高校师生都是信息技术和科技产品的使用者，如何把信息技术融入到课程教学中，如何实现教与学方式的变革，如何重构传统学习环境以促进学生的发展，从而构建智慧学习环境以适应教育信息化的新要求，已成为当今教育技术研究迫切需要解决的课题。由此，智慧校园建设成为当前高校信息化的重要内容，而作为其中主要内容的智慧教室也成为高校多媒体教室转型的突破口。
本文认为，智慧教室是基于物联网、云计算和大数据等技术，辅以现代先进富媒体技术及网络管理平台，构建一个以互动为核心，具备智能化管理，提供个性化师生服务，进而方便实现课堂教学、互动教学、自主学习讨论、远程互动教学、移动学习、在线教学督导、课堂教学质量在线评估等功能的新型教学环境。
总体设计
(资料图)
在智慧教室的设计上，以服务教学为核心，提供教室智能管控、课堂互动教学、教学过程督导评价、数据分析与可视化功能，采用线上+线下学习空间的设计理念，将教学资源、教学服务、教学数据融为一体，建设共享、交互、创新的学习空间。高校智慧教室主要设计思路如图1所示。
图1 设计理念
根据不同的预期功能及设备运用，智慧教室大致可分为如下几种类型：
1.多屏互动型：采用触控一体机、多屏交互系统、扩音系统、白板、远程互动系统、网络中控等，可以实现移动终端无线传屏、授课、翻转课堂、远程直播等功能，便于任意学生分组组合、师生互动；
2.小型讨论型：采用触控一体机、可移动绿板、中控、吊麦扩音、书写墙，可实现无线传屏、小班化讨论型授课，具有座位可以任意排放组合，在书写墙随意书写等特点，便于小班化，小组讨论教学；
3.中型录播型：采用含高清投影、中控、吊麦扩音、全自动录播设备等，主要用于普通授课及常态化录播，便于课程随堂录制；
4.多功能阶梯教室：采用双投影或液晶拼接、扩音系统、网络中控、会议系统、直录播设备，主要实现报告、授课、远程直播、远程互动，具有直播功能；
5.影音欣赏报告厅：采用含LED屏、专业扩音系统、中控系统、高清直录播，可以实现授课、报告、会议、影音欣赏、远程直播，LED屏可以弧形或三折型设计，高清显示，音响效果好。
建设实践
上海理工大学第一教学楼是全校承担教学任务最多的教学大楼。如何为全校师生营造一个集教学理念先进化、教学设备智能化、教学环境个性化和教学模式多样化等于一体的智慧学习环境，推进高水平大学一流本科建设，提高人才培养质量，是学校建设智慧教室的迫切要求。
首先是空间设计，对教学楼进行了整体装修，美化环境。一楼大厅设置智能查询和信息发布一体机，方便学生查询课表及空闲教室，并设有图书自动预约系统，方便学生借还图书。在每层公共区域设立个性化公共空间，可以在此休闲交流；环境温馨的教室休息室，可实现人脸识别自动储物。其次，在教室内部，取消所有教室中的讲台踏步，让老师可以更方便地融入到学生中；少量教室尝试采用横向排列，缩短老师与学生的距离；中小型教室学生桌椅采用单个座椅，可以拼接为不同形状，便于学生分组及互动。最后，所有灯光都采用横向单独智能控制，并且实现人工和教室中控端同时分别可按；教室内前部墙面增设消音栅格，其他墙面有便于擦写的益涂层，供讨论时随时随地书写；在教室四周墙脚线处，设置移动电源导轨，避免了电源不够用的烦恼；每间教室配置木制柜、衣架等，方便老师放置物品和衣服。
学校的99间智慧教室建设，主要包括智慧班牌、智能控制系统、多屏互动系统、数字扩音系统、直录播系统、人脸识别考勤系统、教学督导系统、教学资源云平台等，既可以支持传统教学模式，又可以支持讨论式教学、翻转课堂及混合式教学模式。
考虑到教室大小和实际用途的不同，建设中创新性地采用了三种品牌的中控系统，分别对应大型（24间)、普及型(38间）、互动型（37间）智慧教室及1间远程教学督导评价中心，所有中控最终统一集成在总控室由总控平台控制。
大型智慧教室，采用国外品牌中控，主要有电动升降讲台、触摸电脑一体机、功放音响、手持话筒及水滴型挂式话筒、可跟踪直录播摄像机、两台超短焦激光投影机、两块投影白板、便于推拉可粉笔书写绿板、喷水板擦等。两块白板分别放置左上、右上绿板的后方，老师不投影时，不影响在绿板上书写。在教室中部两侧，悬挂两块液晶电视作为辅助显示，便于后排同学清楚看见老师投影的内容。老师上课下课一键开关所有设备，包括教室灯光、投影、音量等都可以在中控屏上轻松操作。
