智能化教室建设技术分析及应用思考

杨 飚 张杰民

（石油化工管理干部学院，北京 100012）

教室是教学过程关键的支撑环境，随着音视频和信息化技术的不断发展，教室越来越成为丰富技术的环境，也成为近几年的热点。然而热度也导致行业的浮躁，教室信息化能否真正支撑教学过程，解决教学过程中存在的实际，存在很大的争议。主要体现为以下问题：

一是重单一教室空间或单一系统建设，不关注整体校园的环境与业务集成，形成单一教室或系统的“孤岛”，信息化支撑作用有限；二是以技术为导向，而非以教育规律和现实教学为依据，造成教室成为各种技术设备堆砌的场所，操作困难，学习成本高，无法真正发挥支撑辅助作用；三是以AI、语音和行为识别等未来技术或应用局限性技术为假设依据，进行教室设计推理，可操作性不足。

上述问题是目前很多教室信息化普遍的实际状况，因此有必要对教室信息化的概念、定位、方案进行深入分析，形成可操作、真正带来价值的整体解决方案。

1 智能化教室的内涵

捷克教育学家夸美纽斯创立了班级授课制度。其设计是根据学生年龄特点和知识水平，分成不同的班级；每个班级拥有一个专用教室；每个班级，在同一时间有一位老师，针对所有学生进行教学。承载班级授课的物理空间也就是现代意义上的教室。

随着音视频技术和信息技术的发展，附加了各种时代技术色彩的教室被赋予了各种名词，例如“视听教室” “多媒体教室” “智能化教室”“智慧教室”等。《地平线报告》进一步提出了“学习空间重构”概念，其核心是从单一的讲授式转变为团队合作研讨式，从注重讲转变为关注学，从简单的方式方法转变为多样化的技术手段和空间设计。

由于信息化发展迅速，不同的研究者从不定位和角度，对教室信息化提出不同的概念定义，目前仍处在探索阶段，并没有形成统一的认识。我们认为不论什么概念，教室信息化一定要立足于两个基本点：一是教室信息化的核心依然是教学环境，信息化只是塑造和丰富教学场景、支撑辅助教学活动的手段；二是使用方法一定要简单实用，具备现实可操作性。我们将教室信息化的概念称之为“智能化教室”。理解“智能化教室”概念的内涵，要从以下四个维度入手（见图1）：

图1 “智能化教室”概念内涵架构

第一维度是空间维度。传统认知中，教室是单一的物理内部空间。我们认为除了这个范畴外，还要包括两个空间，一是教室物理空间的组合，即如何将局限在一个空间的教学活动扩展到所有物理空间；二是虚拟空间，即如何将物理教室的教学活动扩展到网络虚拟空间。智能化教室的立足点是从物理空间扩展到虚拟空间，而不是构筑单纯的虚拟空间，与单纯的线上教学有本质的区别。

第二维度是参与者及活动。除了关注教师与学生的教学互动关系，以及学生的学习活动，还要重视教学管理人员和教学服务人员的行为活动。

第三维度是技术。首先，教学活动本质上是人与人的沟通、以及个体人的感知和心理活动。我们认为，教室建设最核心的内容依然是要解决沟通和视觉、听觉等感知因素，因此音视频技术仍是信息化建设的重点。其次，还要解决管理和服务行为的支撑因素，否则大量教室设备无法正常运行或操作技术要求过高，支撑教学的基础条件就会崩塌。第三，目前所有设备都在向数字化、信息化转变，建立解决人和设备通信的有线/无线网络是有机关联的基础，尤其是建设教学设备管理的物联专网是实现教室智能化管理的关键要素。没有物联专网的支撑，各种教学设备只能存在于简单单一的设备功能，无法起到集成的作用。

第四维度是整体规划集成。要以“5W1H”方法论为指导，从教学规律出发，研究教室参与者及其活动特征，建设技术集成整体方案，起到整体的支撑作用，避免陷入单一系统单一功能的“孤岛”状态。同时，实事求是地对待现实技术水平，发挥技术优势，避免其局限性，真正能够对教学和服务活动起到支撑作用。

2 智能化教室的技术架构

基于我们对智能化教室内涵的理解，我们进一步设计了二维四层的一体化集成技术架构（图2）。有应用场景空间和技术两个维度，技术包含了音频系统、视频系统、中控系统、教学监控系统、电话服务系统、网络系统等多个有机集成的子系统。未来可以基于架构进一步丰富和扩展。四层包含单一应用层、集成应用层、虚拟应用层、集中管控层等应用场景空间。

图2 智能化教室二维四层的一体化集成技术架构

2.1 四层应用场景空间维度

应用场景空间维度是设计的出发点和落脚点，技术也需要落实在应用场景空间。

第一层是单一应用层。指单一的物理教室空间，在此空间内，存在每一个技术子系统，且在同一空间内集成。

第二层是集成应用层。指所有教室组成的教室集群，将一间教室的教学活动扩展到其它教室。

第三层是虚拟应用层。指将教室活动进一步扩展到网络层次，使得教学活动的空间局限泛化。

第四层是集中管控层。指所有子系统在整体层面，能够做到管理和服务行为的集中管控和集成。

2.2 技术维度

技术维度是实际存在的技术系统，各系统既边界清晰，也必须整体集成，并能够明确解释在四层应用场景空间的应用功能。

音频系统以单一教室内数字音频处理器或数字调音台为中心，话筒等设备作为音频输入源，音箱等设备作为音频输出，构成教室内的音频系统。

视频系统分为两个子系统。传统意义上的视频子系统，以视频矩阵为中心，VGA、摄像机等设备为视频输入源，投影机等设备为视频输出源，构成教室内的视频系统。教学过程中，需要音视频同时作用于感觉器官，才能够形成更好的刺激作用，因此要同步设计构建音视频系统。以数字音频处理器和视频矩阵为中心的音视频系统架构，是为了简化系统架构层次和设备关系，提升系统运行的可靠性、可维护性、扩展性。除传统视频子系统外，增加分布式视频系统，将一间教室的音视频信号混合转换成H.264信号，通过网络系统广播至其它教室，从而达成第二层次集成应用层的应用。

