智慧教室的设计与应用研究——以安徽职业技术学院为例

贾薇薇，孙 骏，刘晓川，胡玲丽

（安徽职业技术学院 信息工程学院，安徽 合肥 230011）

2019年2月，中共中央办公厅、国务院办公厅印发了《加快推进教育现代化实施方案（2018—2022）》，文件指出，“鼓励发展以学习者为中心的智能化学习环境，开展国家虚拟仿真实验教学项目等建设，加快建设在线智能教室、智能实验室、虚拟工厂（医院）等智能学习空间［1］”。2019 年4月，教育部、财政部在《关于实施中国特色高水平高职学校和专业建设计划的意见》中提出，“加快智慧校园建设，促进信息技术和智能技术深度融入教育教学和管理服务全过程……提升师生信息素养，建设智慧课堂和虚拟工厂，广泛应用线上线下混合教学，促进自主、泛在、个性化学习［2］”。虽然两份文件各有侧重，但都强调“加快建设智能化教学环境、智能教室”，特别是在物联网、大数据、人工智能和移动互联网等新一代信息技术的支持下，智慧学习环境（如智慧教室）已成为智慧教育乃至教育信息化的核心组成部分［3］。如何构建网络化、数字化、智能化的教学环境，规划和推进智慧教室的建设成为各个高校教育技术工作者关注的热点问题之一［4］。

1 智慧教室的概念界定

关于智慧教室的概念可以说是众说纷纭：黄荣怀等从智慧学习环境构建的角度提出了“SMART”概念模型，认为智慧教室应具备优化教学内容呈现、便利学习资源获取、促进课堂交互开展、情境感知和环境管理等功能［5］；陈卫东等人认为，智慧教室是一个能够方便对教室所装备的视听、计算机、投影、交互白板等声、光、电设备进行控制和操作，有利于师生无缝接入资源及从事教与学活动，并能适应远程教学在内的多种学习方式，以自然的人机交互为特征，依靠智能空间技术实现的增强型教室［6］。以上两种观点从不同的角度对智慧教室做了概念厘清与功能诠释。结合对智慧教室的文献研究与调研结果，笔者认为，智慧教室的功能特点众多，较之传统的多媒体教室，智慧教室可实现物理空间的智能感知与控制，更便捷地获取与呈现教学资源，有助于师生开展多种教学互动。近年来，物联网、云计算、大数据、移动通讯、人工智能与教育的有机融合，为智慧教室的构建提供了技术支持与保障。

2 安徽职业技术学院智慧教室的设计

2.1 学校多媒体教室目前面临的问题

安徽职业技术学院是一所国家示范性高职院校，学科涵盖较广，文理并蓄。从2005 年新校区动工以来，“电脑+投影机+幕布”型的多媒体教室逐渐覆盖我校传统教室与实训室。但历经多年的使用与频繁的修复，逐渐暴露出诸多弊端，已经不能适应如今的教学改革和教育信息化的新环境，具体表现在以下几个方面：

（1）早年建设的传统多媒体教室依托校园网实施远端管控，设备陈旧性能低下，逢开学期间，各种软、硬件系统崩溃频发，排障工作量日益增长，给管理人员带来繁重的运维压力。

（2）传统的多媒体教室对应的讲授式教学仅能实现课件呈现与简单的课堂问答，其空间设计无形中限制了师生交流与生生交流，容易使面授课变成教师的“一言堂”，不利于学生的认知、创新、思辨、自我发现与探索能力的发展。

（3）随着教育信息化步伐的提档加速，设备的智能管控、自动高清直录播、教室监控、教学督导、教学数据的收集与统计等需求越来越急迫，仅仅依靠在传统多媒体教室里添加各类名目的摄像头、系统主机，已经无法实现全部功能的整合。

（4）师生对便利的教学资源获取与呈现、教学设备的现代化、物理空间环境的舒适度等方面的需求越来越强烈。

面对以上各种问题与挑战，同时为了适应国家教育信息化发展要求和我校学科专业发展，从2019 年起，围绕“智慧教学环境的构建”，我们展开了多方技术调研，探讨智慧教室的设计方案，最终在2020 年暑期启动智慧教室建设项目，并于年底完成验收。

2.2 智慧教学环境的构建

智慧教室是一种典型的智慧教学环境，它以适当的技术作为支撑，能实现教学环境智能化管理，环境及师生行为智能感知，优化教学内容呈现，便利获取多元化教学资源，便捷开展覆盖全过程的教学互动，进行多维度数据记录与分析，有效支撑教师开展互动式、混合式、个性化教学［7］。本研究认为，智慧教学环境的构建是智慧教室建设的关键所在，接下来我们将从教学环境的智能化设计与管理和智慧课堂的软硬件设计两方面来详细介绍我校的智慧教室设计方案。

