近幾年《教育信息化2.0行動(dòng)計(jì)劃》《“十四五”數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃》等政策文件明確將智慧教室建設(shè)納入教育新基建核心范疇。為提升教學(xué)環(huán)境質(zhì)量和學(xué)習(xí)體驗(yàn)，各高校正在積極探索人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等新質(zhì)生產(chǎn)力在智慧教室中的應(yīng)用，通過(guò)物聯(lián)感知、數(shù)據(jù)采集和智能分析管控，實(shí)現(xiàn)對(duì)教室空間的精細(xì)化管理與服務(wù)優(yōu)化。智慧教室的環(huán)境不僅關(guān)乎師生的舒適度和教學(xué)效果，也直接影響學(xué)校能源利用效率與管理水平，對(duì)于構(gòu)建高質(zhì)量教育生態(tài)具有不可替代的意義。
智慧教室建設(shè)大致經(jīng)歷了三個(gè)階段。早期描述的是基于電子或技術(shù)增強(qiáng)的教室，直到2008年IBM“智慧地球”概念的提出，智慧教室的內(nèi)涵逐步由技術(shù)裝備擴(kuò)展為以學(xué)習(xí)者為中心的智慧學(xué)習(xí)環(huán)境；近年來(lái)，隨著各類新興技術(shù)的大規(guī)模融合實(shí)踐，高校普遍開(kāi)始構(gòu)建集感知、傳輸、分析與控制于一體的環(huán)境管控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)與精準(zhǔn)管理，為教學(xué)環(huán)境的持續(xù)優(yōu)化提供堅(jiān)實(shí)支撐。
智慧教室環(huán)境建設(shè)現(xiàn)狀
智慧教室環(huán)境是依托物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)，對(duì)教室內(nèi)照明、溫濕度、空氣質(zhì)量、能耗等環(huán)境要素進(jìn)行實(shí)時(shí)感知、智能調(diào)控與動(dòng)態(tài)優(yōu)化的綜合系統(tǒng)，其目標(biāo)是為師生提供舒適、高效、健康的教學(xué)與學(xué)習(xí)空間，智慧教室環(huán)境建設(shè)通常具有智能感知、動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)、節(jié)能環(huán)保和人本導(dǎo)向等特點(diǎn)。
進(jìn)入21世紀(jì)，隨著無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和傳感器技術(shù)的發(fā)展，部分高校開(kāi)始探索對(duì)教室環(huán)境的局部智能化管理，如自動(dòng)照明與節(jié)能空調(diào)系統(tǒng)。而今智慧教室環(huán)境建設(shè)逐漸走向集成化，強(qiáng)調(diào)多模態(tài)技術(shù)融合與教學(xué)場(chǎng)景適配，形成環(huán)境與教學(xué)深度融合的創(chuàng)新形態(tài)。
本研究總結(jié)了當(dāng)前智慧教室環(huán)境建設(shè)的兩類問(wèn)題。
技術(shù)與場(chǎng)景脫節(jié)。現(xiàn)有系統(tǒng)多注重環(huán)境要素的自動(dòng)化調(diào)控，而教室內(nèi)場(chǎng)景包含自習(xí)、課間、討論型課堂、授課型課堂等，缺乏對(duì)教學(xué)場(chǎng)景差異化需求的深入適配。
數(shù)據(jù)協(xié)同性不足。教室環(huán)境數(shù)據(jù)未與師生教學(xué)行為數(shù)據(jù)打通，缺乏統(tǒng)一的分析與決策支持框架，限制了智慧教室對(duì)教學(xué)質(zhì)量提升和資源優(yōu)化配置的深度支撐。
針對(duì)上述問(wèn)題，浙江大學(xué)展開(kāi)智慧教室環(huán)境建設(shè)的實(shí)踐探索，基于物聯(lián)平臺(tái)、智慧數(shù)據(jù)平臺(tái)，將教室的環(huán)境數(shù)據(jù)、師生在環(huán)境下的行為數(shù)據(jù)打通，并結(jié)合教學(xué)不同場(chǎng)景設(shè)計(jì)智能環(huán)境管控系統(tǒng)，旨在為高校智慧教室建設(shè)提供可示范案例。
技術(shù)設(shè)計(jì)
智慧教室環(huán)境管控系統(tǒng)的整體技術(shù)框架遵循“感知—管理—應(yīng)用”的三級(jí)架構(gòu)邏輯。系統(tǒng)以物聯(lián)網(wǎng)為底座，將設(shè)備層與網(wǎng)絡(luò)層作為感知層，實(shí)現(xiàn)對(duì)教室環(huán)境要素的實(shí)時(shí)采集；通過(guò)平臺(tái)層與能力層構(gòu)建管理層，實(shí)現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)的匯聚、存儲(chǔ)、處理與能力管理；最終進(jìn)入應(yīng)用層，依托數(shù)據(jù)建模與智能分析，支撐基于場(chǎng)景的智能決策與動(dòng)態(tài)調(diào)控，形成閉環(huán)優(yōu)化機(jī)制。整體框架如圖1所示。
