“互联网+”背景下高校智慧教室的构建研究

2022-11-10卢建宁

电子技术与软件工程 2022年5期

卢建宁

（玉林师范学院广西壮族自治区玉林市 537000）

智慧教室并非单纯以信息化教学为建设目标，而是一个复杂且系统化的建设工程。其建设目标在于满足教师与学生的“教”与“学”需求，创建一个技术先进、应用便捷、资源丰富、管理高效的教室空间。从实际功能来看，智慧教室既要满足媒体共享应用、多端协同学习、跨媒介互动、可视化管理等功能，又要具备多功能、多平台、易维护、易拓展等特征，进而达成全方位的教学与管理升级。

1 高校智慧教室建设中的“互联网+”技术

智慧教室建设需要以当前先进的“互联网+”技术为基本依据，通过硬件、软件、系统、数据、网络、平台等综合模块的协同服务，从而创建出满足当前师生智能化教学的空间。

1.1 物联网

物联网技术是当前创建智能化环境空间的重要技术。在智慧教室建设过程中，物联网建设中的智能感知、普适计算、识别等技术具有重要功能。首先，在门禁设置中，物联网可以建立师生识别系统，通过指纹、人像或学生卡即可识别身份，进而自动开放教室功能，同时也能自动生成日志，记录师生的使用情况与细节。其次，物联网技术可以有效调控教室内部的环境因素，包括噪声、温度、气味、光线等。一方面，通过传感器技术可以随时检测教室内部的各项环境参数，由此了解当前教室内部的环境状态；另一方面，可以通过智能调节设备，通过调控教室内部的通风、换气、灯具等相关设备，由此保证教室内部的声音、温度、光线等适合师生教学。

1.2 云计算

在信息化教学设计中，教师需要通过大量的数字化资源进行筛选与应用，而大量的资源信息会使得教学活动过于繁琐，信息传输也会受到极大影响。对此，云计算技术可以构建云空间资源库，通过分布式文件系统可以为各个教师与学生提供非常客观的云空间，同时利用集群技术与网络技术还可以实现随时随地调用资源的目的，为教师教学提供了更便捷的平台。与此同时，智慧教室还可以利用云计算技术建立云桌面，甚至可以通过虚拟技术搭建教学平台，让智慧化教学更加鲜明有效，呈现出不同的形式与特征，也降低了教师进行智慧教学设计的难度。

1.3 大数据

在智慧教室建设过程中，会生成大量数据，通过这些数据可以反馈师生的教学与学习实情，因此在信息反馈与智能指导方面具有重要价值。所以，大数据系统就成为补足智慧教室建设的重要模块。一方面，大数据系统可以收集教师的教学过程数据，进而结合学生的学习反馈进行分析，可以判断教师教学设计中的优势与不足，以此为教师教学提供必要的改进建议。另一方面，大数据系统可以根据学生的学习活动，收集其学习过程中的各项数据，通过量化标准与模型建设，可以进一步分析学生之间的差异，进而为其提供个性化的教学服务，提供符合其成长需求的资源。

2 高校智慧教室建设与管理中的问题分析

2.1 系统调研深度不足

智慧教室的建设需要建立大量通用或非通用的系统设备及非必选节点，这些节点的连通接口会直接影响智慧教室各仪器设备的应用效率。根据当前的调研反馈，在智慧教室建设过程中，对于智慧教师内部的设备型号、尺寸、接口等内容的关注不全面。比如在教室各类显示屏的尺寸设计、中控主机背板后的各类接口、存储空间的接口设计、物联网环控的节点设计、APP软件的适用效果等方面，一般在建设过程中会给予更多的关注，但是在其他一些方面却存在忽视与轻视的问题。比如智慧教室的整体框架体系结构、各类设备的选型、物联网节点选定、信息化平台的连通性、各功能模块的实用度、非通用节点的集成拓展效果、智慧教室与智慧校园的对接关系等，这些内容在智慧教室建设过程中容易被忽视，从而导致在智慧教室实际应用过程中的实际效用产生了一定的影响。比如设备的安装方式是否符合教师的使用习惯、设备功能服务是否增加了教学负担、设备应用是否能有效提升教学效果、智慧教室是否符合教师的适应能力等，只有全面调研智慧教室的实际应用成效并反馈其特征与需求，才能进一步达到改革创新的目的与效果。因此，当前还需要增强对上述问题的关注与调研。

