“云+AI”背景下高校智慧教室的调研与设计

鄢放

（南京师范大学新闻与传播学院 江苏省南京市 210024）

1 引言

随着信息技术与社会需求的发展，现代大学校园的发展趋势是数据化、互联网化、智慧化。欧美等发达国家愈来愈重视用设备的集成与通信技术来改造教室，大部分学校的教室已实现智慧化发展趋势，教室内设备间互联，在数字化教学中起到重要的作用。在当今互联网高速发展为交互式的教育和学习环境提供了便利。我国《教育信息化十年发展规划（2011-2020）》中明确提出“制定学校数字校园建设标准，实现基础设施、教学资源、应用能力等全面达标”的要求。教室是教育教学的主要场所，也是学校教学空间的基本单位。学校中教室的建设情况可以反映出学校的整体教学硬件的好坏。教育资源中的数字资源的建设可以从侧面反映出学校在互联网背景下的教育竞争力。在教学活动中，教室作为承载教师教学和课堂反馈的主要场所，在大学教育中不可或缺，因此，建设数字化校园需要对教室内部的基础设施、教学资源进行规划与布局。智慧教育、智慧校园建设是教育现代化建设的重要环节。

1.1 数字化校园基础建设

南京师范大学是一所具有百年办学历史的省属重点综合性大学。多年来重视校园网络建设，实现了千兆主干百兆分支接入的目标。有线、无线网络信息点已遍布全校各个角落，为学校的教学科研管理等工作的进一步开展提供了有力支撑，为学校的发展奠定了基础。

由于数字化校园的建设具有阶段性，多媒体教室建设在不同的年代，产品种类和型号各不相同，缺少统一的规划，虽然这些系统的设计在设计之初较为合理，但由于当时的技术设备及各种软硬件环境的限制，多媒体教室现状总的来说有以下几个问题：

1.1.1 系统复杂，不实用

教室的设备从最初的投影机、电脑到现在的电子白板、触摸一体机、录播系统等设备，系统复杂。经常导致设备故障，影响正常上课秩序，影响发挥其价值。

图1：智能控制中心

图2：智慧教室总体设计思路

1.1.2 分期分批建设，系统不兼容

学校分批对教室进行信息化建设，不同时期的中控、投影或其他设备，不能够很好的兼容，这就造成了在实际的使用中，操作上会相对繁琐，给一线教师在使用中造成了不必要的困扰。

1.1.3 系统可靠性、稳定性差

不同时期的产品可靠性和稳定性上参差不齐。复杂琐碎的设备操作与管理，增加了专业技术人员的管理与维护需求。

1.1.4 无法做到智慧管理

多媒体教室建设中存在着严重的“重硬轻软”的现象，一堆的硬件设备部署在教室内，相对独立，不仅是给教师在使用上带来的一定的困扰，而且在管理上也有很大的工作量产生。

1.2 智慧教室的定义

有人认为智慧教室，它仅是对教室里的电子化设备的总的称谓。只要能够利用电子投影、计算机、扩放音设备，就能够算作智慧教室了。智慧教室主要是帮助教师实现多媒体教学的物理空间，在这个空间中，可以进行相关的教学互动等活动。也有人认为，在互联网时代的背景之下，教室应该兼具现实空间和云端互联的教学互动任务。在互联的过程中，将教学资源整合成为数字信息，供教学各主体自由的取用，满足教学和学习的个性化需求。

北京师范大学的黄怀荣教授 提出了智慧教室的“SMART”概念模型。智慧教室的“智慧”体现在设备管理和教室安排使用的智能性。在教学上体现在：教学内容呈现的多样性、数字资源的使用的便利性、课堂互动的便捷性等内容。

智慧教室是支撑师生的教与学的教室空间的软硬件的集合，是一种新型的教育形式和现代化教学手段。智慧教室设备符合物联网的应用、网络和感知等三个层次。教室通过运用传感器、射频识别等技术，使信息数据在传感设备间实时传递。通过可用的网络协定，如：Wi-Fi 的无线局域网、移动通信、电信和联通网等实现设备和信息之间的传输。

