摘要：本研究采用云邊協(xié)同架構(gòu)，利用云上平臺(tái)+邊緣節(jié)點(diǎn)AI能力，設(shè)計(jì)具有低成本、高集成、強(qiáng)互動(dòng)、規(guī)?；臉O簡(jiǎn)智慧教室建設(shè)模式，通過AI降噪、AI轉(zhuǎn)寫、OCR識(shí)別實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量音頻、視頻、圖文的智能加工、處理，自動(dòng)生成結(jié)構(gòu)化教學(xué)資源，推動(dòng)學(xué)校智慧教室建設(shè)從“示范性、比賽性場(chǎng)地建設(shè)”上升為“普及化、智慧化環(huán)境”，打造以學(xué)生為中心的全校范圍線上線下混合教學(xué)空間，實(shí)現(xiàn)面向教育教學(xué)資源云共享，圍繞教學(xué)閉環(huán)，構(gòu)建線上與線下相結(jié)合、課內(nèi)與課外相融合的一體化無邊界智慧教學(xué)空間體系。

關(guān)鍵詞：智慧教室;邊緣云;5G專網(wǎng);中臺(tái)

中圖分類號(hào)：TP319? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 論文編號(hào)：1674-2117（2022）09-0109-04

2020年2月，教育部印發(fā)《2020年教育信息化和網(wǎng)絡(luò)安全工作要點(diǎn)》，提出深入推進(jìn)《教育信息化2.0行動(dòng)計(jì)劃》，實(shí)施好“加快推進(jìn)教育信息化攻堅(jiān)行動(dòng)”。智慧教室作為教育信息化落地實(shí)施的場(chǎng)地，是智慧教育發(fā)展的基礎(chǔ)，因此從2021年起，國(guó)內(nèi)外高校開始大批量建設(shè)智慧教室，常態(tài)化部署智慧教室。

● 智慧教室

1.定義

智慧教室是教學(xué)空間的一種類型，也是智慧教學(xué)開展的典型代表場(chǎng)地。黃榮懷等認(rèn)為智慧教室應(yīng)該包括內(nèi)容呈現(xiàn)（Showing）、環(huán)境管理（Manageable）、資源獲取（Accessible）、及時(shí)互動(dòng)（Real-time Interactive）、情景感知（Testing）五大特征，并構(gòu)建了智慧教室SMART模型。[1]基于智慧教學(xué)空間環(huán)境，打造覆蓋“教、學(xué)、管、評(píng)”教學(xué)全場(chǎng)景、貫穿“課前、課中、課后”教學(xué)全流程的教學(xué)服務(wù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)多源教育資源匯聚、混合教學(xué)模式快速切換、教育質(zhì)量精準(zhǔn)評(píng)價(jià)。

2.存在問題

目前，高校智慧教學(xué)空間的建設(shè)雖然開展得如火如荼，但大部分建設(shè)仍然停留在教室設(shè)備的智能管理上，采用設(shè)備堆疊方式建設(shè)，沒有統(tǒng)一的資源平臺(tái)，存在教學(xué)關(guān)注點(diǎn)不清晰，沒有統(tǒng)一規(guī)劃、不能實(shí)現(xiàn)規(guī)?；ㄔO(shè)，無法實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)教學(xué)評(píng)價(jià)和個(gè)性化學(xué)習(xí)推送等問題。

● 高校極簡(jiǎn)智慧教室架構(gòu)設(shè)計(jì)

面對(duì)當(dāng)前智慧教室建設(shè)的種種問題，需摒棄智慧化教學(xué)環(huán)境推倒重來、堆疊式建設(shè)模式，以當(dāng)前高校信息化建設(shè)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)一種極簡(jiǎn)智慧教室架構(gòu)。筆者認(rèn)為，針對(duì)智慧教室SMART模型的五大特色，智慧教室規(guī)模建設(shè)可在現(xiàn)有通用多媒體課室的基礎(chǔ)上[2]，結(jié)合實(shí)際教學(xué)中的特點(diǎn)和要求，引入AI云平臺(tái)+AI邊緣云，為學(xué)生、教師、學(xué)校主管部門、課室管理中心等人員提供智慧教學(xué)和管理相關(guān)服務(wù)。