2.2 常态运维效果不佳

智慧教室属于有密集设备网络与系统资源构成的一体化项目，必须建立完善的运维保障机制，才能保证各项设备、网络服务、教学辅助功能的有效运行与应用，否则不仅影响设备的使用效率，而且还会影响教学实效，给教师和学生较差的课堂体验。目前高校在智慧教室建设过程中需要关注的运维问题主要包括以下几点：

（1）智慧教师建设方与学校的质保合同到期时，相应附带的运维服务也会结束，导致后期智慧教室失去了运行维护的工作保障。

（2）部分非通用型设备在应用安装前缺乏完善的测试，导致实际运行过程中发生不适配、无法连通、软件冲突等问题。

（3）智慧教室各类设备的接插件、触控件等设备接口缺乏长期清洁工作，导致接触不良等故障。

（4）智慧教室局域网或出口网络也面临诸多故障问题。

（5）智慧教室后台服务器系统或节点需要定期进行固件升级，当失去运维团队后，也就无法继续升级。

（6）智慧教室的后台数据会不断累积，在缺乏定期清理后，会使得整体系统运行缓慢，甚至崩溃。

上述运维问题是高校在智慧课堂建设过程中容易遗漏的重要内容，必须建立良好的运维保障，比如通过购买第三方运维服务等，以保证智慧教室的长期稳定运行。

3 高校智慧教室的框架体系与技术结构

3.1 集控服务平台

集控服务平台主要负责智慧教室内部硬件设备的集中管理与统一控制，并由此提供不同的管理服务，一般部署与高校校园IDC或指挥中心。该平台需要存储全校各个智慧教室设施与设备的相关信息，包括系统参数配置、当前运行状态、教学资源信息等，属于智慧教室管理后台的上层管理中心，需要依托Windows或者Linux系统进行开发，同时建立对应的数据库系统，例如Mysql等。集控服务平台需要对智慧教室中大量的不同类型的设备即下属系统提供统一管理服务，比如合理分配IP，避免网络冲突；合理设置端口，保证各设备之前有效连接与信息传递；科学设计地址与端口表并提供完整的维护流程等。

3.2 中控主机

中控主机是智慧教室管理的核心操控部件，将智慧教室中多种环境设备与物联功能集于一身，进而建立独立的中控台会柜机。一般部署于智慧教室集控服务平台下游，放置在各个教室之中，为教室提供客户端设备，属于下游阶段的核心主机。当前国内关于中控主机的规范标准缺乏统一性，大多由厂商自主开发，集中于使用ARM Cortex+Linux系统的基本架构，部分厂商选用OPS为主机核心。

3.3 操控面板

操控面板是与师生进行互动的操控类设备，一般采用RS232串口或其他方式与主机连接，通过机械按键、触摸按键等方式提供人为操作的按钮。当前的操控面板还会增设液晶显示屏，由师生通过触屏操作面板，以调控智慧教室内的设备，完成对各项设备的调整与应用。在当前的智慧教室建设中，操控面板有一体式管控面板，也有分模块管理面板，比如设备控制类就主要调控多媒体、摄像录播等系统设备，环控类面板就主要控制空调、通风系统、除尘系统、加湿系统等，以调节教室内部的环境。此外还有以平板为间接操控的软件设计，通过安装APP并连接智慧教室网络，即可对各项面板进行点触控制，同样可以起到便捷调控的效果。控制面板的功能一般包括设备系统的开关、功能切换、数值调节以及使用状态查询等内容。