总体来说，智慧教室是在物联网、云计算、大数据、人工智能（AI）等新兴信息技术的推动下的教室信息化建设的最新形态。运用智慧技术，提供智慧服务，实现智慧管理，是智慧教室的主要特征。

2 项目设计

2.1 设计原则

智慧教室的整体方案以教育更简单、更智慧为出发点，立足教学需求，明确建设目标，可以总体统筹规划，分步实施、推进。本方案采用模块化设计架构，提供包括智慧教育所需要的所有硬件、软件以及物联网环境等。要求能够为智慧教学提供基础的硬件、软件与环境支撑。方案上主要遵循如下原则：

2.1.1 实用性与先进性

以教学活动实际需求为出发点，不断追求教学环境的智能水平，以适应网络时代的信息化教学的整体趋势。

2.1.2 可靠性与高性能

采用成熟并有较多成功案例的技术装备与解决方案，保证教学系统的安全与可靠。

2.1.3 完备性与拓展性

充分考虑教室与内部设施的契合性，因地制宜，适当增减设备，保证整体性完备性。同时遵循各种标准化体系，为将来设备的增添和各设备间的连接提供便利。具体来说应该做到以下目标：

（1）设备统一管理：智慧教室整体解决方案，通过智能化设计，将交互式电子大屏、录播、功放、投影仪、灯光、空调、窗帘等设备能进行统一的管控，简化管理。

（2）系统稳定可靠：设备之间应该同一品牌，应充分考虑设备之间的兼容性和稳定性的问题。

（3）设计简化布线：智慧教室的建设应该考虑线缆的部署问题，以简化布线为出发点，从功能完整性出发。

（4）教学智慧化：支持独立部署和模块化部署，发挥信息化的手段优势，帮助老师和学生完成教与学模式的双重转变。

（5）符合相关标准：项目中各系统设计要求满足国家、地区及相关行业标准。

2.2 方案核心

本方案的核心为智能控制中心。智能控制中心为模块化设计，可以根据实际情况按需选配。总计四层，每层均为工业级标准1U高度。每层之间通过POGO PIN 弹针的形式实现供电、供网、控制信号传输。POGO PIN 共有64 个引脚，每个引脚分别被赋予了不同的功能。如图1 所示。

智能控制中心由下到上依次为：

第一层为基础层即智能控制中心主机，是整个系统的硬件控制支撑。它提供网络交换、低压直流供电、控制串口以及可控电源。主机主要实现对周边设备的控制以及对其他模块的供电、提供网络交换以及信号传输。

第二层嵌入式录播模块，是智能录播系统的核心组件。支持多路SDI 输入和多种音视频输入、输出，结合当前最先进的编码芯片提供视频的编解码服务，可以播放流媒体、网络视频。通过教师的高清摄像头，可以录制教学现场视频，课后可以轻松存取，方便课程视频的制作。同时，在课程过程中，可以通过网络进行现场课程的直播，方便线上课程的开展。

第三层智能功放模块，选用D 类放大器，具有超低功耗，针对音频、视频、中控、机柜等进行优化。可根据教室面积合理布局，通过对音箱数量和位置进行排布，调整听音环境。同时，选择相应的功率放大器，保证声音扩散性良好。可以选配声音均衡器、混响器等设备，保证声场分布均匀。在课前调整听音环境，保证学生在听感上，达到响度合适与自然，适应不同课程的需求。

第四层是云终端&音视频切换矩阵模块。该模块对接交互智能大屏，充分调动数字资源。矩阵模块提供了音视频的多种输入输出端，可以与上下级设备相连，方便实现音视频内容的切换。

2.3 系统架构

智慧教室总体设计思路：以采用模块化设计的智能控制中心系列产品为中心，辅以智能物联网系统、智能音视频交互系统、智能录播系统、教师控制端APP 以及智慧教室综合管理平台，最终完成整个智慧教室生态圈的建设。如图2 所示。

2.3.1 智能物联网系统

物联网控制器通过Zigbee（紫蜂协议）和红外接口与智能设备衔接，通过RS485 端口与智能控制中心主机相连，接受中控的控制。

2.3.2 智能录播系统

一体化摄像机通过SDI（串行数字接口）和网线与嵌入式录播主机相连，悬挂全向数字麦克风通过网线与嵌入式录播主机相连，可以根据需要连接互联网视频会议平台，完成线上线下同步教学。

