智慧教室：概念特征、系統模型與建設案例強

聶風華　鐘曉流　宋述

【摘要】文章從教室環境信息化建設的發展演變入手，首先闡釋了智慧教室的理論概念，并從系統組成的角度構建了智慧教室的iSMART模型。根據清華大學五道口金融學院智慧教室建設項目的工程案例，文章介紹了智慧教室的建設思路與集成方案，并對智慧教室建成之后的運行模式進行了系統思考，以期為智慧教室的研究、建設與運行提供參考。

【關鍵詞】教室：智慧教室；智能教室；未來教室；iSMART

【中圖分類號】G40-057 【文獻標識碼】A 【論文編號】1009-8097（2013）07-0005-04

引言

教室的歷史可以一直追溯到古代蘇美爾人的“泥版書屋”和我國夏商周時期的“庠”、“序”、“學”、“?！薄５F代意義上的教室則是在16世紀末班級授課制出現以后產生的。20世紀80年代以來，在以多媒體、計算機和互聯網為代表的信息技術浪潮的推動下，各級各類學校中教室環境日益步入信息時代，其演變發展可以分為多媒體和網絡化兩個階段：

多媒體階段建設的重點是教室中計算機和多媒體設備的推廣應用。在多媒體教室中，教師通過計算機、投影儀、錄像機、VCD、DVD、音響等多媒體設備，運用CAI課件（由文字、圖片、動畫、音頻、視頻等多種媒體元素組成）進行教學，這徹底擺脫了傳統的黑板加粉筆的教學形式。

網絡化階段建設的重點是教室接入校園網并能便捷地訪問互聯網。在網絡化教室中，教師可以方便地調用網絡資源組織教學活動，學生可以隨時點播網絡課件進行個性化的自主學習。除了面對面的交流外，師生還可以在網絡上進行實時或非實時的互動，這大大拓展了教學活動的空間。

進入21世紀的第二個十年，隨著以物聯網、云計算、大數據為代表的新一代信息技術的日趨成熟，在教育領域，具有智慧技術、智慧應用、智慧管理等特征的智慧教室成為新的建設熱點。本文結合當前教育信息化的前沿技術趨勢，闡釋了智慧教室的概念與特征，并從系統組成的角度構建了智慧教室的iSMART模型。根據清華大學五道口金融學院智慧教室建設項目的工程案例，文章介紹了智慧教室的建設思路與集成方案，并對智慧教室建成之后的運行模式進行了深入地思考，以期為智慧教室的信息化建設與運行提供參考。

一 智慧教室的概念及特征

2008年11月，IBM首席執行官彭明盛在其演講“智慧地球：下一代的領導議程”中首次提出了“智慧地球”的概念。2009年1月，在有奧巴馬總統參加的工商業領袖圓桌會議上，彭明盛闡釋了智慧地球的理念：將感應器嵌入和裝備到電網、鐵路、建筑、大壩、油氣管道等各種物體中，形成物物相聯，然后通過超級計算機和云計算將其整合，實現社會與物理世界融合。奧巴馬對此給予了積極得回應，并表示經濟刺激資金將會投入到寬帶網絡等新興技術中去。2009年8月，時任中國總理溫家寶在無錫考察時提出要建設“感知中國中心”，這之后物聯網產業迅速被列入國家戰略性新興產業的重點領域。正是在這樣的背景下智慧城市、智慧交通、智慧社區、智慧家居、智慧校園、智慧教室等新興概念不斷涌現。