3.4 多媒体系统设备

多媒体系统设备在智慧教室建设中具有重要地位，且占据了较大的比重，包括大量的多媒体类设备。比如智慧白板，其既支持安卓系统，又可以使用Windows系统，同时还支持粉笔板书，甚至可以应用多媒体软件辅助教学，使其屏幕呈现内容可以跟随调控通道而变化。主屏幕一般采用LED或LCD材料构建，比如LED模块组装屏、LCD拼接屏等。其中LED模块组装屏的整体性能更高，其模块控制电路使用了微控制器、串行扫描与驱动电路等内容的配合，可以保证其画面清晰、色彩丰富且呈现效果丰满，可以达到更优质的视觉效果。LCD拼接屏则采用了更优秀的拼接技术，接缝可以达到毫米级以下，让学生的观感更平滑柔顺。同时，智慧教室一般需要多块显示屏分立布设，但各个屏幕之间可以互相联通，在需要时可以呈现不同、相同或拼接的内容，其中的互联协议主要包括闪联、DLNA、AirPlay、Miracast等，可以有效实现师生屏幕的内容互传、展示分享、同步互动等效果，辅助教师完成不同的教学活动。

3.5 摄像录播系统

智慧教室建设还需要完善的网络摄像头与自动录播系统支持。网络摄像头主要采用传统的摄像头搭配联网组件的方式，以IP地址作为视频流服务开源代码的开发基础，并满足不同的IP配置方式，比如TCP/IP、http以及静态或动态配置方式，由此保证摄像头记录的内容信息可以直接通过网络传输到终端，进而既可以提供监控功能，又可以通过大数据系统对录像画面进行信息采集与分析，由此达到相应的应用效果。与此同时，在摄像头系统基础上还可以建立自动录播系统。该系统主要以广电系统为基础，智慧教室可以通过摄像头与录音设备将教师或学生的课堂教学与学习过程进行记录，进而通过网络将拍摄视频直接传输到网络终端，一方面可以形成直播效果，为远程教育提供更好的服务，用户可以通过浏览器或教学平台的直播软件观看教学过程。另一方面可以将教学过程录制为教学视频，进而上传至教学平台的网课模块，为其他专业或因故缺课的学生提供拓展与补偿的机会。该系统的实现则需要建立后台服务平台，一般部署于学校IDC或中心机房，采用FF-MPEG流媒体平台即可实现。

3.6 环控设备

环境控制设备是对教室内部环境调节的关键系统与设备，是智慧教室系统框架建设的必备要素。其一般需要建立网口连接智慧主机，通过网络延伸对智慧教室内环境相关的设备进行实时地调控与监测，以此保证教室环境良好，给教师和学生最佳的外在体验。首先，该系统需要由环控网关分别连接下游设备节点，比如485、Wi-Fi、Zigbee、RF433MHZ等。在节点位置一般会设置各类调节装置，包括空气质量监控系统、窗帘控制电机、智能红外遥控、单火开关、智能门锁、调光面板、光照传感器等。对于特殊设备还可以进行无线联网控制，以此保证通过调节操控面板达成相应环境调控的目标。对于红外遥控设备而言，则需要先由智慧主机发出控制命令，通过物联网将命令传递至环控网关，网关通过控制红外遥控器发出对应的命令，进而在红外操控下相应的设备接收信号，完成对应的操作或调控。因此，中控主机还需要建立红外学习口，可以由此接收和读取红外遥控命令，并将其红外命令信息进行编码，由此转变成网络可直接传递的信息数据。对于部分既可以采用红外又可以使用串口控制的设备，比如某EPSON摄影机，其开关机有着固定的串口码，智慧中控主机可以依据相应的波特率提供串口指令字节，进而通过串口TX引脚向其串口RX引脚发送，由此完成开关控制效果。此外，对于计算机类设备，则可以通过设置BIOS系统，建立LAN唤醒完成控制。

3.7 辅助教学平台系统

辅助教学平台属于独立用户或多用户教学系统，通过为学生提供学习资源、互动途径、微课视频、评价模块、习题资源、考试模块、线上管理系统等功能，达成辅助教学的效果和目的。该系统在智慧教室建设中具有良好的补充和拓展作用，可以将线上线下教学建立深度连接，以此帮助教师与学生达成更统一的学习效果与进度。具体而言，智慧教室系统与辅助教学平台之间的联系主要表现为以下几方面：

