借鉴领域信息化的普遍规律及网络标准化研究的基本分层方法，智慧教室的IT技术架构设计采取层次化的体系结构，有助于创建一个更好的互连环境，降低体系的复杂度，方便层间标准接口的工程模块化。

下面设计的IT技术架构模型，如图3.29所示，自底层往高层依次为感知层、网络层、服务层、应用层和终端层。

图3.29　智慧教室的IT技术架构模型

1.感知层

感知层主要负责感知教室环境设备的数据信息，感知层相关技术部署于每间智能教室内，包括各种无线传感网络感知节点、网络摄像头感知节点、硬件设备感知节点、射频识别感知节点、智能设备电子标签感知节点、实时采集教室生态环境、多媒体设备状态等数据信息，与网络层、应用层动态交互。智慧教室感知层结构如图3.30所示。^[51]

图3.30　智慧教室感知层结构

感知层为所有上层提供最重要的信息来源。此层将各种感应识别设备安装在物理设施上，如智能传感器、智能控制器。智能传感器近几年发展十分迅速，包括声敏传感器、光敏传感器、温湿敏传感器、气敏传感器、人体位置传感器等，用来感知教室的环境信息、人员的相关活动状态，是实现自动检测、控制的首要环节。

智能控制器根据应用需求控制相关设备，如多媒体设备控制器，教师选择学科后，系统依据该教师教学风格智能开启多媒体设备，有效节省课堂准备时间。各类智能传感器与控制器形成一个互通互联的物联网，及时捕获教室环境信息并完成特定命令，为智慧教室各种应用提供数据支撑。类似于这个教学环境有了生物学特性，能感知也能反应。目前，ZigBee、IP CAM、语音识别技术、RFID等智能感知逐渐兴起。

2.网络层

网络层向上传送感知信息，向下传递命令，是物联网的“大脑”及“神经中枢”，主要负责智慧教室数据信息的传递和处理，是连接感知层和服务层的枢纽，是智慧教室重要的基础设施。网络层基于校园网设施，在每个智慧教室部署智能网关，利用通信组网技术包括有线技术（如CAN现场总线、以太网、RS-485总线等）和无线技术（如低功耗的ZigBee、无线WiFi、Thread、移动4G等），通过组网技术将教室各种硬件设施设备连接成一个联通的网络系统，基于智能网关或无线路由器把感知层采集的数据传输处理，实现智能教室信息互联互通、设备联动控制等。IPv6作为通用协议，相比IPv4速度更快，具有更加稳定的通信能力、更大的地址空间。这些技术为感知层采集的信息提供高覆盖、高速率的传输服务，为教室系统应用提供稳定可靠的接入服务，也是智慧教室实现随需、无所不含、泛在网络的重要支撑。

3.服务层

对传输汇聚而来的信息进行高效整合利用，是智慧教室架构的精髓，主要实现对数据的存储、检索、挖掘、学习及保护功能。据其数据功能及技术，将服务层细分为云计算层、大数据层、应用层及终端层。

（1）云计算层。云服务廉价且便利，大量的教育资源迁移到云上，建设区域化、分布式教育教学资源指日可待。“云”中教育资源易于使用，学生可随时随需选择学习内容，提高学习效率，有助于发展创新能力，也能促使教师适应基于云环境的教与学，转变教学观念。拥有云环境，降低学校教育信息系统搭建的成本，解决资源闭塞、更新缓慢等信息问题，提高学校管理能力。系统可通过接入公共企业云，获取优质的云服务，如微软、Google、IBM、阿里等云平台。

（2）大数据层。大数据层的核心价值是在海量数据下挖掘、分析学生的学习习惯和思维偏差，找到满足学生兴趣的学习方式与资源，根据学生需求分析，有针对性地调整自身。一方面，教师方便全面真实了解每个学生，实施个性化教学；另一方面，学生通过了解自己的学习状态，开展有效的自主学习。

（3）应用层。该层从“以数据为中心”转化为“以人为中心”，基于感知层收集、网络层传输、服务层挖掘的信息，催生出诸多外延应用。智慧教室包含的场所多、设备繁、连接杂、数据大，应用分四类：资产管理、教学管理、教学应用和社会化服务。

