基于人工智能和物聯網技術的智慧教室建設模式研究

0 引言

物聯網（IoT）是一種基于互聯網的網絡架構，通過采用各種傳感器設備來捕獲設備信息，如溫度、濕度、壓力、聲音、位移等多種數據信息，這些數據信息通過互聯網傳輸，經過各種應用軟件處理，從而實現對實體對象（物品）的智能辨識、位置確定、動態追蹤等高效管理。物聯網的關鍵特征是物體之間的互聯互通和信息交流，體現了現實世界與虛擬世界的緊密結合。而人工智能（AI）是一門專注于研究和發展用于模仿、增強與拓展人類智力能力的理論、技術、方法及其應用的技術，其核心在于對大量數據的處理、分析和從中提取知識并加以應用。人工智能的主要目標是通過運用機器學習、深度學習等技術手段賦予機器一定程度的智能，使其能模擬人類的感知、理解和決策過程。

在實際場景應用過程中，物聯網和人工智能相結合能夠帶來很多效益。一方面，物聯網為人工智能提供了海量的數據來源。物聯網設備在日常運作中會不斷產生各種數據，這些數據可以被人工智能系統用來訓練和優化模型，從而提高預測的準確性和決策的智能化水平。另一方面，人工智能技術可以優化物聯網系統的管理和應用，幫助解決物聯網系統中的一些安全問題，如設備被攻擊或數據被篡改等問題。人工智能可以通過對物聯網設備產生的數據進行深度分析和學習，實現對設備的智能控制和管理，提高設備的運行效率。例如：在工業制造領域，物聯網可以實現設備的遠程監控和智能化管理，而人工智能則可以通過對生產數據進行分析和學習，提高生產效率和產品質量；在智能家居領域，物聯網可以實現家電設備的互聯互通，而人工智能則可以通過對用戶的行為習慣進行分析和學習，實現個性化的智能控制和服務；在智慧校園領域，物聯網可以實現學校各類設備的互聯互通、數據匯集、遠程監控和智能化管理，而人工智能則可以通過對設備產生的數據進行各種行為分析和深度學習，實現個性化的智能管理和服務。

隨著科技的發展，各類智能教學平臺和智能化教學設備應運而生，在此環境下，智慧教室將智慧化教學模式與先進的教學工具結合起來，改變了傳統單一的教學模式和固化的教學資源模式，構建智能化、網絡化、數字化的教學環境，實現教學模式和學習方式的變革。它不僅僅是硬件設施的升級，更是教與學理念的革新。智慧教室建設對于提升高校教學質量、優化資源配置、促進教育公平具有重要意義。

1 現狀分析

美國于2016年發布的《國家人工智能研發戰略規劃》提出，應擴大人工智能和數據科學課程。我國在2017年發布的《新一代人工智能發展規劃》提出：“利用智能技術加快推動人才培養模式、教學方法改革，構建包含智能學習、交互式學習的新型教育體系。開展智能校園建設，推動人工智能在教學、管理、資源建設等全流程應用。”2023年，科技部等六部門聯合印發《關于加快場景創新以人工智能高水平應用促進經濟高質量發展的指導意見》，提出教育領域積極探索在線課堂、虛擬課堂、虛擬仿真實訓、虛擬教研室、新型教材、教學資源建設、智慧校園等場景。智慧教室建設是智慧校園建設的重要一環，是集虛擬在線教學系統與現實智控設備環境于一體的創新型場景建設。智慧教室建設不能單純地依靠智能設備堆砌，而是要利用物聯網技術讓所有的智能設備體現存在的意義，讓所有設備互聯互通產生價值，要利用人工智能技術打通虛擬與現實的壁壘，讓智慧教室不是僅僅服務于一堂課，而是服務于整個教育生態。

進入信息時代以來，信息技術應用于教育大致經歷了三個階段。

1）計算機輔助教學（ComputerAidedIn-struction，CAI）階段。20世紀90年代以前，是信息技術與教育初步結合的階段，隨著多媒體、超文本等計算機技術的發展，這一階段主要圍繞教學輔助、教學模擬等教學需求。

2）智能教學系統（IntelligentTutoringSystem，ITS）階段。20世紀90年代以后，信息技術與教育進入融合階段，隨著信息技術的發展，物聯網、人工智能等技術興起，這一階段主要圍繞遠程教育、在線教學等教學需求。

3）智慧學習環境（Smart Learning Envi-ronment）階段。當前人工智能技術迅速發展，隨著GPT-4影響全球，教育對智能化的教學需求越來越強烈，傳統的教學環境已經無法滿足實際教學需求。智慧學習環境是基于物聯網技術和人工智能技術發展的一種能感知學習情境、識別學習者特征、提供互動教學工具和多媒體教學資源、跟蹤學習過程和評測學習效果的學習場所或學習空間[1]。

