高職院校多功能智慧課室的設計與實現(xiàn)

文/蔡建軒 李梅

在教育部《教育信息化2.0行動計劃》中，明確提出了要持續(xù)推動信息技術(shù)與教育深度融合，促進“信息化應用水平和師生信息素養(yǎng)普遍提高”。目前，廣東農(nóng)工商職業(yè)技術(shù)學院在廣東省高職院校信息化教學方面取得著實顯著的成績，不斷探索推進信息技術(shù)對教育教學的積極影響，充分結(jié)合學校人才培養(yǎng)目標，穩(wěn)抓高職院校學生的特點，利用先進的信息技術(shù)及教學方法，著力提升學生的創(chuàng)新思維和知識技能，增強學生綜合素質(zhì)，為社會輸送高素質(zhì)技術(shù)型人才。在這此過程中，多功能智慧課室的建設是學校在信息技術(shù)與教育教學融合過程的一個重要領域，運用信息化理念和信息技術(shù)，打造高實用性、高智能化和高水平的課室，進行教學環(huán)境優(yōu)化與重構(gòu)，繼而利用信息技術(shù)改善教學效果，為學校人才培養(yǎng)提供優(yōu)質(zhì)的條件。

近年來，隨著“翻轉(zhuǎn)課堂”和“混合式教學”等教學模式在高職院校的應用，多功能智慧課室在高職院校具有突出的建設需求。本文從多功能智慧課室的設計原則、功能模塊設計、關鍵技術(shù)和發(fā)展趨勢等方面進行了闡述，為高職院校智慧課室提供建設思路。

設計原則

多功能智慧課室是當前教學模式改革以及學生學習對教學環(huán)境要求的集中體現(xiàn)，是實現(xiàn)教學模式改革的重要支撐。學院智慧課室建設在設計的過程中，充分遵循了以下原則。

1.標準化

多功能智慧課室建設是一項高程度的系統(tǒng)集成工程，需將計算機、平板電腦、交互式一體機和功能軟件等信息化元素進行無縫連接，有機結(jié)合，因此，多功能智慧課室所采用的軟硬件需遵照國際或國家相關標準，為標準化產(chǎn)品，具有規(guī)范性，滿足系統(tǒng)集成要求，能實現(xiàn)多功能智慧課室信息資源的調(diào)用與共享，同時符合信息安全和消防安全等標準化要求。

2.功能完整

目前，國內(nèi)智慧課室的研究總結(jié)出了SMART模型，即從內(nèi)容呈現(xiàn)（Showing）、環(huán)境管理（Manageable）、資源獲?。ˋccessible）、及時互動（Real-time Interactive）、情境感知（Testing）等五個維度建設智慧課室。在設計的過程中，需要考慮實訓教學和小組教學各方面的需求，因此多功能智慧課室需涵蓋傳統(tǒng)授課、多屏互動、云錄播、混合現(xiàn)實教學和智能中控等多個功能，以適應新型教學模式實施過程對教學環(huán)境的多樣化需求。

3.可維護性

圖1 多功能智慧教室環(huán)境

多功能智慧課室建成之后，面對密集繁重的教學安排，維護管理將成為一項日常性的工作。為了便于課室的維護和管理，在設計時，需要充分考慮到良好的可管理性和可維護性。課室中的所有軟硬件系統(tǒng)在安裝、調(diào)試、維護和使用各方面應盡量簡便，避免繁雜的操作，提升可管理性和可維護性，最大程度地保證使用和維護效率，優(yōu)化管理和維護過程。

模塊設計

多功能智慧課室在設計時，應該圍繞服務教學和服務師生發(fā)展，全面支撐教學模式改革，在功能模塊設計方面，應該做到功能合理多樣，在智慧課室建設設計中，包括環(huán)境設計和功能模塊設計兩個部分。

