做到盡量少點擊或無點擊。用戶獲得任何一項功能的按鍵次數(shù)低于2次。

　　近年來，隨著科技的進(jìn)步和數(shù)字化音視頻設(shè)備的普及，高校智慧教室所采用的設(shè)備日新月異，提升了教學(xué)活動的質(zhì)量與水平，但在實際使用過程中仍然存在一些不足之處。

　　智慧教室建設(shè)在立項時通常目標(biāo)遠(yuǎn)大，但在建設(shè)過程中往往陷入脫離教學(xué)實際的困局。比如，方案設(shè)計方和建設(shè)人員未真正與使用方(一線教師為代表)進(jìn)行有效溝通并收集需求就閉門造車、堆砌硬件。項目驗收時，設(shè)計方和建設(shè)人員也未邀請一線教師參加評審，以至于有些智慧教室盡管投入很大，但是由于操作繁瑣，與現(xiàn)場教學(xué)需求嚴(yán)重脫節(jié)，影響了教學(xué)的效果，最后除了投影設(shè)備和話筒被使用外，其他設(shè)備沒有發(fā)揮應(yīng)有的作用。

　　建設(shè)思路與目標(biāo)

　　針對目前智慧教室建設(shè)過程中的一些不足之處，上海紐約大學(xué)智慧教室在建設(shè)初期就制訂了明確的目標(biāo)：界面簡單、操作簡化，除了開關(guān)話筒、插U盤和筆記本音視頻輸出外，盡可能不需要授課教師做額外的設(shè)置;教師應(yīng)該把精力全部放在教學(xué)上而不是操作多媒體設(shè)備上，通俗來講就是設(shè)備操作“無感化”,最大限度提升課堂教學(xué)的“有效時間”。圖1為上海紐約大學(xué)智慧教室整體架構(gòu)。

　　圖1 上海紐約大學(xué)智慧教室整體架構(gòu)

　　學(xué)校智慧教室平臺的總體設(shè)計遵循一次規(guī)劃、分步實施的原則，各子系統(tǒng)在模塊內(nèi)高內(nèi)聚，模塊間松耦合，把提升有效教學(xué)時間作為規(guī)劃的核心。

　　首先，將項目按照水平方式劃分為系統(tǒng)架構(gòu)和代碼管理，分別建設(shè)教室的中心管理平臺和代碼管理平臺。其中，教室中心管理平臺的主要作用是管理教室內(nèi)的中控操作、遠(yuǎn)程協(xié)助以及軟硬件狀態(tài)監(jiān)控;中心代碼管理平臺主要是管理代碼的版本更新、修訂以及維護各代碼分支。

　　其次，為了實現(xiàn)對智慧教室資產(chǎn)的有效管理，智慧教室中心管理平臺和學(xué)校的資產(chǎn)管理系統(tǒng)還實現(xiàn)了信息集成與共享。教室中心管理平臺能夠顯示各資產(chǎn)的詳細(xì)信息，而學(xué)校資產(chǎn)管理平臺不僅能夠顯示各教室資產(chǎn)是否在線及活動狀態(tài)，還能夠完成資產(chǎn)從入庫、盤點、出庫、安裝、監(jiān)控到報廢的全方位管理。

　　第三，為了支持教室及會議室的在線預(yù)定，智慧教室中心管理系統(tǒng)還與空間管理系統(tǒng)進(jìn)行了有效集成。空間管理系統(tǒng)可以在預(yù)定教室/會議室時讀取相應(yīng)房間的配置信息。

　　第四，為了方便工作人員提供支持，教室中心管理系統(tǒng)與工單管理系統(tǒng)進(jìn)行集成，在檢測到故障時，系統(tǒng)能夠自動形成一條工單記錄并流轉(zhuǎn)，工單的狀態(tài)能夠?qū)崟r查看。

　　第五，學(xué)校同類教室都采用相同的配置，為了方便教師能夠在完成一個設(shè)定后將其應(yīng)用到其他同類教室，系統(tǒng)采用漫游配置文件的形式及時下載教師預(yù)設(shè)的配置文件，實現(xiàn)相同類型教室采用相同配置文件。具體設(shè)計及實施思路如圖2所示。