圖1 智慧教室環(huán)境管控系統(tǒng)整體框架
系統(tǒng)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)可分為三個(gè)階段：一是通過(guò)在教室中布置物聯(lián)平臺(tái)與多類傳感器，完成空間的智能化改造；二是基于傳感器實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)，搭建統(tǒng)一的教室環(huán)境管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)光照、溫濕度、空氣質(zhì)量等關(guān)鍵指標(biāo)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)；三是在平臺(tái)支撐下開(kāi)展師生行為和環(huán)境數(shù)據(jù)的建模與分析，分各類不同的場(chǎng)景構(gòu)建環(huán)境舒適度評(píng)價(jià)模型與綜合指數(shù)。
物聯(lián)網(wǎng)底座。物聯(lián)網(wǎng)底座作為智慧教室環(huán)境管控系統(tǒng)的感知層，主要承擔(dān)教室內(nèi)各類設(shè)備的接入、通信與基礎(chǔ)控制功能。其核心任務(wù)在于實(shí)現(xiàn)環(huán)境要素與能耗設(shè)備的全面感知和統(tǒng)一接入，為上層的數(shù)據(jù)管理與智能分析提供支撐。其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 物聯(lián)網(wǎng)底座拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
教室內(nèi)的通信拓?fù)溆赡┒嗽O(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)關(guān)與環(huán)境管理系統(tǒng)三部分構(gòu)成。各類末端智能/非智能能耗設(shè)備（如照明、空調(diào)、新風(fēng)系統(tǒng)、多媒體設(shè)備等）通過(guò)智慧空開(kāi)進(jìn)行強(qiáng)電管理，并接入物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)；環(huán)境感知設(shè)備（包括溫濕度傳感器、光照度傳感器、空氣質(zhì)量傳感器、噪聲傳感器、人員檢測(cè)設(shè)備等）則通過(guò)有線或無(wú)線方式與物聯(lián)網(wǎng)關(guān)相連。物聯(lián)網(wǎng)關(guān)承擔(dān)協(xié)議適配與指令轉(zhuǎn)發(fā)的功能，一方面將應(yīng)用層的管控指令下發(fā)至終端設(shè)備，另一方面負(fù)責(zé)采集設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和屬性信息并上傳至上層系統(tǒng)。
教室環(huán)境管理。教室環(huán)境管理作為智慧教室環(huán)境管控系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)，主要依托統(tǒng)一的環(huán)境管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)各類環(huán)境要素的集中化監(jiān)測(cè)與一體化管控。該平臺(tái)位于系統(tǒng)的管理層，既承接感知層上傳的數(shù)據(jù)，又為應(yīng)用層的智能分析與場(chǎng)景建模提供數(shù)據(jù)與能力支撐。
教室環(huán)境管理平臺(tái)以物聯(lián)中臺(tái)為基礎(chǔ)，面向多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一接入與處理，提供數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、分析和可視化等能力。平臺(tái)對(duì)接各類傳感器與智能設(shè)備，實(shí)時(shí)接收光照、溫濕度、空氣質(zhì)量、噪聲水平及人員活動(dòng)等數(shù)據(jù)，并形成動(dòng)態(tài)化的指標(biāo)庫(kù)。平臺(tái)具備以下4個(gè)核心功能點(diǎn)：一、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與可視化：平臺(tái)通過(guò)大屏展示和Web頁(yè)面實(shí)現(xiàn)環(huán)境指標(biāo)的多維度監(jiān)測(cè)，支持對(duì)單間教室或區(qū)域范圍的實(shí)時(shí)狀態(tài)感知。