基于物联网的开放大学智慧教室设计与实践*

邓孟红 周个妹

摘   要：智慧教室是学校信息化发展到一定阶段的内在诉求。办好开放大学，需要提升开放大学的教学信息化环境。文章首先回顾了教室环境在开放大学中的发展历程，深入分析了多媒体网络教室和云教室两种教室环境在开放大学中的教学困境;然后结合远程教育的特点，基于物联网技术，提出了开放大学“四位一体”智慧教室建设架构模型;最后根据学校具体实践，介绍了智慧教室的建设思路和实施方案，以期为开放大学智慧教室的建设提供参考。

关键词：物联网;智慧教室;开放大学

中图分类号：G434 文献标志码：A 文章编号：1673-8454（2020）17-0018-05

一、引言

我国开放大学的前身广播电视大学，是一所运用广播、电视、文字教材、音像教材和计算机课件及网络等多种媒体进行现代远距离开放教育的新型高等学校[1]。随着信息技术的发展，广播电视大学的办学形式也发生改变，由最初的通过广播、电视媒体开展教学的“学历补偿教育”阶段，到通过计算机网络开展远程学历教育的 “开放教育”阶段，网络多媒体教室成为了广播电视大学教学的主要支撑环境。现在的广播电视大学处于向“开放大学”转型阶段，信息化建设对广播电视大学的战略转型及定位起到重要作用。在探究信息技术与教育深度融合的发展道路上，国家开放大学确定了依托云计算技术建设教育服务云，为学习者提供教、学、管、服、研等一体化的云平台环境，以及“云教室、云OPAD、云手机、云电视、云桌面”等多终端融合的云学习接入环境。其中，以高清视频通讯为基础，集学、测、考、监等功能于一体的云教室是开放大学重要的现代远程教学环境。目前，经过三期的云教室建设，国家开放大学总部在各地广播电视大学已经建设了几百间云教室，构建了一个覆盖全国城乡的云教室教学网络。

学习者的任何学习活动都是在一定的学习环境中进行的，离开学习环境的支持，学习活动就失去了依托，学习环境的优劣直接关系着学生的学习与发展[2]。广播电视大学经历了不同阶段的发展，其教学环境随着信息技术的发展也发生着不同的变化，每一阶段教学环境的应用都是与当时社会的教育需求相匹配。安装广播、电视等媒体的教室解决了大规模学历教育补偿的教学需求;多媒体网络教室解决了网络学习和个人自主学习的教学需求;云教室实现了远程学习者在网络学习中的学、测、考、监的一体化，提高了学习体验。信息技术的发展，促进了教学环境的转变，越来越多的教学设备和技术被带入课堂。教学环境丰富了，但教学环境如何促进教学方式的变革是不变的话题。当前，开放大学仍然是一所新型大学，探索信息技术与教育的深度融合，如何建设以现代信息技术为支撑的教学环境，以及如何利用现代化的教学环境促进远程教育教学活动的开展，是开放大学发展面临的问题。

二、目前开放大学教学环境的困境及智慧教室的提出

20世纪90年代后期，我国开始了大规模教育信息化基础设施建设。经过十年的发展，教育信息化基础设施建设取得了巨大成绩，覆盖全国的教育信息化基础设施与平台基本建成，对教育信息化的认识也有所提高[3]。教室进行了“计算机+多媒体+投影”的武装后，教师无需再用粉笔进行板书，节省了板书时间，提高了授课效率，多媒体化的教学资源呈现增强了学生学习的兴趣，也使得教学活动开展更加有趣，但是，多数的课堂教学出现了由“人灌”变成了“电灌”的现象，存在多媒体内容呈现“堆砌”的问题，导致学生没有时间对知识进行联系、对比，学生的认知活动容易受到阻碍[4]，教师的课件讲授贯穿课堂，活动范围局限在多媒体教室的控制台上，过分关注多媒体课件的使用，缺乏与学生的情感交流，导致学生的学习积极性普遍较弱。多媒体教室统一固定的座位布局，又不利于协作探究、基于项目或者问题学习等以“学习者为中心”的教学活动的开展，课堂互动极度缺乏，导致教师在孤独地“表演”。目前，全国的广播电视大学总共有1万多间多媒体教室用于开放教育的线下面授教育，普遍存在设备老化、配置低、教室之间孤立建设、资源不共享、教室难管理和维护不及时、多媒体课堂教学学生参与积极性不高等情况，导致开放教育线下面授教育越来越难开展，重构教室环境，创建适合教师教学和学生学习的新型教室环境，是一种必然趋势。