2.3.3 本地扩音系统

智能音箱通过2 根音频线与智能功放模块音频输出相连。

2.3.4 智能交互系统

交互智能大屏通过HDMI 和Tough-out 与云终端&音视频切换矩阵连接，实现视频传输和触屏控制；通过RS232 端口与智能控制中心主机相连接，接受控制。

2.3.5 教师控制端APP

通过便携电脑各类端口以无线或有线的方式与智能控制中心主机连接，实现教师登录考勤、对教室各类设备包括灯光、空调、一键录播、其他设备开关机的轻松管理和控制。

2.3.6 智慧教室综合管理平台

智慧教室综合管理平台一般设在教室管理办公室内。它通过网络，与各智慧教室的智能控制主机交换网口相连。管理平台可以实现对教室远程视频和设备的监控、对故障信号进行预警，还可以实现帮助管理人员进行远程地操控。在教学方面，可以通过平台方便教务人员安排课程和房间、预约教室。在课程结束后，甚至可以对课程的情况进行回放，并生成统计数据，如：到课率、课程设备使用情况、课程设备故障分析等。同时保证设备资产管理与学校一卡通系统对接等功能，让教学智慧化，让管理智能化。

3 方案核心价值

3.1 资源共享，实现互动课堂

根据学校的实际情况，提供常态化精品录播系统。资源是教育教学的核心，录播能够保证资源的实时产生和保存，能够促进资源的交流，让更多的学生能够享受优质资源。

音、视频交互系统，能够让课堂与网络即时通讯、实时互动。教师和学生的任何课堂灵感能够被网络有效的实时反馈，让学生愿意互动，乐于互动，享受互动。

3.2 统一管控，简化教学管理

智慧教室的统一管控能够简化教学管理。采用嵌入式架构桌面化统一管理，解决传统大屏使用电脑管理难、监控难、存储匮乏、损坏率高、功耗大等多重问题；教师控制端APP 是教室端控制的核心软件。智慧教室综合管理平台采用B/S 架构设计，只要有网就能管控。操作原则以实用为准，老师讲台刷卡或者密码键入登录考勤后，可以选择自己喜欢的上课模式，可以按需调节灯光亮度、空调温度，并能轻松地切换输入/输出源，随时一键录播；课后，仅需点击一键下课，即可以完成教室设备的关闭。

管理平台能够对所有的安装了智能控制中心设备的教室进行统一化管理。方便管理部门人员，实现实时监控与快速响应；在课程中完成对教师考勤的记录，教室和设备使用率的分析，最终可以报表的形式呈现，方便相关人员的查阅和分析；能够方便管理教室的预约、教室排课（或者对接原有教务系统）；能够对管理员的权限进行控制、追踪并记录登录数据，做到从上到下、从里到外的无死角管控。

3.3 智慧物联，打造优质体验

智慧连接所有设备，让操控简单。各个设备之间深度互联，让兼容性和易用性不再困扰老师，为学生和老师打造优质的教学体验。教室是知识传授的重阵，良好的环境将有助于学生成绩的提高。

3.4 模块设计，灵活升级部署

智能控制中心是智慧教室核心设备，采用模块化设计。（智能控制中心主机、嵌入式录播模块、智能功放模块、云终端/音视频切换矩阵）解决各个模块之间的供电、供网、控制信号传输等问题，让分段部署成为现实，设备兼容稳定不再是问题。

4 结语

随着教学信息化进程的发展与推进，学校的教学课堂的改革与创新受到广泛的关注。信息化改革的重点应该以“便利”作为出发点，充分发挥教育中的师生主体的能动性。多重模块相结合的多媒体教学设施的使用，与数字教学资源的配置，对信息化教学的发展有所裨益。因此，需要深入挖掘信息技术在教学中的潜力，充分了解信息化设备在教学中的作用，合理利用和调配数字资源。建成以学生学习便利为中心，以教师应用便捷为准则的新型信息化教学环境。