北京泰豪智能工程有限公司上海分公司 上海 201203
摘要：随着网络技术飞速发展，我国高校基本实现教育教学管理现代化、智能化，教学的应用也使得教学手段更加多样化。丰富了教学手段，更充分地扩充了教学资源，整合并简化了教学过程中的多媒体设备操作，大大提高了教学效率和教学效果，如今已经成为现代化教学活动中不可缺少的重要手段。智慧教室在教育教学中发挥积极的作用，并做出了突出的贡献。教室是重要的教学场所，首要目的是服务教学，以服务教学为中心。智慧教室是通过各种科技手段和设备更好的为教学提供各种便利条件，更好的服务于教学，提高教学效率。本文结合华东理工大学奉贤校区CD楼智慧教室项目的案例，通过多样化的教学手段，充分调动学生的学习积极性，让教学与深度融合。分析了华理工智慧教室的优点及不足，论述了智慧教室的概念及组成模块，探讨了智慧教室的实际应用。结果表明，智慧教室的实施能够更好的服务于教学，让数据和技术深度融合，更好的提高我国高校的教学质量，对我国的教育事业做出应有的贡献。
关键词：智能建筑；智慧教室；智慧校园
引言
我国高校网络多媒体教学系统经过十几年的发展，得到了广泛普及与全面应用。近年来，多媒体教室数量迅速扩张，教室分布范围越来越大，功能要求越来越多。因此，通过网络管理平台进行综合管理无疑是最佳的选择。在网络信息化高速发展的今天，智慧教室系统的发展在近年也如雨后春笋般的快速发展，在多媒体教学系统的基础上，更加智能、高效的整合了当代多媒体系统的软硬件结合，同时也提高了学校的综合管理水平和综合教学实力，迈向一个崭新的教学模式时代。
1.目前智慧教室的发展现状
随着教育信息化的深入改革，传统的多媒体教室已不能适应当前教学改革的需要，学校开始寻求模式创新之路，智慧教室作为技术与教育深度融合的产物应运而生。
智慧教室虽然功能强大，但由于其专业性强，一般教师无法应用自如，需要专业的人员支持，运维成本较高，再加上单个智慧教室的建设成本颇高，很难普及。
目前我国高校多媒体教室的发展，仅仅局限于音视频配套教学的模式，还是依靠投影设备、音频、中控设备结合软件控制平台的模式，模式单一。缺少成熟的可视化教学综合信息管理平台。
在校老师的师资力量分布不均。教学质量评估、教学调研无法准确评估，缺少大数据的支撑和分析。
在校学生缺少科学特色、创新创业的在线开放课程，因此学生对专业学科缺乏学习兴趣。缺少个性化学习、研讨式、探究式的学习方式。缺少课程预习复习和直播课程的有效学习。缺少学生老师互动环节的支持较弱。
2.智慧教室系统的组成方案及系统介绍
2.1 智慧教室系统的介绍
智慧教室包括智慧环境、智慧课堂、智慧管理三部分组成。智慧环境是指灵活可变的教学空间、智能物联网感知空间、教室的环境建设。智慧课堂是指师生的互动研讨学习、探究教学、AI赋能智慧教学，以达到师生共同学习成长的目标。智慧管理是指数据分析、互通，课表联动、考勤以及学情数据分析的管理、智慧屏幕控制端的高度融合，教师、学校管理者的督导巡课、教学评估管理，以及统一的平台信息化集中综合管理。
2.1.1 智慧教学
通过多样化的教学手段，充分调动学生学习的积极性，让教与学深度融合，进一步加强课堂互动手段，了解学生对知识点的理解与掌握情况，把平日教学的黑盒状态转变为白盒状态。并结合智能考勤、学情分析等技术督导教学过程。同时通过信息化手段为师生提供课堂直播及回放、课表及空闲教室查询等便利条件；让数据和技术深度的融入并服务于教学，更好的提升教学质量。
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图1
2.1.2 智慧管理
通过与教务排课、校园一卡通等系统数据对接，实现智能化管理。同时通过可视化运管平台和有效的异常预警机制来服务并保障教学。
系统管理的智慧离不开数据，所以必须打破校园数据信息孤岛的现象，实现数据资源共享，让数据把系统变得聪明、智慧，提高工作效率和管理水平。例如，通过与教务排课、校园一卡通等系统数据对接，实现自动化无人值守管理。同时通过可视化运管平台中有效的异常预警机制来服务并保障教学，尽量减少甚至避免教学事故的发生。
2.1.3 智慧环境
通过友好的人机交互界面，将复杂的功能简单化，实现一键上下课、一键考勤、一键录课；设备自动联动，无人值守，全自动化运行。并结合物联网技术，实现自动环境监测与智能控制。