《国家中长期教育改革和发展规划纲要 （2010—2020年） 》将“到2020年，基本实现教育现代化，基本形成学习型社会，进入人力资源强国行列”作为教育发展的战略目标，并明确要求“大力发展现代远程教育”，利用远程教育手段“搭建终身学习‘立交桥”，提出了“办好开放大学”的要求。由于广播电视大学的办学体制，以及在远程教育方面已经为学习型社会的构建提供了支持與服务[5]，于是，教育部于2012年7月31日在广播电视大学的基础上组建国家开放大学。国家开放大学为了贯彻落实建设新型大学的要求，积极探索先进信息技术与教学的深度融合，建设了以云计算技术为基础的云教室教学环境。云教室对国家开放大学的系统建设与信息化应用建设具有重要的意义，打造了具有学、测、考、监等功能集一体的在固定场所接收远程教育服务的品牌典范，提升了系统办学的信息化应用水平，促进优质教育资源共享，缓解了边远地区师资紧张问题。但是，经过几年的建设与应用，在应用上凸显了一些不足，暴露了云教室功能架构设计的缺陷。

一是信息单向传播应用比较普遍。云教室应用模式基本为“总校—分校”形式：即主要为授课教师在总校云教室（授课教室）上课，学生在各学院和分校的云教室（听课教室）听课学习[6]。这是由于云教室双向交互对于网络带宽的依赖性较大，当多方参与互动时，无法保证视音效果的流畅性，严重干扰师生的互动活动，使得教师不得不采取讲授的课堂教学模式。

二是功能设计有缺陷，交互性不足。云教室的实现载体是视频互动，只能传递视频信号，不支持图文互动[7]，由于云教室是建立在双向视频会议基础上，利用云计算技术构建的教学系统，教师在授课的过程当中，学生无法对授课过程发表图文意见。例如：点赞、留言、作业点评等图文资源的互动，也缺少弹幕互动、投票活动、课堂测验等其它方面的互动功能。

三是不支持多终端接入。云教室是基于对固定场所的设计，在固定场所中搭建视频互动终端设备，从而完成教学功能，由于云教室没有开放多终端接入功能，学生无法通过手机终端或者平板电脑参与云教室课堂，阻碍了随时随地学习的需求。

计算机多媒体教室、网络多媒体教室、云教室在一定程度上满足了开放大学的教学应用需求，但对教师教学活动的开展和学生的学习辅导有限，制约着开放大学信息化教学应用。智慧教室理念的提出及应用，极大地丰富了教师的教学手段，有利于学生的协作能力、问题解决能力和创造力的提升。智慧教室是一种典型的智慧学习环境的物化，是多媒体和网络教室的高端形态[8]，对于开放大学来说，也是网络多媒体教室和云教室的高端形态。

三、开放大学智慧教室模型构建及实践

对于智慧教室建设，黄荣怀等人[2]从智慧学习环境构建角度提出了“SMART”概念模型，分为内容呈现、环境管理、资源获取、及时互动、情感感知等五个模块，按“内容呈现、资源获取、及时交互”三个纬度把智慧教室分为“高清晰”型、“深体验”型、“强交互”型;聂风华等人[9]从系统构成角度提出的“iSMART”模型，由基础设施、网络感知、可视管理、增强现实、实时记录、泛在技术等六大系统组成，为教学活动提供智慧应用服务的教室空间及其软硬件装备的总和。在技术创新不断升级和智慧教室实践下，人们对智慧教室的认识不断得到丰富。然而，任何事物的发展都需要遵循因地制宜的原则才能有生命力。开放大学与其他全日制高校办学模式不同，它是一所利用远程教育开展学历教育的高等学校，对于智慧教室的建设，不应盲目追求智慧教室功能的全面性，而应该遵循远程教育的特点，符合开放大学的教学需求，才能真正发挥智慧教室在开放大学中的作用。

