AIoT技术融于传统课堂的应用研究

王浩 惠阳 陈永琴 胡珣 曹金香

摘要：随着物联网技术和人工智能技术的迅速发展，AIoT技术逐渐成熟，并开始被教育行业广泛应用。AIoT结合了物联网和人工智能的优势，为教育提供了许多新的可能性。但在AIoT技术与传统课堂教学的融合过程中，仍然存在一些问题。为此，本文将从AIoT技术的提出和发展，以及在教育行业实践过程中的优劣展开讨论，同时对AIoT智能课堂进行研究，以期为AIoT技术在教育行业的持续发展提供建议。

关键词：AIoT；传统课堂；应用

一、理论综述

（一）AIoT的概念

智能物联网（AloT）是近年来兴起的概念，它指的是由信息传感器、终端设备或云中心等组成的数据采集分析系统。在技术方面，人工智能和物联网相互影响，人工智能能够对数据进行感知和识别，而物联网主要为数据算法提供支持[1]。

（二）AIoT的发展历程

AI和IoT的提出时间早于AIoT，AI最早可以追溯到1956年，而IoT则由Kevin Ashton在1999年提出。然而，AIoT这个概念首次提出是在2017年，它将人工智能和物联网相结合，形成了更加智能和高效的系统。AIoT的提出对我国产业产生了巨大的影响，带来了许多新的商业機会和市场潜力[2]。目前，一些探索AIoT应用的企业包括小米、阿里巴巴和华为等，它们正在积极推动和探索AIoT技术在各个领域的应用

（三）智能课堂

AIoT技术能够构建基于智能设备的数据智能系统，该系统可以灵活地收集学习者全方位的多维课堂行为数据，并对课堂教学过程进行监测和课堂教学行为模式的改善，具有重要的影响力[3]。智能课堂是指结合云计算、大数据、物联网等技术，实现远程互动和情境化教学的教学模式。目前，我国智能课堂模式仍处于探索阶段，已有部分高校对其进行了尝试应用。

二、AIoT同教育行业融合发展现状

（一）我国线上教育的发展现状

自新课标改革以来，我国教育行业逐渐接受了线上教育模式。特别是在教育信息化提出后，线上教育成为日常教学模式的一部分。目前，我国的线上教育主要依靠网络教育平台，如中国大学MOOC、超星学习通等。在新冠疫情期间，线上教育更是发挥出了重要作用，使学生得以正常上课，维护了学校的正常教学秩序[4]。

（二）智能课堂的发展现状

根据刘邦奇等学者的观点[5]，基于教育信息化的角度，智能课堂经历了三个阶段。

在智能课堂1.0阶段，智能课堂将信息技术和智能数据分析引入教学全过程，建立信息化平台，通过高效教学满足学生个性化成长的需求。

在智能课堂2.0阶段，智能课堂融入了“互联网+”思维，结合人工智能、物联网、大数据等技术，基本实现了教学决策、评价反馈、交流互动、资源推送等方面的长足进步。这一阶段改善了课堂教学结构和专业学科的教学模式。

智能课堂进入3.0阶段后，以建构主义等理论为指导，核心目标是促进学生全面发展。通过线上线下一体化教学模式和课内化一体化学习模式，辅助虚拟现实方式推动教学信息化的发展。

智能课堂利用云计算、大数据、物联网等技术，通过硬件和软件的融合，实现远程互动、情景教学和实时直播等理想目标。智能课堂与传统课堂的不同之处在于，智能课堂借助现代教学工具（如多媒体设备）实现多种教学模式，强调学生在课堂中的主导作用，而教师则主要起辅助作用，积极开发学生的学习兴趣，为学生提供智能化、多维化和立体化的学习体验。此外，智能课堂还重视教学决策和教学评价的数据化，通过智能数据分析方法，为学生、教师和家长减轻负担。

（三）AIoT与智能课堂融合发展现状

2006年，《2006—2020年国家信息化发展战略》[6]的颁布以“三通两平台”为代表，扩大了学校信息化覆盖面积，提高了校园网络宽带质量，建设了信息化学习环境。这为AIoT与智能课堂的融合发展奠定了坚实基础。

