多终端互动视域下高校智慧教室的建设 ——基于南京大学的案例研究

摘要：南京大学大力发展教育信息化，在传统教室已不能完全满足教学需求时，智慧教室应运而生。作为信息技术高度发展的必然产物，智慧教室的建设既要解决现实的课堂教学问题，又要应对技术更新迭代带来的挑战，这就必须抓住智慧教室的核心——多终端互动系统。本文深入探索南京大学智慧教室中多终端互动系统的建设，分析各模块的内容和功能，致力于总结出一套相对完善的系统建设经验。

关键词：智慧教室；多终端互动系统；南京大学

“互联网+教育”战略的加速推进，给高等教育带来了深远的影响^[1]，它不但重塑了教育理念，而且重构了课堂的教学环境。智慧教室作为高校教学改革的重要阵地，其核心是深度互动。目前学界有大量研究来验证智慧教室是否解决了传统课堂的互动问题。部分结果表明智慧教室互动质量较高，优于传统课堂^[2]，也有不少学者认为，智慧教室互动在本质上并没有超越传统课堂。究其原因，这不仅源于教学设计的缺失，也由于目前技术手段不能充分支持师生的互动需求。如何从技术层面为师生提供深度互动的支持，已成为教育技术领域的研究热点^[3]。

多种信息技术广泛应用在智慧教室中，包括情境感知、多点触控、多屏显示、云计算、分布式伺候等。2003年加拿大麦基尔大学^[4]设计了所有设备集成化的智能接口，以避免教师由于复杂的操作影响了教学效果。2006年DELL^[5]推出的智能教室提供了一套完整的技术方案，其核心是使用交互式白板和无线书写板，与其他设备联动，实现多终端的同步显示。虽然经历了近二十年的演变，但多终端互动始终是智慧教室中直接服务于课堂教学的核心技术。

多终端互动是指基于终端间的通讯协议，通过无线网连接，在各种终端之间进行多媒体的传输、控制、播放等操作。目前有多种协议，但兼容性较低，所以建设系统的首要任务就是解决兼容问题，目前使用较多的协议包括WIDI，DLNA，AirPlay和闪联。

智慧教室一种新型学习空间，围绕学习空间的观点论述，在目标或过程中都涉及到了建构主义。Peter和Kym认为，高等教育制度中学习空间的下一个阶段设计应当是能够辅助学生实现期望，提供一个丰富的学习环境，一个如情境学习理论中提倡的，能够帮助学生处理已有知识和发展知识，以及帮助他们构建学习理论辨识技巧的环境^[6]。学习空间的使用从学习方法和性质的角度划分，分为四种模式：直接教学、合作学习、探究式学习和个性化学习。南京大学的智慧教室建设紧密围绕这四种模式开展，从环境空间、信息技术等各方面建设新型学习空间。

学校立足教学需求，建设遵循四条原则：1.稳定性。采用成熟可靠的、已有过成功案例的解决方案和软硬件；2.可用性。充分考虑教学需求和学校发展规划，解决实际问题，避免为了追求功能而给师生带来额外操作负担；3.前瞻性。在稳定的基础上，采用先进的、开创性的技术，凸显智慧二字。4.可扩展性。智慧教室是一个系统工程，在顶层设计的指导下，充分考虑未来可能的扩展和升级。

南京大学智慧教室多终端互动建设主要包括了四大模块。

一、智能无线网络环境

每间教室配置1台无线AP和1台无线系统控制器，确保信号全覆盖，可承载80人接入无线网络，每人2M码流。AP和控制器接入24口千兆交换机，实现以下具体功能：

1、无线系统控制器启动后生成二维码，作为授权即时凭证，每次启动时更新；二维码显示到投影幕和学生机，也可通过信号矩阵切换二维码输出终端。

2、所有接入AP的终端均需扫描二维码获得授权，以访问智慧教室之外的网络，否则只能关联AP，无法访问外网。

3、终端隔离功能确保其他非法用户即使接入网络也无法通讯。

二、交互式高清多媒体系统

教室后方和无窗的一侧各悬挂1幅119英寸16:9电动幕布，配备4500以上流明的激光投影机，分辨率达1920*1080。教室前方壁挂2台85英寸交互式液晶平板。讲台配备1台台式机，学生分为6组，每组配备1台台式机和3块显示屏。所有高清信号通过HDMI光传输设备接入高清无缝混合矩阵，4台主显示设备可任意显示7台教学电脑的信号，并可通过中控在多种画面之间互相切换。

系统配置无线高清互动显示处理器，接入教室中控，支持各种移动终端无线投屏。当处理器出现故障时，自动切换为智能转发模式继续传输数据，确保无线投屏正常使用。

对使用频率最高的85英寸交互式液晶平板进行测试。

1.多点触控测试：多人同时书写任意内容，经检测大屏支持三点同时触控。

2.触控响应速度测试：从任一点向各个方向画长直线，经测试触控轨迹与成像轨迹基本一致，但是存在时延现象，书写速度越快时延现象越明显。

3.触控精度测试：快速书写多个字符，没有漂移、断点等现象。测试单击选中、双击打开、长按弹出菜单、双指缩放以及单指拖动。测试发现，双击打开功能需要极其精准的敲打在同一像素点才能实现，而其他常用手势正常。