★应用环境：教师在教学过程中，除了使用教学电脑以外，打交道最多就是中央控制器的操作面板，所以操作面板设计的人机交互界面的人性化程度是至关重要的，直接影响到教师使用情况，华璨通过可编程液晶控制面板任意定制适合每个用户的人机交互界面，将复杂的操作过程简单化，实现一键上下课、一键考勤、一键录课……；傻瓜式操作，自动联动，简单方便。
★教室环境：教室作为师生教学活动的重要场所，创建一个良好舒适的教学环境也是教学保障的重要方面，如此大规模的环境保障可以通过物联网技术实现系统自动监测教室环境，实时了解教室温度、湿度、光照度、PM2.5、甲醛、二氧化碳等数值，根据实际监测情况自动联动控制灯光、窗帘、空调、新风等教学环境设施，打造一个星级服务的空间环境，更好的服务于教学。
基础服务用平台是智慧教室建设的关键，也是教室实现智慧的核心所在。所以，做好顶层设计，合理规划，打破校园内信息孤岛，实现数据共享，让信息服务于教育教学，更好的提高管理水平和教学效率。
可视化智慧教室管理平台与数字化校园、教务排课、校园一卡通、课堂互动……系统数据对接，实现数据同步，信息共享。
2.2 智慧教室建设的实施原则方针
随着教育信息化的进一步推进，同时受到国内外先进教学模式的影响以及实现双一流大学的需求，改变教室环境、教学方式、教学应用、教学管理、实现智慧课堂显得尤为重要。智慧教室建设是学校信息化建设的进一步延伸，是信息化发展的新阶段，所以智慧教室项目应从以下几个方面着手：
2.2.1 教学管理全程化
通过对前端教室智慧教学应用系统进行在线巡课、听课、督导、课程录播、课堂直播、课中互动教学、课后点播、远程监管等；通过信息中心智慧综合管理平台进行全程教学应用管理；实现与教室实时视频语音互动；教室运行维护管理系统，远程监控教室设备状态，远程排除故障，提高教室设备使用保障的效率。
2.2.2 教室类型多样化
根据不同院系学科的师生，不同课程的教学，建设与实际需求相适应的教学环境，形成模式教学环境“智慧型教法训练室，探究型智慧教室的学习，全媒体智慧教室应用、小班教学智慧型教室、小班教学智慧云教室”按照不同的教学对象和教学内容配置不同的先进媒体设备，实现不同的功能。
2.2.3 教学模式个性化
构建以智慧教室为中心的智慧课堂，突破场所的限制，用统一的教学平台贯穿课前、课中、课后和线上和线下学习，使学员的学习不受时间和地点限制，利用翻转课堂、混合式教学等多种教学模式，融合优质的教学资源，实现学员自主学习和个性化教学。
2.2.4 学情分析可视化
通过人工智能、物联网、大数据等技术分析系统采集数据，对教室师生在课堂上的行为进行智能分析，课堂互动教学数据生成课堂教学效果分析报告，以客观、科学的数据，为教学质量的分析提供数据支撑，为教学管理、教学评估提供依据。
3.智慧教室系统应用实例研究
本文以华东理工大学奉贤校区CD教学楼智慧教室项目为案例，对智慧教室的实际案例进行分析探讨。
3.1 华东理工大学智慧教室建设项目概况
项目概况：总建筑面积11760平方米，地上5层，本次共涉及教室42间，共分为五种类型的智慧教室，具体为讨论式教室、普通互动式教室、互动教室（本地+远程）、智慧教室、高端交流中心。其中智慧教室一期建设为8间。
本项目教室建设总体原则为因地制宜、合理布局；教学为主、适度超前；师生为本、科学建设。
项目开始阶段，在充分调研后，听取学校教务处、信息中心等各方的意见，在不改变教学楼区建筑风格的基础，充分开发利用公共空间，，构造良好学习外部环境。
项目整体建设阶段，智慧教室的建设包括教室的装饰装修、智慧班牌、高清短焦投影、远程录播功能、满足英语四六级国家等级考试的标准化考场建设、灵活多变的课桌椅组合，后台存储管理设备、以及可视化督导中心。
3.2 数据对接的重要性
智慧教室的核心是数据，有了数据支撑才有可能让教室智慧起来，所以建立数据中心是智慧教室建设的基础，也是智慧教室建设的关键。
作为智慧教室综合管理平台的主要数据来源就是与其它系统的数据对接，比如，教务排课、校园一卡通、校园上网认证、常态化录播、校园IP电话等等。系统数据对接，实时同步，信息共享，实现多系统自动联动，无人值守自动化控制，智能、高效的智能化管理。