智慧教室建設(shè)內(nèi)容包括教學(xué)強(qiáng)相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施、智慧教室中臺(tái)、教學(xué)弱相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施、XR實(shí)訓(xùn)室，其中，教學(xué)強(qiáng)相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施和智慧教室中臺(tái)是建設(shè)重點(diǎn)（如圖1）。

重點(diǎn)建設(shè)教學(xué)強(qiáng)相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施，可在原有多媒體教室加裝錄播系統(tǒng)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)資源獲?。ˋccessible）;每間教室增加應(yīng)用終端，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)互動(dòng)（Real-time Interactive）;每棟樓增加邊緣云，實(shí)現(xiàn)情境感知（Testing）;數(shù)據(jù)中心部署AI能力平臺(tái)，提供云邊協(xié)同云端AI能力平臺(tái)。

AI能力平臺(tái)為智慧應(yīng)用終端提供AI降噪、語(yǔ)音轉(zhuǎn)寫、同聲傳譯、人臉識(shí)別、OCR識(shí)別等能力，邊緣云實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻存儲(chǔ)的人臉考勤、行為分析等，智慧應(yīng)用終端作為教室內(nèi)邊緣節(jié)點(diǎn)，邊緣云作為樓棟邊緣節(jié)點(diǎn)，通過AI能力，實(shí)現(xiàn)教室內(nèi)設(shè)備輕量級(jí)部署，AI能力集中后端平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)極簡(jiǎn)智慧教室設(shè)計(jì)。

1.教學(xué)強(qiáng)相關(guān)設(shè)施層

教學(xué)強(qiáng)相關(guān)設(shè)施層采用極簡(jiǎn)架構(gòu)，包括多媒體系統(tǒng)（利用原有多媒體教室）、錄播系統(tǒng)、智慧應(yīng)用終端、邊緣云、AI能力平臺(tái)，各功能模塊設(shè)備的低耦合、高內(nèi)聚，實(shí)現(xiàn)功能高擴(kuò)展、運(yùn)維極簡(jiǎn)化。

（1）錄播系統(tǒng)

錄播系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)教學(xué)過程采集的硬件設(shè)備，錄播系統(tǒng)中音頻質(zhì)量是一個(gè)較難解決的問題。教室是一個(gè)開放的空間，周圍的風(fēng)聲、雨聲、機(jī)械聲、其他教室人聲等都是錄播系統(tǒng)的噪聲源，嚴(yán)重影響課堂音視頻錄制的質(zhì)量。采用AI降噪算法與拾音矩陣相結(jié)合的方式很好地解決了這個(gè)問題，大大提高了錄播的音頻質(zhì)量，又使教室錄播系統(tǒng)達(dá)到最精簡(jiǎn)的程度，實(shí)現(xiàn)攝像頭*2+拾音矩陣*1+擴(kuò)音麥*1的極簡(jiǎn)錄播系統(tǒng)配置。

常態(tài)錄播主要用于常態(tài)化錄制課堂資源，包括6景位視頻采集：教師全景+教師近景+學(xué)生全景+學(xué)生近景+授課屏幕+導(dǎo)播畫面。導(dǎo)播畫面可以自動(dòng)跟蹤，自動(dòng)切換景位。

（2）智慧應(yīng)用終端

智慧應(yīng)用終端是教室內(nèi)流量匯聚、功能匯聚節(jié)點(diǎn)，是教室邊緣節(jié)點(diǎn)，采用嵌入式軟硬件一體化主機(jī)設(shè)計(jì)，整機(jī)靜音、無風(fēng)扇，具有教學(xué)過程錄制、導(dǎo)播、互動(dòng)、管理、存儲(chǔ)等功能。向下納入并管理異構(gòu)錄播系統(tǒng)設(shè)備，獲取教室6路音視頻流，對(duì)接AI平臺(tái)，調(diào)用云AI能力，實(shí)現(xiàn)教學(xué)過程的實(shí)時(shí)語(yǔ)音轉(zhuǎn)寫、同聲傳譯、人臉識(shí)別等;向上接入智慧教室中臺(tái)，同步獲取課表，上傳教學(xué)音視頻、字幕、圖文資源;對(duì)接邊緣云，邊緣云獲取教學(xué)視頻流，進(jìn)行視頻、圖文的處理、分析，分析結(jié)果自動(dòng)上傳智慧教室中臺(tái)。