1.環(huán)境設計

如圖1所示，智慧課室在環(huán)境設計上要求充分考慮課堂教學活動、錄播、混合現(xiàn)實教學和中控等因素。

首先，在高職院校課堂教學活動中，需充分體現(xiàn)“以學生為中心”的教學理念，學生自由、自主地管理和支配自己的學習空間，同時，要充分考慮分組教學的方式，方便學習開展討論，因此，在環(huán)境設計時，可考慮使用連體式的活動課桌椅，活動的課桌椅可以根據(jù)教學需要隨時拼成常規(guī)課室或討論小組的研討課室形式，以此支撐課堂教學活動的有效開展。

其次，在多功能智慧課室需要用于精品課程錄播，考慮過程的影像和聲音效果，在環(huán)境設計時，要全面考慮課室的燈光，采用分組式的燈光，可在錄播過程根據(jù)成像效果進行亮度調(diào)節(jié)；錄播過程需要安靜、無雜音的課室環(huán)境，因此需要對課室的墻面、天花和窗簾等方面做吸音處理，減少外界環(huán)境雜音對課程錄播的干擾。

第三，混合現(xiàn)實教學需搭建綠箱，通過攝像機采集，配合混合現(xiàn)實教學平臺將所需的物品完成摳像處理，因此在環(huán)境設計中，要預留10～15平方米的空間搭建綠箱；

第四，在中控部分，需要從課室的易管理性和易用性出發(fā)，在環(huán)境設計中利用中控平臺對課室所有計算機硬件、交互式一體機、門禁、燈光、空調(diào)和功放等進行集中管理，最終實現(xiàn)課室設備簡便化控制，滿足高效、靈活、有序的課室設備集中管理，達到易用、安全和節(jié)能的效果。

2.功能模塊設計

（1）多屏互動功能

多屏互動的設計思路主要從以下兩個方面出發(fā)，一是由于課室較大，入座課室后方的學生無法清晰地看到教師講臺的屏幕，此時采用分屏技術(shù)，在課室的中間或者后方設置屏幕，方便學生觀看，使坐在不同角度、不同方位的學生能清楚看到教學內(nèi)容；二是小組教學將成為高職院校課堂教學的主流方式，當小組進行討論時，每個小組將對應一個交互式屏幕，學生可以將討論結(jié)果在分屏上進行展示，當教師講解或者小組展示討論結(jié)果時，可以智能地將小組的屏幕內(nèi)容推送至教師講臺的屏幕以及其他小組的屏幕上，方便教師進行講解和批注。

（2）混合現(xiàn)實教學功能

作為面向高職院校所有專業(yè)的智慧課室，不能只針對某個專業(yè)進行實訓設備放置，因此，引入虛擬現(xiàn)實的元素，通過虛擬現(xiàn)實資源的建設，豐富智慧課室的實訓功能?；旌犀F(xiàn)實是在虛擬現(xiàn)實的基礎上，融入第三人稱視角，將置于綠箱內(nèi)的人和物放置到虛擬現(xiàn)實資源中，實現(xiàn)高度仿真的教學效果，解決教學重難點，同時激發(fā)學生學習興趣。因此在多功能智慧課室設計時，可以融入混合現(xiàn)實技術(shù)，配置虛擬現(xiàn)實設備，結(jié)合高清攝像機和綠箱，打造高水平的混合現(xiàn)實教學功能，通過模擬實際世界，學生沉浸式學習，在虛擬現(xiàn)實資源中進行實操，掌握實際的技能，適用于需要掌握實操技能的課程學習，可以極大地提升學生的學習積極性，大大提高課堂教學的效果。

（3）錄播功能

精品課程資源是學校數(shù)字化學習中心的重要組成部分，高職院校教師的課程錄制將成為常態(tài)化。在多功能智慧課室中，錄播功能尤為重要。錄播平臺的設計，需考慮多個標準機位，設置教師特寫、教師全景、學生特寫、學生全景以及板書追蹤特寫等多個畫面，高度適應課室中教師的位置變化和學生座位的調(diào)整。錄播控制平臺由視頻采集、音頻采集與處理、跟蹤系統(tǒng)和導播組成，采用圖像識別和自動追蹤技術(shù)，按照對老師行為、學生行為、電腦畫面進行跟蹤拍攝，并自動制成高質(zhì)量的教學視頻資源。錄播平臺需達到高度的智能化，教師只需通過一鍵式操作即可完成課堂的全過程實況拍攝，無需另外的人工投入。