产生以上测试结果的原因多为红外触控屏厂商采用轨迹分析法进行曲线平衡，虽然能够达到较好的曲线平滑效果，但是算法时间复杂度较高，且对每次触控的轨迹都会进行分析，影响精度也耗费时间；另一个原因是多点触控时，触控数据包数量较多，处理器速度有限，会产生时延现象。

三、翻转课堂互动教学系统

传统课堂中，受技术所限，高频互动和及时反馈是难以实施的，而智慧教室的优势就是基于互联网+的大数据思维。南京大学智慧教室建设翻转课堂互动教学系统，秉持融合创新的教学理念，极大地提升了教学效率、丰富了教学手段，有效解决以往传统教学互动中的诸多弊端和过程评价体系的缺失，力争为学校实施以学生为中心的教学改革和创新人才培养提供技术支持和数据支撑。

互动教学系统有效的将各类数据打通，实现了课前、课中、课后的教学一体化；实现了教务教学的一体化；实现了课堂教学与评估的一体化；实现了传统学习与泛在学习的一体化。不再把学生看作是被动的知识储蓄罐,而是把学生当作学习内容的评价人、传播者以及建构师。

四、云录播系统

云录播系统现在已经成为了智慧教室的标配，通常采用自动跟踪拍摄、智能图像切换、网络实时摄录编播和远程集中控制等多项数字技术。南京大学每间智慧教室配置1台高清视讯互动主机，是高集成度嵌入式一体化设备，集互动、录制、直播和存储等功能于一机，内置MCU，支持2方以上远程互动，采用标准H.323协议，能够实现视讯主机与视讯主机，视讯主机与视频会议终端进行互动。每间智慧教室前方两侧分别安装1台学生摄像机和全景摄像机，后方安装1台教师跟踪高清摄像机，以中景镜头连续跟踪拍摄教师，支持教师活动区域设置，能够识别教师在讲台区域或是在学生区域，实现不同场景的切换。

教师可以通过中控实现一键开启和关闭课程录制，并通过录播主机拷贝课程录像，整个过程教师一人即可自助完成；教室内采用全高清摄像机和全向话筒采集教师和学生的音视频信号，并采集教学课件，实时通过教室的视讯主机将各路信号整合后以资源模式的形式发布到资源平台，授课教师可以决定授课录像是否供其他教师和学生点播；资源平台可高效整合各学科优秀教学资源，教师足不出户就可以加入到教研活动之中，提高教研活动的互动性。与此同时，系统管理员可通过远程管理软件对所有录播教室、人员权限、课程录像等进行统一管理。

智慧教室云录播系统还为多地互动教学、在线远程督导创造了有利条件。利用云录播系统，师生和校内外各单位可以进行远程互动教学，远程的教室画面能够在智慧教室内任一终端输出，并可通过视频、语音和文字的方式与各地师生进行远程互动交流，最大程度复原、模拟真实的课堂授课环境。利用云录播系统，督导老师无需到现场就可全面客观地了解教学实际情况，大幅提高效率、缩减成本。

南京大学智慧教室的建设立足于学校发展，服务于师生教学，着眼于教学改革，在智慧教室建设中，有机融合了无线网络、交互式多媒体系统、互动教学系统和云录播系统，在当下可以最大限度的满足多种课堂教学需求。当今的教育改革必然离不开教育信息化的发展，这就促使教育研究者们更加积极主动的探索智慧教室建设这一领域。理论的创新、技术的革新和设备的更新，已然成为了推动智慧教室不断发展的强大驱动力。多终端互动系统符合当代开放、融合、共享、智能的教学环境的要求，能够支撑直接教学、合作学习、探究式学习和个性化学习等多种教学模式。在可以预见的未来，多终端互动系统依然会在智慧教室的课堂教学中扮演极其重要的角色，如何充分发挥其作用，这是每一位南京大学教育信息化工作者需要思考的课题。

参考文献

[1]黄俭.以互联网思维引领我国的“互联网+”教育战略[J].中国电化教育,2017,1:99-104.

[2]张屹,祝园,白清玉.智慧教室环境下小学数学课堂教学互动行为特征研究[J].中国电化教育,2016,6:43-48.

[3]李红美,王镇国,韦俊楠.面向移动终端课堂互动信息的可视化分析——以高中数学为例[J].现代教育技术,2017,2:113-119.

[4]The McGill Intelligent Classroom[E], http://www.engineering.mcgil.ca/.

[5]陈卫东，叶新东，张际平.智能教室研究现状与未来展望[]，远程教育杂志，2011 年第4期，39-45.

[6]Peter Ling and Kym Fraser, Pedagogies for next generation learning spaces: theory, context, action. The future of learning and teaching in text generation learning spaces[G]. Emerald Group Publishing Limited. 2014. P78.