AIoT技術融于傳統課堂的應用研究

王浩 惠陽 陳永琴 胡珣 曹金香

摘要：隨著物聯網技術和人工智能技術的迅速發展，AIoT技術逐漸成熟，并開始被教育行業廣泛應用。AIoT結合了物聯網和人工智能的優勢，為教育提供了許多新的可能性。但在AIoT技術與傳統課堂教學的融合過程中，仍然存在一些問題。為此，本文將從AIoT技術的提出和發展，以及在教育行業實踐過程中的優劣展開討論，同時對AIoT智能課堂進行研究，以期為AIoT技術在教育行業的持續發展提供建議。

關鍵詞：AIoT；傳統課堂；應用

一、理論綜述

（一）AIoT的概念

智能物聯網（AloT）是近年來興起的概念，它指的是由信息傳感器、終端設備或云中心等組成的數據采集分析系統。在技術方面，人工智能和物聯網相互影響，人工智能能夠對數據進行感知和識別，而物聯網主要為數據算法提供支持[1]。

（二）AIoT的發展歷程

AI和IoT的提出時間早于AIoT，AI最早可以追溯到1956年，而IoT則由Kevin Ashton在1999年提出。然而，AIoT這個概念首次提出是在2017年，它將人工智能和物聯網相結合，形成了更加智能和高效的系統。AIoT的提出對我國產業產生了巨大的影響，帶來了許多新的商業機會和市場潛力[2]。目前，一些探索AIoT應用的企業包括小米、阿里巴巴和華為等，它們正在積極推動和探索AIoT技術在各個領域的應用

（三）智能課堂

AIoT技術能夠構建基于智能設備的數據智能系統，該系統可以靈活地收集學習者全方位的多維課堂行為數據，并對課堂教學過程進行監測和課堂教學行為模式的改善，具有重要的影響力[3]。智能課堂是指結合云計算、大數據、物聯網等技術，實現遠程互動和情境化教學的教學模式。目前，我國智能課堂模式仍處于探索階段，已有部分高校對其進行了嘗試應用。

二、AIoT同教育行業融合發展現狀

（一）我國線上教育的發展現狀

自新課標改革以來，我國教育行業逐漸接受了線上教育模式。特別是在教育信息化提出后，線上教育成為日常教學模式的一部分。目前，我國的線上教育主要依靠網絡教育平臺，如中國大學MOOC、超星學習通等。在新冠疫情期間，線上教育更是發揮出了重要作用，使學生得以正常上課，維護了學校的正常教學秩序[4]。

（二）智能課堂的發展現狀

根據劉邦奇等學者的觀點[5]，基于教育信息化的角度，智能課堂經歷了三個階段。

在智能課堂1.0階段，智能課堂將信息技術和智能數據分析引入教學全過程，建立信息化平臺，通過高效教學滿足學生個性化成長的需求。

在智能課堂2.0階段，智能課堂融入了“互聯網+”思維，結合人工智能、物聯網、大數據等技術，基本實現了教學決策、評價反饋、交流互動、資源推送等方面的長足進步。這一階段改善了課堂教學結構和專業學科的教學模式。

智能課堂進入3.0階段后，以建構主義等理論為指導，核心目標是促進學生全面發展。通過線上線下一體化教學模式和課內化一體化學習模式，輔助虛擬現實方式推動教學信息化的發展。

智能課堂利用云計算、大數據、物聯網等技術，通過硬件和軟件的融合，實現遠程互動、情景教學和實時直播等理想目標。智能課堂與傳統課堂的不同之處在于，智能課堂借助現代教學工具（如多媒體設備）實現多種教學模式，強調學生在課堂中的主導作用，而教師則主要起輔助作用，積極開發學生的學習興趣，為學生提供智能化、多維化和立體化的學習體驗。此外，智能課堂還重視教學決策和教學評價的數據化，通過智能數據分析方法，為學生、教師和家長減輕負擔。

（三）AIoT與智能課堂融合發展現狀

2006年，《2006—2020年國家信息化發展戰略》[6]的頒布以“三通兩平臺”為代表，擴大了學校信息化覆蓋面積，提高了校園網絡寬帶質量，建設了信息化學習環境。這為AIoT與智能課堂的融合發展奠定了堅實基礎。