1.开放大学智慧教室模型构建

智慧教室是基于物联网技术支持的智慧学习环境。关于物联网的定义，较为权威的理解是《2020年的物联网：未来之路》中提出的“具有身份标识与虚拟的个性化特征，可以利用智能化接口在智能空间进行相关操作，并可以与社会的、环境的、用户的上下文相互连接并进行有效沟通的物体构成的网络”。[10]实际上，物联网包含了物与物之间、人与物之间的互联，采用感知层、网络层、应用层三层架构，以连通性、技术性、智能性、嵌入性的特点，为人们提供了智能化的生活与工作环境，改变着人们的生活、工作与学习方式。开放大学智慧教室借助物联网技术以及学习开放、资源共享的特点，构建了适合远程教学的“感知—网络—应用—用户”四位一体的智慧教室构建模型，如图1所示。

（1）感知层。感知层是教师与学生主要的教学环境，包括了灯光、窗帘、空调、音响、教师一体机大屏、小组屏、录播主机、摄像头、全向麦、音响、传感器等构造教室所需的物理设备。灯光、窗帘、空调通过传感器进行设备的感知，并把感知数据传输给具有路由功能的无线AP上，通过网络层传输给集控中心平台，进行统一控制，可实现设备的手动设定或自动调节。例如：灯光的亮度控制、窗帘的升降、空调的温度调节、音箱的音量大小、教师大屏、小组屏的电源开关等功能，能够远程进行控制，方便管理人员进行管理和监控;教师大屏、小组屏和智能终端通过无线AP和互动系统进行屏幕的投屏与分享，呈现教学内容，开展教学活动;录播主机、摄像头和全向麦实现了智慧教室教学过程的自动录制，并把录制视频实时推送到视频管理系统，实现课程录制的管理。

（2）网络层。智慧教室通过企业级无线AP构建无线局域网，具有接入设备多、网络稳定的特点，满足教室内几十个智能终端和传感器设备的同时接入。移动4G网络是远端智能终端参与智慧教室使用的网络，通过互动系统参与智慧教室教学活动，通过直播观看课程教学情况，有线校园网和互联网搭建起了智慧教室环境设备与应用系统和平台之间的桥梁，实现数据之间的交换。

（3）应用层。应用层是智慧教室数据处理核心层，包括了集控中心平台、视频管理系统、互动系统、教学平台和数据中心。集控中心平台监控智慧教室里的所有智能硬件设备，并能对智能硬件设备进行控制;视频管理系统能够根据教学需求对录制画面的角度、景别、亮度等进行设置，并设置录制码率，可以自由选择任意画面和多画面输出，实现画面的灵活切换，录制的视频能够推送给其它平台使用，实现智慧教室课程视频的共享;互动系统为智慧教室搭建起交互的纽带，远程学习者、团队教师可以和智慧教室里的主讲教师进行交流沟通，并且实现教师大屏和智能终端屏幕的共享，智慧教室里的主讲教师和学生能够观看远程桌面的演示和操作，从而能够让远端学习者、团队教师也参与到课堂中来;教学平台为智慧教室提供课程直播、点播和教学资源的上传、下载与管理，并且为师生互動提供教学工具，例如签到、弹幕、投票、随机点名、提问、测验等功能，把教学工具部署在教学平台，有助于教学工具的共享以及对教学活动中动态产生的数据进行分析;数据中心保障了数据存储的安全性与可靠性，可以把课程视频、资源和教学动态数据进行存储，支持对存储资源的颗粒化管理，方便教学平台对数据的查找、调用。

（4）用户层。智慧教室构建的目的是为用户提供教学服务，用户包含了主讲教师、团队教师、学生和其他人员。主讲教师是智慧教室的主要使用者，主导着教学活动的开展;团队教师既可以是行业专家、能手，帮助主讲教师对某一方面的领域知识进行讲解，也可以是辅助教师，协助主讲教师做好远程教学工作;学生是指处于智慧教室本地课堂和利用远程手段参与课堂学习的学生，无论是本地学生还是远程学生，都可以通过智能终端参与到课堂学习中来;其他人员是指管理智慧教室智能化设备，以及进行教学督导和巡视的人员，可以通过集控中心监控智慧课堂的授课情况。

