智慧教室多媒体系统构建新模式的探索与实践
甘启宏 杨柳青 余淇 崔亚强
摘 要：随着高校教育教学改革的深入推进，智慧教学环境重构日益成为高校研究和实践的重要课题。国家标准《智慧校园总体框架》中对智慧教学环境给出了明确定义，要满足智慧教学环境功能要求，继续采用传统多媒体系统架构模式，势必导致教室技术装备系统越来越庞大复杂，运维难度和故障率必然呈几何级数增加。该研究从2015年起持续关注教学技术装备的发展，通过深入思考与研究，提出了模块化一体式智慧教室终端设计理念，并通过实践应用取得了较好的使用体验。文章对模块化一体式智慧教室终端的探索与实践进行了总结，以期为智慧教学环境下智能教学装备的研究提供借鉴。
关键词：智慧教学环境;教学多媒体系统;模块化;一体机
中图分类号：G40-057 文献标志码：A 文章编号：1673-8454（2021）11-0076-04
国务院印发的《新一代人工智能发展规划》提出建立以学习者为中心的教育环境[1]。教育部印发的《教育信息化2.0行动计划》明确要求开展以学习者为中心的智能化教学支持环境建设[2]。《智慧校园总体框架》对智慧教学环境给出了明确定义——集智能化感知、智能化控制、智能化管理、智能化互动反馈、智能化数据分析、智能化视窗等功能于一体的用以支持教学、科研活动的现实空间环境或虚拟空间环境[3]。在智慧教育背景下，要以教育教学改革理念为导向，推进智能技术与教学融合创新。各高校纷纷结合校本特色，积极构建新型教学环境[4]。在此过程中，业界基本上还是按照传统教学多媒体系统的构建方式，即通过外接线路将各个设备连接成一个系统的方式，来构建教室技术装备系统。随着智慧教学环境建设的深入推进，对教室技术装备系统的功能需求越来越复杂，已完全超出了传统教学多媒体系统所能承载的功能，必须创新教室技术装备系统的构建模式，才能更好地适应智慧教学环境的需求。
一、智慧教学环境建设的主要内容
课堂是教学的主要阵地，只有进行课堂革命，教育才能真正革新[5]。课堂革命需要以环境变革为支撑。我校从2013年底开始持续推进智慧教学环境建设，截至2020年9月，已分批、分期完成500余间教室改造，主要建设内容如下：
1.多类型互动教室
我校将所有教室传统固定桌椅改为可移动、可拼接的活动桌椅或可旋转固定桌椅。充分考虑到师生视听和互动需求，改变传统教室单调的“一机（电脑）、一投影、一支麦（教师扩音设备）”教学多媒体系统配置模式，打造成配备人机交互式显示设备（触摸显示屏+投影或触摸一体机）、智能教学扩声系统、互动系统（教学互动系统、多屏多视窗互动系统、网络互动系统、教学录播与远程互动系统全部或部分覆盖）的多类型互动教室。师生根据教学需要，实现了多种教学形态的转换，较大程度地满足了师生互动、生生互动、资源互动的教学需要[6]。
2.教学互动系统
2016年起，在课堂表决器规模应用助力教学改革的基础上，我校全面部署教学互动系统，实现课前、课中、课后的师生教学全过程互动。2019年，移动教学功能上线，实现课堂互动教学与个性化教学、个性化学习的深度融合，并尝试通过教学大数据分析，对教学全过程进行诊断，为教师改进教学提供参考。同时对学生的学习兴趣、学习过程和学习成效等进行分析，为学生提供个性化学习方案。教学互动系统成为我校教学改革的重要支撑平台[7]。
3.教学录播与远程互动系统
教学录播与远程互动系统不仅实现了课堂教学资源的积累，为自主学习和课程建设提供资源服务，同时为校际间、国际间的教学资源共建共享提供支持。在疫情期间更是很好地支持了线上教学和线下线上同步教学。
4.智能化教学扩声系统