智慧應(yīng)用終端接入智慧教室中臺(tái)，課表自動(dòng)同步，掃碼統(tǒng)一認(rèn)證，教師在教室內(nèi)只需選擇開啟需要的軟件功能，即可實(shí)現(xiàn)極簡(jiǎn)操作，資源自動(dòng)加工、匯聚（如上頁(yè)圖2）。

（3）邊緣云

邊緣云節(jié)點(diǎn)是樓棟流量匯聚、AI功能匯聚節(jié)點(diǎn)，是樓棟邊緣節(jié)點(diǎn)，具有AI算法和AI算力，采用云邊協(xié)同架構(gòu)下發(fā)算法，硬件采用存算檢一體智能平臺(tái)架構(gòu)進(jìn)行邊緣計(jì)算，是邊緣AI節(jié)點(diǎn)，在智慧教室場(chǎng)景的應(yīng)用主要是處理、分析視頻、圖片數(shù)據(jù)，包括實(shí)時(shí)、非實(shí)時(shí)。邊緣云采用“算法與資源解耦、算法與數(shù)據(jù)解耦”的多算法服務(wù)框架，構(gòu)建針對(duì)多種算法的差異化運(yùn)行環(huán)境，利用錄播系統(tǒng)課堂視頻，進(jìn)行分析，包括實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)視頻分析，集成人臉識(shí)別、行為分析、區(qū)域監(jiān)控等算法，可按需加載第三方算法，實(shí)現(xiàn)批量教室的無感考勤、行為分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)課堂出勤率、課堂混亂程度的預(yù)警，并可以作為校園安防、學(xué)生AI實(shí)訓(xùn)開發(fā)的硬件基礎(chǔ)平臺(tái)。

通過邊緣云打造教學(xué)視頻存儲(chǔ)和分析平臺(tái)，教室監(jiān)控、常態(tài)化錄播、直播、巡課、督導(dǎo)、無感考勤和課情分析等功能在物理上融合為一體，多個(gè)功能攝像頭合一重復(fù)使用，免錄播主機(jī)，簡(jiǎn)化了教室部署和運(yùn)維，降低了成本，適合快速大規(guī)模部署。

（4）AI能力平臺(tái)

AI能力平臺(tái)是智慧校園節(jié)點(diǎn)，部署在校園數(shù)據(jù)中心，具有AI算法和AI能力，是云AI節(jié)點(diǎn)。通過深度學(xué)習(xí)平臺(tái)對(duì)不同場(chǎng)景應(yīng)用進(jìn)行算法建模、開發(fā)、訓(xùn)練等，最終成為成品的AI能力，并將AI能力部署在AI能力服務(wù)器，提供AI能力服務(wù)，在智慧教室場(chǎng)景的應(yīng)用主要是音視頻數(shù)據(jù)、圖片數(shù)據(jù)的分析、處理。

（5）網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

極簡(jiǎn)智慧教室架構(gòu)采用教室、樓棟、校園三級(jí)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，支撐大流量并發(fā)及存儲(chǔ)，并通過建設(shè)5G融合專網(wǎng)實(shí)現(xiàn)5G+校園的融合，實(shí)現(xiàn)泛在網(wǎng)絡(luò)接入;利用5G切片、高帶寬、低時(shí)延能力支撐智慧教室視頻流、VR/AR實(shí)訓(xùn)室、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)工廠及相關(guān)的遠(yuǎn)程在線操作（如上頁(yè)圖3）。

2.智慧教室中臺(tái)

