷地使用共享计算设施、存储设备、应用程序等资源的计算模式[5]。“云”强调计算的分布性和泛在性，能将各地服务器连接，实现大规模数据处理。智慧教学环境下，云计算能动态记录不同学校学生在终端的学习表现及学习行为数据，为大数据挖掘提供资源基础。云计算与大数据相辅而行，让教学获取有意义的动态生成性内容成为现实。

智慧教室的建设需要综合运用多种信息技术，运用以物联网、大数据和云计算为基础的技术来实现智能化体现是可行的。除以上三种智能技术外，泛在网络、增强现实、人工智能等技术不断推进，也将成为智慧教室的有力支撑。

4 智慧教室的技术设计

借鉴领域信息化的普遍规律及网络标准化研究的基本分层方法，智慧教室的技术架构设计采取层次化的体系结构，有助于创建一个更好的互连环境，降低体系的复杂度，方便层间标准接口的工程模块化。本文设计的技术架构模型自底层往高层依次为感知层、网络层、服务层、应用层和终端层（如图1所示）。

感知层 为所有上层提供最重要的信息来源。此层将各种感应识别设备安装在物理设施上，如智能传感器、智能控制器。智能传感器近几年发展十分迅速，包括声敏传感器、光敏传感器、温湿敏传感器、气敏传感器、人体位置传感器等，用来感知教室的环境信息、人员的相关活动状态，是实现自动检测、控制的首要环节。智能控制器根据应用需求控制相关设备，如多媒体设备控制器，教师选择学科后，系统依据该教师教学风格智能开启多媒体设备，有效节省课堂准备时间。各类智能传感器与控制器形成一个互通互联的物联网，及时捕获教室环境信息并完成特定命令，为智慧教室各种应用提供数据支撑。类似于这个教学环境有了生物学特性，能感知也能反应。目前，ZigBee、IP CAM、语音识别技术、RFID等智能感应逐渐兴起。

网络层 向上传送感知信息，向下传递命令，是连接感知层和服务层的枢纽，是智慧教室重要的基础设施。这个层面综合有线宽带、无线Wi-Fi、移动3G/4G及短距离、低功耗的ZigBee等通信技术，构建电信网、互联网、广播电视网与校园网的互通融合。IPv6作为通用协议，相比IPv4速度更快，具有更加稳定的通信能力、更大的地址空间。这些技术为感知层采集的信息提供高覆盖、高速率的传输服务，为教室系统应用提供稳定可靠的接入服务，也是智慧教室实现随需、无所不含、泛在网络的重要支撑。

服务层 对传输汇聚而来的信息进行高效整合利用，是智慧教室架构的精髓。主要实现对数据的存储、检索、挖掘、学习及保护功能。据其数据功能及技术，将服务层细分为云计算层与大數据层。

1）云计算层。云服务廉价且便利，大量的教育资源迁移到云上，建设区域化、分布式教育教学资源指日可待。“云”中教育资源易于使用，学生可随时随需选择学习内容，提高学习效率，有助于发展创新能力，也能促使教师适应基于云环境的教与学，转变教学观念。拥有云环境，降低学校教育信息系统搭建的成本，解决资源闭塞、更新缓慢等信息问题，提高学校管理能力。系统可通过接入公共企业云，获取优质的云服务，如微软、Google、IBM、阿里等云平台。

2）大数据层。其核心价值是在海量数据下挖掘、分析学生的学习习惯和思维偏差，找到满足学生兴趣的学习方式与资源，通过学生需求分析有针对性地调整自身。一方面，教师方便全面真实了解每个学生，实施个性化教学；另一方面，学生通过了解自己的学习状态，开展有效的自主学习。

应用层 该层从“以数据为中心”转化为“以人为中心”，基于感知层收集、网络层传输、服务层挖掘的信息，催生出诸多外延应用。智慧教室包含的场所多、设备繁、连接杂、数据大，应用分四类：资产管理、教学管理、教学应用和社会化服务。

资产管理主要包括照明管理、空调管理、门禁管理、实录监控管理、多媒体设备管理、IP广播等。智慧教学环境下的设备不再孤立存在，多个设备的应用集于一体，具有情景感知、设备协作等特点。通过协调多个设备，可整合出更多的功能服务。

教学管理与教学应用属较高层次应用，教学管理支持的管理包括：评价分析，支持学生对班级、课程、教师、环境等的评价；考勤分析，支持对师生早退、请假、旷课数据的记录与量化。教学应用提供以下教学支持。

1）支持资源服务。支持教学资源的海量存储、高速传

输、实时交互，提高师生资源检索和使用效率；支持纸本内容数字化、课堂现场录制，开展高效评量服务，保存每位学生的学习评量历程，建造学习大数据库，进一步挖掘和分析数据。

2）支持个性诊断。云计算虚拟桌面技术实现终端设备最小化，手机、平板可接入教室内学习系统，开启个性化学习。运用学习诊断分析技术，学生作业上传即可取得诊断报告，方便教师进一步深入分析学习状况。