教学扩声是课堂教学的重要组成部分。教室声音处理既要实现教师“讲好”、学生“听好”，也要实现学生“讲好”、教师“听好”。通过广泛对比和深入研究，我校于2014年引入吊麦扩声，师生无需手持或佩戴麦克风便可大面积有效拾音扩音，能更好地控制声音合理响度，实现声像一致性，既解决了传统扩音方式难以支持师生交流的难题，还避免了传统麦克风接触使用可能带来的健康问题，而且管理维护简单[8]。
5.智能教室服务管理系统
智能教室服务管理系统实现了设备控制自动化、环境调节智能化和保障服务及时化[9]。其主要功能包括：①跨校区远程集中控制;②根据课表自动完成教室设备的开、关等控制;③根据状态变化的感知对灯光、空调、窗帘等进行智能调节;④通过数据联动或语音助手智能设置设备状态;⑤自动监测教室设备运行状况，及时发现故障和隐患;⑥通过远程接管服务提供便捷高效的教学保障。
6.课堂教学智能督导系统
在智能督导系统部署前，课堂教学督导工作部分环节，如师生考勤、前排就坐率、学习投入度等，需要人工查看督导视频，进行统计并手工撰写督导报告，工作效率较低，准确度也不高。智能督导系统完全替代了以上人工督导工作，并自动生成督导报告，不仅大大提高了督导效率和准确率，还为进一步进行课堂教学分析和评价提供数据支持。
7.电子信息牌系统
电子信息牌系统实现动态发布教室信息，如教室名称、课程安排、课堂实时状况、实时天气、实时新闻、学校情况、学术通知等，并通过人脸识别、刷卡识别功能与智能教室服务管理系统对接，实现门禁管理、电子考勤、环境及教学设备管理等功能。
8.公共休读空间
公共休读空间建设是指将教学楼过道、走廊和大厅等公共空间利用起来，配备白板、桌椅、无线网络、触摸一体机等适宜学习交流的設施设备，打造温馨、人性化的互动交流学习空间。教学楼公共空间的建设，不仅方便师生随时随地交流讨论，进行思维碰撞，而且对整个教学楼学习氛围的营造和提升也起到了重要作用。
9.数据交换共享平台
数据交换共享平台为线上线下教学环境相关系统提供统一数据支撑服务。通过基础应用系统数据接口的开发，将已经建成的教务系统、教学平台、教学互动系统、资源平台、智能教室服务管理系统、课堂教学智能督导系统等数据汇聚到数据交换共享平台，实现这些系统原始数据在不同系统间的共享、交换。数据交换共享平台的建设，能够让不同系统的数据需求得到“一站式”解决。
在前期的智慧教学环境建设过程中，教室技术装备仍然是在传统教学多媒体系统的基础上，采用线路连接、控制系统设置多个模式进行调度控制，或是多个控制系统叠加，甚至是个别功能设备游离在控制系统之外的方式进行教室教学系统的构建，系统越来越庞大复杂，故障率也呈几何级数增长，极大增加了管理运维难度，也影响了师生的使用体验。
二、教学多媒体系统的现状
20 世纪 80 年代，多媒体教学就已经出现在我国，以幻灯、录音、录像、电视、电影等形式综合运用于课堂教学[10]。这种教室当时又称为电化教室，电化教室的建设、管理和应用对管理者和教师都有着较专业的要求。之后，随着计算机技术的迅速发展和普及，以计算机为核心的教学多媒体系统逐步取代了以往的电化教学系统，为多媒体教室的普及提供了可能[11]。发展到现在，教学多媒体系统一般包括核心处理系统和外接系统两大部分。核心处理系统包括中央控制终端、网络、电源、计算机、音频处理器、视频矩阵等基础功能设备，以及环境智能控制、录播与远程互动、信息发布等拓展功能设备。外接系统主要包括音视频输入和输出设备，通过将这些设备线路集成并与各软件系统互联互通，构成一个有机的整体，为师生教学提供支持。在实际应用中，因线路连接问题导致故障多发且故障排除难度高、耗时长。如图1、2所示，最常见的具备基本教学辅助功能的多媒体系统已经如此复杂，一旦出现故障，排查及修复难度可想而知。根据笔者多年的建设和运维经验，在传统教学多媒体系统的故障中，有50%以上源自于线路连接故障，故障排除平均耗时10～15分钟，更换单个设备平均耗时5～10分钟，而要更换中控系统终端，则至少需要耗时15分钟以上，如果再加入更多设备，集成难度及运维难度将更大。以上问题给管理者带来很大挑战与困扰，也严重影响着教学保障水平。
