智慧教室

從某種程度上講，當前多媒體教室的困境與教室環境的設計和技術裝備存在密切關係；重構教室環境，創建適合學生學習和教師教學的新型教室環境，是一種必然趨勢。隨着智慧地球、智慧城市等概念的提出和相關技術的蓬勃發展，充分利用傳感技術、物聯網技術、人工智能技術、多媒體技術、雲計算技術等來裝備教室和改善學習環境及建設智慧型教室成為必然的選擇。

電子教室主要是指隨着電子技術的發展，電子設備及電子音像製品裝備應用到傳統教室中所產生的教室形態。多媒體教室主要是指隨着多媒體計算機技術的發展，多媒體計算機技術應用到教育領域中所產生的教室形態。數字教室則是數字革命深入教育領域，多種數字設備和工具應用到教室中所產生的教室形態。當信息的採集、存儲和傳播由模擬信號轉化為數字信號時，應用這些數字設備和工具的教室便成為數字教室。智慧教室則是數字教室的一種更高級的形式。

總之，教室的發展經歷了“傳統教室——電子教室——多媒體教室——多媒體網絡教室——智慧教室”的過程，而多媒體教室、多媒體網絡教室和智慧教室同屬於數字教室的不同發展階段。

2021年06月，由中國聯通承建的國家開放大學首批5G智慧教室正式投入使用，將5G、AI、大數據等新一代數字技術帶入課堂，充滿視覺衝擊力的巨幅納米黑板、5G+4K遠程互動、智能輔助教學、翻轉課堂等一系列高科技教學體驗，令師生們彷彿置身於未來校園。 ^[3] 

在國家政策推動下，智慧教室的普及化正在迎來高峯。

在《教育信息化“十三五規劃”》、《教育部2018工作要點》、《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010-2020年）》政策均有提到，教育信息化現階段的工作重心應該是加快教育信息基礎設施建設。

其中包括智能終端普及、寬帶覆蓋以及無線網絡覆蓋三個基礎設施建設。另一個工作重心則是構建教學資源數據庫同時建設公共服務平台，從而實現教育資源的普及和共享。

在國家推進智慧教育建設的大背景下，國家開放大學積極探索智慧校園建設新模式新路徑，5G智慧教室正是其中最具代表性的示範項目之一。據項目負責人透露，5G智慧教室充分結合了5G、AI、大數據技術，並搭載先進的智慧教室系統以及高科技的配套硬件設施，其最大的特色在於結合了中國聯通的5G網絡，利用5G網絡高寬帶低時延特性，擺脱時空限制實現異地無感知的教學，讓學生足不出户就可以享受到學校的優質教學資源。 ^[3] 

智慧教室設備能夠體現物聯網的三個層次（應用層、網絡層、感知層），運用傳感器、射頻識別（RFID）等技術，使信息傳感設備實時感知任何需要的信息，按照約定的協議，通過可能的網絡（如基於WiFi的無線局域網、移動通信、電信網等）接入方式，把任何物品與互聯網相連接，進行信息交換和通信，實現物與物、物與人的泛在鏈接，實現對物品的智慧化識別、跟蹤、監控和管理。同時，智慧教室還能滿足開設物聯網導論、傳感器原理及應用、無線傳感器網絡及應用、RFID技術及應用、物聯網工程及應用、物聯網標準與中間件技術、物聯網應用系統設計等課程的實踐實訓教學需要，併為學生或教師的物聯網技術應用項目開發提供平台。

通過智慧教室實驗平台，學生能掌握物聯網技術基礎理論、物理信息系統標識與感知、計算機網絡理論與技術以及數據分析與信息處理技術等知識，具備通信技術、網絡技術、傳感技術等信息領域寬廣專業知識，具備一定的工程應用系統的開發能力、實踐能力和科學研究能力。

智慧教室建設可以用光載無線交換機構建WiFi無線局域網，覆蓋智慧教室，加上教室的有線網絡交換機、網絡路由器，從而建立融合有線網絡、無線局域網的物聯網關鍵部分——網絡層，各種傳感器件通過標準模塊WiFi設備服務器（串口通信RS232轉WiFi無線網絡）無線接入物聯網工程信息平台，構成全面涵蓋物聯網三個層次的統一的物聯網工程實驗平台。同時，其他內置Wifi模塊的各種手持設備（筆記本電腦、手機等）也能無線接入該實驗平台，成為物聯網實驗設備的一部分；師生教學、科研實踐開發的其他感知模塊，通過與標準的WiFi設備服務器連接，也能輕易接入該實驗平台，完成測試、驗證。智慧教室基於物聯網技術，可以搭建成一個物聯網應用場景，既可以用於學生進行創新實驗研究，也方便教師開展科學研究。可以通過智慧教室裏面的人員考勤系統來判斷教室內是否有人員，如果教室內無人，則教室內所有系統處於關閉狀態；反之，則處於工作狀態。 ^[2] 