2.2.1 教学环境的智能化设计与管理

依托物联网、大数据、移动通讯等信息技术，我校智慧教室集成了新型智慧教室终端控制平台和教室空间管理系统，教学管理实现智能化和公开化，由“人管”转变为“智能管理”，不同系统的数据可以实现实时共享，节约管理人员的时间和精力，而且为师生营造出一个适合教学、激发创新、体验友好、乐在其中的现代信息化教学管理空间。

2.2.1.1 教室空间管理系统

教室空间管理系统（如图1 所示）包括门禁系统、智慧预约系统、考勤系统、信息发布系统等，实现了智能门禁管理、信息发布管理和教室预约、师生考勤等诸多功能，目前已对接我校智慧校园平台、教务系统和校园一卡通系统，可实现课表联动、教室使用状态查询、教师课前刷卡开门、预约空闲教室等功能。

图1 教室空间管理系统

在学期中的授课期，对接教务系统和校园一卡通数据的教室空间管理系统终端会存有当前教室课表，它会在任意授课时段里为当前的授课教师授以刷卡开门的权限，当授课教师的一卡通身份、授课时间与课表一致时，教室电子锁自动打开，否则电子锁将不予回应，系统也会记录“刷卡失败”日志。同时教室空间管理系统终端也提供预约功能，师生可利用移动端的智慧教室预约系统轻松预约授课表以外的空闲时段。

2.2.1.2 智慧教室终端控制

传统多媒体教室的终端控制系统，仅可远程管控PC 教学电脑、投影机、幕布、扩音器等设备。新型智慧教室的终端控制平台，利用互联网和物联网技术，实时反馈教室环境与各类设备设施的运行状态，为教学管理者提供更加智能便捷、触手可及的应用服务。

如图2 所示，智慧教室的终端控制系统主要管控精品录播系统、新风空调、教学互动设备、教学大屏、数字音频处理系统、窗帘和灯光等，并利用互联网络技术，红外技术与Sub-1G 物联网技术实现远程移动端、PC 端对智慧空间环境设备、教学设备等硬件设备的统一管控。

图2 智慧教室设备终端控制拓扑图

教学全自动高清录播系统采用智能图像跟踪识别技术，可自动完成多机位镜头切换与导播出片，实现远程直播、存储教学视频，它将源源不断地充实校本资源库。

智慧拾音扩音系统由两只拾音话筒、一只手持式充电无线话筒和数字音频处理器构成，不仅能有效拾取学生声音，甚至教师在教室内自由走动时也能获取放大、均匀的音质效果。

利用红外技术和Sub-1G 无线射频技术，灯光、窗帘、新风空调设备与智慧教室控制终端实现了无线连接，最终完成了对教室环境和设备实现自我感知与智能控制。

2.2.2 智慧课堂的软硬件设计

智慧课堂是课堂教学的一种高级形式，是基于云平台和网络学习空间充分利用智慧教室的信息化支撑环境所开展的教学和学习活动［8］。智慧课堂的软硬件设计应从信息化支撑环境入手，充分挖掘支持课堂教学的工具和资源，高效便捷地支持智慧教室中的教学和学习活动。

2.2.2.1 教学互动的软硬件设计

我校智慧教室选用升降讲台、可拼接桌椅以及电力轨道等设备，确保师生的多样化教学活动不受限制。桌椅均采用国内先进环保型材料，方便移动，可自由拼接，多种座位布局形式间可灵活切换，满足讲授、互动、合作、探究式教学模式的开展。各教室采用的教学软件略有不同，其中两间采用职教云学习平台，覆盖教学全环节、贯穿课堂教学的课前、课中、课后三阶段，轻松连接职教云资源库，为师生线上线下的互动和资源获取提供了便利；其他智慧教室安装了同屏调度和多屏互动面授教学软件，可轻松实现面授课的互动教学，能够满足不同类型课程的信息化教学模式的开展。

2.2.2.2 用于记录分析教学过程的软硬件设计

智慧教室的智慧班牌是教室空间管理系统的终端设备，它可获取学生的出勤状况，并面向管理者提供全面、实时、精要、直观的高清考勤分析视图和动态督导信息，便于管理者实时精准地了解课堂教学的运行情况。其中一间智慧教室选用了人脸考勤系统，布设在教室前方的可旋转高清摄像头，可以巡航式地自动变焦拍摄人脸，结合AI人脸识别技术可核对上课学生的身份，同时基于拍下的教学视频执行人脸识别、动作识别、表情识别的计算分析，最终可呈现直观的学生行为、专注度、上座率的实时数据统计，有利于学校管理层获得高效的教学评价的闭环反馈，是丰富教学质量评估的有力辅助。

