做到尽量少点击或无点击。用户获得任何一项功能的按键次数低于2次。

　　近年来，随着科技的进步和数字化音视频设备的普及，高校智慧教室所采用的设备日新月异，提升了教学活动的质量与水平，但在实际使用过程中仍然存在一些不足之处。

　　智慧教室建设在立项时通常目标远大，但在建设过程中往往陷入脱离教学实际的困局。比如，方案设计方和建设人员未真正与使用方（一线教师为代表）进行有效沟通并收集需求就闭门造车、堆砌硬件。项目验收时，设计方和建设人员也未邀请一线教师参加评审，以至于有些智慧教室尽管投入很大，但是由于操作繁琐，与现场教学需求严重脱节，影响了教学的效果，最后除了投影设备和话筒被使用外，其他设备没有发挥应有的作用。

建设思路与目标

　　针对目前智慧教室建设过程中的一些不足之处，上海纽约大学智慧教室在建设初期就制订了明确的目标：界面简单、操作简化，除了开关话筒、插U盘和笔记本音视频输出外，尽可能不需要授课教师做额外的设置；教师应该把精力全部放在教学上而不是操作多媒体设备上，通俗来讲就是设备操作“无感化”,最大限度提升课堂教学的“有效时间”。图1为上海纽约大学智慧教室整体架构。

图1 上海纽约大学智慧教室整体架构

　　学校智慧教室平台的总体设计遵循一次规划、分步实施的原则，各子系统在模块内高内聚，模块间松耦合，把提升有效教学时间作为规划的核心。

　　首先，将项目按照水平方式划分为系统架构和代码管理，分别建设教室的中心管理平台和代码管理平台。其中，教室中心管理平台的主要作用是管理教室内的中控操作、远程协助以及软硬件状态监控；中心代码管理平台主要是管理代码的版本更新、修订以及维护各代码分支。

　　其次，为了实现对智慧教室资产的有效管理，智慧教室中心管理平台和学校的资产管理系统还实现了信息集成与共享。教室中心管理平台能够显示各资产的详细信息，而学校资产管理平台不仅能够显示各教室资产是否在线及活动状态，还能够完成资产从入库、盘点、出库、安装、监控到报废的全方位管理。

　　第三，为了支持教室及会议室的在线预定，智慧教室中心管理系统还与空间管理系统进行了有效集成。空间管理系统可以在预定教室/会议室时读取相应房间的配置信息。

　　第四，为了方便工作人员提供支持，教室中心管理系统与工单管理系统进行集成，在检测到故障时，系统能够自动形成一条工单记录并流转，工单的状态能够实时查看。

　　第五，学校同类教室都采用相同的配置，为了方便教师能够在完成一个设定后将其应用到其他同类教室，系统采用漫游配置文件的形式及时下载教师预设的配置文件，实现相同类型教室采用相同配置文件。具体设计及实施思路如图2所示。

图2 智慧教室管理系统的具体设计及实施思路

智慧教室建设内容

　　上海纽约大学作为一所中外合办高校，其在线教学的模式和传统国内高校相比存在较大的差异，学校的学生和教师常常处于不同的地域。比如，某课程的教师身处海外，部分学生位于世界各地，剩余学生在教室内。因此，如何较好实现线上和线下、云端和教室之间的无缝融合，一直是学校教学模式中寻求突破的重点。学校始终坚持“无感化·有效时间”的思想，不追求盲目堆砌硬件，从而改善师生的教学体验。

　　具体来说，教室控制系统须遵循如下原则：

　　一是做到尽量少点击或无点击。如果教师上课时自带电脑，仅需插入HDMI线（或Type-C/DP线），系统会自动启动，幕布下降到位，投影机开启并显示电脑桌面内容，下课无需点击“关闭系统”就可以直接离开，系统检测室内无人或无输入时将会自动进入待机模式。