资产管理主要包括照明管理、空调管理、门禁管理、实录监控管理、多媒体设备管理、IP广播等。智慧教学环境下的设备不再孤立存在，多个设备的应用集于一体，具有情景感知、设备协作等特点。通过协调多个设备，可整合出更多的功能服务。教学管理与教学应用属较高层次应用，教学管理支持的管理包括评价分析，支持学生对班级、课程、教师、环境等的评价；考勤分析，支持对师生早退、请假、旷课数据的记录与量化。教学应用提供以下教学支持：

第一是支持资源服务。支持教学资源的海量存储、高速传输、实时交互，提高师生资源检索和使用效率；支持纸本内容数字化、课堂现场录制，开展高效评量服务，保存每位学生的学习评量历程，建造学习大数据库，进一步挖掘和分析数据。

第二是支持个性诊断。云计算虚拟桌面技术实现终端设备最小化，手机、平板可接入教室内学习系统，开启个性化学习。运用学习诊断分析技术，学生作业上传即可取得诊断报告，方便教师进一步深入分析学习状况。

第三是支持补救教学。学生间学习表现差别大，补救内容不尽相同。评量和个性化诊断服务，产生丰富的教与学数据，涉及电子教材、数字笔记、活动历程、诊断报告及补救音视频。这些数据自动上传至云端补救平台，学生直接登入学习系统，进行课后补救学习，减少师生负担。

第四是支持泛在学习。冲破封闭式的传统教室，学生可携带不同终端设备，进行随时随需的无缝交流与学习。社会化服务居于智慧教室应用最高层次。从智慧教室环境下产生的海量数据中挖掘有意义的、人工不易获取的信息，为智慧教室提供智能决策。社会化服务将促使教学模式转变、人才培养模式创新。

（4）终端层。交互终端设备有PC终端、移动终端、控制终端、多屏展示终端、一卡通、自主设备、可穿戴设备等。这些终端设备基于师生身处的特定环境提供个性化、自适应的人机交互模式。终端使用者有教师、学生、家长、教育管理者、社会公众。不同角色对应不同接口，才能实现对推送内容的个性化样式定制、个性化内容定制、个性化服务定制及个性化内容推荐。

教师端：辅助教师做好评量及诊断工作，开展个性化教学，如批作业系统，用特定机器快速扫描采集作业数据，精确统计错误率；选择题统计每个选项的答题人数；简答题统计出现频率高的字词等。

学生端：学生按个人喜好选择界面样式，云端会对个人学习阶段特点及知识掌握情况进行反馈，形成诊断报告，且系统将推送有针对性的题，避免重复做题，学习效率得到提高。学生节省时间，可参与各种利于身心发展的实践活动，德智体美得以均衡全面发展。

家长端：提供实时的学生诊断书，家长第一时间全面了解孩子身心状况，针对一目了然的优缺点，适时给予鼓励和协助，为学生健康成长提供有效保障。

教育管理端：对班级乃至整个校园收集到的海量数据进行分类、整理、汇总、分析统计，逐渐积累成教育大数据基础，帮助教育管理者了解各班学习状况与教学成效，落实教学精进策略，为学校创设有针对性的校本方案提供依据。

社会公众端：如对于命题者，能准确诊断试题优劣，提升命题品质；而对于其他社会公众，掌握学校教育的新动态，在一定程度上影响社会发展的方向。

智慧教室尚缺乏统一的标准体系。智慧教室从一种概念变为一种现实，进而发展成一定规模，最后形成标准，需要雄厚的技术基础和资金来拓展智慧教室应用。目前在全球范围内尚无统一标准体系出台，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，大大限制技术应用和产品规模化。尽快制定统一、规范的标准，是智慧教室发展的前提。图3.31为智慧教室主要产品结构图。

【注释】

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[2]诺顿，维贝格（Priscilla Norton＆Karin M.Wiburg）著.信息技术与教学创新[M]，吴洪健，倪男奇，译.北京：中国轻工业出版社，2002.

[3]诺顿，维贝格（Priscilla Norton＆Karin M.Wiburg）著.信息技术与教学创新[M]，吴洪健，倪男奇，译.北京：中国轻工业出版社，2002.

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[9]许亚锋，尹晗，张际平.学习空间：概念内涵、研究现状与实践进展[J].现代远程教育研究，2015（3）：82-112.

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