2.2.2.3 用于呈现教学资料的软硬件设计

在呈现视觉材料方面共设计了三种形式：①两间智慧教室分别布设两块86 寸智能交互大屏，大屏可直接广播到学生讨论平板或55 寸边屏，同时学生也可将手机或平板屏幕传送到边屏和86寸教师大屏上供全体师生观摩讨论。②其他智慧教室分别布设了多视窗演示系统和双屏互动系统，它们均可一次性展示多种媒体形式的教学资料。多视窗演示系统允许用户访问丰富的多媒体资源，对多种媒体资源进行窗口式管理：从实时视频、幻灯片到网页和图像，并可采用多种布局在高清屏幕上同时显示，创造更精彩的浸入式学习体验。③所有的智慧教室均具备有线和无线投屏功能。它可将教师电脑、手机或平板屏幕投射到教室的显示大屏上，只需借助智慧教室内网，就可无卡顿、顺畅地实现投屏。此功能稳定高效，是教师们常用的教学手段之一。

在呈现听觉材料方面共采取两种措施：①对教室的地面、墙面和顶部做吸音处理，每间教室仅通过两只吊装话筒拾取教师及学生的声音，在离麦克风至少8米范围内智慧拾音扩音，扩声清晰、无啸叫，通过智慧扩声系统的辅助技术手段，可将混响时间控制在0.5秒范围内，具有有效过滤教室内的空调、新风发出的噪音干扰功能。②为教师配备移动无线话筒，替代教师的标配扩音器，此举受到了教师们的一致欢迎。

2.3 我校智慧教室较之传统多媒体教室的优势

在智慧教室的设计与构建过程中，始终以师生的教学诉求为出发点，以解决传统多媒体教室的存在问题为前提，力图打造优质的智慧教学环境。建成后的智慧教室较之传统多媒体教室有着显而易见的优势：

（1）远程可控的运维管理。教室管理员能在浏览器端和手机端远程查看电力能耗监控、教室设备状态和监控视频，更能实时操控智慧教室的所有教学设备和教学环境参数。结合定期维护和更新，可确保运维管理工作和日常教学活动的同步，随时为日常面授课与教学赛事直录播提供精准、全方位的服务。

（2）集高清直录播、督导评价、考试监控功能于一身。在合理的光学和声学环境下，5 机位的高清直录播系统已经能基本实现远程直播教学、网上巡课督导评价和考场监控功能。

（3）高速无线网络、多屏显示、有线与无线投屏、便携扩音使教学资源获取与呈现更便捷。分功能使用的两套高速无线网络、有线与无线投屏、多屏显示系统为师生带来优质的教学体验，吊麦和手持红外话筒为师生提供全方位的扩音服务。

（4）教学互动软件与灵活的教学空间相结合使教学组织形式更丰富，师生互动更通畅。基于职教云的线上线下混合式教学模式，通过微信“扫一扫”的分组讨论教学模式，双屏互动、多视窗呈现富媒体资料为主要特征的沉浸式教学空间。丰富的教学互动方式给师生们带来多方位的教学场景和体验。

3 智慧教室的应用成效

我校智慧教室项目目前已安全运行2 个学期。笔者对参与智慧教室授课的师生做了多轮问卷调查，参与调查的学生有220 人，教师有11 人，收回学生的有效问卷218 份，收回教师的有效问卷11份。

从表1和表2中发现94.03%的学生和90.91%的教师对智慧教室的教学环境“非常满意”，相对于传统的多媒体教室，大部分教师与学生愿意在智慧教室里上课，认为智慧教室有助于提升“上课专注度”“沟通交流能力”“学习积极性”“环境舒适度”以及“信息化教学适应度”。从后期的访谈也发现，大部分教师与学生对教室环境的提升表现出很高的认可，他们喜欢智慧教室的教学环境，倾向于在优质的教学环境中工作与学习，认为能提高学习效率。

表1 智慧教室学生满意度调查

表2 智慧教室教师满意度调查

但不尽人意之处仍然存在：有 72.73%的教师认为智慧教室的“互动方式”需要提升和优化，同时他们认为“系统功能”“学习终端”“授课方式”和“学习方式”仍需加强（如图3所示）。从师生访谈中也了解到，学生对于教学互动太少感到遗憾；教师在教学互动软件的使用上存在疑虑（虽然我们已经对教师做过使用培训），同时教师们还希望提供智慧教室的互动教学案例加以借鉴。综合以上调查数据和访谈结果不难发现，智慧教室的教学互动不仅需要智慧教室设计者的独具匠心，同时也需要师生的积极参与。

图3 智慧教室的提升与优化意见

4 结语

我们围绕“智慧教学环境的构建”完成了教室环境的智能化管控，营造出便于开展教学活动的智慧课堂的软硬件环境，实现了教学互动方式的部分转变，赢得了师生们的普遍认可。智慧教室的建设要立足于高校的实际需求，在物联网、云计算、大数据、移动通讯、人工智能技术与教育的深度融合中不断优化高校的智慧教学环境。智慧教室的应用要以师生的满意度作为着力点，同时还要求学校的教学激励政策作为保障。我们深信，随着智慧教室建设与应用案例的日臻成熟，智慧教室将成为高校教学信息化能力提升的重要途径，也将在高校教育现代化中扮演着越来越重要的角色。