　　圖2 智慧教室管理系統(tǒng)的具體設(shè)計及實施思路

　　智慧教室建設(shè)內(nèi)容

　　上海紐約大學(xué)作為一所中外合辦高校，其在線教學(xué)的模式和傳統(tǒng)國內(nèi)高校相比存在較大的差異，學(xué)校的學(xué)生和教師常常處于不同的地域。比如，某課程的教師身處海外，部分學(xué)生位于世界各地，剩余學(xué)生在教室內(nèi)。因此，如何較好實現(xiàn)線上和線下、云端和教室之間的無縫融合，一直是學(xué)校教學(xué)模式中尋求突破的重點。學(xué)校始終堅持“無感化·有效時間”的思想，不追求盲目堆砌硬件，從而改善師生的教學(xué)體驗。

　　具體來說，教室控制系統(tǒng)須遵循如下原則：

　　一是做到盡量少點擊或無點擊。如果教師上課時自帶電腦，僅需插入HDMI線(或Type-C/DP線)，系統(tǒng)會自動啟動，幕布下降到位，投影機開啟并顯示電腦桌面內(nèi)容，下課無需點擊“關(guān)閉系統(tǒng)”就可以直接離開，系統(tǒng)檢測室內(nèi)無人或無輸入時將會自動進(jìn)入待機模式。

　　二是簡化用戶控制界面，減少菜單層次。用戶獲得任何一項功能的按鍵次數(shù)低于2次，能夠自動切換本地模式和會議模式，通過信號檢測邏輯自動切換信號源并顯示。

　　三是模板定制，實現(xiàn)個性化應(yīng)用。在操作界面和使用邏輯簡化的基礎(chǔ)上，通過漫游配置自動應(yīng)用定制化模板，設(shè)置教師喜好的各項參數(shù)。

　　為簡化建設(shè)的內(nèi)容，整體項目被分解成如下幾個部分：

　　1.音頻規(guī)劃

　　在線網(wǎng)課的不同需求增加了音頻系統(tǒng)的復(fù)雜度。教室中的音頻輸入設(shè)備包含天花麥克風(fēng)陣列無線手持話筒、無線領(lǐng)夾話筒、無線頭戴話筒、鵝頸有線話筒，音頻的輸出包含本地擴音、遠(yuǎn)端聲音以及本地電腦的聲音輸出。其中，每個天花麥克風(fēng)的吸音面積約60平方，因此大型教室存在使用多個天花麥克風(fēng)陣列的情況。

　　為了減少干擾，提升系統(tǒng)的整體效率，疫情期間所有樓層的音頻從模擬系統(tǒng)升級到了基于Dante協(xié)議的全數(shù)字系統(tǒng)，通過全樓統(tǒng)一域控的方式，進(jìn)行音頻路由邏輯的配置管理和設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)控。

　　數(shù)字系統(tǒng)支持多通道通信及軟件定義路由，因此可針對不同的音源在不同場景下進(jìn)行相應(yīng)的路由配置及處理，最大程度精簡流程，無需操作前端的中控面板就能滿足多種場景需求。

　　2.云上融合和互動

　　為了適應(yīng)融合教學(xué)的需求，在教室前后各安裝了一個高清攝像頭。其中，教室前方的攝像頭負(fù)責(zé)拍攝學(xué)生畫面，當(dāng)捕捉到學(xué)生站立的動作時，攝像頭內(nèi)置的AI會自動聚焦站立的學(xué)生并放大顯示。教室后方安裝的攝像頭主要拍攝教師圖像，如果教師在講臺附近移動，攝像頭可以自動跟蹤教師;如果教師在黑板上寫字，攝像頭的AI算法會自動聚焦黑板位置并放大。

