黎生 田建林 余淇

摘? ?要：隨著高新技術(shù)的快速發(fā)展，特別是智能技術(shù)的應(yīng)用，智能教室建設(shè)已經(jīng)成為高校信息化建設(shè)的熱點研究領(lǐng)域。文章在對目前高校智能教室建設(shè)現(xiàn)狀分析的基礎(chǔ)上，著重從物理空間、技術(shù)分析以及智能管理三方面提出新的建設(shè)需求，以期為兄弟院校提供借鑒。

關(guān)鍵詞：智能教室;建設(shè);需求

中圖分類號：TP393 文獻標(biāo)志碼：B 文章編號：1673-8454（2020）21-0090-04

一、引言

在教育信息化2.0時代背景下，信息技術(shù)與教育教學(xué)的深度融合已成為高校發(fā)展的重中之重。隨著新興信息技術(shù)的逐步成熟以及對教育領(lǐng)域的強大支持，教學(xué)環(huán)境的建設(shè)也從信息化時代進入了智慧時代。各高校結(jié)合自身特點與需求，積極推進智慧教學(xué)環(huán)境的建設(shè)與探索，其中以四川大學(xué)“智慧教學(xué)環(huán)境建設(shè)”案例較為典型。該校通過對教學(xué)環(huán)境的系統(tǒng)性重塑與空間再造，營造“人人皆學(xué)、處處能學(xué)、時時可學(xué)”的泛在化學(xué)習(xí)氛圍，推動了課堂變革。

當(dāng)前智能教室建設(shè)也存在一些問題：第一，由于建設(shè)成本普遍較高，很多高校受經(jīng)費限制，建設(shè)規(guī)模較小，并不能形成常態(tài)化的建設(shè)模式。第二，建設(shè)的類型比較單一與局限，功能融合性不強。第三，智能教室的核心功能（即數(shù)據(jù)分析）并未體現(xiàn)，究其原因，一方面是數(shù)據(jù)分析的維度與標(biāo)準(zhǔn)在業(yè)界并沒有形成學(xué)術(shù)共識，另一方面受現(xiàn)有技術(shù)局限，無法進行深入分析。

二、建設(shè)新需求

筆者所在高校從2012年開始進行智能教室建設(shè)。強調(diào)充分利用信息技術(shù)，致力于打造“互動式、智能化、開放型、多樣性”的教學(xué)環(huán)境，實現(xiàn)教學(xué)空間與教育理念、模式和教學(xué)方法的雙向促進。目前已建成包含小組協(xié)作式、深度演示式、互動反饋式、跨區(qū)域遠程式、操作式、研討報告式六大式十小類智能教室[1]。同時充分利用過道、走廊以及教學(xué)樓內(nèi)大廳閑置區(qū)域，安裝白板、桌椅，覆蓋無限網(wǎng)絡(luò)等，打造互動交流空間，方便師生隨時隨地交流討論、思維碰撞。在建設(shè)實踐過程中，筆者積累經(jīng)驗，著重從物理空間、技術(shù)分析以及智能管理三方面提出建設(shè)新需求，以期為兄弟院校提供借鑒。

1.用智能持續(xù)優(yōu)化物理空間，增強教學(xué)體驗

（1）5G網(wǎng)絡(luò)引入，提升信息基礎(chǔ)環(huán)境

5G全稱第五代移動電話行動通信標(biāo)準(zhǔn)，也稱第五代移動通信技術(shù)，它在傳輸速率、覆蓋范圍、穩(wěn)定性以及網(wǎng)絡(luò)安全性方面有所完善[2]，將會滿足大家對移動通信網(wǎng)的新需求和高標(biāo)準(zhǔn)。引入5G網(wǎng)絡(luò)，將為高校線上線下教與學(xué)活動支撐產(chǎn)生革命性影響。例如：針對現(xiàn)有的教學(xué)互動系統(tǒng)，將無需在每間教室或每棟教學(xué)樓密集部署無線局域網(wǎng)，即可滿足教學(xué)互動的多終端、高并發(fā)需求，同時能夠為即將上線的線上線下一體化教學(xué)平臺提供有力支撐。關(guān)于“VR+教育”，目前的4G網(wǎng)絡(luò)不能很好地滿足其對網(wǎng)絡(luò)的高傳輸要求，所以借助5G網(wǎng)絡(luò)，VR的傳輸屏障可被打通，VR在移動端應(yīng)用的相關(guān)問題也可得到解決。另外，5G網(wǎng)絡(luò)將會大大改善微課或慕課等教學(xué)平臺視頻類資源的學(xué)習(xí)體驗，讓移動學(xué)習(xí)成為常態(tài)化。

