云边协同的极简智慧教室设计与实现
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作者:石琳
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。
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