3.3 本项目中涉及对接的内容包括
3.3.1 教务系统系统对接
教务系统对接后，学校所有教学安排，比如哪位教师、哪些学生、哪个教室、上什么课，系统即全面实时掌握，有了教学任务安排的所有数据，即可根据学校的管理模式选择自行控制或结合其它权限控制方式管理教学设备的使用权限。
教务系统对接做到了智能化管理，另外，为师生提供很多方便，例如，系统可以支持管理员、教师、学生等不同角色的人员查询课表以及查询自习室等。在教学过程中，有了教务系统数据，也可以通过各种考勤手段实现师生智能考勤等。大大提高了工作效率。
3.3.2 校园一卡通系统对接
通过管理平台可以实时监测设备实时权限控制状态，日志信息中包括时间、教师姓名、卡号、卡片类型、使用状态，执行结果等内容。即便出现特殊情况可以通过日志信息直接找出问题原因。另外，所有的上课过程都被实时记录在数据中心的数据库中，根据平时的使用情况可以统计分析教师对设备的使用情况。
3.3.3 云录播系统对接
云录播系统作为学校校本资源积累重要手段，为教学提供了很大的辅助作用，学生可以通过云录播系统复习功课或通过网络听课。课程的录制可以系统按课表自动全部或有选择的录制，也可以通过教室的操作面板自主选择是否要录课。
3.3.4 网络IP电话系统对接
数据中心支持与网络IP电话系统对接，对接后可实现通话教室图像在可视化管理平台上突出显示，使管理员迅速定位，直观了解现场情况，除可以远程控制教室设备外，还可以操控教室电脑，实现远程协助。高效处理教学应用中的各种问题。数据中心同时保存所有的通话记录，并支持通话录音。通话记录支持查询，统计等。
3.3.5 身份统一认证
智慧教室的设计与建设是一个非常复杂的过程，涉及众多子系统或分管平台，面对的使用对象又有所不同，各子系统或管理人员按不同的身份与权限分管各自的业务平台，为了便于身份与权限的管理，系统采用统一身份认证平台，根据用户名及密码确定登录用户的管理界面及使用的权限范围。
3.4 智慧教学子系统亮点介绍
3.4.1 智能考勤功能
学校的师生考勤工作是学校管理的一项重要工作，按时出勤也是保证教学质量的前提条件，也是体现学校管理水平的重要方面。所以做好师生考勤工作意义重大。目前学校常见的考勤方式主要有刷卡、指纹、人脸识别、手机签到等几种方式。
3.4.2 智慧班牌系统
校园文化展示、班级文化展示、校园资讯展示、教师/学生风采；通过多媒体信息管理发布系统，对所有设备统一进行内容发布，也可根据班级特色设定独有的发布形式和发布内容。
个人信息与学校教务系统对接后，录入排课系统，可以显示学生/老师的姓名、照片、班级等，刷卡后自动显示个人课表信息及查看通知留言。
有权限的人可以刷卡选择对应的教室所在楼宇、房间号和摄像头，并通过终端查看教室上课画面和学生听课状态，实现领导随时巡课的功能。
3.4.3 教学互动系统
集线上教学系统线上互动系统课堂互动系统于一身的功能型教学软件。软件操作简单，功能强大，可实现线上与线下全面打通，辅助课堂教学，实现智慧课堂应用。为保证教学时效性，所有功能应用均在同一界面显示，满足线上教学应用，实现线上智慧课堂。
3.4.4 智能中央控制系统
中央控制系统由中央控制主机（网络中控）、控制面板组成。各部分之间用通信电缆相连，构成一个控制系统。其中控制面板是本地指令发送中心，中央控制主机则是指令接收和执行机构。小教室内安装的显示设备是触控一体机（65寸），智慧纳米黑板（86寸）。触控一体机或投影机的的显示信号由中控的HDMI输出到相应的接口上，可通过中控控制面板的按键进行信号的选择。
3.4.5 可视化教学管理中心
（一）综合管理平台
汇集了资源快捷导航、搜索、登陆信息、最新录播、精品课程、直播课堂、最新排行等栏目，用户通过首页可以快速浏览不同分类下的信息。
（二）直播、录播课程模块
支持所有直播显示，相关人员直播，公开直播；公开直播按照标题、主讲、院系、课程节次、教室、时间进行直播查询；直播过程中支持点赞、评论、收藏、分享等功能；支持移动端二维码扫描观看直播，支持三分屏直播界面显示
支持录播课堂中所有视频、与参与者相关功能、公开视频功能模块；支持学期、标题、主讲、院系、课程、课程查询、重置等设定功能；支持录制视频根据课程资源观看次数时间显示排序功能；通过网络远程实时同步采集教室内教师的图像、声音、计算机屏幕内容，同步生成课件；支持三分屏、四分屏课件样式；支持列表模式和课表模式的录播计划创建与展示；支持列表模式下批量编辑、批量删除等操作，方便用户对录播计划进行管理；