3）支持补救教学。学生间学习表现差别大，补救内容不尽相同。评量和个性化诊断服务，产生丰富的教与学数据，涉及电子教材、数字笔记、活动历程、诊断报告及补救音视频。这些数据自动上传至云端补救平台，学生直接登入学习系统，进行课后补救学习，减少师生负担。

4）支持泛在学习。冲破封闭式的传统教室，学生可携带不同终端设备，进行随时随需的无缝交流与学习。

社会化服务居于智慧教室应用最高层次。从智慧教室环境下产生的海量数据中挖掘有意义的、人工不易获取的信息，为智慧教室提供智能决策。社会化服务将促使教学模式转变、人才培养模式创新。

终端层 交互终端设备有PC终端、移动终端、控制终端、多屏展示终端、一卡通、自主设备、可穿戴设备等。这些终端设备基于师生身处的特定环境提供个性化、自适应的人机交互模式。

终端使用者有教师、学生、家长、教育管理者、社会公众。不同角色对应不同接口，才能实现对推送内容的个性化样式定制、个性化内容定制、个性化服务定制及个性化内容推荐。

教师端：辅助教师做好评量及诊断工作，开展个性化教学，如批作业系统，用特定机器快速扫描采集作业数据，精确统计错误率；选择题统计每个选项的答题人数；简答题统计出现频率高的字词等。

学生端：学生按个人喜好选择界面样式，云端会对个人学习阶段特点及知识掌握情况进行反馈，形成诊断报告，且系统将推送有针对性的题，避免重复做题，学习效率得到提高。学生时间节省，可参与各种利于身心发展的实践活动，德智体美得以均衡全面发展。

家长端：提供实时的学生诊断书，家长第一时间全面了解孩子身心状况，针对一目了然的优缺点，适时给予鼓励和协助，为学生健康成长提供有效保障。

教育管理端：对班级乃至整个校园收集到的海量数据进行分类、整理、汇总、分析统计，逐渐积累成教育大数据基础，帮助教育管理者了解各班学习状况与教学成效，落实教学精进策略，为学校创设有针对性校本方案提供依据。

社会公众端：如对于命题者，能准确诊断试题优劣，提升命题品质；而对于其他社会公众，掌握学校教育的新动态，一定程度上影响社会发展的方向。

5 智慧教室建设的困难与挑战

首先，智慧教室本质上还是一种教学环境，这种智能化的教学环境，对师生及教学科研人员提出新要求：要求教师改变传统教室下“满堂灌”的教学观，具备将新技术与教学高效整合的设计能力，全面理解终身学习、适应性学习理念；要求学生改变传统课堂上“拿来主义”的学习观，主动探索知识，提高学习能力，德智体美均衡发展；要求教学研究人员把握教学与科技发展新动向，对教学内容进行适当调整，使之更符合时代发展需求。

其次，智慧教室教学系统的核心内容是个性化学习，在此基础上延伸出自适应学习。借助自适应的实时预测能监测学生的知识缺陷，实现学习平台资源的高效推送，引导学生选择最适合自己的学习内容。国内的自适应学习尚未成熟，相关研发团队将重点放在知识图谱上，未来研究还可能涉及人的情感变量、社会协作等领域。

另外，智慧教室技术体系的全部实现，资金动辄上百万，而且教室信息化建设领域的變化近年来十分迅速，给学校造成极大的技术压力和资金障碍。校方可以根据学校、班级的个性化差异，选择最合适的教室建设方案，在教学环境的局部做出改变与尝试。值得注意的是，智慧教室的局部建设更要考虑到系统性、长期发展等问题，为之后形成综合统一的教学环境奠定基础。

最后，智慧教室尚缺乏统一的标准体系。智慧教室从一种概念变为一种现实，进而发展成一定规模，最后形成标准，需要雄厚的技术基础和资金支持来拓展智慧教室应用。目前在全球范围内尚无统一标准体系出台，标准的缺失影响了不同企业的智慧教室产品间的相互识别与互通互联，大大限制技术应用和产品规模化。尽快制定统一、规范的标准，是智慧教室发展的前提。

6 结语

智慧教室在教育信息化建设中占重要位置，我国要紧跟先进国家的步伐，借鉴各国智慧教室建设的经验，利用当下热门技术，在实际教学环境中不断尝试、磨合，探索出符合我国国情的智慧教室建设新方向。本文提出的观点借鉴了前人研究的成果，希望能与关注智慧教室研究的同志一起探讨与分享。

参考文献

[1]聂风华，钟晓流，宋述强.智慧教室：概念特征、系统模型与建设案例[J].现代教育技术，2013，23（7）：5-8.

[2]习海旭，廖宏建，黄纯国.智慧学习环境的架构设计与实施策略[J].电化教育研究，2017，38（4）：72-76.

[3]百度百科.物联网[EB/OL].http：//baike.baidu.com/view/1136308.htm，2017-02-15

[4]王丽珍，刘佳星.教育大数据对网络教研的影响[J].中国电化教育，2016，11（5）：51-55.

[5]薛慧丽，邵孟良.云计算的核心技术与应用前景研究[J].实验室科学，2015（6）：55-59.