“云+AI”背景下高校智慧教室的調研與設計

鄢放

（南京師范大學新聞與傳播學院 江蘇省南京市 210024）

1 引言

隨著信息技術與社會需求的發展，現代大學校園的發展趨勢是數據化、互聯網化、智慧化。歐美等發達國家愈來愈重視用設備的集成與通信技術來改造教室，大部分學校的教室已實現智慧化發展趨勢，教室內設備間互聯，在數字化教學中起到重要的作用。在當今互聯網高速發展為交互式的教育和學習環境提供了便利。我國《教育信息化十年發展規劃（2011-2020）》中明確提出“制定學校數字校園建設標準，實現基礎設施、教學資源、應用能力等全面達標”的要求。教室是教育教學的主要場所，也是學校教學空間的基本單位。學校中教室的建設情況可以反映出學校的整體教學硬件的好壞。教育資源中的數字資源的建設可以從側面反映出學校在互聯網背景下的教育競爭力。在教學活動中，教室作為承載教師教學和課堂反饋的主要場所，在大學教育中不可或缺，因此，建設數字化校園需要對教室內部的基礎設施、教學資源進行規劃與布局。智慧教育、智慧校園建設是教育現代化建設的重要環節。

1.1 數字化校園基礎建設

南京師范大學是一所具有百年辦學歷史的省屬重點綜合性大學。多年來重視校園網絡建設，實現了千兆主干百兆分支接入的目標。有線、無線網絡信息點已遍布全校各個角落，為學校的教學科研管理等工作的進一步開展提供了有力支撐，為學校的發展奠定了基礎。

由于數字化校園的建設具有階段性，多媒體教室建設在不同的年代，產品種類和型號各不相同，缺少統一的規劃，雖然這些系統的設計在設計之初較為合理，但由于當時的技術設備及各種軟硬件環境的限制，多媒體教室現狀總的來說有以下幾個問題：

1.1.1 系統復雜，不實用

教室的設備從最初的投影機、電腦到現在的電子白板、觸摸一體機、錄播系統等設備，系統復雜。經常導致設備故障，影響正常上課秩序，影響發揮其價值。

圖1：智能控制中心

圖2：智慧教室總體設計思路

1.1.2 分期分批建設，系統不兼容

學校分批對教室進行信息化建設，不同時期的中控、投影或其他設備，不能夠很好的兼容，這就造成了在實際的使用中，操作上會相對繁瑣，給一線教師在使用中造成了不必要的困擾。

1.1.3 系統可靠性、穩定性差

不同時期的產品可靠性和穩定性上參差不齊。復雜瑣碎的設備操作與管理，增加了專業技術人員的管理與維護需求。

1.1.4 無法做到智慧管理

多媒體教室建設中存在著嚴重的“重硬輕軟”的現象，一堆的硬件設備部署在教室內，相對獨立，不僅是給教師在使用上帶來的一定的困擾，而且在管理上也有很大的工作量產生。

1.2 智慧教室的定義

有人認為智慧教室，它僅是對教室里的電子化設備的總的稱謂。只要能夠利用電子投影、計算機、擴放音設備，就能夠算作智慧教室了。智慧教室主要是幫助教師實現多媒體教學的物理空間，在這個空間中，可以進行相關的教學互動等活動。也有人認為，在互聯網時代的背景之下，教室應該兼具現實空間和云端互聯的教學互動任務。在互聯的過程中，將教學資源整合成為數字信息，供教學各主體自由的取用，滿足教學和學習的個性化需求。

北京師范大學的黃懷榮教授 提出了智慧教室的“SMART”概念模型。智慧教室的“智慧”體現在設備管理和教室安排使用的智能性。在教學上體現在：教學內容呈現的多樣性、數字資源的使用的便利性、課堂互動的便捷性等內容。

智慧教室是支撐師生的教與學的教室空間的軟硬件的集合，是一種新型的教育形式和現代化教學手段。智慧教室設備符合物聯網的應用、網絡和感知等三個層次。教室通過運用傳感器、射頻識別等技術，使信息數據在傳感設備間實時傳遞。通過可用的網絡協定，如：Wi-Fi 的無線局域網、移動通信、電信和聯通網等實現設備和信息之間的傳輸。

