高校智慧教室的构建与研究——以西安交通大学为例

刘 宸 李国栋 张 哲 王 强 崔静茹 折 波



高校智慧教室的构建与研究——以西安交通大学为例

刘 宸 李国栋 张 哲 王 强 崔静茹 折 波

（西安交通大学 网络信息中心，陕西西安 710049）

文章从传统多媒体教室和网络教室的弊端入手，首先论述了智慧教室的理论概念，并从高校课堂教学的实际需求出发，借鉴了以需求为导向的智慧教室“SMART”概念模型。然后，文章以西安交通大学的智慧教室建设为例，分析了智慧教室的基础架构及功能设计，并对智慧教室建成之后的运作模式进行了系统思考，以期能为高校智慧教室的研究、建设与应用提供一些具有实际意义的参考。

高校；智慧教室；SMART

引言

随着高校信息化建设的发展，传统教室所支撑的课堂形态越来越不能适应当前教学改革的需求，各个高校纷纷开启模式创新之路，而智慧教室作为技术与教育深度融合的产物应运而生。智慧教室是一种有别于传统授课学习方式的新型教学形式，作为一种典型的智慧学习环境，智慧教室是高校信息化发展到一定阶段的内在诉求，是智慧学习时代的必然选择[1]。智慧教室发展的初期，针对的主要人群是中小学校，参与研究、建设和应用的高校普遍很少。但随着高校信息化的发展、教学改革的需要、教学成果的推广和目标人群的扩大，智慧教室在高校中的地位和重要性愈发凸显。本研究以西安交通大学（下文简称“学校”）的智慧教室建设为例，介绍了智慧教室的建设思路、集成方案和运行模式，对学校教学特点的深刻理解和对教师教学场景需求进行了精准挖掘，以期能为高校智慧教室的研究、建设与应用提供一些具有实际参考。

一 智慧教室概况

1 智慧教室发展现状

从20世纪90年代中后期开始，我国就开始了大规模、大范围的教育信息化建设。经过20多年的发展，成效显著，人们对教育信息化的认识也有明显提高[2]。授课教师的教学也由传统的“黑板+粉笔”转变成了“PPT+投影”的模式。而传统多媒体教室或网络教室大部分存在以下问题：①教师教学效果不佳，缺乏互动教学和交流研讨，“填鸭式”的教学不利于学生的学习；②学生听课效果不佳，多媒体内容的“堆砌”和呈现工具的“间断性”展示，阻碍了学生对授课内容的理解和消化；③教务监督困难，缺乏教学过程跟踪管理和教学效果评价的有效手段；④高校教学楼宇众多，教室建设场地分散，缺乏集中管控手段；⑤多媒体教室的运行状况不能得到及时反馈，日常管理维护困难；⑥重管理轻服务，不能很好地对多媒体教室管理人员做好服务；⑦缺乏统一的标准化体系和顶层建设规划，不利于后期的可持续发展。

由此可见，传统的多媒体教室或网络教室已不能适用高校信息化教学的需求。为此，以探究化、高度信息化、强交互化、一体智能化等为特征的智慧教室孕育而生[3]。

2 智慧教室概念提出

在国外文献中，智慧教室一般被称作“Smart Classroom、Intelligent Classroom或Classroom of Future”，其中“Smart Classroom”使用最为广泛[4]。1988年，Rescigno提出了智慧教室“Smart Classroom”的概念。早期研究较多关注智慧教室的技术、装备效能，如Skipton[5]认为“智慧教室就是基于电子或技术增强的教室”。国内关于智慧教室的研究最早从2008年开始，黄荣怀等[6]认为在网络技术、富媒体技术、传感技术及人工智能技术充分发展的信息时代，教室环境应是一种能优化教学内容呈现、便利学习资源获取、促进课堂交互开展、具有情境感知和环境管理功能的新型教室，这种教室被称为智慧教室。

3 智慧教室的“SMART”概念模型

黄荣怀等[7]认为，智慧教室的“智慧性”涉及教学内容的优化呈现、学习资源的便利获取、课堂教学的深度互动、情景感知与检测、教室布局与电气管理等方面的内容，应包括内容呈现（Showing）、环境管理（Manageable）、资源获取（Accessible）、及时互动（Real-time Interactive）和情境感知（Testing）五大特征，简写为“SMART”，这五大特征正好构建了智慧教室“SMART”概念模型，如图1所示。韩国学者朴钟鹤[8]则认为“SMART”是由自主式（Self-directed）、兴趣（Motivated）、能力与水平（Adaptive）、丰富的资料（Resource Enriched）、信息技术（Technology Embedded）等词汇构成。