智慧教室中臺(tái)提供標(biāo)準(zhǔn)化南北向接口，調(diào)用AI平臺(tái)及邊緣云能力，對(duì)接教室內(nèi)智慧應(yīng)用終端實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源的智能加工、分析、編輯及統(tǒng)一匯聚。

智慧教室中臺(tái)能提供完善的教學(xué)資源生態(tài)服務(wù)，是整個(gè)信息化教學(xué)建設(shè)中不可或缺的基礎(chǔ)服務(wù)平臺(tái)。智慧教室中臺(tái)能夠?qū)λ袖浿频囊曨l進(jìn)行實(shí)時(shí)/按需添加字幕功能，字幕需要系統(tǒng)自動(dòng)完成，需要支持修改功能，支持語(yǔ)音轉(zhuǎn)寫、視頻智能切片、OCR識(shí)別、人物標(biāo)簽、知識(shí)點(diǎn)標(biāo)簽，智能標(biāo)記某個(gè)時(shí)間點(diǎn)講授的關(guān)鍵內(nèi)容，視頻播放時(shí)在進(jìn)度條上展示關(guān)鍵內(nèi)容圖文提醒（圖片+文字）。

智慧教室中臺(tái)對(duì)接系統(tǒng)包括：智慧教室中臺(tái)與學(xué)習(xí)平臺(tái)對(duì)接，實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)平臺(tái)通過智慧教室中臺(tái)調(diào)用教學(xué)實(shí)時(shí)音視頻、字幕、圖文等，打造高質(zhì)量混合式教學(xué)模式;提供南向接口，支持行業(yè)普遍使用的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議供異構(gòu)廠家設(shè)備接入，并對(duì)接智慧應(yīng)用終端實(shí)現(xiàn)課堂教學(xué)過程數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化采集存儲(chǔ)，與智慧應(yīng)用各軟件對(duì)接，實(shí)現(xiàn)中臺(tái)與課室的無縫聯(lián)動(dòng);與AI開放平臺(tái)對(duì)接，調(diào)用AI能力，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)/非實(shí)時(shí)智能分析、處理音視頻數(shù)據(jù);與邊緣云對(duì)接，獲取邊緣云加工、分析的人臉識(shí)別、行為分析等數(shù)據(jù);與直播平臺(tái)對(duì)接，實(shí)現(xiàn)課堂教學(xué)校內(nèi)外網(wǎng)分流直播;與教務(wù)系統(tǒng)、統(tǒng)一身份系統(tǒng)對(duì)接，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一認(rèn)證、權(quán)限分配、空間分配。

3.教學(xué)平臺(tái)

教學(xué)平臺(tái)與智慧教室中臺(tái)對(duì)接，獲取課堂教學(xué)視頻，利用教學(xué)平臺(tái)自身的直播間功能、在線教學(xué)功能、云教務(wù)功能，實(shí)現(xiàn)線下教學(xué)、直播教學(xué)、錄播教學(xué)、智慧教室教學(xué)等多種教學(xué)方式的混合教學(xué)，多種教學(xué)方式之間靈活切換。[3]

4.教學(xué)弱相關(guān)

智慧教室的環(huán)境感知部分包括環(huán)境監(jiān)測(cè)（溫度、濕度等），智能門禁、智能空調(diào)、智能窗簾、智能燈光等，主要是便于教學(xué)管理，對(duì)于教學(xué)資源的生產(chǎn)、混合教學(xué)的開展、精準(zhǔn)評(píng)價(jià)的數(shù)據(jù)采集基本沒有作用，因此可以結(jié)合資金總量情況，弱化教學(xué)弱相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)。

● 邊緣AI架構(gòu)智慧教室應(yīng)用

智慧應(yīng)用終端定義標(biāo)準(zhǔn)南向接口，基于標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議設(shè)計(jì)開發(fā)，南向接口實(shí)現(xiàn)異構(gòu)設(shè)備統(tǒng)一接入、管理，完全兼容、利用原有多媒體教室攝像頭、PC等;調(diào)用AI能力平臺(tái)語(yǔ)音轉(zhuǎn)寫能力，在教室邊緣側(cè)實(shí)現(xiàn)講課過程的語(yǔ)音轉(zhuǎn)寫。