根據國家統計局的數據顯示，2019年全國財政性教育經費投入達到4萬億元，同比增長8.1%。從2016年到2020年，我國智慧教育市場規模從4960億元增長至8256億元。而2021年全國教育經費總投入為42557億元，比上年增長9.43%[7]。國家在教育經費的支出和支持為教育市場注入了活力，促進了智慧教育市場的快速發展，為AIoT與教育行業的融合發展提供了強有力的支持。

2020年2月，我國教育部印發了《關于疫情防控期間以信息化支持教育教學工作的通知》[8]，旨在提高我國的網絡技術條件，確保網絡平臺的運行和服務能力，更好地應用于智能課堂學習模式。這為AIoT與智能課堂的融合發展注入了重要的活力。

學者顧小清、王超[3]等認為，在課堂應用中，技術經歷了技術平移應用、技術融合應用和技術創新應用等階段。目前，AIoT在課堂中的應用符合技術創新應用階段的特征。此外，AIoT在課堂中的典型應用場景包括協作課堂、游戲化課堂、創客課堂和實訓課堂等。這些場景通過IoT感應設備和智能系統構成AIoT支持的智能課堂模式。總而言之，AIoT與智能課堂的融合發展仍處于探索階段。

（四）S高校AIoT在教學工具中的運用現狀

在S高校對AIoT與智能課堂融合發展的探索中，他們使用了超星學習通、中國大學MOOC等線上教學平臺。這些平臺的用途包括創建班級、發布作業、參與簽到、參與討論、批閱作業、參與考試、獲取成績等。超星學習通教師的授課形式包括使用其他學校搭建的SPOC（小型私人在線課程）、教師錄播和直播教學。使用的設備包括Android手機應用、iOS手機應用和PC等。

S高校根據疫情防控形勢和自身情況進行了梯度開展線上課程。第一梯度進行公共課程的開展，第二梯度開設部分以年輕教師為主的專業課程，第三梯度全面開展一些難以線下實施的實驗實訓類課程。最終，除了實驗實訓課程外，全校的開課率達到了95%以上。

以《貴州省情》課程為例，該課程旨在幫助貴州的大學生不僅掌握專業知識，還全面了解貴州，認識貴州省情的本質特征，把握貴州經濟社會的發展規律，激發大學生熱愛貴州、建設貴州和宣傳貴州的熱情，為貴州經濟社會發展作出新的貢獻。貴州省教育廳從2007年開始在全省高校統一開設了《貴州省情》課程，并將其作為思想政治課的一部分。課程教材以貴州省情為基礎，闡述了貴州政治、自然環境、歷史、民族、人口、經濟、教育、科技、文化等要素的源流、現狀及其發展方向。在疫情防控期間，該課程進行了線上授課。

在教學方法方面，他們采用了專題式教學方法，將整本教材拆分為脫貧攻堅、自然生態、發展歷史、民族文化、經濟發展、民生事業和社會主義民主政治等不同專題，并在各專題的基礎上進行知識點的融會貫通，使學生更加具體地掌握知識點。

在線上教學互動方面，學生是課堂的主體，也是最重要的組成部分。為了提高學生參與網課的積極性和課堂氛圍的活躍程度，教師關注學生在評論區的留言，回答學生的問題，并在知識點講解結束后立即進行解答。

此外，他們通過課后搶答獎勵的方式，顯著提升了學生的課堂參與度和獲得感，以及對課程的認知和理解。據悉，在該教學方式下，平均每道題都有20位以上的學生進行搶答，全班1/3的學生參與其中。

從教學效果來看，課程收藏次數達到了211次，累計觀看總人次達到了3400人，學生在線討論數累計達到了19469條，課程瀏覽量共計27509次。其中，學生的在線討論次數為15717條，學生點贊次數為350611次。

三、S高校AIoT融入傳統課堂需突破的難題

（一）教育意識方面

教育意識觀念需要更新。從目前高校開展線上教學的統計情況可以看出，線上課堂輔助線下課堂已經逐漸變成教學的常態。然而，線上教學的質量參差不齊。從教師方面看，部分教師對設備使用和系統操作的熟練度不高，還習慣于傳統的線下授課模式，對混合式課程的內涵和教學方法的掌握有所欠缺。而教學目標上，線上課程的進度受互動效果的影響，部分教師缺乏在線上教學互動的習慣。從學生方面看，多數學生對線上教學還不夠適應，在新鮮感過去后，參與線上教學的積極性逐漸減退，例如課堂互動次數減少、課堂討論頻率下降，從而影響了學習的質量。