根据国家统计局的数据显示，2019年全国财政性教育经费投入达到4万亿元，同比增长8.1%。从2016年到2020年，我国智慧教育市场规模从4960亿元增长至8256亿元。而2021年全国教育经费总投入为42557亿元，比上年增长9.43%[7]。国家在教育经费的支出和支持为教育市场注入了活力，促进了智慧教育市场的快速发展，为AIoT与教育行业的融合发展提供了强有力的支持。

2020年2月，我国教育部印发了《关于疫情防控期间以信息化支持教育教学工作的通知》[8]，旨在提高我国的网络技术条件，确保网络平台的运行和服务能力，更好地应用于智能课堂学习模式。这为AIoT与智能课堂的融合发展注入了重要的活力。

学者顾小清、王超[3]等认为，在课堂应用中，技术经历了技术平移应用、技术融合应用和技术创新应用等阶段。目前，AIoT在课堂中的应用符合技术创新应用阶段的特征。此外，AIoT在课堂中的典型应用场景包括协作课堂、游戏化课堂、创客课堂和实训课堂等。这些场景通过IoT感应设备和智能系统构成AIoT支持的智能课堂模式。总而言之，AIoT与智能课堂的融合发展仍处于探索阶段。

（四）S高校AIoT在教学工具中的运用现状

在S高校对AIoT与智能课堂融合发展的探索中，他们使用了超星学习通、中国大学MOOC等线上教学平台。这些平台的用途包括创建班级、发布作业、参与签到、参与讨论、批阅作业、参与考试、获取成绩等。超星学习通教师的授课形式包括使用其他学校搭建的SPOC（小型私人在线课程）、教师录播和直播教学。使用的设备包括Android手机应用、iOS手机应用和PC等。

S高校根据疫情防控形势和自身情况进行了梯度开展线上课程。第一梯度进行公共课程的开展，第二梯度开设部分以年轻教师为主的专业课程，第三梯度全面开展一些难以线下实施的实验实训类课程。最终，除了实验实训课程外，全校的开课率达到了95%以上。

以《贵州省情》课程为例，该课程旨在帮助贵州的大学生不仅掌握专业知识，还全面了解贵州，认识贵州省情的本质特征，把握贵州经济社会的发展规律，激发大学生热爱贵州、建设贵州和宣传贵州的热情，为贵州经济社会发展作出新的贡献。贵州省教育厅从2007年开始在全省高校统一开设了《贵州省情》课程，并将其作为思想政治课的一部分。课程教材以贵州省情为基础，阐述了贵州政治、自然环境、历史、民族、人口、经济、教育、科技、文化等要素的源流、现状及其发展方向。在疫情防控期间，该课程进行了线上授课。

在教学方法方面，他们采用了专题式教学方法，将整本教材拆分为脱贫攻坚、自然生态、发展历史、民族文化、经济发展、民生事业和社会主义民主政治等不同专题，并在各专题的基础上进行知识点的融会贯通，使学生更加具体地掌握知识点。

在线上教学互动方面，学生是课堂的主体，也是最重要的组成部分。为了提高学生参与网课的积极性和课堂氛围的活跃程度，教师关注学生在评论区的留言，回答学生的问题，并在知识点讲解结束后立即进行解答。

此外，他们通过课后抢答奖励的方式，显著提升了学生的课堂参与度和获得感，以及对课程的认知和理解。据悉，在该教学方式下，平均每道题都有20位以上的學生进行抢答，全班1/3的学生参与其中。

从教学效果来看，课程收藏次数达到了211次，累计观看总人次达到了3400人，学生在线讨论数累计达到了19469条，课程浏览量共计27509次。其中，学生的在线讨论次数为15717条，学生点赞次数为350611次。

三、S高校AIoT融入传统课堂需突破的难题

（一）教育意识方面

教育意识观念需要更新。从目前高校开展线上教学的统计情况可以看出，线上课堂辅助线下课堂已经逐渐变成教学的常态。然而，线上教学的质量参差不齐。从教师方面看，部分教师对设备使用和系统操作的熟练度不高，还习惯于传统的线下授课模式，对混合式课程的内涵和教学方法的掌握有所欠缺。而教学目标上，线上课程的进度受互动效果的影响，部分教师缺乏在线上教学互动的习惯。从学生方面看，多数学生对线上教学还不够适应，在新鲜感过去后，参与线上教学的积极性逐渐减退，例如课堂互动次数减少、课堂讨论频率下降，从而影响了学习的质量。