2.开放大学智慧教室建设实践

我校正处在广播电视大学向开放大学转型的关键期。探索信息技术与教育的深度融合，促进开放大学快速转型，是学校信息化建设的基本任务。在深入分析多媒体教室与云教室的使用现状后，项目团队设计技术方案，构建了技术先进、功能适用、操作便捷的智慧教室，从而满足了开放大学的学历教育与非学历教育教学需求。下面介绍智慧教室的建设目标、原则与实施方案。

（1）建设目标

①满足移动学习需求，解决工学矛盾

体现智慧教室的远程教学性。开放大学主要是通过远程教育手段开展学历教育，教学对象多数为在职工作人员，教学活动的实施存在工学矛盾。因此，智慧教室需要满足移动终端的远程接入，让学员在外出差或者工作闲暇时也能参与到智慧教室课堂教学中来。

②丰富教学应用，增强师生教学体验

体现智慧教室的功能易用性。构建丰富适用的系统功能，满足视频互动、桌面共享、图文互动等教学需求，促进教学活动的有效开展。教学功能须便捷易用，能够让师生交互融入其中，增强教学体验感。

③构建远程互动平台，满足团队教师协同教学

体现智慧教室的协同教学性。开放大学具有开放性的特点，不仅体现在教学对象上，而且开放大学的教师也包括来自各行各业的专家、能手，随着专业发展越来越精细化，需要课程教师、行业专家或者操作能手协同合作。开展协同教学将是未来开放教育的教学趋势。

④建立资源管理机制，促进优质资源共享

智慧教室一个重要的作用就是能够实现资源的共建共享。建立资源管理机制，通过资源平台对教学资源进行颗粒度管理，构建个人资源空间，提供教师备课、授课功能，并对教师智慧教学过程自动录播、上传云聚合，便于优质资源的共享。

（2）建设原则

在智慧教室建设的过程中，应以符合开放大学实际教学需求为准则，明确总体目标，统筹规划，分步实施推进。

①技术实用性与先进性原则

项目实施要满足开放大学的实际教学需求，在充分保证项目应用性和可操作性的基础上，其实现技术要能体现开放大学的教学信息化水平，并适应未来智慧教室的发展趋势。

②功能架构的可靠性和拓展性

项目应用采用B/S架构原则，在保证应用可靠性基础上，充分考虑到智慧教室未来的应用升级与功能扩充的便捷性。

③资源共建与共享性原则

智慧教室的建设不仅要满足教学应用，而且还要实现智慧教学过程的全程分享和教学工具的共享共用，支持教师对资源随时随地建设和共享。

④学习跨区域与开放性原则

充分考虑智慧教室与远程教学的融合，满足多种智能终端设备的接入，支持教师远程协同教学以及远程学习，保证教学环境以及参与学习的开放性。

3.实施方案

为了达成建设目标，本项目实施采用图1所示的开放大学“四位一体”智慧教室架构，设计了我校智慧教室建设示意图，如图2所示。智慧教室包含教室环境、设备可视化管理平台、录播管理系统、云互动管理服务器、云教学平台、云存储和资源管理平台、录播管理系统等七个模块。

在教室环境方面，充分考虑了环境声音的回音处理，教室前后和周围采用降噪吸音处理装饰，教室配备可调节的灯光、空调、窗帘，通过智能控制，创造舒适的教学环境。为了充分满足教学需求，设计了可布局座椅，可以布局成6个小组教学和传统讲授课堂教学。教学包含了教师双屏互动大屏和小组屏。其中互动大屏可以实现分屏显示和联动显示，分屏显示即一屏展示教学内容，另一屏用于板书教学;联动显示可以设计PPT上下页联动画面，即一屏显示前一页内容，另一屏显示当前页内容，有助于学生对学习内容的回顾。教室还配备了视频全自动录制设备和音频采集处理系统，提供智慧课堂的录制功能。

