云边协同的极简智慧教室设计与实现

摘要：本研究采用云边协同架构，利用云上平台+边缘节点AI能力，设计具有低成本、高集成、强互动、规模化的极简智慧教室建设模式，通过AI降噪、AI转写、OCR识别实现高质量音频、视频、图文的智能加工、处理，自动生成结构化教学资源，推动学校智慧教室建设从“示范性、比赛性场地建设”上升为“普及化、智慧化环境”，打造以学生为中心的全校范围线上线下混合教学空间，实现面向教育教学资源云共享，围绕教学闭环，构建线上与线下相结合、课内与课外相融合的一体化无边界智慧教学空间体系。

关键词：智慧教室;边缘云;5G专网;中台

中图分类号：TP319  文献标识码：A  论文编号：1674-2117（2022）09-0109-04

2020年2月，教育部印发《2020年教育信息化和网络安全工作要点》，提出深入推进《教育信息化2.0行动计划》，实施好“加快推进教育信息化攻坚行动”。智慧教室作为教育信息化落地实施的场地，是智慧教育发展的基础，因此从2021年起，国内外高校开始大批量建设智慧教室，常态化部署智慧教室。

● 智慧教室

1.定义

智慧教室是教学空间的一种类型，也是智慧教学开展的典型代表场地。黄荣怀等认为智慧教室应该包括内容呈现（Showing）、环境管理（Manageable）、资源获取（Accessible）、及时互动（Real-time Interactive）、情景感知（Testing）五大特征，并构建了智慧教室SMART模型。[1]基于智慧教学空间环境，打造覆盖“教、学、管、评”教学全场景、贯穿“课前、课中、课后”教学全流程的教学服务平台，实现多源教育资源汇聚、混合教学模式快速切换、教育质量精准评价。

2.存在问题

目前，高校智慧教学空间的建设虽然开展得如火如荼，但大部分建设仍然停留在教室设备的智能管理上，采用设备堆叠方式建设，没有统一的资源平台，存在教学关注点不清晰，没有统一规划、不能实现规模化建设，无法实现精准教学评价和个性化学习推送等问题。

● 高校极简智慧教室架构设计

面对当前智慧教室建设的种种问题，需摒弃智慧化教学环境推倒重来、堆叠式建设模式，以当前高校信息化建设为基础，设计一种极简智慧教室架构。笔者认为，针对智慧教室SMART模型的五大特色，智慧教室规模建设可在现有通用多媒体课室的基础上[2]，结合实际教学中的特点和要求，引入AI云平台+AI边缘云，为学生、教师、学校主管部门、课室管理中心等人员提供智慧教学和管理相关服务。

智慧教室建设内容包括教学强相关基础设施、智慧教室中台、教学弱相关基础设施、XR实训室，其中，教学强相关基础设施和智慧教室中台是建设重点（如图1）。

重点建设教学强相关基础设施，可在原有多媒体教室加装录播系统设备，实现资源获取（Accessible）;每间教室增加应用终端，实现实时互动（Real-time Interactive）;每栋楼增加边缘云，实现情境感知（Testing）;数据中心部署AI能力平台，提供云边协同云端AI能力平台。

AI能力平台为智慧应用终端提供AI降噪、语音转写、同声传译、人脸识别、OCR识别等能力，边缘云实现对视频存储的人脸考勤、行为分析等，智慧应用终端作为教室内边缘节点，边缘云作为楼栋边缘节点，通过AI能力，实现教室内设备轻量级部署，AI能力集中后端平台，实现极简智慧教室设计。

1.教学强相关设施层

教学强相关设施层采用极简架构，包括多媒体系统（利用原有多媒体教室）、录播系统、智慧应用终端、边缘云、AI能力平台，各功能模块设备的低耦合、高内聚，实现功能高扩展、运维极简化。

（1）录播系统

录播系统是实现教学过程采集的硬件设备，录播系统中音频质量是一个较难解决的问题。教室是一个开放的空间，周围的风声、雨声、机械声、其他教室人声等都是录播系统的噪声源，严重影响课堂音视频录制的质量。采用AI降噪算法与拾音矩阵相结合的方式很好地解决了这个问题，大大提高了录播的音频质量，又使教室录播系统达到最精简的程度，实现摄像头*2+拾音矩阵*1+扩音麦*1的极简录播系统配置。