就智慧教室而言，研究者從不同的角度對其進行了界定和描述，與之相近的概念還有智能教室、未來教室等。黃榮懷等認為在傳感技術、網絡技術、富媒體技術及人工智能技術充分發展的信息時代，教室環境應是一種能優化教學內容呈現、便利學習資源獲取、促進課堂交互開展，具有情景感知和環境管理功能的新型教室，這種教室被稱為智慧教室。陳衛東等認為智能教室，就是一個能夠方便對教室所裝備的視聽、計算機、投影、交互白板等聲、光、電設備進行控制和操作，有利于師生無縫地接入資源及從事教與學活動，并能適應包括遠程教學在內的多種學習方式，以自然的人機交互為特征的，依靠智能空間技術實現的增強型教室。楊宗凱認為未來的教室一定是云端教室，包括電子課本、電子課桌、電子書包、電子白板……在資源方面，由模擬媒體到數字媒體，再到網絡媒體，資源最終都在教育云上，內容達到極大豐富，從而滿足個性化的學習。

本文作者認為智慧教室是為教學活動提供智慧應用服務的教室空間及其軟硬件裝備的總和。智慧教室是在物聯網、云計算、大數據等新興信息技術的推動下，教室信息化建設的最新形態。立足教學活動需求，提供智慧化的應用服務是智慧教室的核心使命，達成最優化的教學效果是智慧教室的終極目標。運用智慧技術，提供智慧服務，實現智慧管理是智慧教室區別于以往多媒體教室和網絡化教室的主要特征。

二 智慧教室的系統模型

1 智慧教室的“SMART”概念模型

黃榮懷等認為智慧教室的“智慧性”涉及教學內容的優化呈現、學習資源的便利獲取、課堂教學的深度互動、情景感知與檢測、教室布局與電氣管理等方面的內容，可概括為內容呈現（Showing）、環境管理（Manageable）、資源獲?。ˋccessible）、及時互動（Real-time Interactive）、情境感知（Testing）五個維度，簡寫為“S.M.A.R.T”，這五個維度正好體現了智慧教室的特征，可稱為“SMART”概念模型。

2 智慧教室的“iSMART”系統模型

“SMART”概念模型的側重點在于呈現智慧教室的“智慧性”特征。為了提供更具操作性的建設參考，本文作者從系統組成的角度構建了智慧教室的“iSMART”模型。在該模型中智慧教室由基礎設施、網絡感知（networkSensor）、可視管理（visual Management）、增強現實（Augmentedreality）、實時記錄（real-time Recording）、泛在技術（ubiquitousTechnology）六大系統組成，將六大系統關鍵字的首字母提取出來，縮寫為“iSMART”。

基礎設施系統包括物理空間、桌椅裝置、供配電、通風空調、燈光照明等子系統。布局合理的物理空間和符合人體工程學的課座椅構成智慧教室的空間環境。安全可靠、健康節能的供配電、通風空調和燈光照明也是必備的設施條件。

網絡感知系統包括網絡接入、射頻識別、人體識別等子系統。網絡接入既可以是有線的也可以是無線的。射頻識別（RFID）、人體識別系統（HRS）等傳感裝置，按約定的協議，把各種設備相連并進行信息交換，實現智能化識別和感知。

可視管理系統包括中控、能耗、監控等子系統。智慧教室中軟硬件裝備、運行能耗、教室現場等都可以被實時監控，并基于大數據進行智能化地分析，最終管理員可以通過可視化界面查看運行狀況和進行管理操作。

增強現實系統包括交互演示、視頻會議、穿戴設備等子系統。交互演示子系統代表著智慧教室的教學信息呈現能力。視頻會議子系統支持異地同步互動教學。借助穿戴設備子系統，物理環境與虛擬環境的無縫融合更為便捷。

實時記錄系統包括課程錄播、電子學檔、課堂應答等子系統。課程錄播子系統用于記錄教學全過程。電子學檔子系統為教師教學決策和學生自主學習提供有效數據支持。課堂應答子系統支持課堂教學的及時反饋、深度互動。

泛在技術系統包括云端服務和移動終端等子系統。泛在技術強調信息技術和環境融為一體。智慧教室中的泛在技術既包括處于云端的海量教育資源和教育應用服務，也包括本地的筆記本、平板、智能手機等移動終端。

需要說明的是，作為智慧教室建設的一個參考模型，“iSMART”的六大系統是缺一不可的，但具體到“iSMART”模型六大系統所包含的諸多子系統，在智慧教室實際工程建設項目中則會根據需求和經費的情況有所取舍。

