AI赋能高校建设：基于多模态感知的未来高校教学楼建设探析

　　随着数字化时代的到来，人工智能正在以前所未有的广度和深度改变着人类生活的方方面面，在高等教育领域也不例外。而作为知识生产和人才培育的重要场所，高校的教学楼进行智能化改造是“人工智能+教育”的重要应用场景之一。以往的高校教学楼设计及管理更多关注的是空间布局以及基本的功能需求，在环境感知、资源配置、个性化服务以及可持续发展等维度上则有所欠缺。以计算机为主要驱动力的多模态感知技术结合了视觉、听觉、环境传感等多个方面的信息，为解决这些问题提供了一种可能的解决方案。

　　一、计算机技术如何重塑建筑空间逻辑

　　首先是数据感知层建设这已远超以前的安防监控和楼宇自控。以计算机视觉、声学分析以及物联网传感器网络为基础，教学楼空间成为一个庞大并且持续在线的数据场。摄像头不再是单纯的安全工具，而是可以利用行为识别技术判断教室内学生的注意力集中程度及其相互之间的交流情况;环境传感器不断获取室内的亮度、温度、湿度、空气质量和噪声等级等信息;声音设备还可以检测出课堂上的讨论是否热烈以及声音是否清晰。而各种来源不同种类繁杂的数据及时地被收集并传送到云端，就是智慧空间的“神经末梢”也是支撑其上层智能化应用的基础。

　　其次，是数据融合与智能分析层这是计算机技术的核心舞台。多模态感知技术的难点和亮点都是数据融合。借助边缘计算以及云计算，采用机器学习、深度学习的方法对视觉、听觉、环境等多种类型的数据进行关联性分析以及特征提取。

　　最后，是决策与交互层实现。基于上述分析，系统可以进行预测性维护、动态资源配置等工作，在此基础上可根据以往课程信息、当前的人流热力图以及教室占用情况来预测最优教室，并自动为其分配，从而达到最大化地利用空间的目的;还可以通过手机APP、室内导航机器人或者语音助手等方式给学生和老师提供个性化服务。这一个循环就是从感知到分析，再到决策与执行这样一个过程，其核心就是让计算机不断学习和改进对物理空间的认识。

　　二、多模态感知技术在教学楼中的具体应用

　　传统的教室环境调节是单一而且迟缓的。而基于多种传感器融合的智能教学环境能够对每一个小的教学模块甚至每一个座位区域能够做到及时了解其周围的环境状况以及教室内师生的行为动作等信息。计算机根据摄像机拍摄师生的表情、姿态，麦克风捕捉的声音活跃度，再配合环境感知装置所获取的信息来改变该区域灯光的颜色及强弱、空调出风口的方向和冷热程度，还可以利用增强现实(AR)把虚拟的教学资料投射到真实世界中的黑板上，以达到符合此时此刻的教学内容和学生的学习情况的最佳效果即所谓的“环境随人而动”。

　　多模态系统可无感、全天候采集教学过程相关数据：利用语音识别及自然语言处理技术对课堂教学质量进行评价，如课堂讨论质量以及教师讲课清晰度、速度等，同时运用行为识别技术对学生在课堂上表现情况进行记录，如学生听课情况及学生之间交流情况等。以上所有数据经过AI算法处理后能够帮助教师获得客观课堂反思材料，也能够使学校领导层获得准确指导以提升教学质量，从而完成由凭经验到依靠数据进行管理过渡。

　　多模态感知使安全管理由“事后追溯”上升为“事前预警”以及“事中处理”通过对视频进行分析检测人群聚集、奔跑、摔倒等情况;利用声音传感器检测玻璃破碎、异常喊叫等声音;结合门禁、烟雾报警器、消防水压等物联网信息，即可实现全方位的安全态势感知。当出现安全隐患时(例如实验室化学品泄漏、人员密集发生踩踏事故)可及时定位、报警并自动触发相应预案，大大提高了应对突发事件的能力及效率。

　　多模态感知可以做到根据需要进行供给。例如利用红外热成像以及人员计数器，可以准确知道每个地方的人数及时间段，从而对灯光、空调进行分区、分时精细调节，杜绝“人离开灯还亮着，房间没有人但是空调仍然开着”现象的发生。另外还可以监测设备工作声音、振动等信息，在此基础上使用预测性维护的方法，在电梯、风机等重要设备出现故障之前发出警报，改变以往的“救火式”修理方式为“预防性”保养大大节约运营费用以及停机的风险。

　　一种基于多模态感知的校园导航系统可以结合当前的人流量情况，给学生和老师提供最优路线。智能预约系统可以根据学生的爱好(是否希望安静或者阳光充足的地方)为其预订合适的位置或者会议室。公共场所中的触摸屏可以显示经过的学生的兴趣爱好以及专业的信息向他们展示相关的学术活动或者讲座等，使人感到温馨且了解他们的需求的智慧校园。

　　三、超越建筑，重塑高等教育生态

　　基于多模态感知的智慧教学楼建设不仅仅是一座建筑物“智商”的提高，更是对高校教育本质的助力，是“AI+高等教育”的重要实现。

　　第一是促进教学方式由“以教为主”到“以学为主”的转变。智慧环境更能服务学生学习活动以及认知特点。通过对不断产生学习行为及环境交互信息进行挖掘，AI能够绘制出详细的学生画像使教师了解每位学生学习情况，从而做到有的放矢以及个性化学业指导工作。教学不再是单一“灌输”而是根据反馈信息不断变化而互动过程。

　　第二是推动教育管理科学化、精细化。教学楼运行过程中形成大量多模态数据，是重要的学校治理资源。利用大数据技术，管理者能够明确了解学校的空间使用高峰期、能耗情况以及师生的行为特点等信息，在此基础上进行学校的建设发展、资源配置、经费安排等工作都更有依据，从而实现从“依靠经验管理”到“基于数据治理”。

　　其三是加速产学研用融合与跨学科创新。智慧教学楼本身就是一个大型的、真实的“实验室”和“试验场”其中部署的各类传感器、AI算法、交互设备，为计算机、软件工程、物联网、数据科学等专业的学生提供了绝佳的实践平台。师生可以基于真实场景数据开展科研项目，开发新的应用算法，真正实现“场景驱动创新”促进前沿技术与教育实践的快速迭代与融合。

　　随着边缘计算、5G/6G通信、数字孪生、更先进的AI模型的成熟，多模态感知技术将与教学楼宇更深层次地融合。计算机技术作为核心引擎，将持续驱动高校建筑从静态的“容器”向动态的、进化的“智慧教育生命体”转变，最终服务于培养适应智能时代的创新人才这一根本目标。(作者：刘大海 供职单位：唐山幼儿师范高等专科学校)