常态录播主要用于常态化录制课堂资源，包括6景位视频采集：教师全景+教师近景+学生全景+学生近景+授课屏幕+导播画面。导播画面可以自动跟踪，自动切换景位。

（2）智慧应用终端

智慧应用终端是教室内流量汇聚、功能汇聚节点，是教室边缘节点，采用嵌入式软硬件一体化主机设计，整机静音、无风扇，具有教学过程录制、导播、互动、管理、存储等功能。向下纳入并管理异构录播系统设备，获取教室6路音视频流，对接AI平台，调用云AI能力，实现教学过程的实时语音转写、同声传译、人脸识别等;向上接入智慧教室中台，同步获取课表，上传教学音视频、字幕、图文资源;对接边缘云，边缘云获取教学视频流，进行视频、图文的处理、分析，分析结果自动上传智慧教室中台。

智慧应用终端接入智慧教室中台，课表自动同步，扫码统一认证，教师在教室内只需选择开启需要的软件功能，即可实现极简操作，资源自动加工、汇聚（如上页图2）。

（3）边缘云

边缘云节点是楼栋流量汇聚、AI功能汇聚节点，是楼栋边缘节点，具有AI算法和AI算力，采用云边协同架构下发算法，硬件采用存算检一体智能平台架构进行边缘计算，是边缘AI节点，在智慧教室场景的应用主要是处理、分析视频、图片数据，包括实时、非實时。边缘云采用“算法与资源解耦、算法与数据解耦”的多算法服务框架，构建针对多种算法的差异化运行环境，利用录播系统课堂视频，进行分析，包括实时和非实时视频分析，集成人脸识别、行为分析、区域监控等算法，可按需加载第三方算法，实现批量教室的无感考勤、行为分析，实现对课堂出勤率、课堂混乱程度的预警，并可以作为校园安防、学生AI实训开发的硬件基础平台。

通过边缘云打造教学视频存储和分析平台，教室监控、常态化录播、直播、巡课、督导、无感考勤和课情分析等功能在物理上融合为一体，多个功能摄像头合一重复使用，免录播主机，简化了教室部署和运维，降低了成本，适合快速大规模部署。

（4）AI能力平台

AI能力平台是智慧校园节点，部署在校园数据中心，具有AI算法和AI能力，是云AI节点。通过深度学习平台对不同场景应用进行算法建模、开发、训练等，最终成为成品的AI能力，并将AI能力部署在AI能力服务器，提供AI能力服务，在智慧教室场景的应用主要是音视频数据、图片数据的分析、处理。

（5）网络架构

极简智慧教室架构采用教室、楼栋、校园三级网络架构，支撑大流量并发及存储，并通过建设5G融合专网实现5G+校园的融合，实现泛在网络接入;利用5G切片、高带宽、低时延能力支撑智慧教室视频流、VR/AR实训室、工业互联网工厂及相关的远程在线操作（如上页图3）。

2.智慧教室中台

智慧教室中台提供标准化南北向接口，调用AI平台及边缘云能力，对接教室内智慧应用终端实现教学资源的智能加工、分析、编辑及统一汇聚。

智慧教室中台能提供完善的教学资源生态服务，是整个信息化教学建设中不可或缺的基础服务平台。智慧教室中台能够对所有录制的视频进行实时/按需添加字幕功能，字幕需要系统自动完成，需要支持修改功能，支持语音转写、视频智能切片、OCR识别、人物标签、知识点标签，智能标记某个时间点讲授的关键内容，视频播放时在进度条上展示关键内容图文提醒（图片+文字）。

智慧教室中台对接系统包括：智慧教室中台与学习平台对接，实现学习平台通过智慧教室中台调用教学实时音视频、字幕、图文等，打造高质量混合式教学模式;提供南向接口，支持行业普遍使用的标准协议供异构厂家设备接入，并对接智慧应用终端实现课堂教学过程数据结构化采集存储，与智慧应用各软件对接，实现中台与课室的无缝联动;与AI开放平台对接，调用AI能力，实现实时/非实时智能分析、处理音视频数据;与边缘云对接，获取边缘云加工、分析的人脸识别、行为分析等数据;与直播平台对接，实现课堂教学校内外网分流直播;与教务系统、统一身份系统对接，实现统一认证、权限分配、空间分配。