傳統課堂主要依靠教師的個人教學經驗對課堂上學生的學習行為進行判斷和制定教學決策，智慧教室根據學生學習行為大數據挖掘與分析來調整教學策略，用直觀的數據瞭解學生對知識掌握的水平，在課堂教學中實現了基於證據的教育新形態。

利用現代信息技術打造智慧學習環境，用大數據構建高效課堂，大大提高了課堂教學效率。如通過情境感知、數據挖掘等方法可以提前預知學習者潛在的學習需求，在智慧教室中學習者通過資源訂閲和智能推送的方式第一時間獲取最新的學習資源，實現了教與學的立體溝通與交流。

通過課前預習測評分析和課中隨堂測驗即時分析，準確把握每個學習者掌握知識的狀況，實現對學生的個性化學習能力的評估，使老師對每一位學生的認知度更清晰，有針對性地制定教學方案和輔導策略，推送個性化的學習資料，製作針對個人的“微課”，真正實現以學生為中心的“一對一”的個性化教學服務。

依據知識構建的需要，智慧教室中採取小組協商討論、合作探究的學習方式，協作羣組服務能夠幫助有相同學習需求和興趣的學習者自動形成學習共同體，就某個問題開展深入的互動交流，有利於實現對所學知識的意義建構。

“動態生成”是新課標提倡的一個重要理念。課堂本質上是一個動態開放的系統，隨着互聯網、移動互聯等新興信息技術在課堂教學中的應用，課堂系統超越了時空限制。智慧教室不是忠實地、封閉地傳遞和接受知識，而是鼓勵課堂創新與開放，鼓勵生成，積極為學生激發創新、發展智慧提供有利條件。

課堂教學是千變萬化的，再好的預設方案也不能預見課堂上可能出現的所有情況。智慧教室要求教師要有隨機應變的能力，根據教學進程中出現的新情況，基於動態學習數據分析和即時反饋，採取機智性行動，及時調整課前的教學設計，優化和改進課堂教學進程。 ^[2] 

智慧教室主要包括以下九個系統：

教學系統由內置電子白板功能的觸控投影機一體機、功放、音箱、無線麥克、拾音器、問答器和配套控制軟件構成。使用內置電子白板功能的觸控投影機代替傳統的黑板教學，實現無塵教學，保障師生的健康；可在投影畫面上可以操作電腦，在每個桌位上配置問答器，實現師生交互式課堂教學。

LED顯示系統由LED面板拼接而成，安裝在教室黑板頂部，用於顯示正在上課的課程名稱、專業班級、任課教師、到課率和教室內各傳感器採集的環境數據（室內温濕度、光照度、二氧化碳濃度等）。

人員考勤系統由RFID考勤機、考勤卡和配套控制軟件構成。在教室前後門各安裝一個RFID考勤機，採用RFID標籤（校園一卡通）對學生進行考勤統計，對進人教室的人員進行身份識別，對合法用户進行考勤統計，對非法用户進行告警。同時可通過WiFi無線覆蓋，在遠程對考勤情況進行監控、統計以及存檔打印等。

資產管理系統由特高頻RFID讀卡器、紙質標籤、抗金屬標籤和配套控制軟件構成。在教室前後門各安裝一個特高頻讀卡器，對教室內的實驗儀器、設備等資產（貼有RFID標籤，標籤上存儲有設備的詳細信息）出入教室進行監控與管理，對未授權用户把教室內資產帶出教室進行告警，方便設備管理人員對教室設備的統一管理。

燈光控制系統由燈光控制器、光照傳感器、人體傳感器、窗簾控制系統和配套控制軟件構成。首先通過人體傳感器來判斷教室內對應位置是否有人，此位置無人，則燈光控制系統及窗簾控制系統處於關閉狀態；反之，處於工作狀態。

空調控制系統由中央空調電源控制器、温濕度傳感器和配套控制軟件構成。通過温濕度傳感器監測室內温度，通過分析數據，根據軟件預設值，當室內温濕度高於最高門限值時自動開啓空調，當室內温濕度低於最低門限值時自動關閉空調，實現室內温濕度的自動控制。

門窗監視系統由窗户門磁模塊及配套軟件組成。窗户門磁模塊用於檢測門和窗户的開關狀態，並將狀態信息及時上傳至服務器。同時設置敏感時段，實施對窗户的自動監視和報警。

通風換氣系統由抽風機、CO₂傳感器和配套監控軟件構成。通過CO₂傳感器監測室內的CO₂濃度，通過分析數據，根據軟件預設值，當室內CO₂濃度高於軟件門限值時自動開啓抽風機來進行換氣，通過補充室外空氣來降低室內的CO₂濃度。

視頻監控系統由WiFi無線攝像頭和配套監控軟件構成。視頻監控可為安防系統、資產出入庫、人員出入情況提供查詢依據。在教室前後門口各安裝一個WiFi無線攝像頭監控人員出入和資產的出入庫情況，在教室內安裝一個WiFi無線攝像頭監控教室內部實時情況，所採集的影像經由遠端射頻單元傳送至終端管理電腦，提供實時的監控數據。 ^[2]