图1 智慧教室“SMART”概念模型

二 西安交通大学智慧教室建设案例

1 建设原则

本研究在智慧教室的架构设计上更倾向于黄荣怀提出的智慧教室“SMART”概念模型。在智慧教室建设的过程中，学校立足于教学需求，明确建设目标，规划顶层设计，分步推进实施，并且组建高效设计团队，公开招标择优选择系统集成商，实施全程质量管理，严格管控项目风险[9]。智慧教室建设主要遵循以下4项原则：①实用性，是指应充分满足本校授课教学的需求，适应未来教学授课发展的趋势，在项目的建设中以实用性为根本前提；②先进性，是指在满足高校教学需求的实用性基础上，还应采用前瞻性、先进性和开创性的技术，以满足未来智慧教室的发展趋势；③可靠性，是指应采用成熟稳定的、已在较多成功案例中应用的解决方案和硬件设备，以确保系统的可靠、稳定和安全；④扩展性，是指应充分考虑教室物理空间和各类硬件设备的统一融合，充分发挥系统整体的最优性能，同时遵循标准化建设体系，优先顶层设计，充分考虑系统未来的扩充和升级。

2 建设情况

以学校的教学需求为导向，以提升课堂教学质量为目标，学校建设的智慧教室的主要设备如表1所示，设备之间的拓扑结构如图2所示。

表1 主要设备清单

（1）基础设施系统

在建设中，学校后勤保障部配合中心负责整个智慧教室基础设施的建设工作。后勤保障部根据智慧教室的功能需求和设计规范，负责教室基础设施部分的建设，包括教室物理空间、黑板讲台、桌椅板凳、通风空调、供电配电、灯光照明等各子系统的部署实施。

（2）基础网络系统

网络信息中心充分发挥校园网优势，保障智慧教室课程录播、远程授课、互动教学和教学资源利用率。智慧教室网络拓扑采用2台华为12808物理核心交换机虚拟化为1台逻辑设备作为中心节点。每栋教学楼采用2台Juniper 5100物理汇聚交换机虚拟化为1台逻辑设备作为楼宇汇聚，通过双路万兆光纤链路聚合到中心节点。在每间教室放置一台24口Juniper 2100 POE交换机，双路千兆光纤链路聚合到楼宇汇聚。教室中的网络设备连接到POE交换机上，实现了POE供电，简化了终端设备安装部署的难度。在网络拓扑中，所有骨干线路设备全部保持两台设备在线，互相冗余和均衡负载，双链路聚合保障了教室网络线路通畅和数据转发、音视频传输、设备运行的可靠性，有力地支持课堂教学的正常进行。学校智慧教室网络拓扑图如图3示。

（3）网络感知系统

除了智慧教室讲桌上的有线网络接口，在所有教室的前后墙上都安装了4个网络信息端口，顶部部署了2台无线AP，实现了有线无线全覆盖。通过网络中控，集中管控智慧教室内所有网络设备启动和关闭，包括电脑、窗帘、空调、屏蔽仪等设备的开启和关闭。在教室内设置光照传感器、温湿度传感器和环境监测传感器，分别实现对教室内灯光亮度、温湿度和PM 2.5数值的感知与控制。

（4）学习资源重复利用平台

通过常态录播系统，采用Hadoop/HDFS存储手段，实现全校教学资源的录制与播放。完成了全校394间教室授课过程的全录制与检索，以每小时为一个录制单元，实现了视频数据的统一批量自动转码存储等功能。通过该平台保障了大型活动的全球直播和精品课程的跨校区直播，有力地支持了追踪教室授课、学习动态和课堂板书。

图2 西安交通大学智慧教室主要设备拓扑图

（5）电子考勤系统

在每个教室门口安装一台或多台考勤机，学生使用校园一卡通刷卡签到或采用具有无线定位人脸识别的智慧教室APP进行签到，授课教师通过校内统一身份认证登录考勤系统，实时查看学生到课率，并可对忘带校园一卡通的学生手动补录考勤。教学楼宇入口的考勤展示大屏，实时动态滚动显示本楼宇每门课程的考勤状况，做到对每门课程上课情况的实时公开，方便学校领导、教务人员、老师和学生了解课程的考勤情况。

（6）教务督导系统

通过智慧教室的建设，实现了教务督导的全过程电子化。与智慧教室中控大屏监控系统对接，实现全校区、多楼宇的教学实时督导。与电子考勤系统对接，提供课程信息查询、学生考勤查询和全校课程到课率统计等信息。

（7）IP语音对讲系统

智慧教室主控室实现7×24有人值守，通过教室的IP语音对讲系统一键呼叫智慧教室主控室，实现教室设备的实时报修、快速反馈和及时维修。对简单的问题，当场回答或远程协助教师，不影响课堂正常的授课秩序。个性化推送与全面广播相融合，实现全楼宇、全教室的IP广播全覆盖。

（8）电子班牌系统

通过电子班牌实时展示教室信息，支持教室整个学期的课表查询和学生刷卡后查询个人课表情况。推送教室个性化公播，起到宣传和推广作用。利用教室摄像头，可以实时查询教室模糊化快照，方便学生查询教室的实时状况。