（2）多模態(tài)物聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)教學(xué)全面感知

智能教室的基本屬性之一，是實現(xiàn)教學(xué)環(huán)境的全面感知與智能控制。在智能教室的建設(shè)中，通過引入多模態(tài)物聯(lián)網(wǎng)，基于語音控制、手勢識別、圖像分析以及傳感器技術(shù)等，融合聽覺、動作、視覺、傳感器多種感官交互，智能教室將主動提供技術(shù)服務(wù)。如通過教室圖像分析服務(wù)，動態(tài)捕捉非結(jié)構(gòu)化的、現(xiàn)場的、實時的課堂互動并進行語音識別，轉(zhuǎn)換為易于搜索和可參考的文字內(nèi)容，同時語音識別技術(shù)的引入也將改變學(xué)生記筆記的方式。在多媒體設(shè)備操控方面，添加動作識別功能，即支持授課教師通過手勢操控方式進行屏幕控制，解放雙手，擴大操作區(qū)域，走到學(xué)生中間。在燈光控制方面，利用紅外感應(yīng)實時判別該教室內(nèi)相應(yīng)位置學(xué)生是否入座。如有入座，燈光控制系統(tǒng)將實時工作，提供局部照明;如無入座，該系統(tǒng)則處于關(guān)閉狀態(tài)。在溫濕度控制方面，通過教室內(nèi)溫濕度傳感器感知、采集數(shù)據(jù)，依據(jù)既定標(biāo)準(zhǔn)閾值，當(dāng)室內(nèi)溫濕度超越最高臨界值時自動開啟空調(diào)，小于最低臨界值值時自動關(guān)閉，實現(xiàn)室內(nèi)溫度與濕度的自適應(yīng)控制。在空氣流通方面，采用二氧化碳傳感器實時監(jiān)測室內(nèi)濃度變化，通過分析其濃度是否超越臨界值來智能判斷是否開啟通風(fēng)系統(tǒng)進行換氣。通過精細化、智能化控制教室燈光、濕溫度以及通風(fēng)等設(shè)施，既提高了教室的管理效率，又改善了能耗利用率。多模態(tài)物聯(lián)網(wǎng)的實現(xiàn)，有助于高校打造高智能化的教學(xué)空間，為師生提供智能、健康、舒適的教學(xué)環(huán)境，更好地激發(fā)師生的創(chuàng)新興趣和學(xué)習(xí)激情。

（3）分布式布局，復(fù)合空間功能

智能教室的空間布局，在滿足基本教學(xué)需求的基礎(chǔ)上，要趨于分布式設(shè)計且功能復(fù)合使用，即支持隨時重組再布置，迅速地將其重新變化成具有不同功能的、不同學(xué)習(xí)區(qū)域的學(xué)習(xí)空間。如在階梯教室（百人大教室）的智能改造過程中，突破思路，對其布局進行大膽創(chuàng)新，以此來滿足大型階梯教室的探究式互動化需求。通過增加可移動式隔墻，創(chuàng)設(shè)階梯小隔間，實現(xiàn)同一空間多種教學(xué)形態(tài)的快速便捷轉(zhuǎn)換，方便學(xué)生“集中學(xué)習(xí)空間”“協(xié)作學(xué)習(xí)空間”和“獨立靜默學(xué)習(xí)空間”的自由切換。在桌椅的設(shè)計上，采用隔排轉(zhuǎn)椅方式，即前排座位可以180度旋轉(zhuǎn)，實時形成討論組，方便學(xué)生積極參與、協(xié)同創(chuàng)新、頭腦風(fēng)暴。同時部分區(qū)域桌子變成可書寫的白板或黑板桌子，方便小組學(xué)生隨時書寫、靈感記錄和頭腦風(fēng)暴。在教室的美學(xué)設(shè)計上，增設(shè)未來風(fēng)風(fēng)格、現(xiàn)代風(fēng)格等不同類型，通過視覺激活學(xué)生思維。

（4）功能多重復(fù)合，優(yōu)化技術(shù)細節(jié)