二、集中管理與控制。平臺(tái)可對(duì)接照明、空調(diào)、新風(fēng)系統(tǒng)等末端設(shè)備，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、定時(shí)調(diào)度與策略下發(fā)，滿足節(jié)能與舒適度的雙重需求。三、運(yùn)行分析與告警。平臺(tái)具備數(shù)據(jù)清洗與統(tǒng)計(jì)分析功能，可生成運(yùn)行報(bào)告，并在空氣質(zhì)量超標(biāo)、能耗異常等情況下觸發(fā)告警通知。四、互聯(lián)互通能力。平臺(tái)預(yù)留開(kāi)放接口，可與學(xué)校的智慧校園管理系統(tǒng)對(duì)接，形成跨系統(tǒng)的數(shù)據(jù)協(xié)同與資源共享。
教室環(huán)境管理平臺(tái)不僅為運(yùn)維人員提供直觀的管理工具，提升設(shè)備運(yùn)維與能源調(diào)度的效率，同時(shí)為后續(xù)的環(huán)境舒適度建模與智能場(chǎng)景適配提供高質(zhì)量數(shù)據(jù)支撐。通過(guò)該平臺(tái)，學(xué)校能夠在教學(xué)環(huán)境質(zhì)量保障、能源利用優(yōu)化和智能決策支持等方面取得綜合效益。
智能分析與應(yīng)用。在教室環(huán)境管理平臺(tái)的支撐下，智慧教室環(huán)境管控系統(tǒng)進(jìn)一步通過(guò)智能分析與應(yīng)用釋放數(shù)據(jù)價(jià)值。該部分強(qiáng)調(diào)利用大數(shù)據(jù)與人工智能技術(shù)，將感知層與管理層沉淀的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為決策依據(jù)與應(yīng)用成果，從而推動(dòng)智慧教室從單純的自動(dòng)化管控走向主動(dòng)式、智能化的優(yōu)化。
具體包含以下三個(gè)方面：一、對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與清洗。對(duì)傳感器與平臺(tái)采集的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、融合和結(jié)構(gòu)化處理，構(gòu)建可用于分析的高質(zhì)量數(shù)據(jù)集。二、影響因素分析：綜合溫濕度、光照、空氣質(zhì)量等關(guān)鍵要素，結(jié)合課堂教學(xué)場(chǎng)景與師生活動(dòng)特征，建立線性回歸模型與相關(guān)性分析框架，識(shí)別顯著影響師生活動(dòng)舒適度和教學(xué)效果的主要環(huán)境因子，從而實(shí)現(xiàn)環(huán)境—行為關(guān)系的量化。三、針對(duì)講授、自習(xí)、討論等不同教學(xué)場(chǎng)景，基于舒適度評(píng)價(jià)模型與預(yù)測(cè)分析結(jié)果，動(dòng)態(tài)生成環(huán)境參數(shù)的最優(yōu)配置方案，并通過(guò)平臺(tái)聯(lián)動(dòng)照明、空調(diào)、通風(fēng)等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)因場(chǎng)而異的個(gè)性化智能調(diào)控。
智能環(huán)境管控案例
本文基于浙江大學(xué)未來(lái)教室實(shí)驗(yàn)室，開(kāi)展多項(xiàng)智能環(huán)境管控實(shí)踐。通過(guò)整合教室內(nèi)傳感器數(shù)據(jù)與教學(xué)場(chǎng)景信息，搭建智慧教室環(huán)境管控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；同時(shí)結(jié)合師生行為數(shù)據(jù)，針對(duì)不同教學(xué)場(chǎng)景開(kāi)展智能調(diào)控，提升課堂舒適度與教學(xué)體驗(yàn)。
未來(lái)教室實(shí)驗(yàn)室位置相對(duì)獨(dú)立，在其中部署了光照、空氣質(zhì)量、噪聲等傳感器、AI攝像頭以及各類智能開(kāi)關(guān)，便于實(shí)時(shí)感知環(huán)境因素，并通過(guò)智能開(kāi)關(guān)進(jìn)行調(diào)控，從而改善教學(xué)環(huán)境。師生在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行課堂或自習(xí)活動(dòng)時(shí)，環(huán)境及行為數(shù)據(jù)可無(wú)感采集。本案例中共集成了6大類、11項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)，并基于這些數(shù)據(jù)建立線性回歸模型，分析影響師生活動(dòng)的顯著環(huán)境變量，實(shí)現(xiàn)環(huán)境評(píng)測(cè)及參數(shù)優(yōu)化調(diào)整。整體流程如圖3所示。