普及型智慧教室，主要设备包括电动升降讲台、触摸电脑一体机、功放音响、手持话筒及水滴型挂式话筒、可跟踪直录播摄像机、两块可左右推拉可粉笔书写绿板、喷水板擦等。根据教室大小，又分别采用了超短焦激光投影机、白板或触摸一体机两种显示模式。
互动型智慧教室，在教室的前端放置触摸一体机，在教室墙面设置2或4块用于交互的触屏一体机。在中控屏上可以选择将两侧显示屏分别提供给对应小组，也可以主屏和两侧分组显示屏共同进行班级的教学工作。不需另外安装外部程序，就可以方便地利用设备本身的投屏功能，把学生或老师的交互终端内容投射到相应小组显示屏上。老师可以根据需求控制多屏显示相同内容或者不同内容。多屏显示设计的实现为灵活的课堂布局创造了可能，学生能够根据自身需求选择最佳角度观看大屏幕，而不是始终保持一个方向。
以教学应用为主的统一综合管理平台，实现学校已建教学应用系统的融合对接；以教学应用综合管理平台为基础，实现教学数据采集、汇总和分析。由此，可以方便教学管理实现统一运维入口，方便建立统一的教学数据中心，形成有价值的教学数据分析。主要功能如下：
智慧教学应用管理平台
教学管理统一化，集成教学信息化环境，包括多媒体教学系统、多媒体集中管理控制系统、全自动录播系统、信息发布系统、校园一卡通系统、学情分析系统、考勤管理系统、督导巡课系统、在线评课系统、校园安防系统等。可以实现以下功能：1.实现单点登陆，并通过可视化运行平台实现智慧教学的可视化监控，实现资源存档、在线巡课、课堂教学质量分析等功能，为学校及各级教学单位提供教学质量管理和决策支持；2.通过网络实时巡课、直播、点播课程，至少同时满足两万人在线点播、直播听课；3.根据关键信息检索，包括学院、老师姓名、课程名称、楼宇、校区、上课时间、班级等；4. 根据学院、老师姓名、课程名称、楼宇、校区、上课时间、班级等信息单独/批量检索、导出、拷贝资源；5.支持网络空闲时间上传、多种访问方式、通道加密、个人信息的修改、后台模块控制管理；6.精品录播教室与常态化直达录播的管理，通过平台实现教室统一管理，能同时生成单画面和三分屏形式的课件，直播时用户也可根据需求自行设定显示模式。
电子班牌系统
电子班牌具有电子课表、智能考勤、信息发布、学期注册等功能。与课表数据对接，实时更新课表信息和教室空闲状态。通过认证校园卡，实时将班级出勤情况，推送到任课老师手机。实时展示教室信息，支持教室整个学期的课表查询和学生刷卡后查询个人课表情况。利用教室摄像头，可以实时查询教室模糊化快照，教学督导在电子班牌处可以直接查看老师上课情况。
精品录播系统
精品录播系统具有多种应用及教学模式，可满足创新教学手段、精品课堂教学、优质课录制等。在教室的前端配备4台云台摄像机分别负责对教学全过程进行跟踪拍摄（老师全景、老师特写、学生全景、学生特写）及老师电脑画面教学内容采集，话筒负责对本教室内教学声音的采集。采集的音视频信号传送至多功能教学终端进行音视频的处理，完成本地课件录制、异地交互动、信号传输，并将教室内的所有信号源有机结合起来以便控制操作。
常态化直录播
在教室前墙安装一个学生摄像机，后墙安装一个老师摄像机。其中，大型和普及型教室老师摄像机可以自动跟踪，小型互动教室为定焦全景摄像机。摄像机可以同时为直播及校园监控提供保障，同时系统可实现老师课堂效果的远程督导评价。
利用已建系统和第三方云平台对接时，组网如图2所示。
图2 直、录播云平台架构
为保证稳定性，采用了2台点播存储磁阵，2台日常存储磁阵，2台Web管理服务器，3台流媒体服务器。校园内云录播教室通过校内网将相关音视频数据传输到云录播业务平台上，之后通过相关的接口或协议，第三方云平台以拉流方式拉取流媒体服务器上的课程资源，实现课程直播，从而尽最大努力保障学校正常上课后网络直播流畅。
人脸识别考勤