目前智能教室雖然種類較多，但個體功能相對單一，且多依賴硬件設(shè)備實現(xiàn)，造價過高。很多高校建設(shè)經(jīng)費有限，只能小范圍試點，無法大范圍推行。筆者所在高校的后續(xù)建設(shè)中，將結(jié)合使用體驗，逐步使用軟件方案代替硬件設(shè)置，對每種類型的智能教室進行功能優(yōu)化和復(fù)合，實現(xiàn)智能教室的復(fù)合轉(zhuǎn)型。如多視窗互動教室（即深演示式智能教室）多窗口顯示功能是以硬件形式予以實現(xiàn)，成本高，且信號源窗口不可隱藏，操作不夠簡潔，教師使用有一定的負荷。后續(xù)考慮以軟件的形式予以優(yōu)化，即顯示窗口可按照教師需求劃分為多個，教師只需操作授課臺式機，像平時使用軟件一樣即可便捷實現(xiàn)多視窗功能。網(wǎng)絡(luò)互動教室（即操作類智能教室）目前采用的是兩種品牌互動軟件，功能種類繁多，部分功能教學(xué)意義不大，部分功能不夠完善，如試題不能提前備課，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)需要人為拷貝等。后續(xù)考慮開發(fā)新版互動軟件，根據(jù)使用經(jīng)驗保留重要有用功能，同時與教學(xué)平臺打通，可引用課程資源，并自動保存互動數(shù)據(jù)。多屏互動教室（即小組協(xié)作式智能教室）現(xiàn)只有“集中控制”和“分組討論”兩種功能。后續(xù)考慮增添其他功能，如可同步顯示教師屏或某個小組屏、可多屏對比顯示等。除此之外，智能教室的細節(jié)要趨于豐富且標(biāo)準(zhǔn)化，如屏幕共享、云桌面、電源插孔、布線、網(wǎng)絡(luò)接入等，開放標(biāo)準(zhǔn)的外設(shè)接口，讓師生零障礙、零負擔(dān)便捷接入。

（5）學(xué)科多元覆蓋，豐富功能類型

筆者所在高校是一所綜合類大學(xué)，學(xué)科門類多樣，文、理、工、醫(yī)等均有涉獵，除了已建的六大式十小類常用智能教室之外，根據(jù)實際教學(xué)需求增設(shè)“深體驗”感智能教室，即AR教室和VR教室。全息投影（AR）智能教室采用增強現(xiàn)實教學(xué)技術(shù)，通過構(gòu)建AR（增強現(xiàn)實）場景，把抽象的知識具象化，讓傳統(tǒng)的平面知識立體呈現(xiàn)，促進學(xué)生的深層次學(xué)習(xí)，實現(xiàn)相關(guān)知識與內(nèi)容的深度理解和掌握，并與互動技術(shù)結(jié)合，構(gòu)建更為直觀的知識體系和感知過程。該種教室類型適合于工科、醫(yī)學(xué)等學(xué)科教學(xué)。虛擬（VR）智能教室則采用虛擬現(xiàn)實教學(xué)技術(shù)，通過VR設(shè)備創(chuàng)設(shè)多維交互的沉浸式學(xué)習(xí)體驗，這種現(xiàn)場性體驗是超越時間和空間維度的。在實驗教學(xué)中，虛擬智能教室可以規(guī)避傳統(tǒng)實驗教學(xué)活動中可能存在的安全隱患，實現(xiàn)科學(xué)過程的“真實”再現(xiàn)。該環(huán)境中的智能教室不僅僅是教室傳統(tǒng)形態(tài)的改變、相應(yīng)功能模塊的增設(shè)、線上虛擬線下實體教室的互聯(lián)，更為重要的是智能教室之間信息彼此互通、數(shù)據(jù)彼此共享，實現(xiàn)以教室為立足點的各教學(xué)要素和環(huán)節(jié)的橫向、縱向聯(lián)通[3]，營造教學(xué)大生態(tài)環(huán)境。

2.用技術(shù)慧析課堂教學(xué)，促進教育個性化

伴隨著大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)的下沉應(yīng)用，智能教室在支持教師 “教”與學(xué)生“學(xué)”的過程中，應(yīng)著重強化技術(shù)分析功能，用數(shù)據(jù)慧析課堂教學(xué)，讓教師的“教”有指導(dǎo)，學(xué)生的“學(xué)”有分析。