邊緣云將AI能力平臺(tái)的視頻、圖片算法在本地加載，實(shí)現(xiàn)教學(xué)視頻切片、無感考勤、課堂分析等。

智慧教室中臺(tái)對(duì)接智慧應(yīng)用終端實(shí)現(xiàn)異構(gòu)硬件設(shè)備的接入，實(shí)現(xiàn)校本資源統(tǒng)一管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)資源的統(tǒng)一匯聚。邊緣架構(gòu)的智慧教室實(shí)現(xiàn)教室內(nèi)設(shè)備極簡(jiǎn)、對(duì)教室環(huán)境要求極簡(jiǎn)，通過AI能力，借助教室內(nèi)智慧應(yīng)用終端、樓棟邊緣云即可實(shí)現(xiàn)教學(xué)過程的自動(dòng)、智能處理，實(shí)現(xiàn)教學(xué)過程的結(jié)構(gòu)化保存。

智慧教室中臺(tái)可實(shí)現(xiàn)以下功能：①視頻錄制。支持按課表、按現(xiàn)場(chǎng)教師打卡，開始執(zhí)行常態(tài)錄播模塊功能進(jìn)行教學(xué)視頻錄制，錄播視頻存入智慧教室中臺(tái)，并調(diào)用AI開放平臺(tái)和邊緣云AI集群對(duì)教學(xué)過程進(jìn)行加工、分析、存儲(chǔ)、視頻剪輯、制作，平臺(tái)具有權(quán)限控制，教師只能查看自己課堂的錄播視頻及相關(guān)AI分析處理數(shù)據(jù)。②視頻編輯。支持統(tǒng)一集中錄像管理功能，教師可根據(jù)權(quán)限對(duì)自己的課程視頻進(jìn)行獲取、播放、刪除、編輯、下載、鎖定等操作。提供資源回收站功能，可對(duì)誤刪除的資源進(jìn)行再次恢復(fù)。提供視頻上傳記錄功能，可查看各個(gè)錄播主機(jī)的視頻上傳情況。③視頻管理。教師可根據(jù)權(quán)限對(duì)錄制視頻進(jìn)行管理，上傳視頻管理、視頻審核、視頻推薦、視頻觀看。④教學(xué)督導(dǎo)。支持在線巡課，查看教室的實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面、進(jìn)行畫面切換控制、查看課堂動(dòng)態(tài)、對(duì)課堂進(jìn)行評(píng)價(jià)、對(duì)課堂截圖錄像、查看巡課記錄。[4]⑤視頻調(diào)用。提供視頻調(diào)用接口，可實(shí)時(shí)調(diào)用課室內(nèi)任一路視頻用于直播教學(xué);可按需將錄播視頻上傳至教學(xué)平臺(tái)。⑥課堂評(píng)價(jià)。考勤數(shù)據(jù)、課堂質(zhì)量數(shù)據(jù)、課堂動(dòng)態(tài)等數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與展示。

● 結(jié)束語(yǔ)

云邊AI驅(qū)動(dòng)的簡(jiǎn)約型智慧教室架構(gòu)推動(dòng)學(xué)校的智慧教學(xué)空間建設(shè)普及化，支撐泛在教育，創(chuàng)新教學(xué)模式，提高整體教學(xué)質(zhì)量的轉(zhuǎn)變，利用“互聯(lián)網(wǎng)+教育”思維，挖掘先進(jìn)的教學(xué)理念，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等先進(jìn)技術(shù)，構(gòu)建教育教學(xué)新場(chǎng)景和互聯(lián)網(wǎng)形態(tài)教學(xué)環(huán)境體系。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：石琳（1986—），女，河南人，碩士研究生，研究方向?yàn)榻逃畔⒓夹g(shù)。

基金項(xiàng)目：教育部中國(guó)高校產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新基金（數(shù)字化智能引擎驅(qū)動(dòng)無邊界學(xué)習(xí)空間構(gòu)建：2021ALA02003）。