在设备管理方面，教室环境中的设备通过设备可视化管理平台进行管理。结合温度传感器、光照传感器和监控设备，可以远程监控设备状态以及调节、开关设备。

在云互动管理服务器方面，为参与互动的各种移动终端设备（手机、平板等）提供了注册、分组、配对以及资源分配、转发等管理服务。形成了统一的用户交互入口和体验界面，实现了团队教师的协作教学，同时具备扩容功能，实现互动负载均衡，为今后的更多智慧教室互动接入提供支持。

在云教学平台方面，提供了如抢答、点名、照片墙、投屏、截屏问答或投票、大屏快照、资料推送等互动功能。在教室里，通过教师大屏、小组屏和智能终端实现移动教学、师生APP互动教学和小组协作教学，为智慧教学提供了资源、数据、管理和服务。汇聚智慧教室教学过程中产生的点滴数据，通过云计算、云存储和云分析，形成大数据图表，有利于反馈指导教学。云教学平台联通云互动管理服务器、资源管理平台和云存储，具有数据调用、直播互动、课程管理、资源管理、个人空间等功能，同时支持微信签到、弹幕、屏幕演示、讨论、测验、作业等教学应用，有助于资源共建共享，有助于开展随时随地的教学活动。

在云存储方面，能够根据需求自由灵活地扩容，并保证数据安全。主要用于存储教学平台产生的教学数据、课程资源和个人资源，以及智慧教室录播的视频资源。

在资源管理平台方面，支持对录播资源自定义。按照年级、学科、时间、时长、发布人、课程特色等类别，实现资源颗粒度管理，自动把资源数据上传到云存储，根据教学平台调用数据，提供直播或者点播功能。

在录播管理系统方面，视频编码采用目前国际上领先的H.264 High Profile高清编码方式，音频采用AAC编码方式，支持本地导播模式和PC远程网页导播模式，具有完善的录课导播功能。功能包括教师画面、学生画面、教师大屏画面、接入学生屏幕画面等多路场景的切换，支持画中画布局、多画面布局，画面切换之间允许添加多种特效。系统还具有远程关机、音量调节、云台摄像机焦距调节、摄像头自动跟踪、直播等功能，实现对智慧教室里录播设备的智能化管理和录制节目的自动推送。

四、结束语

随着信息技术与教学的深度融合，作为教学环境重要场所的教室正在从多媒体网络阶段进入智慧化阶段。物联网技术的引入为教学活动构建了智能化的互动教学空间。开放大学智慧教室的建设需要符合自身办学思路和实际教学需求，因此，在构建具有可视化的设备管理、灵活布局的教学环境、优化呈现的教学内容以及丰富便捷的互动工具等智慧教室基本功能外，更应重视智慧教室对团队协同教学的支持，以及满足远程移动学习的需求。构建云互动和云直播平台，全程记录教学过程，分享学习成果及教学资源。搭建智能化的互動教学空间，对教学互动大数据进行存储、挖掘与分析。充分发挥教师、学生在智慧教室中的主观能动性，才能提高智慧教室的使用效能，发挥智慧教室在开放大学远程教学中的作用。

参考文献：

[1]郭赟嘉.我国开放大学定位研究[J].现代教育科学，2016（8）：15-20.

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

[3]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—2020年）》之体会[J].电化教育研究，2011（9）：5-10，15.

[4]陈长胜，刘三等.基于双重编码理论的双轨教学模式[J].中国教育信息化，2011（3）：52-55.

[5]陈丽，郑勤华等.论我国开放大学的现实责任：确立高等远程教育的质量地位[J].中国电化教育，2013（10）：42-46.

[6]马小强，刘铭等.国家开放大学“云教室”应用的现存问题及对策[J].中国电化教育，2016（5）：72-77.

[7]邓孟红.基于云教室的广西现代远程教育教学应用探究[J].中国教育信息化，2019（21）：35-39.

[8]黄荣怀等.从数字学习环境到智慧学习环境——学习环境的变革与趋势[J].开放教育研究，2012（1）：75-84.

[9]聂风华.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]Internet of Things in 2020：Roadmap for the future[EB/OL].http：//ec.europa.eu/， 2009-11-16.

（编辑：王晓明）