　　從視頻的傳輸角度，可以把線上和線下的交互視頻分解為本地視頻、遠(yuǎn)端視頻和教師端桌面講義三個元素。對于不同元素和場景的組合，控制面板上提供了一鍵化的預(yù)制。在教室講臺的電腦上可一鍵切換不同的畫面?zhèn)鬏斈Ｊ剑淠Ｊ桨ū镜厍昂髷z像頭的拼接畫面、單前端攝像頭畫面和單后端攝像頭畫面。

　　當(dāng)遇到數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)等公式比較多的課程時，由于攝像頭拍攝及視頻傳輸?shù)膲嚎s機制，在線的學(xué)生有時無法分辨以不同顏色書寫的公式。為了解決此問題，任課教師可以向技術(shù)服務(wù)部門申請12.9寸的iPadPro來書寫公式及解題過程，iPad的屏幕會在本地的投影幕布及在線課堂的窗口中高清展示。

　　對于教室的本地顯示也充分考慮到了互動的需求，在講臺位置會布置兩臺顯示器，其中一臺顯示器用來鏡像當(dāng)前投影的內(nèi)容，另一臺用來顯示線上學(xué)生的視頻畫面。為方便線下學(xué)生和線上學(xué)生的交流互動，教室內(nèi)同時放置一臺大尺寸電視作為反顯，專門顯示線上學(xué)生的互動畫面，這樣可同時滿足線上、線下學(xué)生觀看課程講義及師生互動的需求。

　　3.中控程序及軟硬件編程

　　為做到無需點擊控制屏幕或者盡量減少點擊控制屏幕的操作，中控程序在檢測到HDMI、MiniDP或TypeC輸入源時會自動根據(jù)規(guī)則執(zhí)行相應(yīng)的操作。當(dāng)檢測到有信號輸入并且教室中控系統(tǒng)處于關(guān)閉或者節(jié)能狀態(tài)時，控制主機就自動啟動系統(tǒng)并且主動喚醒系統(tǒng)主機，這樣，教師上課時無需操作中控屏幕就能實現(xiàn)中控系統(tǒng)的自動開啟。

　　下課時，教師也無需點擊關(guān)閉系統(tǒng)就可以直接離開教室，中控系統(tǒng)在檢測到無輸入信號或占位傳感器檢測到教室內(nèi)無人后，會自動關(guān)閉系統(tǒng)，實現(xiàn)節(jié)能減排并延長電子元器件使用壽命。

　　中控程序的用戶界面(UI)以及功能模塊開發(fā)屬于軟件范疇，程序設(shè)計人員嚴(yán)格按照DevOps標(biāo)準(zhǔn)，采用敏捷開發(fā)的方式、方法進(jìn)行全流程的管控。所有程序的UI和代碼均使用在私有云上搭建的GitLab代碼管理工具來進(jìn)行全流程開發(fā)管控。

　　從教師、學(xué)生以及專業(yè)技術(shù)人員等使用方收集到的反饋都以軟件問題(Issue)的方式在GitLab上提出，再通過Milestone(里程碑)功能來控制項目，按照DevOps的模式來進(jìn)行CI(持續(xù)集成)，最后通過Commit(提交)的方式來提交代碼，經(jīng)過UAT(用戶驗收測試)后才最終刻錄進(jìn)硬件。

　　在硬件編程方面，通過一些自定義應(yīng)用層協(xié)議，采取傳輸帶加密的token(令牌)方式將一些控制邏輯用協(xié)議組件封裝在硬件程序中，復(fù)雜的邏輯則在中心服務(wù)器進(jìn)行定義。如果需要在教室設(shè)備上應(yīng)用某位教師個人的Profile，則使用一系列預(yù)制并按一定的順序來執(zhí)行。

　　比如，1號命令執(zhí)行開燈操作，2號命令使①③號麥克風(fēng)靜音，3號命令使②④號麥克風(fēng)靜音，4號命令打開電腦音頻輸出，5號命令打開所有的投影機，6號命令使視頻輸出切換到筆記本通道，這些命令邏輯鏈可以在中心服務(wù)器按需自動執(zhí)行而無需人工干預(yù)。