（二）技術方面

技術支撐存在短板。首先，網絡通信平臺建設不足，無法滿足全校師生在同時使用網絡通信信號時的集中需求，導致網絡信號差、音頻資料卡頓等問題的出現。其次，線上教學平臺眾多，但質量不穩定，例如網速限制、參與人數限制等問題，導致教師無法固定在一個平臺進行授課，而學生則需要下載許多不同的線上學習類應用，這降低了學生對線上授課的期望和耐心，難以滿足師生個性化教學需求。最后，線上教學實驗的技術支持也存在問題，實驗課程對實際操作和實驗安全條件等有較高的要求，但由于虛擬仿真研發和供給不足，線上教學很難滿足學生的實踐體驗需求。

（三）資源方面

優質資源建設仍需提高。首先，高校擁有大量優質的線下教育資源，但很難將這些資源有效地進行數字化存儲和應用，以最大程度地實現優質教育資源的高效利用。其次，即使有優質教育資源，線上教學難以確保學生能夠充分理解和消化這些資源。同時，線上學習資源的選擇不夠統一，缺乏個性化的難易程度設計以及適應不同設備的呈現形式。

（四）管理方面

管理體系需要完善。高校對部分教師的線上教學缺乏培訓和引導，如線上教學教師的考核機制和獎懲機制等。同時，高校對學生如何進行線上學習缺乏統一的管理模式，如學生考核體系等，難以有效維護線上課堂教學秩序。此外，線上教學形式單一，交流互動較差，缺少學習體驗等問題也需要及時解決[9]。

四、S高校AIoT融入傳統課堂設計與構想

（一）樹立AIoT創新教育意識

在當前線上教學常態化的背景下，增強教師和學生對新技術、新模式、新階段的適應能力變得尤為重要。教師需要積極探索和應用教學設備和線上教學方法，以加強對AIoT在教育領域的認知和應用。作為高校和社會進步的銜接者，教師需要更新教育理念，促進線上教學的高質量發展，從而助力實現“教學共生”模式的實質進步。在教學資源利用方面，教師應有意識地為學生提供差異化的個性化發展方向，實現有教無類、教學相長的教育目標。同時，教師還應重視培養學生的自主探究意識和主動創新意識，以推動學生的長遠發展為目標，并運用“互聯網+”的創新思維促進學生的全面成長。

（二）充分發揮AIoT技術優勢

AI與IoT技術的融合確實帶來了更大的應用和靈活性。AIoT的優勢之一是它能夠提供可行的選擇。物聯網通過提供設備信息和功能，再加上機器學習算法，能夠組織預測決策和結果，從而使物聯網能夠做出決策。

AIoT技術的突出優勢在于它匯合了物聯網、大數據、人工智能、云計算等技術，使得萬物智聯和數據化變為可能。它能夠將用戶、終端設備、線上平臺和教育場景通過數據進行連接。要充分發揮AIoT的技術優勢，核心在于構建基于AIoT的智能生態體系[10]。

（三）加大AIoT設備使用，創新課堂教學

AIoT技術的優勢主要體現在IoT感應設備和智能系統的應用上，它們共同構成了智能生態體系。

首先，IoT設備可以收集豐富的教學信息，包括學生的學習行為數據（如語言、動作、血壓等）和學習環境中的交流數據（如學習活動、討論交流等）。目前，IoT設備主要用于課堂測試和作業批改等，提供了對多維度課堂信息的收集和簡單處理的可行方案。例如，一些學校利用眼動跟蹤技術捕捉學生在課堂中的視覺行為，以獲得學生的關注點信息。同時，面部表情和游戲過程日志數據的應用可以發現學習者在閱讀相關書籍時的輕松情緒。IoT感應設備通常放置在教室的智能攝像頭和教學設備中，其主要特征在于將被測信息轉化為可用于智能系統分析處理的數據或信號。