圖3 智能環(huán)境管控實(shí)現(xiàn)流程
數(shù)據(jù)處理。本研究提取了2023年11月至2024年9月期間未來(lái)教室實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境與行為數(shù)據(jù)，涵蓋光照、溫濕度、空氣質(zhì)量、噪聲水平及人員數(shù)量、人員調(diào)控行為等參數(shù)。物聯(lián)網(wǎng)底座支持多源傳感器數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)入庫(kù)，并與攝像頭采集的視頻流數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)合。通過(guò)對(duì)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗，剔除異常值與缺失值，得到1萬(wàn)余條有效數(shù)據(jù)記錄。隨后進(jìn)行數(shù)據(jù)融合與結(jié)構(gòu)化處理，形成可用于分析的統(tǒng)一數(shù)據(jù)集。同時(shí)，對(duì)視頻流中的師生活動(dòng)信息進(jìn)行解析與標(biāo)注，實(shí)現(xiàn)環(huán)境因素與行為特征的對(duì)應(yīng)映射。最終構(gòu)建高質(zhì)量的分析數(shù)據(jù)集，作為分析模型輸入，如圖4所示。
圖4 數(shù)據(jù)處理流程
影響因素分析。基于輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，構(gòu)建了線性回歸與相關(guān)性分析模型，對(duì)環(huán)境參數(shù)與師生活動(dòng)特征之間的關(guān)系進(jìn)行量化分析。研究變量涵蓋光照強(qiáng)度、溫度、濕度、二氧化碳濃度、PM2.5、噪聲水平等9項(xiàng)指標(biāo)，同時(shí)引入人數(shù)變化、課堂活動(dòng)類型與師生調(diào)控參數(shù)行為作為調(diào)節(jié)變量。
分析結(jié)果表明，溫濕度、噪音、光照和二氧化碳濃度是顯著影響課堂舒適度和學(xué)習(xí)效率的關(guān)鍵因子，其中溫度對(duì)自習(xí)場(chǎng)景的影響更為敏感，而光照與二氧化碳濃度則在講授與討論場(chǎng)景中表現(xiàn)出較強(qiáng)的相關(guān)性。此外，噪聲水平與人數(shù)的交互效應(yīng)在小班討論中尤為突出，直接影響師生的注意力集中度。
場(chǎng)景化調(diào)控。在模型分析結(jié)果的支持下，本研究將教室關(guān)鍵指標(biāo)參數(shù)、環(huán)境舒適度模型與多類情景模式集成至環(huán)境管控大屏。該大屏不僅實(shí)現(xiàn)了環(huán)境狀態(tài)的可視化呈現(xiàn)，也為師生提供了便捷的交互式操作途徑，如圖5所示。
圖5 影響因素分析結(jié)果
大屏功能主要體現(xiàn)在3個(gè)方面：一是場(chǎng)景模式一鍵切換，教師可根據(jù)“上課、自習(xí)、投影、下課”等不同教學(xué)需求快速切換場(chǎng)景，從而實(shí)現(xiàn)燈光、空調(diào)等設(shè)備的自動(dòng)化組合控制，兼顧教學(xué)體驗(yàn)與能耗管理；二是教室三維模型還原，通過(guò)VR技術(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行等比例建模，教師可在大屏中直觀操作虛擬教室中的設(shè)備開(kāi)關(guān)，并實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)實(shí)際教室硬件，實(shí)現(xiàn)虛擬—現(xiàn)實(shí)一體化的操作體驗(yàn)；三是直觀展示環(huán)境參數(shù)與舒適度指標(biāo)，當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到二氧化碳濃度偏高、噪聲超標(biāo)或溫濕度異常時(shí)，教師能夠及時(shí)采取開(kāi)窗、通風(fēng)或溫控等干預(yù)措施，有效改善課堂環(huán)境質(zhì)量。
結(jié)語(yǔ)
未來(lái)，隨著人工智能、大數(shù)據(jù)與數(shù)字孿生等技術(shù)的深入應(yīng)用，智慧教室環(huán)境管控有望實(shí)現(xiàn)更加精準(zhǔn)的個(gè)性化調(diào)節(jié)與跨場(chǎng)景聯(lián)動(dòng)，為智慧校園建設(shè)和教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供持續(xù)動(dòng)力。
來(lái)源：《中國(guó)教育網(wǎng)絡(luò)》2025年9月刊
作者：林傳峰1 周宇1 洪波1 張紫徽2（作者單位1為浙江大學(xué)信息技術(shù)中心，2為浙江大學(xué)圖書(shū)館）