　　4.教室講臺

　　三尺講臺，一方世界，這里不僅是教師向?qū)W生宣傳思想、教授知識、傳授方法的舞臺，更是信息社會中教師操作教室里各種智能設(shè)備的平臺。因此，高校必須把講臺作為智慧教室的一部分進(jìn)行整體規(guī)劃。

　　上海紐約大學(xué)將講臺作為智慧教室系統(tǒng)中教師端的應(yīng)用界面進(jìn)行設(shè)計，在收集用戶需求的基礎(chǔ)上，將講臺上需放置的設(shè)備進(jìn)行分解。這些設(shè)備主要包括各類型話筒及其充電底座、音視頻接口及線纜、USB接口、收納盒及實物投影儀等。設(shè)計人員將這些設(shè)備全部體現(xiàn)在工程圖紙上并進(jìn)行效果圖渲染，在充分獲取用戶及維護人員的反饋意見后再安排定制生產(chǎn)。

　　5.中心管理平臺

　　智慧教室內(nèi)部涉及大量音視頻設(shè)備，如果完全依賴人工對這些音視頻設(shè)備進(jìn)行檢查及維護，不僅費時費力，而且對運維人員的技術(shù)素養(yǎng)也有較高的要求。因此，在設(shè)計時就需要充分考慮到后期運行維護的人力、物力成本。

　　通過在智慧教室中心管理平臺上實現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程開關(guān)機、設(shè)備的自檢、運行狀態(tài)的監(jiān)測、故障報錯、日志記錄等功能，可有效加快服務(wù)響應(yīng)及解決問題的速度。主要功能簡單描述如下：

　　系統(tǒng)界面通過形象化的圖標(biāo)及顏色，將每個教室對應(yīng)的設(shè)備工作狀態(tài)集中反映出來，管理員看到所查詢教室號的圖標(biāo)，就能了解到該教室多媒體設(shè)備當(dāng)前的工作狀態(tài)。在設(shè)備出現(xiàn)異常情況時，系統(tǒng)可以自動提示，生成預(yù)警信息，上傳到平臺。

　　系統(tǒng)支持對單個教室的設(shè)備控制，也支持對多個或全部設(shè)備的集中控制，支持按樓宇、樓層分組控制，支持自定義選擇目標(biāo)教室控制。

　　系統(tǒng)對接資產(chǎn)管理平臺，對于中控系統(tǒng)中用到的硬件設(shè)備做到精準(zhǔn)統(tǒng)計，并且對設(shè)備的維修記錄做到統(tǒng)一化管理，方便在以后的硬件升級過程中，提供準(zhǔn)確、有力的數(shù)據(jù)支撐。

　　結(jié)論與展望

　　上海紐約大學(xué)的智慧教室經(jīng)過一年多的高強度使用，廣大師生對線上教學(xué)的效果總體反應(yīng)良好，其中針對聲音及圖像質(zhì)量基本沒有負(fù)面反饋。未來在智慧教室的進(jìn)一步升級和迭代過程中，學(xué)校仍將堅持“無感化·有效時間”的思想，貫徹“敏捷開發(fā)”的理念，逐步增加各功能模塊，為師生營造一個更舒適的教學(xué)氛圍。未來的升級方向如下：

　　第一，進(jìn)一步優(yōu)化音視頻壓縮算法和傳輸?shù)馁|(zhì)量，增強藝術(shù)課程的混合教學(xué)體驗，滿足音樂、舞蹈、繪畫等課程的混合教學(xué)需求。

　　第二，板書電子化的模式和清晰度提升還需持續(xù)深入研究，滿足數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)等公式推導(dǎo)較多的課程需求。

　　第三，繼續(xù)嘗試教室前后攝像頭的快速拆裝方案，消除部分教師對攝像頭存在的顧慮。

　　第四，更加注重教室使用的靈活性與可擴展性，滿足日常教學(xué)、線上教學(xué)、線上線下混合教學(xué)、會議、自由討論、社團活動等不同應(yīng)用場景。

　　第五，針對工單及系統(tǒng)日志做進(jìn)一步數(shù)據(jù)挖掘，能夠預(yù)測一些故障，提前消除隱患。