其次，智能系統是具備人工智能和算法功能的計算機系統，通過與IoT設備進行互聯互通，能夠進行篩選信息和處理數據的任務。智能系統和IoT設備相輔相成，共同構成智能課堂的技術支持。IoT設備負責對課堂信息數據的感應，而智能系統負責及時感應并分析IoT設備捕捉到的課堂數據。借助深度卷積神經網絡和極限學習機算法等數據處理方法，智能系統能夠識別教師的運動輪廓，包括板書書寫、行走、端坐、互動以及對電子屏幕和學生的指向等。此外，一些學者還開發了實時評估系統，通過計算學習者的眼睛、頭部和面部情緒等數據，得出學習者的參與度指數（在0%～100%的范圍內），并在參與度低于理想閾值時向教師和學生發出提醒。這種實時評估系統賦予了智能課堂深層次的教學意義，并滿足智能系統的核心任務，實現對課堂教學效果、效率以及教師和學生能力的提高。

（四）建立AIoT新型實踐活動平臺

感應設備在AIoT系統中發揮著重要作用，包括傳感器和智能攝像頭等設備。

傳感器具備基本感知功能，可以感知環境中的光、熱、聲等因素，并將感知到的信息轉換為電信號等形式進行輸出。這些輸出可以被用于數據的傳輸、處理、存儲和控制等用途。

智能攝像頭由智能設備、AI系統和數據采集設備組成。智能設備可以進行人臉識別，記錄學生違規的時間和地點；AI系統將學生的違規信息上傳至云端，通過云端自動辨別違規行為，匯總違規次數，并發送給學生的班主任和家長；數據采集設備用于保存學生違規的音頻和視頻資料。

AIoT設備從學生進入教室開始運作，通過傳感器對光、熱、聲等判斷，并驅動智能攝像頭運行。它可以記錄學生進入教室的時間、行為和課前預習情況，并對遲到、早退等違規現象進行記錄，將記錄發送給學生的班主任和科任教師。

在課堂中，智能攝像頭可以記錄學生的學習行為，針對學生玩手機、走神、進行四六級等證書考試的練習等行為進行記錄，將記錄上傳至云端進行學生課堂行為分析，從而評估教師的課堂授課效果，分析整體課堂效果。

課后，結合已有的學生成績數據庫，將學生成績上傳至AIoT云端進行分析，并形成檢測報告，包括強勢學科和弱勢學科，同時提出成績提高的建議，以幫助學生更好地完成學業。此外，通過對課后作業和教師課堂效果的分析，對教師的教學進行評估，為改善課堂效果提供數據支持。

五、結束語

綜上所述，在教育行業中，AIoT的應用逐漸被高校接受，并取得一定的成效。但也要承認在教育意識、技術、資源和管理等方面仍存在不足，需要根據實際情況進行改進。因此，在我國高等教育中，AIoT的應用和發展需要糾正現有的不足，探索并完善AIoT支持的最佳教學策略，以提高教學實踐的質量和效果。這需要與教育教學實踐相結合，積極探索AIoT在教育場景中的優勢和適用性，并制定相應的規范和準則，確保其在課堂教學中的有效運用。

作者單位：王浩 惠陽 陳永琴 胡珣 曹金香 貴州大學科技學院

參? 考? 文? 獻

[1]李天慈，賴貞，陳立群，等.2020年中國智能物聯網（AIoT）白皮書[J].互聯網經濟，2020（03）：90-97.

[2]李智杰.AIoT技術的發展趨勢及面臨問題探究[J].中國安防，2022（06）：31-34.

[3]顧小清，王超.打開技術創新課堂教學的新窗：刻畫AIoT課堂應用場景[J].現代遠程教育研究，2021，33（02）：3-12.

[4]郭夢儀.加碼“智能互聯”阿里AIoT掀動“生態戰爭”[N].中國經營報，2022-08-01（C02）.劉邦奇.智能課堂的發展、平臺架構與應用設計——從智能課堂1.0到智能課堂3.0[J].現代教育技術，2019，29（03）：18-24.

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[7]陳春梅，方曉峰，張輝.疫情期間如何有效組織高等數學線上教學的思考與實踐[J].科學咨詢：教育科研，2020（09）：87-88.

[8]左惟.趨勢與變革：高校開展線上教學的幾點思考[J].中國高等教育，2020（07）：10-12.

[9]王一巖，鄭永和.智能教育產品：構筑基于AIoT的智慧教育新生態[J].開放教育研究，2021，27（06）：15-23.

[10]“中國智能物聯網（AIoT）白皮書2020年”.艾瑞咨詢系列研究報告：2020年第2期.Ed.上海艾瑞市場咨詢有限公司.2020，36-80.

王浩（1999.12-），男，漢族，山西運城，本科，研究方向：英語專業。