（1）资源互通。其通过建立统一的资源库，教师在备课时可以直接将制定好的教案等资源上传至教学平台，在课堂教学时可以随时调用，学生也可以通过设备终端进行自由下载，比如预习微课、习题训练等。

（2）在线管理。智慧教室可以通过智慧门禁、摄像头等设备对学生进行管理，相应的数据可以直接上传至教学评平台，并针对学生的考勤问题、抬头率、设备使用情况等进行反馈，由此教师可以直接通过在线反馈对学生进行课上管理。

（3）教学评价。教师无法在课堂教学中关注每一个学生，因此在过程性评价中也存在一定的缺陷与不足。而智慧教室可以将每一个学生的出勤、课上表现、习题成果、考试成绩等各项数据进行统计，为教师提供了更科学便捷的评价辅助信息。

4 “互联网+”背景下高校智慧教室的构建策略

4.1 构建硬件空间，创建便捷环境

硬件空间建设是高校智慧教室构建的基础所在，一般主要包括三个模块。

（1）空间环境多元化模块。智慧教室与传统教室应具备功能上的鲜明差异，能够提供多种教学或活动功能，同时还能符合不同专业、学科的基本需求。因此，在空间环境的多元化实现过程中，需要对其布局空间进行优化设置，一要打造组合型桌椅。一方面要采用专业化设计，优化其材质选择与人体工程学设计，保证学生久坐也不会疲劳；另一方面要建立不同组合效果，比如“圆桌式”“秧苗式”“混合式”等，通过调整桌椅的摆放形式，可以让智慧教室呈现出通用型、专用型、研究型等不同形态，满足小组协作学习、师生亲密互动、课堂集体活动、学生竞赛、学生考试等不同的教学需求。二要调控装饰环境，根据专业或学科特征，形成简约性、多功能、友好化等不同装饰效果，满足学生不同学习内容的环境营造。三要优化教室装修，比如要安装吸音吊顶，做好灯光控制，为讲台设置木质背景，墙面要采用环保硅藻泥，采用复合型强化地板，安装电动窗帘等。

（2）智慧教学设施模块。智慧教学的实现需要全面依托信息化教学设备，因此在智慧课堂建设过程中，需要形成完备的信息化教学设施服务。一方面，电子白板已经成为辅助智慧教学实施的重要设备，因此需要通过多点触控液晶屏、一体化录播设备、高性能音视频矩阵等设施建设，以此满足电子白板的多功能应用，并让教师能够轻松掌握其使用方式与技巧。另一方面，全方位的数据收集是支持大数据系统运行的基础，也是形成智能化教学体系的前提。因此，智慧教室还必须配备人工智能人脸识别、数据传感器、视觉分析等诸多设备，既可以帮助教师在教学过程中完成批注、讲解、创设情境、营造氛围、生成微视频资源等活动，又可以通过大数据系统分析数据，反馈学生的个体学习报告，从而为教师教学设计提供更多的科学依据。

（3）环境管理模块。智慧教室需要通过物联网技术与校园网络以及传感技术等配合，从而达成智能化调控教室环境的目的。师生的教学过程会受到环境的直接影响，温度过高、湿度过大、噪声太强等都会严重影响学生的学习效率。而通过物联网技术配合智能化的门窗、空调、通分、光照、环境监测等系统，可以随时了解到当前教室内部的环境状态与各项参数，通过设置调控指标，即可由物联网系统自动调控各系统进行运转，从而保证智慧教室内部形成良好的环境状态。此外，师生也可以根据自己的区域需求，通过控制面板或App软件，对局部区域的光照、空调等进行调控，进而满足学生的差异性需求。

