智慧教室技术框架设计及构建研究

陈祺，陈加烙

（江苏信息职业技术学院，江苏 无锡 214021）

0 引言

随着互联网+时代的到来，教育教学创新改革得以不断深化，大部分高校开始根据自身实际情况着手建设智慧校园，而作为智慧校园的重要构成环节，智慧教室便是智慧融合的体现[1]。课堂教学是学生接受教育的关键环节，因此，基于信息技术，创建有助于交流、协作、共享，以及个性化、自主化学习的智慧教室，是贯彻落实互联网+教育相关战略，优化教育教学创新改革，提高人才培养效率与质量的必然之路。

1 智慧教室构建面临的挑战

其一，智慧教室实际属于教学环境，智能化教学环境对于教师、学生、科研人员进一步提高了要求，即明确要求教师积极转变传统教室理念下的灌输式教学模式，并拥有基于新型技术与教学高度融合的教学设计水平，全方位深入理解终身学习理念；明确指出学生切身转变传统教室理念下的拿来主义学习模式，自主探索理论知识体系，优化学习能力，推进德智体美劳全面发展；明确规定科研人员充分掌握教学与科技双向发展的最新动态与方向，适度调整教学内容与形式，确保其与时俱进。

其二，智慧教室教学体系的关键在于个性化学习，基于此衍生出适应性学习方式。基于适应性的全过程预测可实时监控学生在知识与能力层面的不足，及时推送学习平台相关资源，指引学生选择与自身相符的学习内容。目前我国适应性学习方式依旧处于探索阶段，高校可尝试先把侧重点放置于知识图谱方面。

其三，智慧教室技术的综合实现，资金投入力度非常大，再加上信息化教室建设瞬息万变，变化动态不可小觑，如此极易给高校带来极大的技术与资金压力。对此，高校可基于班级与学生个体差异，选用最佳的智慧教室建设方案，针对教学环境局部进行调整。最值得关注的便是智慧教室局部建设需充分考虑系统发展与长效机制建设等相关问题，以便于为后续构建统一的教学环境提供有力帮助。

其四，智慧教室标准体系尚不统一与完善。智慧教室由概念转变为现实，以此演变为既定规模，从而构成标准，需基于强有力的技术与资金载体以扩展智慧教室实际应用。现阶段世界各国均为提出统一的标准体系，而标准缺失直接阻碍了企业的智慧教室产品之间的彼此识别与联通，在很大程度上影响了技术应用与产品规模化发展[2]。

2 智慧教室技术框架设计与构建

高校智慧教室构建应该按照《高等学校数字校园建设规范》总体要求，严格遵守统筹、集约、绿色、发展、开放、共享、安全等原则，基于实际需求与具体状况进行建设。据此，智慧教室技术框架设计以分层次体系结构，创建了良好的互联互通环境，避免体系过于繁杂，可实现各层次之间标准接口的工程模块化。智慧教室技术框架[3]具体见图1。

图1 智慧教室技术框架

2.1 集控服务平台

集控服务平台的主要作用是集控并管理智慧教室内部全部硬件设施，设置于校园IDC或者教务指挥中心，储存了全校智慧教室设施与系统的参数配置、运行态势、教学资源等相关信息，位于高校智慧教室管理后台上层中心位置，大部分是以Windows/Linux+MySQL数据库系统研发的，其需要面向大量相同或者不同类型的设施分配IP与端口，需维护管理完整的地址与端口表。

2.2 中控主机

所谓中控主机即智慧管理主机或者智慧教室管理主机，实际上就是传统多媒体教室中控主机的升级版本，融合了大量环境设施物联控制功能，安装于独立智慧教室中控台，属于布置于智慧教室集控服务平台下方教室内部客户端设施，也是下游设施的核心主机。

2.3 操控面板

操控面板实际上与传统中控面板相似，基于RS232串口或其他方式实现和智慧主机的衔接，基于机械键或者触摸键，智慧教室面板选型进一步添加了液晶平板模式，拥有多媒体设备控制类面板与环境控制类面板，以及一体化综合式控制面板，其中以平板为基础的控制面板可通过纯软件进行点触控制，而控制面板功能一般会配置设备开关、切换、调控等按键。