三 智慧教室的建設案例

清華大學五道口金融學院成立于2012年3月，由中國人民銀行與清華大學合作，在中國人民銀行研究生部的基礎上組建而成。五道口金融學院以“培養金融領袖，引領金融實踐，貢獻民族復興，促進世界和諧”為使命，按照國際最先進的金融學科和商學院高等教育模式辦學，借助清華百年來豐厚的教育教學資源和金融業界的緊密聯系，建設國內領先、國際一流的金融高等教育平臺和金融學術、政策研究平臺。

為了給全院師生提供一個技術領先、功能全面、應用便捷的信息化教學環境，五道口金融學院成立伊始便啟動了“清華大學五道口金融學院信息化教學環境及視聽應用系統工程”建設項目。下面以項目中1間162平方米70席的教室為例，介紹智慧教室的設計原則與建設方案。

1 建設原則

在建設過程中，我們要立足教學需求，明確建設目標，總體統籌規劃，分步實施推進，同時組建高效的設計團隊，并通過招投標的方式選擇系統集成商，實施全程質量管理，嚴格控制項目風險。在建設方案上主要遵循如下原則：

（1）實用性與先進性：滿足教學活動的實際需求，在保證方案實用性的基礎上，還應著眼于提升整個教室環境的智能化水平，以適應未來智慧教室的發展趨勢。

（2）可靠性與高性能：采用成熟并有較多成功案例的技術裝備與解決方案，保證系統的穩定、安全和可靠，同時為教學活動的全過程提供高效率、高品質的支持。

（3）完備性與拓展性：充分考慮物理空間和各種技術裝備的優化融合，發揮整體系統的最優性能，同時遵循各種標準化體系，充分考慮到未來系統的升級與擴充。

2 實施方案

在基礎設施方面，根據物理空間的面積和層高，設計成70席的扇形階梯教室。建聲條件按混響時間1.0±0.2秒、隔聲系數35dB設計，聲學傳輸特性參照國家相關標準。2人座中央預留2個通用外接電源插口、2個網絡接口，可翻蓋設計，線路直接從腳架管中引出，其他線路覆蓋于地毯之下。照明條件要求講臺與大屏幕工作區域150至4001x可調，學生作業面200至4001x可調。

在感知網絡方面，除了桌面上的有線網絡接口外，在教室內加裝無線路由，實現WIFI網絡全覆蓋。在教室兩個門外各安裝一組人臉識別系統和RFID考勤機，對進入教室的人員進行身份識別，對師生進行考勤記錄，并通過無線網絡將數據傳輸到教務管理系統。在教室內設置兩組溫濕度傳感器和光照傳感器，實現對室內溫濕度和燈光亮度的感知和控制。

在泛在技術方面，學院專門開發了基于云計算技術的金融教育資源庫和移動學習管理系統。云資源、云服務與學生的筆記本、平板電腦、智能手機等移動終端一起組成了一個隨時隨地、虛實結合的個性化學習空間。

本期項目建設的智慧教室除了基礎設施系統、網絡感知系統和泛在技術系統外，還包括可視管理系統的智能控制子系統、增強現實系統的交互演示子系統和視頻會議子系統、實時記錄系統的課程錄播子系統。其中主要設備如表1所列，設備間的拓撲結構如圖5所示。

結語

作為最典型、最核心的教學環境，教室正日益從多媒體階段、網絡化階段進入智慧化階段。智慧教室旨在為教學活動提供人性化、智能化的互動空間。除了空間布局靈活多樣、課桌椅符合人體工程學原理外，智慧教室還具有網絡感知和可視管理的功能，能夠優化教學內容的演示呈現、全程記錄課堂教學活動、無縫接入云端資源與服務等。對教室智慧性的追求不僅限于技術裝備和系統組成，更重要的意義在于如何支持教學活動的智慧開展，進而打造智慧課堂，這也是未來我們探究的重點。