　　二是简化用户控制界面，减少菜单层次。用户获得任何一项功能的按键次数低于2次，能够自动切换本地模式和会议模式，通过信号检测逻辑自动切换信号源并显示。

　　三是模板定制，实现个性化应用。在操作界面和使用逻辑简化的基础上，通过漫游配置自动应用定制化模板，设置教师喜好的各项参数。

　　为简化建设的内容，整体项目被分解成如下几个部分：

　　1.音频规划

　　在线网课的不同需求增加了音频系统的复杂度。教室中的音频输入设备包含天花麦克风阵列无线手持话筒、无线领夹话筒、无线头戴话筒、鹅颈有线话筒，音频的输出包含本地扩音、远端声音以及本地电脑的声音输出。其中，每个天花麦克风的吸音面积约60平方，因此大型教室存在使用多个天花麦克风阵列的情况。

　　为了减少干扰，提升系统的整体效率，疫情期间所有楼层的音频从模拟系统升级到了基于Dante协议的全数字系统，通过全楼统一域控的方式，进行音频路由逻辑的配置管理和设备状态的监控。

　　数字系统支持多通道通信及软件定义路由，因此可针对不同的音源在不同场景下进行相应的路由配置及处理，最大程度精简流程，无需操作前端的中控面板就能满足多种场景需求。

　　2.云上融合和互动

　　为了适应融合教学的需求，在教室前后各安装了一个高清摄像头。其中，教室前方的摄像头负责拍摄学生画面，当捕捉到学生站立的动作时，摄像头内置的AI会自动聚焦站立的学生并放大显示。教室后方安装的摄像头主要拍摄教师图像，如果教师在讲台附近移动，摄像头可以自动跟踪教师；如果教师在黑板上写字，摄像头的AI算法会自动聚焦黑板位置并放大。

　　从视频的传输角度，可以把线上和线下的交互视频分解为本地视频、远端视频和教师端桌面讲义三个元素。对于不同元素和场景的组合，控制面板上提供了一键化的预制。在教室讲台的电脑上可一键切换不同的画面传输模式，其模式包括本地前后摄像头的拼接画面、单前端摄像头画面和单后端摄像头画面。

　　当遇到数学、物理、化学等公式比较多的课程时，由于摄像头拍摄及视频传输的压缩机制，在线的学生有时无法分辨以不同颜色书写的公式。为了解决此问题，任课教师可以向技术服务部门申请12.9寸的iPadPro来书写公式及解题过程，iPad的屏幕会在本地的投影幕布及在线课堂的窗口中高清展示。

　　对于教室的本地显示也充分考虑到了互动的需求，在讲台位置会布置两台显示器，其中一台显示器用来镜像当前投影的内容，另一台用来显示线上学生的视频画面。为方便线下学生和线上学生的交流互动，教室内同时放置一台大尺寸电视作为反显，专门显示线上学生的互动画面，这样可同时满足线上、线下学生观看课程讲义及师生互动的需求。

　　3.中控程序及软硬件编程

　　为做到无需点击控制屏幕或者尽量减少点击控制屏幕的操作，中控程序在检测到HDMI、MiniDP或TypeC输入源时会自动根据规则执行相应的操作。当检测到有信号输入并且教室中控系统处于关闭或者节能状态时，控制主机就自动启动系统并且主动唤醒系统主机，这样，教师上课时无需操作中控屏幕就能实现中控系统的自动开启。

　　下课时，教师也无需点击关闭系统就可以直接离开教室，中控系统在检测到无输入信号或占位传感器检测到教室内无人后，会自动关闭系统，实现节能减排并延长电子元器件使用寿命。

　　中控程序的用户界面（UI）以及功能模块开发属于软件范畴，程序设计人员严格按照DevOps标准，采用敏捷开发的方式、方法进行全流程的管控。所有程序的UI和代码均使用在私有云上搭建的GitLab代码管理工具来进行全流程开发管控。