3.教学平台

教学平台与智慧教室中台对接，获取课堂教学视频，利用教学平台自身的直播间功能、在线教学功能、云教务功能，实现线下教学、直播教学、录播教学、智慧教室教学等多种教学方式的混合教学，多种教学方式之间灵活切换。[3]

4.教学弱相关

智慧教室的环境感知部分包括环境监测（温度、湿度等），智能门禁、智能空调、智能窗帘、智能灯光等，主要是便于教学管理，对于教学资源的生产、混合教学的开展、精准评价的数据采集基本没有作用，因此可以结合资金总量情况，弱化教学弱相关基础设施的建设。

● 边缘AI架构智慧教室应用

智慧应用终端定义标准南向接口，基于标准协议设计开发，南向接口实现异构设备统一接入、管理，完全兼容、利用原有多媒体教室摄像头、PC等;调用AI能力平台语音转写能力，在教室边缘侧实现讲课过程的语音转写。

边缘云将AI能力平台的视频、图片算法在本地加载，实现教学视频切片、无感考勤、课堂分析等。

智慧教室中台对接智慧应用终端实现异构硬件设备的接入，实现校本資源统一管理平台，实现资源的统一汇聚。边缘架构的智慧教室实现教室内设备极简、对教室环境要求极简，通过AI能力，借助教室内智慧应用终端、楼栋边缘云即可实现教学过程的自动、智能处理，实现教学过程的结构化保存。

智慧教室中台可实现以下功能：①视频录制。支持按课表、按现场教师打卡，开始执行常态录播模块功能进行教学视频录制，录播视频存入智慧教室中台，并调用AI开放平台和边缘云AI集群对教学过程进行加工、分析、存储、视频剪辑、制作，平台具有权限控制，教师只能查看自己课堂的录播视频及相关AI分析处理数据。②视频编辑。支持统一集中录像管理功能，教师可根据权限对自己的课程视频进行获取、播放、删除、编辑、下载、锁定等操作。提供资源回收站功能，可对误删除的资源进行再次恢复。提供视频上传记录功能，可查看各个录播主机的视频上传情况。③视频管理。教师可根据权限对录制视频进行管理，上传视频管理、视频审核、视频推荐、视频观看。④教学督导。支持在线巡课，查看教室的实时监控画面、进行画面切换控制、查看课堂动态、对课堂进行评价、对课堂截图录像、查看巡课记录。[4]⑤视频调用。提供视频调用接口，可实时调用课室内任一路视频用于直播教学;可按需将录播视频上传至教学平台。⑥课堂评价。考勤数据、课堂质量数据、课堂动态等数据统计与展示。

● 结束语

云边AI驱动的简约型智慧教室架构推动学校的智慧教学空间建设普及化，支撑泛在教育，创新教学模式，提高整体教学质量的转变，利用“互联网+教育”思维，挖掘先进的教学理念，应用物联网、云计算、大数据、人工智能等先进技术，构建教育教学新场景和互联网形态教学环境体系。

参考文献：

[1]王玉龙，蒋家傅.以需求为导向的智慧教室系统构建[J].现代教育技术，2014，24（06）：99-105.

[2]蔡建轩，李梅.高职院校多功能智慧教室的设计与实现[J].中国教育网络，2018（08）：68-70.

[3]郑凯，刘丽清，林南晖.华南师范大学以“新师范”为理念，打造教学支撑环境[J].中国教育网络，2019（Z1）：56-59.

[4]冯广，伍文燕.广东工业大学“智慧工厂”破解跨校区管理难题[J].中国教育网络，2020（01）：60-62.

作者简介：石琳（1986—），女，河南人，硕士研究生，研究方向为教育信息技术。

基金项目：教育部中国高校产学研创新基金（数字化智能引擎驱动无边界学习空间构建：2021ALA02003）。