教学监控系统的基础是第一层次单一应用层的每个教室的摄像头，摄像头信号集中存储，可以形成多层次的业务应用，如第三层虚拟应用层的教学管理和网络听课，第四层次集中管控层教学服务中心的集中管控。

电话服务系统与教学监控系统的架构基本一致，第一层次每个教室有一个IP电话终端，可以与第四层次教学服务中心的集成管控电话联系，帮助建立教室师生与教室服务人员的联系。

中控系统是智能化教室的核心管控系统。传统的中控系统只是单一教室的管控系统，因此只能应用于第一层面，有助于教师面对复杂设备的简单控制，例如一键开关幕布、投影机、灯光等多种设备联动的复杂场景，但是当教师面临使用问题，需要帮助时，依然解决不了。因此我们认为中控系统仍然要建立集中/分布式的系统体系，可以在第四层次的教学服务中心的PC端及移动端设备进行教室设备的远程管控，帮助解决操作问题。

另外，还可以完成多种复杂应用功能。例如，通过教室传感器，了解教室的温度、二氧化碳等的数据规律，帮助改善教室环境建设；集中进行灯光开关，简化管理、节约能源；获取投影机灯泡的生命期数据，提升教学服务水平等等传统中控无法达到的集成化功能。

监控系统、电话服务系统、中控系统构成了完整的管控服务技术体系，各系统架构图也可以叠加在一起，形成整体的技术架构图。完整的流程案例是，教学活动中教师和学生面临教学设备操作和服务困难，用电话服务系统与后端服务人员联系，服务人员可以远程帮助解决，也可以到现场解决，大幅度提升教学服务水平。

网络系统是基础的通讯系统。一般对网络系统的认识是平面的通信系统，即网络可达，但实际上不同的应用和场景，对网络通信、安全、通信模式等多方面的要求是不同的，因此需要建设多维度的、立体网络。智能化教室的网络包含两部分：一是有线/无线一体化的用户网络系统，保证在单一教室空间内设备的互通。二是教室内设备间通信的网络，其实质是物联网，因此可称为教学设备物联专网。由于各种教学设备安全性普遍不足，为了保证物联专网的安全性，物联专网物理上应当隔离，通过桥接或堡垒机的方式与整体校园网保持通信。

3 智能化教室的应用场景

智能化教室的建设，可以形成多层次的丰富应用场景。

一是设备操作方面的场景。教师通过中控系统，对教室内各种设备进行操控，简化操作流程，可以降低学习成本，将精力集中在教学过程。出现任何问题，教师可以通过电话服务系统，与教学服务中心沟通，迅速解决问题。教学服务中心管理人员可以通过集中中控系统，远程帮助教师解决问题，迅速解决问题。同时可以实现集中关灯等管理难题。

二是教学空间扩展及资源建设的场景通过分布式视频，将一个教室的讲课画面同步扩展到其它教室，满足多教室上课的需要。通过教学监控系统，可以在校园网内进行网上学习。教学监控系统及计算机采集画面，可以作为教学资源建设的素材。

三是教学管理方面的场景。可以通过教学监控系统，实时或回看教室情况，可以辅助领导、教学管理部门、安全部门等从自身业务视角，掌握教学动态、教学秩序、安全等情况。

四是数据分析应用方面的场景。通过温湿度、二氧化碳等传感器采集的数据，进行分析，可以为教室环境建设提供数据支撑。

4 智能化教室达成的业务目标

通过场景应用，我们认为需要达成以下业务目标：

一是形成一体化集成教学辅助信息化环境。一定要形成整体校园的一体化集成教学辅助信息化环境，避免出现单一教室或单一系统的“信息孤岛”。

二是达成空间、服务、教学活动的连接，促进教学服务体系、教学空间体系的业务变革。通过各系统技术维度的有机关联集成，形成各种空间、服务、教学活动在业务维度的连接，从而形成支撑教学、管理服务业务的技术基础环境，促进学校教学服务体系、教学空间体系的业务变革。

首先，以教学监控系统、电话服务系统、中控系统构成的管理服务技术体系，可以建立教学人员、服务人员和系统连接关系，为快速解决操作和服务问题，创造基础条件，为变革教学服务体系打下基础。其次，通过分布式视频系统，可以将不同物理空间的教室连接起来，在学习人员过多的情况下，可以分散在多间教室进行教学活动，促进教学空间体系的变革。 第三，通过教学监控系统，可以建立教学管理部门与教学活动的连接，帮助教学管理人员更加有效地管理，促进教学管理体系的变革。

5 结语

智能化教室建设是校园信息化建设的有机组成部分，也是在教育规律和技术规律的指导下，不断地发展、演进的过程。我们设计的智能化教室架构是开放性可扩展的架构，例如可以衍生出多屏研讨式使用场景，建设自动录播系统形成资源等。

不过，在现阶段技术和教育信息化水平条件下，我们认为，智能化教室的建设，应当基于成熟技术。学校应当进行深入研究，掌握规划建设主导权。基于整体集成技术环境，才能够真正建设落地可用的智能化教室，具备支撑教学、管理服务活动的能力。