為了適應智慧教育這一新的教學需求，對智慧教室這一重要的智慧學習環境的設計提出新的要求，要革新教學方式和教育觀念，促進信息技術與教學深度融合[2]。目前，智慧教室建設在高職、高校較為普遍。以職業院校為例，有學者提出智慧教室系統應包括智慧課堂系統、互動黑板、組合桌椅、精品錄播系統、非線性編輯系統、智能中控系統和課堂直播互動系統等部分，以促進教學模式創新[3。以高校為例，田明霞4基于用戶需求、功能需求和FBS（功能一行為一結構）模型，設計分組研討型和講授演示型兩種智慧教室方案，為高校智慧教室設計提供了新的研究路徑；李健等[5以“智慧教學，智慧管理”為理念，建設探究型智慧教室、智慧云教室和智慧授導教室，取得創新教學模式、提升教學質量的顯著成效。

縱觀相關對智慧教室設計和建設方面的研究，研究者往往把建設重點放置在教室環境建設和教室設備升級上面，更傾向于線下教學活動的體驗感，鮮少考慮教學活動中課前與課后的關聯性。實踐證明，把傳統線下課程和在線課程相融合，充分考慮學生在所有課程環節的體驗感，學生在課堂的交互性和參與度都會得到很大的提高[6]。因此，智慧教室建設也要進行數字化轉型，要更加契合對人的培養的需求。袁振國教授指出，數字化教育為人類第三次教育大變革的到來提供了力量，教育數字化轉型的成功標志是人機融合，學生和教師都得到更好的發展。因此，在智慧教室建設和規劃中不但要考慮機器的升級，還要重點考慮機器能否與現實教學需求相契合，機器的使用能否達到人機融合。

2基于人工智能和物聯網技術的智慧教室設計

基于人工智能和物聯網技術的智慧教室主要聚焦常規教室和實驗室兩類，其核心設計理念在于通過物聯網技術將教室設備之間互聯互通歸結到統一的管理系統，系統對設備產生的數據信息進行即時計算和學習，通過人工智能技術進行智能分析和決策后，反饋回管理控制系統進行任務處理，從而拓展物聯設備的使用價值。基于此，本文研究將傳感器、智能芯片、AI算法、智能程序嵌入終端硬件系統進行整合開發，構建一套基于人工智能和物聯網技術的智慧教室教學系統，實時監控各維度教學數據，全天候全方位檢測教室環境變化并進行智能管理，實現教學設計標準化、教學過程個性化、教學行為數據化、教師評價精準化。

2.1 系統設計核心要素

基于人工智能和物聯網技術的智慧教室教學系統包括感知層、網絡層、數據層和應用層，如圖1所示。

2.1.1 感知層

部署多種類型的智能終端和傳感器，實現教學場景的數字化采集，通過物聯網技術實現教室環境參數的智能調節，為師生營造舒適的學習氛圍。

圖1基于人工智能和物聯網技術的智慧教室教學系統設計核心要素

2.1.2 網絡層

構建高速、穩定、安全的5G校園有線和無線網絡，保障數據的實時傳輸和共享。

2.1.3 數據層

建立教學數據中心，對數據進行清洗、存儲、挖掘和分析，對教學行為和學習效果進行分析，為教學改進提供依據，賦能教學決策。

2.1.4 應用層

配備多類觸控一體機、電子白板、問答器等互動式教學設備，搭建集成在線備課、互動教學、學情分析等功能模塊的智慧教學平臺。

2.2基于人工智能和物聯網技術的智慧教室整體功能設計

物聯網設備和人工智能技術為教育領域的應用帶來新的可能性，從硬件、軟件、教學內容、教學模式、管理和服務等方面對智慧教室進行全新升級，其中主要包含以下功能設計。

2.2.1 環境監測與智能控制

環境建設硬件設備包括智能燈光、空調、窗簾、課桌椅等，利用物聯網傳感器實時監測教室內的溫度、濕度、光照等，自動調節空調、燈光等環境設備以創造舒適的學習環境，同時通過使用情況自動開關一些電器設備，以達到節能減排效果。

環境建設軟件系統包括環境控制系統、緊急響應系統和視頻監控系統，利用攝像頭和其他傳感器進行校園安全監控，在緊急情況下，物聯網設備可以快速響應，如自動報警和定位等。

環境監測與智能控制系統（部分）如圖2所示。

2.2.2 打造互動式課堂環境

教學硬件設備包括智能黑板、電子白板、投影儀、攝像頭、音響系統、電子答題器、移動學習終端等，通過物聯網標簽（RFID技術）追蹤教學設備的使用情況，提高資源利用率。

教學軟件系統包括教學管理系統、互動教學平臺、資源共享平臺、學習分析系統、教學評估系統等，在人工智能技術的支持下，通過教學管理系統進行課程安排、學生管理等，教室可以通過系統實現對設備環境的開啟和控制。通過互動教學平臺可以為師生提供信息交互和資源交互。通過學習分析系統可以根據視頻人像和行為分析以及學生使用的物聯網設備進行信息收集與分析，教師可以即時了解每位學生的學習情況。通過資源共享平臺，教師和學生可以在課堂上實時交換資源、共享資源。通過教學評估系統可以為學生推薦個性化的學習資源和路徑，為教師和管理者提供課程教學評估。