2.4 多媒体设备

智慧教室技术框架中多媒体设备占据的比例非常大，例如智慧黑板，支持粉笔板书与多媒体应用，呈现画面来源于智慧黑板背面OPS或者其他通道。而大屏主要基于LED、LCD等得以建设，即LED模块组装与LCD屏拼接等，其中，LED模块组装整体性更佳，模块控制电路以微控制器+串行扫描与驱动电路为载体，而LCD屏拼接的接缝可有效控制于毫米级。智慧教室一般会设置多片分立布设的显示屏，采用闪联、DLNA等互联协议，呈现并同步互动师生屏多媒体具体内容。

2.5 网络摄像头

在智慧教室中，网络摄像头主要基于传统摄像头，经常采用以IP为基础的视频流服务开源代码进行开发，同时支持TCP/IP、HTTP、IP配置。而自动录播平台在智慧教室中主要负责把教师视频与音频资料等实时摄制成网络数据流格式，然后通过网络服务器同步直播，而用户可利用浏览器或者其他终端实时浏览观看，在缓存资源后期非编加工之后，可以面向校内外用户提供一定的点播回放功能服务。

2.6 环控类设备

智慧教室典型的技术框架中一般会引进环控网关，基于网口与智慧主机相互连接，以此作为以太网的延伸，其集中面向智慧教室其他节点设备开展全过程实时监控，而环控网关则与下游节点设备相互连接，通过Zigbee、WIFI等，节点常见的有空气质量、智能红外遥控、智能门锁、单火开关、光照传感、调光面板等，就基于无线模式下运作的环控节点设备而言，电磁辐射需要高度关注。就红外遥控设备来讲，智慧主机发出的环控指令基于以太网传输于环控网关，而网关则控制智能全向红外遥控发射对应设备红外控制信号，中控主机一般会设定红外学习接口，负责读取原设备配套遥控指令字节构成红外码库，其中一些设备不仅可以用于红外，还可以用于串口控制。

2.7 教学辅助系统

教学辅助系统很多情况下是独立的单独用户或者多用户教学系统，现阶段这些系统正在逐渐集成教育资源、课堂互动、翻转教学、评价反馈、作业考试、在线管理等一体化功能，并慢慢整合出现于智慧教室技术框架中，其不仅可以独立于智慧教室，还可以融入智慧教室统筹建设[4]。

3 智慧教室构建建议

智慧教室设计与构建应以高校教学实际需求为根据，制定顶层设计，明确构建目标，基于高校具体需要求选择外包服务上，全过程实时追踪并监控项目落实情况。在智慧教室构建时，应严格遵守相关原则。其一，前瞻性原则，根据高校具体需求，以先进技术，满足智慧教室的发展趋势要求；其二，扩展性原则，以发展眼光对待智慧教室，就硬件与软件设施层面，充分考虑升级与兼容等相关问题，升级并优化系统性能；其三，稳定性原则，智慧教室技术框架中应融入大量系统或者平台，落实成熟方案，以保障智慧教室系统的稳定运转[5]。

目前，我国高校已经成功建设了手机互动、网络互动、灵活研讨、双创研讨、多屏研讨、多视窗互动等多种智慧教室。其中手机互动智慧教室主要采取实时交互沟通、及时反馈、调动学习积极性等设计原则，以手机互动教室为载体可统计分析学生具体学习动态，充分准确掌握教学状况，详细记录师生交互过程，有助于诊断评估教学效果，而且手机APP还具备一键签到、弹幕提问、实时测试、分组分层教学等多元化功能模块。网络互动智慧教室则主要以多元化教学模式，转变所有人为课堂主体，以高性能教师与学生计算机互动教学软件模式、教师与学生角色呼唤为特色，进一步实现屏幕广播、转播、学生自主演示、教师远程监控等相关功能。多视窗互动智慧教室拥有多视窗演示平台、激光投影仪、同屏展示、资源对比等一系列功能，可精细化、全面化呈现复杂问题，不仅可丰富教学途径，生动教学内容，还可促使学生深入理解。

4 结语

综上所述，在互联网时代，教育信息化建设已经成为当前高等教育的主要发展趋势，而智慧教室作为信息化教育的重要组成部分，高校应紧跟发达国家的发展进度，借鉴智慧教室技术框架设计与构建的相关成功经验，基于最新、最热门的技术，在实际教学环境下不断磨合调整，以此探寻出与我国高等教育实际相符的智慧教室构建方向，进而实现高校智慧校园建设。