物联网技术下高校智慧教室建设路径

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摘要：早期智慧教室大多以多媒体教室为主，面临教学模式单一、有效信息易被覆盖、网络环境受到限制、课程缺少实时录制等困境，对此应遵循需求导向、简单操作、个性服务等原则，从智能环境、智能便捷、智能控制等方面加强物联网技术下系统的建构，从而提升高校师生信息化应用水平。

关键词：物联网；智慧教室；功能需求；系统架构

《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）》，将“加快教育信息化进程”单设在第十九章，其中强调了“信息技术对教育发展具有革命性影响，必须予以高度重视。把教育信息化纳入国家信息化发展整体战略，超前部署教育信息网络”[1]，体现了我国在教育信息化进程方面的整体战略和谋篇布局。十年来“提升教育质量、促进教育均衡、支撑终身学习”[2]成为教育信息化的历史使命。2017年，我国首届智慧教育国际研讨会《智慧教育宣言》：“智慧教育的核心是实施以发展学习者的学习智慧、提高学习者的创新能力为目标，具有创新性、个性化、自主性、高效性、融通性以及持续性等六大核心特征的智慧学习。”[3]2018年，教育部长陈宝生《在新时代全国高等学校本科教育工作会议上的讲话》中要求“高校要将现代信息技术深度融入教育教学，打造智慧学习环境，重塑教育教学形态”[4]。按照这一讲话精神，我国高校在实施智慧教育目标上，通过创建智慧教室（或称智慧学习环境）和智慧教学，用课堂革命推动教育教学的不断变革；2020年肺炎疫情影响下，更多的线上教学使“学生获得了前所未有的学习自主性和自我调控的空间，教师则从知识的传输者转变为知识的促进者和评价者。而教师和学生的角色转型恰恰体现了信息技术在教学中融合的核心价值[5]。

1多媒体教室的困境

早期智慧教室基本是以多媒体教室为主、教师单机操作的、通过现代教育技术完成教学任务的信息化环境，其主要困境有：（1）因传统教室布局受限，教学模式一般采用讲授型或演示型，形式单一，教学互动少，难以开展个性化、探究式协作学习；（2）因开启智能终端的线上讨论而产生大量的交流信息，缺少快速统计、提取和保存信息的手段，造成师生、人机交互对话中有效信息迅速被覆盖；（3）因受网络环境限制，在发展数字化校园建设过程中，如果校园无线网络建设不完善、覆盖不全面或终端不稳定，就会难以满足师生网络教学互动和访问学习资源，也会缺少为合作学习、线上学习等教学活动提供良好的技术保障；（4）因缺少课程实时录制教室，不仅难以及时采集学生学习效度数据，也容易造成校本课程教学资源的大量缺失。

2智慧教室概念及其系统功能需求

智慧教室是“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，具有情境感知和管理功能的新型教室”，是“一种典型的智慧学习环境”[6]的物化，具有记录学习过程、识别学习情景、联接学习社群和感知物理环境四大特征[7]。在智慧教室的“SMART”概念模型中，内容呈现、环境管理、资源获取、及时互动、情境感知五个维度正好体现了智慧教室的特征[6]，其中环境管理和情境感知是智慧教室装备的共性要求。物联网技术下的高校智慧教室应通过物联网+智慧化设备+智慧化应用体系，实现对各项教学资源的综合感知和访问[7]，支持教学活动的智慧开展。基于“SMART”概念模型，智慧教室系统功能需求包括软硬件两大方面：软件应用需求主要包括环境智能感知、采光智能控制、通风智能调节、室内智能实时监测、门禁智能运用、监控管理系统智能兼容平台等。硬件应用需求包括：（1）实现管理和监控所有设备、系统、资源的能力，如对环境信息采集与传输的智能终端，主要包括摄像头、教室环境监测分析和数据存储硬盘等硬件设施；（2）为环境管理提供依据，如对教室温度湿度、照明强度、光线色彩、气味等参数的自动控制功能，其中包括对教学辅助工具如电动投影设备的开关、升降、节目源的切换等智能控制；（3）针对物联网系统的集成控制系统[8]如开拓物联网管理平台的综合集成，通过技术和环境的结合，在空间结构的灵活调整、随堂资源的实时保存、个性教学的精准有效等方面做到以人为本，为师生实现定制信息推送和资源共享、交互方式友好高效、泛在式学习融合和个性化学习支持等提供信息化技术支持。详见图1.