近年来，出现了一体式教学多媒体系统终端。该终端采用一体式机柜设计，设备集成了中央控制终端、计算机功能、音视频矩阵、广播功能、网络交换机、功放等，只需外接音视频输入和输出设备即可投入使用，大大减少了线路连接问题导致的故障。该终端在处理某些功能故障时，依然会耗时较多且更换难度比传统系统更高，同时，扩展性和兼容性差等问题也会严重影响其大面积推广应用。
三、模块化一体式智慧教室终端思路的提出和实践
1.模块化一体式智慧教室终端的设计
通过长期建设和管理多媒体系统的经验积累，从2016年起，笔者开始思考将教室教学多媒体系统的核心设备进行模块化一体式设计，设计原理如图3所示。
本研究把每个功能设备设计成一个模块，一体式终端机柜背板上设计若干连接器及各种输入输出端口，每个模块从机柜前面插入机柜背板相应的连接器上。笔记本电脑、投影、音箱等外接设备接入输入输出端口。该设计既避免了传统线路集成模式下频繁出现的线路故障，又可实现快速更换故障模块，还可根据需要随时增加或减少教室功能模块。
本研究将各软件模块在同一个路由器網段下采用网络协议进行无缝对接，一体化终端的软件模块构成如表1所示。功能软件模块采用嵌入式软件和Windows系统，根据用户需要进行选配，配合相应的硬件模块，实现各种不同类型的智慧教学环境建设。管理维护软件是智慧教学环境的后台软件，对智慧教学环境的软硬件和教学资源进行智能化管控。
2.模块化一体式智慧教室终端的建设实践
模块化一体式智慧教室终端思路提出后，得到了相关企业的积极响应。该终端从2019年开始在我校智慧教学环境升级改造中规模应用，目前已完成一百余间教室部署。图4为采用模块化一体式智慧教室终端的机柜，其线路简洁整齐、功能模块集成化。在实际使用中，设计优势得到了充分体现。
（1）各功能模块在同一路由器网段下，使得采用网络协议进行无缝对接更容易。智慧教室各硬件和软件模块能够很好地相互协调配合，产生良好的用户体验。例如，教师在电子屏上书写时，系统能自动检测到书写的动作，如果教师没有打开多视窗软件，中控系统会控制视频矩阵把书写屏内容显示在显示设备上，如果教师打开了多视窗软件，则多视窗软件会自动把采集到的书写屏内容展示到显示设备上。
（2）每个功能模块在终端上的“插拔”设计十分简洁，更换故障模块时简单地“一拔一插”即可完成，维护简单快捷，极大地减少了故障排除对教学时间的占用，降低了管理者故障排除及修复的难度。
（3）该终端采用一体式设计、模块化安装的方法，既基本杜绝线路连接导致的系统故障，又方便学校根据实际应用需求分步采购相关模块，还可在不同教室间方便快捷地进行功能增减，在很大程度上提升了建设效益。
四、需要注意的几个问题
要完全发挥模块化一体式智慧教室终端的设计优势，使其成为主流应用模式，软硬件设计必须遵循一定的设计规范。笔者通过不断思考和实际应用，对模块化一体式智慧教室终端的设计提出以下建议：
1.模块的卡槽和输入输出接口要在不同方向
模块卡槽在一体机背板内侧面，外接输入输出接口在一体机背板外侧面，所有模块从一体机的前面插拔，一体机所有外接的输入输出线路都从后面连接一体机。更换功能模块时则不需插拔外接线路，更换外接线路时也无需插拔功能模块。
2.建议采用路由器加多口交换机的局域网组建模式
各功能模块在同一路由器网段下，只需对一间教室分配一个IP地址，教室其它所有功能模块的网络采用端口映射方式，使一体机后台管理和维护软件的配置复杂度大大降低，同时也降低了学校网络资源管理的难度。