（二）技术方面

技术支撑存在短板。首先，网络通信平台建设不足，无法满足全校师生在同时使用网络通信信号时的集中需求，导致网络信号差、音频资料卡顿等问题的出现。其次，线上教学平台众多，但质量不稳定，例如网速限制、参与人数限制等问题，导致教师无法固定在一个平台进行授课，而学生则需要下载许多不同的线上学习类应用，这降低了学生对线上授课的期望和耐心，难以满足师生个性化教学需求。最后，线上教学实验的技术支持也存在问题，实验课程对实际操作和实验安全条件等有较高的要求，但由于虚拟仿真研发和供给不足，线上教学很难满足学生的实践体验需求。

（三）资源方面

优质资源建设仍需提高。首先，高校拥有大量优质的线下教育资源，但很难将这些资源有效地进行数字化存储和应用，以最大程度地实现优质教育资源的高效利用。其次，即使有优质教育资源，线上教学难以确保学生能够充分理解和消化这些资源。同时，线上学习资源的选择不够统一，缺乏个性化的难易程度设计以及适应不同设备的呈现形式。

（四）管理方面

管理体系需要完善。高校对部分教师的线上教学缺乏培训和引导，如线上教学教师的考核机制和奖惩机制等。同时，高校对学生如何进行线上学习缺乏统一的管理模式，如学生考核体系等，难以有效维护线上课堂教学秩序。此外，线上教学形式单一，交流互动较差，缺少学习体验等问题也需要及时解决[9]。

四、S高校AIoT融入传统课堂设计与构想

（一）树立AIoT创新教育意识

在当前线上教学常态化的背景下，增强教师和学生对新技术、新模式、新阶段的适应能力变得尤为重要。教师需要积极探索和应用教学设备和线上教学方法，以加强对AIoT在教育领域的认知和应用。作为高校和社会进步的衔接者，教师需要更新教育理念，促进线上教学的高质量发展，从而助力实现“教学共生”模式的实质进步。在教学资源利用方面，教师应有意识地为学生提供差异化的个性化发展方向，实现有教无类、教学相长的教育目标。同时，教师还应重视培养学生的自主探究意识和主动创新意识，以推动学生的长远发展为目标，并运用“互联网+”的创新思维促进学生的全面成长。

（二）充分发挥AIoT技术优势

AI与IoT技术的融合确实带来了更大的应用和灵活性。AIoT的优势之一是它能够提供可行的选择。物联网通过提供设备信息和功能，再加上机器学习算法，能够组织预测决策和结果，从而使物联网能够做出决策。

AIoT技术的突出优势在于它汇合了物联网、大数据、人工智能、云计算等技术，使得万物智联和数据化变为可能。它能够将用户、终端设备、线上平台和教育场景通过数据进行连接。要充分发挥AIoT的技术优势，核心在于构建基于AIoT的智能生态体系[10]。

（三）加大AIoT设备使用，创新课堂教学

AIoT技术的优势主要体现在IoT感应设备和智能系统的应用上，它们共同构成了智能生态体系。

首先，IoT设备可以收集丰富的教学信息，包括学生的学习行为数据（如语言、动作、血压等）和学习环境中的交流数据（如学习活动、讨论交流等）。目前，IoT设备主要用于课堂测试和作业批改等，提供了对多维度课堂信息的收集和简单处理的可行方案。例如，一些学校利用眼动跟踪技术捕捉学生在课堂中的视觉行为，以获得学生的关注点信息。同时，面部表情和游戏过程日志数据的应用可以发现学习者在阅读相关书籍时的轻松情绪。IoT感应设备通常放置在教室的智能摄像头和教学设备中，其主要特征在于将被测信息转化为可用于智能系统分析处理的数据或信号。

其次，智能系统是具备人工智能和算法功能的计算机系统，通过与IoT设备进行互联互通，能够进行筛选信息和处理数据的任务。智能系统和IoT设备相辅相成，共同构成智能课堂的技术支持。IoT设备负责对课堂信息数据的感应，而智能系统负责及时感应并分析IoT设备捕捉到的课堂数据。借助深度卷积神经网络和极限学习机算法等数据处理方法，智能系统能够识别教师的运动轮廓，包括板书书写、行走、端坐、互动以及对电子屏幕和学生的指向等。此外，一些学者还开发了实时评估系统，通过计算学习者的眼睛、头部和面部情绪等数据，得出学习者的参与度指数（在0%～100%的范围内），并在参与度低于理想阈值时向教师和学生发出提醒。这种实时评估系统赋予了智能课堂深层次的教学意义，并满足智能系统的核心任务，实现对课堂教学效果、效率以及教师和学生能力的提高。