（三）学情分析模块
1）支持基于人工智能技术学习算法对课堂场景进行自动捕捉与分析，可实现教室内教学场景实时考察，行为分析、出勤率统计分析；
2）具有自动轮寻功能，快速实现对前端教室轮询检索，保证对每一间教室学情实现动态采集；
3）支持课堂活跃度线性显示；支持低头率抬头率课堂视频数据的采集；
4）学情分析结果以曲线图形式显示，实现数据对比，形成教室数据分析、教师数据分析、学生的数据分析；
5）支持网络端通过远程登录管理，实现对课堂教学行为分析历史数据的查看，支持对学生上课数据统计分析，实现对教师教学效果评估数据分析；
（四）云端服务系统
智慧课堂云服务：可提供云直播、云点播、云互动；用户可用互联网在任意地点观看学校直播、访问云端视频资源、进行云端专递课堂互动功能。学校举行活动，或者大型公开课，观看人数多，可通过云端实现进行大规模直播。
（五）大数据统计模块
通过前端教室产生数据进行统一分析，包含各区域主校区分校区占比数据，教室使用数据、教师教学数据、学生学习数据、设备管理运行数据、教学资源数据等通过智慧教学可视化管理运行平台进行大数据统计分析，辅助教育管理者教学教研、对教学质量评价评估、教师自身发展、学生学习培养提供有力依据。
建成后的智慧教室功能特点包括：整个教室在装饰上科技感强 桌椅灵活布局、人脸识别考勤系统、应用VR学习课堂教学、实现三屏互动平台。
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3.5 项目调试测试过程中经验分享
1）课表与学校教务系统同步对接，需建立中间库，通过中间库来实现课表同步问题；项目实施前期就应和学校教务等相关部门对接，做好前期调研、数据采集工作；
2）云平台不能采集前端设备画面。经测试分析，教室录播主机与平台不在同一网络段，前端加录播主机做为内网转换，重新规划划分网段；
3）录播主机配合摄像头，可实现三分屏画面，一路视频源输出，各通道备份，解决视频平台拉流卡顿问题；
4）设备不在线报错11500，一般是播放不在线的设备时报此错误。Cu监控管理客户端上查看设备是否在线，如果确实在线的话，需检查播放时传递的参数（平台域id、设备id、视频源号和通道号）；
5）登录时报错，现场：Kdm_Login 时报错，日志排查后发现64404错误是因soap 返回405错误导致的。原因：由于网络原因导致arp协议解析mac地址错误。收到此错误后再次调用下报此错误的接口即可。
3.6 建设完成后的项目达到的预期效果
1）整个项目的建设质量、进度完全按照计划实施完成。
2）智慧教室在学校各院系老师、学生的使用过程中，不断完善不足之处。教室的使用率提高，学生上课的低头率明显改善。
3）教学互动环节，更加促进了老师、学生之间的互动，在教与学之间更好的融合。提高了教学质量的同时，更得到了师生的一致好评。
4）在去年我国疫情的严峻情况下，学生利用系统录播、直播课的功能完成了当前学期的学习。
4. 结论与建议
综上所述，智慧教室的发展对我国教育事业，特别是高校的教学有着分成重要的作用。智慧教室充分以互联网为基础，硬件、软件的结合，开发出适合用户的一套平台。然而，目前我国智慧教室的建设、发展刚刚处于起步阶段，建设标准、系统还需进一步提升与改进。为了更好的让智慧教室系统服务于教学，需要充分发挥互联网的优势，开发更多、更适用的硬件产品及软件平台的开发，从业单位更应该在调研、设计、实施各阶段，从充分了解学校的实际需求出发，充分调研学校的需求出发，在以上三个阶段都要在质量、成本上把好关，让智慧校园、智慧教室的发展更上一层楼，让智慧教室的作用切合实际的服务于教育事业，做出应有的贡献。
参考文献：
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[2]李久林.智慧建筑关键技术与工程应用.中国建筑工业出版社.2017
[3]王运武.实现智慧教育的必由之路.电子工业出版社.2016.12
[4] 阎光伟.计算机网络技术与应用.中国经济出版社，2009.7