（1）教師教學(xué)行為分析，提升教學(xué)能力

智能教室的一大功能是支持教師教學(xué)過程的自查行為，即通過開展教師教學(xué)行為分析，方便教師開展自我評估，進而提升教學(xué)能力。教師的教學(xué)行為分析應(yīng)覆蓋課堂全周期，即課前資料推送、課中互動教學(xué)、課后總結(jié)創(chuàng)新，實現(xiàn)課堂教學(xué)過程的數(shù)據(jù)化，為全面掌握、分析學(xué)校教學(xué)狀態(tài)并持續(xù)推進教學(xué)改革提供大數(shù)據(jù)支持。同時開展評估督導(dǎo)，利用視頻分析技術(shù)和大數(shù)據(jù)挖掘，分析教師的課堂教學(xué)行為，通過對教學(xué)過程數(shù)據(jù)的采集、分析與計算，診斷教師授課類型，進而給予創(chuàng)新指導(dǎo)，有效改進教學(xué)。其中，教學(xué)行為分析環(huán)節(jié)的核心所在，是通過對教師授課過程中“講授”行為、“提問”行為、“言語評價”行為、“組織指示”行為以及“技術(shù)操作”行為的發(fā)生頻率進行數(shù)據(jù)挖掘[4]，診斷教學(xué)風(fēng)格與類型，形成教師的個性化報告，進而有針對性地優(yōu)化教學(xué)。與此同時，結(jié)合教師的學(xué)科教學(xué)能力分析，可以提煉出教師授課過程中最薄弱的地方，宏觀上給教師提出優(yōu)化建議，微觀上能夠幫助教師找到最有價值的學(xué)科知識薄弱點以及了解不同班級的群體感知情況。

（2）多模態(tài)學(xué)生學(xué)習(xí)分析，改善學(xué)習(xí)體驗

借助大數(shù)據(jù)與人工智能分析技術(shù)，特別是日漸成熟的多模態(tài)學(xué)習(xí)分析，對學(xué)生所產(chǎn)生的學(xué)習(xí)體征數(shù)據(jù)和學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)開展立體分析，以揭示學(xué)習(xí)變化機理及其規(guī)律[5]。通過多模態(tài)學(xué)習(xí)分析，不僅了解學(xué)生的外在學(xué)習(xí)行為表現(xiàn)，同時注重學(xué)生情感、認知等內(nèi)在學(xué)習(xí)機理問題。

外在學(xué)習(xí)行為分析主要在于優(yōu)化學(xué)生學(xué)習(xí)路徑，本質(zhì)為理解和優(yōu)化學(xué)生的學(xué)習(xí)過程以及學(xué)習(xí)情境。通過收集、分析學(xué)生的顯性學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)，如信息搜索路徑（點擊、瀏覽、跳轉(zhuǎn)等）、溝通交流路徑（提問、傾聽、交流、反饋等）、問題解決路徑（聽講、提問、回答、思考等），幫助其制定匹配學(xué)習(xí)進度的個性化任務(wù)，同時分辨出行為背后隱含的關(guān)聯(lián)，準(zhǔn)確預(yù)測學(xué)生的學(xué)習(xí)行為路徑及學(xué)習(xí)發(fā)展趨勢[6]，進而提供有針對性的、適應(yīng)性的課程資源和學(xué)習(xí)內(nèi)容，實現(xiàn)學(xué)習(xí)計劃和資源的精準(zhǔn)推薦，促進個性化學(xué)習(xí)。

內(nèi)在學(xué)習(xí)機理分析則著重實時捕捉學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的情感狀態(tài)。通過攝像頭拾取學(xué)生面部表情、姿態(tài)表情以及語調(diào)表情[7]等方面的變化，及時反饋學(xué)生情感變化、興趣所在。通過獲取學(xué)生的生理數(shù)據(jù)從而迅速分析、判斷出學(xué)生對該學(xué)習(xí)內(nèi)容的態(tài)度偏好、認知風(fēng)格，并進一步為學(xué)生適時地提供激勵和幫助。

通過多模態(tài)學(xué)生學(xué)習(xí)分析，教師可以很好地掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)軌跡、學(xué)習(xí)模式以及學(xué)習(xí)活躍度，了解學(xué)生個體知識能力結(jié)構(gòu)、學(xué)習(xí)傾向、思維特征等等，進而全面且科學(xué)地評估學(xué)生學(xué)習(xí)效果，形成學(xué)生個性化報告和認知地圖，支撐教師的適應(yīng)性教學(xué)與學(xué)生的個性化學(xué)習(xí)。同時，多模態(tài)學(xué)習(xí)分析有助于教師對學(xué)生的學(xué)習(xí)行為進行誘導(dǎo)，幫助其找到最合適的教學(xué)方法和教學(xué)策略，開展智能教學(xué)與評價。

3.用智能驅(qū)動教學(xué)管理，提升服務(wù)水平

基于大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，對教室內(nèi)設(shè)備及環(huán)境進行智能管控，實現(xiàn)出勤管理、智能聯(lián)動、遠程維護、遠程巡檢的新型智能教室管理水平，達到管理可視化、遠程化、智能化、聯(lián)動化運行。