總體來說，智慧教室是在物聯網、云計算、大數據、人工智能（AI）等新興信息技術的推動下的教室信息化建設的最新形態。運用智慧技術，提供智慧服務，實現智慧管理，是智慧教室的主要特征。

2 項目設計

2.1 設計原則

智慧教室的整體方案以教育更簡單、更智慧為出發點，立足教學需求，明確建設目標，可以總體統籌規劃，分步實施、推進。本方案采用模塊化設計架構，提供包括智慧教育所需要的所有硬件、軟件以及物聯網環境等。要求能夠為智慧教學提供基礎的硬件、軟件與環境支撐。方案上主要遵循如下原則：

2.1.1 實用性與先進性

以教學活動實際需求為出發點，不斷追求教學環境的智能水平，以適應網絡時代的信息化教學的整體趨勢。

2.1.2 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，保證教學系統的安全與可靠。

2.1.3 完備性與拓展性

充分考慮教室與內部設施的契合性，因地制宜，適當增減設備，保證整體性完備性。同時遵循各種標準化體系，為將來設備的增添和各設備間的連接提供便利。具體來說應該做到以下目標：

（1）設備統一管理：智慧教室整體解決方案，通過智能化設計，將交互式電子大屏、錄播、功放、投影儀、燈光、空調、窗簾等設備能進行統一的管控，簡化管理。

（2）系統穩定可靠：設備之間應該同一品牌，應充分考慮設備之間的兼容性和穩定性的問題。

（3）設計簡化布線：智慧教室的建設應該考慮線纜的部署問題，以簡化布線為出發點，從功能完整性出發。

（4）教學智慧化：支持獨立部署和模塊化部署，發揮信息化的手段優勢，幫助老師和學生完成教與學模式的雙重轉變。

（5）符合相關標準：項目中各系統設計要求滿足國家、地區及相關行業標準。

2.2 方案核心

本方案的核心為智能控制中心。智能控制中心為模塊化設計，可以根據實際情況按需選配。總計四層，每層均為工業級標準1U高度。每層之間通過POGO PIN 彈針的形式實現供電、供網、控制信號傳輸。POGO PIN 共有64 個引腳，每個引腳分別被賦予了不同的功能。如圖1 所示。

智能控制中心由下到上依次為：

第一層為基礎層即智能控制中心主機，是整個系統的硬件控制支撐。它提供網絡交換、低壓直流供電、控制串口以及可控電源。主機主要實現對周邊設備的控制以及對其他模塊的供電、提供網絡交換以及信號傳輸。

第二層嵌入式錄播模塊，是智能錄播系統的核心組件。支持多路SDI 輸入和多種音視頻輸入、輸出，結合當前最先進的編碼芯片提供視頻的編解碼服務，可以播放流媒體、網絡視頻。通過教師的高清攝像頭，可以錄制教學現場視頻，課后可以輕松存取，方便課程視頻的制作。同時，在課程過程中，可以通過網絡進行現場課程的直播，方便線上課程的開展。

第三層智能功放模塊，選用D 類放大器，具有超低功耗，針對音頻、視頻、中控、機柜等進行優化。可根據教室面積合理布局，通過對音箱數量和位置進行排布，調整聽音環境。同時，選擇相應的功率放大器，保證聲音擴散性良好。可以選配聲音均衡器、混響器等設備，保證聲場分布均勻。在課前調整聽音環境，保證學生在聽感上，達到響度合適與自然，適應不同課程的需求。

第四層是云終端&音視頻切換矩陣模塊。該模塊對接交互智能大屏，充分調動數字資源。矩陣模塊提供了音視頻的多種輸入輸出端，可以與上下級設備相連，方便實現音視頻內容的切換。

2.3 系統架構

智慧教室總體設計思路：以采用模塊化設計的智能控制中心系列產品為中心，輔以智能物聯網系統、智能音視頻交互系統、智能錄播系統、教師控制端APP 以及智慧教室綜合管理平臺，最終完成整個智慧教室生態圈的建設。如圖2 所示。

2.3.1 智能物聯網系統

物聯網控制器通過Zigbee（紫蜂協議）和紅外接口與智能設備銜接，通過RS485 端口與智能控制中心主機相連，接受中控的控制。

2.3.2 智能錄播系統

一體化攝像機通過SDI（串行數字接口）和網線與嵌入式錄播主機相連，懸掛全向數字麥克風通過網線與嵌入式錄播主機相連，可以根據需要連接互聯網視頻會議平臺，完成線上線下同步教學。