　　从教师、学生以及专业技术人员等使用方收集到的反馈都以软件问题（Issue）的方式在GitLab上提出，再通过Milestone（里程碑）功能来控制项目，按照DevOps的模式来进行CI（持续集成），最后通过Commit（提交）的方式来提交代码，经过UAT（用户验收测试）后才最终刻录进硬件。

　　在硬件编程方面，通过一些自定义应用层协议，采取传输带加密的token（令牌）方式将一些控制逻辑用协议组件封装在硬件程序中，复杂的逻辑则在中心服务器进行定义。如果需要在教室设备上应用某位教师个人的Profile，则使用一系列预制并按一定的顺序来执行。

　　比如，1号命令执行开灯操作，2号命令使①③号麦克风静音，3号命令使②④号麦克风静音，4号命令打开电脑音频输出，5号命令打开所有的投影机，6号命令使视频输出切换到笔记本通道，这些命令逻辑链可以在中心服务器按需自动执行而无需人工干预。

　　4.教室讲台

　　三尺讲台，一方世界，这里不仅是教师向学生宣传思想、教授知识、传授方法的舞台，更是信息社会中教师操作教室里各种智能设备的平台。因此，高校必须把讲台作为智慧教室的一部分进行整体规划。

　　上海纽约大学将讲台作为智慧教室系统中教师端的应用界面进行设计，在收集用户需求的基础上，将讲台上需放置的设备进行分解。这些设备主要包括各类型话筒及其充电底座、音视频接口及线缆、USB接口、收纳盒及实物投影仪等。设计人员将这些设备全部体现在工程图纸上并进行效果图渲染，在充分获取用户及维护人员的反馈意见后再安排定制生产。

　　5.中心管理平台

　　智慧教室内部涉及大量音视频设备，如果完全依赖人工对这些音视频设备进行检查及维护，不仅费时费力，而且对运维人员的技术素养也有较高的要求。因此，在设计时就需要充分考虑到后期运行维护的人力、物力成本。

　　通过在智慧教室中心管理平台上实现系统的远程开关机、设备的自检、运行状态的监测、故障报错、日志记录等功能，可有效加快服务响应及解决问题的速度。主要功能简单描述如下：

　　系统界面通过形象化的图标及颜色，将每个教室对应的设备工作状态集中反映出来，管理员看到所查询教室号的图标，就能了解到该教室多媒体设备当前的工作状态。在设备出现异常情况时，系统可以自动提示，生成预警信息，上传到平台。

　　系统支持对单个教室的设备控制，也支持对多个或全部设备的集中控制，支持按楼宇、楼层分组控制，支持自定义选择目标教室控制。

　　系统对接资产管理平台，对于中控系统中用到的硬件设备做到精准统计，并且对设备的维修记录做到统一化管理，方便在以后的硬件升级过程中，提供准确、有力的数据支撑。

结论与展望

　　上海纽约大学的智慧教室经过一年多的高强度使用，广大师生对线上教学的效果总体反应良好，其中针对声音及图像质量基本没有负面反馈。未来在智慧教室的进一步升级和迭代过程中，学校仍将坚持“无感化·有效时间”的思想，贯彻“敏捷开发”的理念，逐步增加各功能模块，为师生营造一个更舒适的教学氛围。未来的升级方向如下：

　　第一，进一步优化音视频压缩算法和传输的质量，增强艺术课程的混合教学体验，满足音乐、舞蹈、绘画等课程的混合教学需求。

　　第二，板书电子化的模式和清晰度提升还需持续深入研究，满足数学、物理、化学等公式推导较多的课程需求。

　　第三，继续尝试教室前后摄像头的快速拆装方案，消除部分教师对摄像头存在的顾虑。

　　第四，更加注重教室使用的灵活性与可扩展性，满足日常教学、线上教学、线上线下混合教学、会议、自由讨论、社团活动等不同应用场景。

　　第五，针对工单及系统日志做进一步数据挖掘，能够预测一些故障，提前消除隐患。

　　作者：常潘（上海纽约大学信息技术部）
　　责编：项阳