（1）課堂出勤全面掌握

無感知AI考勤通過對學(xué)生進行人臉識別，實時計算出勤人數(shù)，匹對學(xué)生人員檔案，對缺勤學(xué)生進行提醒或預(yù)警。另外，出勤數(shù)據(jù)與教室信息發(fā)布系統(tǒng)對接，實時顯示教室人數(shù)及可用情況，方便學(xué)生隨時查看教室座位余數(shù)。智能考勤不僅提供學(xué)生上課情況的全面管控，同時也為管理者提供實時電子沙盤，便于高校管理者依據(jù)數(shù)據(jù)開展全面調(diào)度，提升教學(xué)決策效率。

（2）多校區(qū)智能聯(lián)動控制

支持通過APP、遠程集中、智能分析等方式對校區(qū)內(nèi)、校區(qū)間教室的教輔設(shè)備進行智能電控。對窗簾、照明等環(huán)境設(shè)備進行智能調(diào)節(jié)，保障設(shè)備按需使用，節(jié)約能耗。

（3）數(shù)據(jù)挖掘智能運維

通過大數(shù)據(jù)技術(shù)采集學(xué)期日常運維數(shù)據(jù)（涉及咨詢記錄、報修記錄、培訓(xùn)記錄、支持記錄等）。分析需求類型，進而判斷問題容易發(fā)生的時間、對象以及優(yōu)先級別，提前給予支持、提醒或干涉。這種由“事后補救”轉(zhuǎn)為“事前支持”的方式，在一定程度上優(yōu)化了運維管理的工作方式。由此可見，通過智能運維，管理人員可以全面了解服務(wù)群體存在的共性問題以及異常使用模式，及時發(fā)現(xiàn)需求所在，進而針對性解決。同時，結(jié)合遠程協(xié)助管理方式，工作人員可以通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)一對多遠程協(xié)助，快速解決教師多媒體使用問題，提高工作效率，提升運營管理能力與服務(wù)水平。

（4）資產(chǎn)狀態(tài)智能管理

資產(chǎn)安全管理，即對教室內(nèi)的教輔資產(chǎn)設(shè)備（電腦、投影等）提供安全管理，對未經(jīng)授權(quán)人員私自把教室內(nèi)資產(chǎn)設(shè)備帶離教室及時預(yù)警。資產(chǎn)監(jiān)控管理，即對設(shè)備資產(chǎn)的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控，對利用率較低的設(shè)備資產(chǎn)合理調(diào)度，提高利用率。

（5）智能巡檢

對設(shè)備的生命周期進行跟蹤管理。一旦臨近更換期，就會智能顯示。遠程智能巡檢，方便管理者快速做出決策，減少人工管理成本，大大提高了管理決策科學(xué)化、監(jiān)管精準(zhǔn)化。

三、總結(jié)與思考

在智慧教育蓬勃發(fā)展的階段，智能教室以智能技術(shù)重構(gòu)教學(xué)形態(tài)，在推動教學(xué)變革創(chuàng)新，促進創(chuàng)新型人才培養(yǎng)上，具有重要的意義。

在智能教室的建設(shè)上，應(yīng)遵循教學(xué)活動基本規(guī)律，以師生需求為導(dǎo)向，注重設(shè)備生命周期，并由一線教師、專家、管理者、企業(yè)多方參與協(xié)同作用。另外，要注重信息化智能技術(shù)的應(yīng)用能力，強化數(shù)據(jù)分析能力，實現(xiàn)教與學(xué)過程行為的數(shù)據(jù)捕捉與分析，真正做到“智能”。

在智能教室的管理上，實行“建—管—維”責(zé)任制，做好頂層設(shè)計，發(fā)揮優(yōu)勢，多部門協(xié)同開展工作。利用智能技術(shù)打通數(shù)據(jù)壁壘，優(yōu)化工作流程，實現(xiàn)用戶教室借用、故障申報、技術(shù)培訓(xùn)一站式服務(wù)，打造高效舒適的用戶體驗。

在智能教室的應(yīng)用上，重點在于教師自身教學(xué)理念和教學(xué)方法的革新。為有效開展智慧課堂教學(xué)，學(xué)校應(yīng)加大教育技術(shù)相關(guān)培訓(xùn)的力度，全覆蓋、全過程提升教師信息素養(yǎng)。

最后，關(guān)于智能教室的應(yīng)用效果，還需要更長時間的觀察與科學(xué)研究才能確定。如何發(fā)展出一套適用的測評工具和方法，建立健全智能教室應(yīng)用效果評估體系，對智能教室優(yōu)化做進一步改進與設(shè)計指導(dǎo)，也將是本文后續(xù)關(guān)注與研究的重點。

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（編輯：王曉明）