2.3.3 本地擴音系統

智能音箱通過2 根音頻線與智能功放模塊音頻輸出相連。

2.3.4 智能交互系統

交互智能大屏通過HDMI 和Tough-out 與云終端&音視頻切換矩陣連接，實現視頻傳輸和觸屏控制；通過RS232 端口與智能控制中心主機相連接，接受控制。

2.3.5 教師控制端APP

通過便攜電腦各類端口以無線或有線的方式與智能控制中心主機連接，實現教師登錄考勤、對教室各類設備包括燈光、空調、一鍵錄播、其他設備開關機的輕松管理和控制。

2.3.6 智慧教室綜合管理平臺

智慧教室綜合管理平臺一般設在教室管理辦公室內。它通過網絡，與各智慧教室的智能控制主機交換網口相連。管理平臺可以實現對教室遠程視頻和設備的監控、對故障信號進行預警，還可以實現幫助管理人員進行遠程地操控。在教學方面，可以通過平臺方便教務人員安排課程和房間、預約教室。在課程結束后，甚至可以對課程的情況進行回放，并生成統計數據，如：到課率、課程設備使用情況、課程設備故障分析等。同時保證設備資產管理與學校一卡通系統對接等功能，讓教學智慧化，讓管理智能化。

3 方案核心價值

3.1 資源共享，實現互動課堂

根據學校的實際情況，提供常態化精品錄播系統。資源是教育教學的核心，錄播能夠保證資源的實時產生和保存，能夠促進資源的交流，讓更多的學生能夠享受優質資源。

音、視頻交互系統，能夠讓課堂與網絡即時通訊、實時互動。教師和學生的任何課堂靈感能夠被網絡有效的實時反饋，讓學生愿意互動，樂于互動，享受互動。

3.2 統一管控，簡化教學管理

智慧教室的統一管控能夠簡化教學管理。采用嵌入式架構桌面化統一管理，解決傳統大屏使用電腦管理難、監控難、存儲匱乏、損壞率高、功耗大等多重問題；教師控制端APP 是教室端控制的核心軟件。智慧教室綜合管理平臺采用B/S 架構設計，只要有網就能管控。操作原則以實用為準，老師講臺刷卡或者密碼鍵入登錄考勤后，可以選擇自己喜歡的上課模式，可以按需調節燈光亮度、空調溫度，并能輕松地切換輸入/輸出源，隨時一鍵錄播；課后，僅需點擊一鍵下課，即可以完成教室設備的關閉。

管理平臺能夠對所有的安裝了智能控制中心設備的教室進行統一化管理。方便管理部門人員，實現實時監控與快速響應；在課程中完成對教師考勤的記錄，教室和設備使用率的分析，最終可以報表的形式呈現，方便相關人員的查閱和分析；能夠方便管理教室的預約、教室排課（或者對接原有教務系統）；能夠對管理員的權限進行控制、追蹤并記錄登錄數據，做到從上到下、從里到外的無死角管控。

3.3 智慧物聯，打造優質體驗

智慧連接所有設備，讓操控簡單。各個設備之間深度互聯，讓兼容性和易用性不再困擾老師，為學生和老師打造優質的教學體驗。教室是知識傳授的重陣，良好的環境將有助于學生成績的提高。

3.4 模塊設計，靈活升級部署

智能控制中心是智慧教室核心設備，采用模塊化設計。（智能控制中心主機、嵌入式錄播模塊、智能功放模塊、云終端/音視頻切換矩陣）解決各個模塊之間的供電、供網、控制信號傳輸等問題，讓分段部署成為現實，設備兼容穩定不再是問題。

4 結語

隨著教學信息化進程的發展與推進，學校的教學課堂的改革與創新受到廣泛的關注。信息化改革的重點應該以“便利”作為出發點，充分發揮教育中的師生主體的能動性。多重模塊相結合的多媒體教學設施的使用，與數字教學資源的配置，對信息化教學的發展有所裨益。因此，需要深入挖掘信息技術在教學中的潛力，充分了解信息化設備在教學中的作用，合理利用和調配數字資源。建成以學生學習便利為中心，以教師應用便捷為準則的新型信息化教學環境。