3物联网技术下的智慧教室系统架构

物联网技术下的高校智慧教室管理系统一般分为应用层、网络层、感知层。应用层是为智慧教室提供设备监控和故障恢复；网络层的功能体现多媒体教室控制功能；感知层包括RFID、无线通信、传感器、摄像头等。物联网技术下的高校智慧教室系统架构可按“数据分层、功能分布”的思路架构，保证核心功能的多样性和应用的延展性，自上而下可分为终端层、应用层、服务层、网络层、基础设备层等。详见表1。终端层的核心功能是全面连通智慧教室的多媒体工具和传感器设备，在管理系统控制下实现高效、便捷的智能化运行体系，创设全新的教学模式，并获取和处理教育资源，从大量隐藏数据中挖掘有价值的数据[9]，通过处理分析实时收录的数据，提供智能化的个性化教育服务；应用层为智慧教室提供应用系统集成和设备远程控制，可处理已收集的感知数据，包括对录播系统、网络资源、视频网站、远程互动等各类软件系统数据的管理控制和整合分析；服务层通过采集和分析各类数据，为智慧教室提供信息技术和基础设备支撑，利用课堂录播系统记录、收集教学过程中产生的数据，以便跟踪学习过程和监测学习结果，保障智慧教室功能正常和数据安全；网络层为智慧教室提供网络技术和可靠传输保障，部署在每一间智慧教室内，随时随地使用包括有线网络、无线网络、传感网络等物联网组网技术，并通过物联网网关连通各种传统网络设施；基础设备层不仅涵盖服务于智慧教室的PC机、服务器、大型机等多媒体设备，还包括智慧教室网络中控器、摄像头、无线访问点等教学管理设备以及对室内环境如温度湿度、灯光、门窗等智能控制设备。

4物联网技术下高校智慧教室建设的原则与路径

物联网技术下高校智慧教室建设应统一管理设备，建设思路应遵循以下原则：（1）需求导向。遵循信息技术与教育教学深度融合原则，为智慧教学和智慧学习提供可靠的技术支持与环境支撑。（2）简单操作。遵循突出应用和服务的建设理念，关键技术的应用注重方便快捷实用，保障系统在教与学中的流畅和安全。（3）个性服务。精准数据分析是智慧教室环境区别于传统教室的技术支撑，创设有效的教学方案，提供各类教学数据便于教师因材施教。遵循让学生获得定制式学习体验的原则，开展自主、探究、合作的教学模式，突出信息技术在教学过程中的优势和效果。在设计思路上应注意以下几方面：（1）智能环境。智慧教室应体现数字化及互动性[7]。数字化方面可采取“物联设备+双屏配备+智慧监控系统”的形式，支持师生获取丰富的教学资源和便利的学习工具，也能将智慧监控系统用于安全监控以及录制授课视频、评估教学环节中。互动性方面可采用“智慧拼合桌椅+教师平板+学生互动平板”的形式，改变传统教室的空间布局，根据教学模式调整座位布局，可灵活变成“秧苗式”“圆形”[6]形式便于学生或自主学习、或深入探究、或小组讨论等。手持或移动设备的灵活性能使课堂利用率大大提高，方便学生随时组成小组协作讨论。（2）智能便捷。目前，高校多校区办学成为常态，但不同校区、不同型号、不同操作流程的设备无形中增加了教学和管理的难度。物联网技术下的智慧教室设计，应将各校区多媒体教室的所有感知点统一连入传感网络再并入校园网，与排课系统、一卡通等系统互通共享，随时获取各个教室的设备感知情况，实现对多校区教室的全面感知，及时有效地管理和维护智慧教室。（3）智能控制。包括对教室内温湿度、照明设备、门窗设备、通风系统以及多媒体教学设备。温湿度、照明可通过设置温湿度传感器和光照传感器，完成教室温湿度和灯光亮度的采集、传输和分析，获取和保证温湿的舒适度和光照的合理性；门窗可通过门窗设备智能控制，系统自动开启与关闭门窗，按照预设时间参数和对学生人数的监测结果完成智能控制任务；空调和换气扇设备构成通风系统，可通过传感器采集的气体浓度结果，系统自动调节通风系统的运行状况，保持良好空气质量。系统可实时调节室内教学设备的运行情况，保证各类教学工作的需求。

[参考文献]

[1]中共中央,国务院.国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010-2020年)[J].中国高等教育,2010,46(Z3):4-17.

[2]黄荣怀.教育信息化助力当前教育变革:机遇与挑战[J].中国电化教育,2011,37(1):36-40.

[3]首届智慧教育国际研讨会会务组.智慧教育宣言[J].现代远程教育研究,2017,30(6):102.

[4]陈宝生.在新时代全国高等学校本科教育工作会议上的讲话[J].中国高等教育,2018,54(Z3):4-10.

[5]徐瑾劼.肺炎疫情下全球教育体系的应对与在线教育的挑战-基于OECD全球调研结果的发现与反思[J].比较教育研究,2020,56(6):3-10.

[6]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,2012,18(2):22-27.

[7]黄荣怀,张进宝,胡永斌,等.智慧校园——数字校园发展的必然趋势[J].开放教育研究,2012,18(4):12-17.

[8]张海霞,陶红娜.高校智慧教室建设探讨[J].智库时代,2019,3(51):101-103.

[9]何静涛,王奎,代文斌,等.物联网技术在高校图书馆管理中的应用[J].唐山师范学院学报,2016,38(5):143-145.

作者：丁胜和 单位：唐山师范学院 现代教育技术中心