三 西安交通大学智慧教室应用

2017年9月，学校第三期智慧教室项目的建设基本完成，共建设智慧教室近400间。智慧教室的应用结果显示，其在提升教师课堂教学、提高学生到课率、学生课后自主学习、教学秩序监督、教学效果监督、优质资源共享、降低教室空闲率等方面起到了非常明显的促进作用。

图3 西安交通大学智慧教室网络拓扑图

1 智慧教室大数据分析应用

高校智慧教室大数据分析挖掘具有四重典型价值[10]：①基于分析、监控、预测和预警，使得高校管理更加精准高效，实现精准治理，改变管理的模糊性；②可以更加准确地分析评价课堂教学质量，支持多样化数据采集和多维度数据分析；③使得教和学更加智慧、更加有效，教师可以了解学生的进展和兴趣点、学习路径，对学习者进行精准分类；④教学服务的个性化、精准化推荐与服务，学习绩效的个性化评价和个性化的教学管理，提高了教学的效率和质量。

2 服务对象和目标

智慧教室项目覆盖了学校公共课程的所有教室，为师生提供了优质的教学条件，提升了教学质量；为教务人员和管理人员提供了数据支撑、管理决策和运维辅助：①智慧化的教学条件解决了教师授课中的各种问题，提供了优质的教学条件保障；教师更加关注教学活动本身，努力提升自身教学水平和能力，教学不再受外在教学条件的限制。②智慧教室为学生课前、课中、课后学习提供形成了一套智慧化的学习体系和学习环境。③智慧教室对教师上课、学生学习、教室使用等日常教学活动进行了高效率的管理，使教务人员的管理更加数字化和智能化，能更好地对教师的各项教学进行评估，把握学生的学习情况，为制定各类教学计划提供了数据依据。④教室管理智能化，使管理人员无需投入大量人力、物力去做重复和繁杂的管理与维护；教学过程遇到问题能够远程及时解决，不再耽误日常教学任务，提升了管理人员对教室的精细化管理。

3 数据支撑和决策

智慧教室的建成为学校的教育教学质量实时监测大数据平台提供了可靠的数据支撑和保障。该大数据平台通过信息采集、评价、督导、建立反馈机制，对影响课堂教育教学质量的各类要素进行智能化大数据分析，面向用户提供了教学课堂质量监督的全过程信息化服务，形成了一套科学合理、行之有效的教学质量保障与监控体系，实现量化精准、常态持续、全面覆盖、实时动态的课堂教学综合质量评价。

四 结束语

西安交通大学智慧教室项目的建设，开创了国内高校大规模智慧教室建设的先河。该项目融合了多系统、多业务、多数据和多网络，涵盖15种设备类型、3000多台物理设备，覆盖全校394间公共课教室，涉及教务处、网络信息中心、网络学院和后勤保障部等校内职能部门。智慧教室建设的完成，为学校的教学过程精细化管理和教学质量的综合评价提供了重要的基础数据。

[1][6][7]黄荣怀,胡永斌,杨俊锋,等.智慧教室的概念及特征[J].开放教育研究,2012,(2):22-27.

[2]汪基德.从教育信息化到信息化教育——学习《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010-2010年)》之体会[J].电化教育研究,2011,(9):5-10、15.

[3]程敏.信息化环境中智慧教室的构建[J].现代教育技术,2016,(2):101-107.

[4]王玉龙,蒋家傅.以需求为导向的智慧教室系统构建[J].现代教育技术,2014,(6):99-105.

[5]Skipton C. Moving from “dumb” to “smart” classroom: Technology options and implementation issues[J]. Journal of College Teaching &Learning, 2006,(6):19-27.

[8]朴钟鹤.教育的革命:韩国智能教育战略探析[J].教育科学,2012,(4):87-91.

[9]聂风华,钟晓流,宋述强.智慧教室:概念特征、系统模型与建设案例[J].现代教育技术,2013,(7):5-8.

[10]郑庆华.高校教育大数据的分析挖掘与利用[J].中国教育信息化,2016,(7):28-31.

The Construction and Research of University Smart Classroom ——Taking Xi’an Jiao Tong University as an Example

LIU Chen LI GUO-dong ZHANG zhe WANG Qiang CUI Jing-ru SHE bo

Starting from the disadvantages of traditional multimedia classdroom and network classroom, the artilce firstly defined the theoretical concept of smart classroom. Then, the demand-oriented “SMART” (Showing, Manageable, Accessible, Real-time interactive, Testing) conceptual model was constructed based on the actual needs of university classroom teaching. Meanwhile, this article took the construction of smart classroom in Xi'an Jiao Tong University as a case to analyze the basic structure and function of smart classroom. Finally, the systematic refelection on the operation mode of smart classroom was offered, expecting to provide valuable reference for the research, construction and operation of smart classroom in universities.

university; smart classroom; SMART

G40-057

A

1009—8097（2018）10—0070—06

10.3969/j.issn.1009-8097.2018.10.010

刘宸，硕士，工程师，研究方向为计算机网络、计算机应用技术，邮箱为liuchen@xjtu.edu.cn。

2018年3月20日

编辑：小西