2.2.3建設校本信息化教學資源

在智慧教室建設過程中需要考慮視頻和聲音的記錄。在環境設計時，要全面考慮燈光和隔音等環境建設，為了在常態化使用中能夠及時有效地記錄教學過程，應在硬件設備建設上配備高清攝像頭，以多角度多景別地對課程教學過程進行記錄。同時，為了響應學校信息化資源建設，智慧教室控制管理平臺可以根據課程安排對課程進行自動化錄播，并將資源傳送到教師和對應課程學生的賬號。

圖2環境監測與智能控制系統（部分）

課程教學錄播資源平臺如圖3所示，教師可以登錄平臺對資源進行后期處理，學生可以登錄平臺利用資源進行課后學習。

圖3課程教學錄播資源平臺

2.2.4線上線下雙結合教學評估

線下通過物聯網設備收集學生的學習行為數據，幫助教師進行課堂教學效果評估。線上通過智慧教室教學系統收集和分析學生的全過程學習數據，幫助教師進行課程教學評估和整理學生學習報告。

2.3打造符合特定教學場景需求的智慧教室

以往智慧教室的研究重點關注場景的建設，對于系統的教學適應性關注較少，導致智慧教室在后期使用過程中常常會出現場景很高端，但與教師的實際教學并沒有那么契合。本研究基于教與學相關理論，從智慧教室與教學模式相結合的理念出發，打造多變的、符合特定教學場景需求的智慧教室教學系統。

2.3.1 以學習為中心的智慧教室

以學習為中心，主體是學生，在建設過程中要充分考慮學生的需求和所有有利于學生學習的環境因素、教學軟硬件設施的合理設計，如圖4所示。

1）項目式協作學習（Project-BasedCol-laborativeLearning，PBCL）。在智慧教室中，學生利用技術進行智能分組，促進彼此之間的交流和合作，并利用各種技術工具進行團隊協作和項目展示，比如使用智能白板、大屏投屏機等工具，增強互動和協作。

圖4以學習為中心的智慧教室教學系統布局圖

2）虛擬現實/增強現實學習（VR/ARLearn-ing）。在智慧教室中，利用虛擬現實或增強現實技術，能夠創造全方位沉浸式的學習體驗，使學生仿佛身臨其境。比如在外國語學院建設智慧教學環境時，設計利用AIGC（人工智能生成內容）技術創設沉浸式外語學習環境，通過在教學區擺設自主學習設備或者通過學生自帶設備安裝相關的應用軟件，采用人機對話模式模擬真實的口語對講學習環境。AIGC技術可以為設備提供非常擬人化的虛擬口語教師與學生進行面對面的交流，讓學生仿佛身臨其境。這種沉浸式學習允許學生在任何時間、任何地點與虛擬口語教師進行互動交流。

2.3.2 以教學為中心的智慧教室

以教學為中心的智慧教室以教師主導的教學平臺為中心，配套互動式教學工具，輻射環繞型學生課桌椅和學生互動教學設備，如圖5所示。開發或升級教學管理系統，實現智能排課、在線作業、自動批改等功能，通過大數據和人工智能技術分析學生學習情況，為教師提供個性化的教學建議。數字教學資源的開發與建設以學生為中心，增加更多互動性和趣味性的數字化教材，建立豐富、多樣化的課程資源庫，方便教師備課和學生學習，為學生提供基于“網絡平臺 + 移動終端”的持續的、動態的數字化學習內容。

圖5以教學為中心的智慧教學系統布局圖

1）設備模塊化設計。這種設計允許教室根據不同的教學需求快速調整布局，學生桌椅可以自由組合，教師講臺和電子設備也可以輕松移動，以適應小組討論或個人學習。教室設置互動式學習墻，整個教室的一側或多個墻面安裝大型互動屏幕，教師可以將其作為授課屏幕，學生可以在這些屏幕上直接進行操作和互動學習。

2）資源共享化設計。這種教室為每個學生提供課程移動設備，同時配備云桌面終端，學生可以通過這些終端訪問云端資源，實現資源共享和即時反饋。

3 結束語

經實踐檢驗，以師生實際需求為出發點來設計和建設高校智慧教室，可操作性強，成效顯著，建設完成后的智慧教室可以支持各類教學比賽，并作為新教師的微格教室進行教學能力實訓。智慧教室投入使用以來，師生體驗好，教學效果佳，使用率居高不下，甚至成為“網紅教室”，為提高學校知名度作出了貢獻。

當然，在建設智慧教室過程中為了更好地實現物聯網與人工智能的融合，需要克服一些技術上的挑戰。首先，需要解決的是數據安全和數據隱私保護問題。在物聯網環境中需要連接大量設備，如果數據安全保護不到位，任何一個設備環節都有可能導致隱私泄露或數據被惡意篡改，這就需要采取有效的安全措施和技術手段。其次，需要解決的是數據處理和分析問題。在物聯網環境中，眾多設備產生的數據量巨大，如何有效地處理和分析這些數據是一個巨大的挑戰，這就需要采用高效的數據處理和分析技術（如分布式計算、流式計算等）來提高數據處理效率和質量。

4參考文獻

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