课堂人脸分析服务器采用嵌入式设计，集成高性能GPU模块，内嵌深度学习算法，集IPC接入、管理、控制、智能分析于一体，搭配教室里的学生人脸抓拍机，对图片中人脸进行智能建模和分析，实现课堂学生考勤、学生表情分析，实现课堂精准人脸比对分析。同时，可以对人体进行分析，实现学生行为量化分析，并将人脸数据与行为数据关联，构建学生个人大数据应用，服务教育大数据。
LED时钟系统
与综合应用管理平台对接，统一管理，可实现时间自动校准，零误差，也可以根据教务需要实时发布相关教务信息，后端平台可以实时查看相关终端信息。
打铃系统
具有定时、实时打铃/播音功能，并可实现定时定点定区域定曲目播放，做到无人值守。根据学校课表制定打铃计划，并与学校大平台对接，可及时查看终端情况及实时制定打铃策略。
应用效果
项目于2020年2月建设完成，正逢疫情。为确保学校教学秩序在疫情期间的正常、平稳、有序，把疫情对教学的冲击降到最低，从而实现“停课不停学”，项目实现了与学校教务系统对接，实时更新云录播系统和教学督导系统内的教学班信息和课表信息；实现采用校内身份认证方式登录云录播系统，老师在智慧教室通过云录播教室授课+第三方云平台进行直播授课，学生能够在家利用网络，登录学校信息门户，在云录播平台按时点击课表中对应课程进行在线上课。老师授课课程自动保存在老师对应的信息门户云直录播平台，可以点播或下载。对于团队授课的老师，主讲老师可以对其他老师进行课程直播观看授权，得到授权后，非任课老师也可以观看课程直播。
从2020年2月下旬起，学校为一教所有智慧教室开通直录播功能。自3月2日正式开通直录播后，截止到7月3日，直录播课程17568节，观看学习人数累计1565212人次，涵盖221个教学班、学生人数近16271人，占比学校本科生人数超过90%，实时在线学习人数最多达6000人。
在课程设计与教室选择上，许多老师出于改变和优化教学方法的考量，选择使用互动型智慧教室，以便于开展多种类型的教学模式，如小组讨论、学生展示和情景模拟等的支持。
挑战与展望
首先，智慧教室建设是基于一个智慧化的教学环境，借助新的信息技术引导学生自主学习，增强师生交流互动，但不能为了互动而互动。其次，信息化建设领域的变化日新月异，智慧教室功能要有所取舍。最后，智慧教室目前还没有形成统一的标准体系，各高校智慧教室的建设，主要是在借鉴已建高校智慧教室的基础上，加上自身的理解，结合厂商的产品，建设的一个方案，但照搬到其他学校，可能并不适合。而且，标准的缺失影响了不同企业的智慧教室产品间的相互识别与互通互联。
下一阶段，学校将考虑采用目前最流行的CANVAS课程平台，进一步实现课堂教学、互动教学、自主学习讨论、远程互动教学、移动学习、线上作业布置批改、在线教学督导、课堂教学质量在线评估、教师教学自我提升和相互提升等功能，完成课前、课中、课后教学全生命周期的无间隙管理。主要包括几个方面：常态教学情形下，线上线下联动教学新机制的构建；在课程平台中嵌入学校的直录播平台，线上教学督导，实现实时课堂与教学过程管理的无缝连接；重视学生教学参与度，探讨建立后疫情时期全新教学模式，实现线上+线下相结合、课前预习、线上学习、线上互动、作业布置批改的新教学模式。
总的来说，智慧教室建设弥补了传统多媒体室存在的不足，大大丰富了网络教学资源和现代化教学手段。在智慧教学环境中，除了传统多媒体教学模式之外，以问题为导向的探究性课内活动，能启发学生运用基本原理，深入思考解决方案，引导其掌握课程知识点，促进了师生之间和学生之间的交流互动，有助于教学相长。智慧教室教学环境建设完成后，大部分互动讨论式教室，研讨型、翻转课堂等教学形式非常有利于向学生传授知识与技能，有利于培养学生的思维能力，更重要的是有助于学生正确价值观的养成，应成为学校未来教学的重要方式。如果老师仍沿用“PPT+板书”的教学模式，这些讨论式教学设备将沦为“摆设”。
如何适应硬件教学环境的改善，对学生和老师都是一个挑战。只有改进教学手段，自觉适应智慧教室教学模式，才能在智慧教室上好课，并进一步让学生喜欢在这些教室上课，让智慧教室名符其实。（责编：朴艺娜）
（本文受上海理工大学2019年度教师教学发展研究项目CFTD194076资助） 作者：王兵、董小亮、周亦敏（上海理工大学信息化办公室）