4.2 构建软件空间，提升资源利用

软件空间则是驱动诸多硬件设备运转的关键内容，是影响智慧教室建设的核心因素之一。目前来说，软件空间的建设主要分为七个系统模块。

（1）物联感知模块。该模块主要驱动物联网、传感器以及环境管理硬件设备等内容，一方面收集PM2.5、温湿度、光照度、红外人体感应等实际环境参数，进而对教室环境指标建立明确认知；另一方面通过软件预设，从而自动调节新风系统、空调通风系统、光照系统等设备，使得环境参数达到适宜师生上课学习的状态。

（2）智能中控模块。该系统主要用于人为控制与操作使用，主要包括定制化程序系统、触摸式面板与屏幕等，师生可以依据需求自行操作，并获取环境信息参数、呼叫值班室、激发紧急警报等，方便师生在不同环境或场景因素下使用。

（3）智慧教学模块。智慧教室建设的基本目标在于实现智慧化教学，而信息化教学设备的使用就必须依靠相应的软件模块进行驱动。比如多屏演示系统、互动教学模块、多媒体应用技术、学生信息统计、课堂数据统计分析等，通过各种智慧化教学服务功能，可以促进师生的互动关系与有效反馈，从而提升教学的效率与质量。

（4）智慧门禁模块。该系统主要用于智能调控师生进出智慧教室与使用设备的权限，由此达到节约资源、提升管理效率的目的。一方面，该系统应与相应硬件设备配合，满足刷卡、扫码、指纹识别、人脸识别等多种开门方式；另一方面，还应通过联网与教务处排课系统建立联系，能够依据课程表自动调控和切换门禁。

（5）智能班牌模块。该模块具有信息展示与智能查询的基本功能，比如可以动态展示班级与教室的时间安排、展示校园公告、呈现环境监控信息等；同时也可以实现课表咨询、教室预约、统计考勤等功能。

（6）音视频录播模块。智慧教室应为线上教学、教学评价等综合功能提供额外支持，教师可以在上课时打开录播系统，将整节课的教学过程进行记录。一方面，大数据系统可以根据教师教学的活动过程，对其师生交互行为、教学专注度、学生表现等数据进行分析，并由此生成科学的师生评价成果。另一方面，教师可以将录制的教学视频上传至教学平台，供学生进行线上学习。

（7）云桌面模块。该系统可以简化计算机在课堂教学中的使用，通过将大量数据与计算功能转移至云间，可以有效提升资源利用率，方便教师的教学使用。

4.3 创设服务空间，优化教学功能

智慧教室的建设还需要其发挥出应有的服务功能，进一步为教师教学、学生学习提供必要助力。

（1）要具备资源服务功能。智慧教室的智慧化教学系统应与云端资源库建立连接关系，进而打造线上线下一体、备授课一体、智能资源推荐等服务功能，学生在线上线下学习时可以登录平台后延续学习过程，教师在备课时制作的课件与信息化资源可以自动存储于云空间，进而在上课时可以随时调用。而教师在教学过程中，智能系统还可以依据当前的教学场景智能提供资源，以此进一步优化教师的教学活动。此外还可以通过音视频录制模块，将线下教学转化为线上直播教学，提供远程教学服务功能。

（2）要升级教学服务模式。为方便教师操作，并助力教师采用开放互动的教学方法，可以由智慧教室为教师提供适配性较高的教学模式服务。比如在理论讲授环节，可以切换讲授模式，主要由教师进行讲解；在教学引导环节，可以切入情境模式，可以将教师提前准备好的视听情境进行呈现；在学生讨论活动中，可以切入研讨模式，让学生作为学习主体。而在各种教学模式下，教学系统会自动调节主屏演示、多屏演示、多屏对比、大屏演示、四分组投屏等功能，以满足教师的教学需求。

（3）要达成完善的数据服务功能。智慧教室除了可以为师生提供和推荐学习资源之外，还应借助人脸识别、眼动仪、动作捕捉等技术建立数据采集与挖掘系统，并由此对教师与学生的教与学行为进行检测评估，通过大数据系统为教师提供教学决策，也能为学生提供个性化的学习方案，以此达到智能化教育的目标。