3.注意参数配置信息的集中保存
终端中有很多参数配置信息，如IP地址、映射端口设置、音量设置和录播视频推流地址等信息。如果把所有参数配置信息都保存在一个独立的存储模块上，建议将该独立存储模块作为中控模块的即插即用子模块，在更换其他功能模块时无需重新进行参数配置。即使更换中控模块也可以保留即插即用的存储模块，这样能够有效降低维护难度。为了防止存储模块的损坏，建议每台终端再做一个备份的参数存储模块，这样能更有效地保证设备维护的简单快捷，而其造价很低，基本不会影响整个一体机的成本。
4各功能模块独立供电
各功能模块独立供电，中控系统能单独控制每一个功能模块电源的通断。某个功能模块出故障，中控系统能自动截断故障模块的供电，有效地保证了其他功能模块正常使用。
5.良好的通风设计
由于一体机包含多个功能模块，会产生大量热量，如果没有良好的通风设计，将对系统的稳定性产生较大影响。建议在一体机内安装温度传感器，温度高于临界温度应具有自动告警功能，并拥有根据温度自动调节风扇转速的能力。
6.模块故障自动检测告警功能
如果功能模块出现故障，系统能自动检测相应故障模块，在自动截断故障模块供电的同时上报故障告警信息，变被动维护为主动，把对教学的影响降到最低。
7.稳定可靠的远程网络批量软件升级
软件更新是保证智慧教学环境建设先进性的必要保障。必须具有稳定可靠的远程网络批量软件升级功能，才能使系统维护更简单可靠。
五、结语
教学多媒体系统是现代教学重要的支撑系统。长期以来，让教学多媒体系统具有良好的稳定可靠性、使用便捷性、功能扩展性，一直是学校教育技术部门和企业界努力的目标。模块化一體式智慧教室终端的出现，使师生的信息化教学体验得到明显提升。随着业界的不断关注，模块化一体式智慧教室终端必将成为未来教学多媒体系统的主流装备。
参考文献：
[1]国发[2017]35号.国务院关于印发新一代人工智能发展规划的通知[Z].
[2]教技[2018]6号.教育部关于印发《教育信息化2.0行动计划》的通知[Z].
[3]国家标准化管理委员会.智慧校园总体框架：GB/T 36342-2018[S/OL].http：//www.gb688.cn/bzgk/gb/newGbInfo？hcno=EB82492C508C0A5148B86E2C5BEE8E30，2018-06-07.
[4]张凯，杨再明.智慧教室的构建与应用研究——以中国矿业大学为例[J].现代教育技术，2018，28（10）：81-86.
[5]谢和平.以课堂教学改革为突破口的一流本科教育川大实践[J].中国大学教学，2018（12）：17-23.
[6]崔亚强，甘启宏，王春艳.高校智慧教学环境的建设和运行机制思考——以四川大学为例[J].现代教育技术，2020，30（3）：95-100.
[7]王春艳.1∶1数字化环境下课堂教学互动的研究与实践——以四川大学手机互动系统“爱课堂”应用为例[J].中国信息技术教育，2019（7）：98-101.
[8]崔亚强，甘启宏.教学扩声的理论与实践探索[J].现代教育技术，2019，29（4）：82-87.
[9]甘启宏，冯鸟东，崔亚强等.高校课堂教学环境智慧化管理平台构建探析[J].中国教育信息化，2018（17）：61-63.
[10]何智.教室历史变迁与影响未来教室发展的因素[J].中小学信息技术教育，2014（2）：82-85.
[11]周黄河.高校多媒体教学系统的保障工作[J].实验技术与管理，2009，26（10）：171-174.
（编辑：王晓明）
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