（四）建立AIoT新型实践活动平台

感应设备在AIoT系统中发挥着重要作用，包括传感器和智能摄像头等设备。

传感器具备基本感知功能，可以感知环境中的光、热、声等因素，并将感知到的信息转换为电信号等形式进行输出。这些输出可以被用于数据的传输、处理、存储和控制等用途。

智能摄像头由智能设备、AI系统和数据采集设备组成。智能设备可以进行人脸识别，记录学生违规的时间和地点；AI系统将学生的违规信息上传至云端，通过云端自动辨别违规行为，汇总违规次数，并发送给学生的班主任和家长；数据采集设备用于保存学生违规的音频和视频资料。

AIoT设备从学生进入教室开始运作，通过传感器对光、热、声等判断，并驱动智能摄像头运行。它可以记录学生进入教室的时间、行为和课前预习情况，并对迟到、早退等违规现象进行记录，将记录发送给学生的班主任和科任教师。

在课堂中，智能摄像头可以记录学生的学习行为，针对学生玩手机、走神、进行四六级等证书考试的练习等行为进行记录，将记录上传至云端进行学生课堂行为分析，从而评估教师的课堂授课效果，分析整体课堂效果。

课后，结合已有的学生成绩数据库，将学生成绩上传至AIoT云端进行分析，并形成检测报告，包括强势学科和弱势学科，同时提出成绩提高的建议，以帮助学生更好地完成学业。此外，通过对课后作业和教师课堂效果的分析，对教师的教学进行评估，为改善课堂效果提供数据支持。

五、结束语

综上所述，在教育行业中，AIoT的应用逐渐被高校接受，并取得一定的成效。但也要承认在教育意识、技术、资源和管理等方面仍存在不足，需要根据实际情况进行改进。因此，在我国高等教育中，AIoT的应用和发展需要纠正现有的不足，探索并完善AIoT支持的最佳教学策略，以提高教学实践的质量和效果。这需要与教育教学实践相结合，积极探索AIoT在教育场景中的优势和适用性，并制定相应的规范和准则，确保其在课堂教学中的有效运用。

作者单位：王浩 惠阳 陈永琴 胡珣 曹金香 贵州大学科技学院

参  考  文  献

[1]李天慈，赖贞，陈立群，等.2020年中国智能物联网（AIoT）白皮书[J].互联网经济，2020（03）：90-97.

[2]李智杰.AIoT技术的发展趋势及面临问题探究[J].中国安防，2022（06）：31-34.

[3]顾小清，王超.打开技术创新课堂教学的新窗：刻画AIoT课堂应用场景[J].现代远程教育研究，2021，33（02）：3-12.

[4]郭梦仪.加码“智能互联”阿里AIoT掀动“生态战争”[N].中国经营报，2022-08-01（C02）.刘邦奇.智能课堂的发展、平台架构与应用设计——从智能课堂1.0到智能课堂3.0[J].现代教育技术，2019，29（03）：18-24.

[5]教育部发布《中小学数字校园建设规范：试行》[J].中国信息技术教育，2018（11）：2-5.

[6]葛于壮.农村义务教育资源配置效率及影响因素研究[D].东北财经大学，2019.

[7]陈春梅，方晓峰，张辉.疫情期间如何有效组织高等數学线上教学的思考与实践[J].科学咨询：教育科研，2020（09）：87-88.

[8]左惟.趋势与变革：高校开展线上教学的几点思考[J].中国高等教育，2020（07）：10-12.

[9]王一岩，郑永和.智能教育产品：构筑基于AIoT的智慧教育新生态[J].开放教育研究，2021，27（06）：15-23.

[10]“中国智能物联网（AIoT）白皮书2020年”.艾瑞咨询系列研究报告：2020年第2期.Ed.上海艾瑞市场咨询有限公司.2020，36-80.

王浩（1999.12-），男，汉族，山西运城，本科，研究方向：英语专业。