（4）課室智能管理功能

在傳統(tǒng)的管理方式中，設備一般配備物理按鍵，在使用和關閉時用手動方式進行管理控制，多功能智慧課室在使用的過程中，設備種類多樣且較為分散，若采用傳統(tǒng)的管理方式，會大大降低使用效率，同時缺乏統(tǒng)一管理，無法達到節(jié)能效果。因此，需要引入課室智能管理中控系統(tǒng)，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，搭建管理平臺，將課室中的交互式一體機、計算機、電視機、空調(diào)、燈光及門禁等設備進行聯(lián)網(wǎng)，通過1臺平板電腦即可完成對設備的控制，包括一鍵開關機、視頻信號切換、空調(diào)控制、燈光調(diào)控和門禁控制等。通過設計課室智能管理功能，充分簡化設備控制過程，教師在上課過程中，可以輕松通過平板電腦控制課室里的任何設備（如圖2所示），提高教學過程的流暢性。下課時，教師可以通過一鍵關閉系統(tǒng)的功能對課室里的所有設備進行軟關機，達到節(jié)能環(huán)保的效果。

多功能智慧課室關鍵技術(shù)

圖2 通過平板電腦對設備進行控制

智慧課室的建設與信息技術(shù)的發(fā)展息息相關，國內(nèi)外在研究智慧課室的建設時也大多以技術(shù)研究為重點，關注點大多在如何利用新興技術(shù)創(chuàng)建教與學的環(huán)境，促進資源個性化呈現(xiàn)、教學交互多元化，實現(xiàn)學習者的學習和相關技能的提高上。在多功能智慧課室建設過程中，采用關鍵技術(shù)包括物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)，在此基礎上，其他功能更為齊備的智慧課室中，可能涉及人工智能技術(shù)。在實際應用中，各類關鍵技術(shù)在智慧課室起到了重要的作用。

1.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，搭建課室智能中控平臺，實現(xiàn)對課室所有設備的控制；利用RFID技術(shù)，結(jié)合射頻IC卡，搭建門禁系統(tǒng)，根據(jù)課表對教師進行門禁授權(quán)，教師在課表有課的時間段可進行自助開門，簡化了課室管理環(huán)節(jié)。除了以上功能外，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以通過溫濕度傳感器或光敏儀等感知課室的溫濕度和光線，對課室內(nèi)的窗簾、燈光、空調(diào)等進行實時調(diào)控，為師生營造更加良好的教與學的環(huán)境。

2.虛擬現(xiàn)實技術(shù)

利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，結(jié)合混合現(xiàn)實技術(shù)，搭建了混合現(xiàn)實教學平臺，制作了包括汽車檢修與維護、旅游英語及商務談判等VR資源，為教學過程提供真實情景再現(xiàn)，實現(xiàn)了教學資源的循環(huán)利用。

3.云計算技術(shù)

在多功能智慧課室設計中，云計算技術(shù)主要應用在以下兩個方面，一是用于建設教學資源庫，將教師的課件等教學資源上傳至云空間，解決多種大量數(shù)據(jù)存儲的問題，同時解決了教學資源跨平臺訪問、開放性和共享性的問題；二是用于云錄播，在錄播系統(tǒng)完成視頻和聲音采集后，合成的教學視頻可以自動的上傳至云空間，自動形成精品課程資源，方便學習者利用云平臺進行自主學習。

4.人工智能技術(shù)

在多功能智慧課室建設中，人工智能技術(shù)可以與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合，在課室安裝多個高清攝像頭，對學生臉部進行識別，解決課堂考勤問題，同時，在課程進行過程中，實時抓取學生的臉部表情、移動軌跡和各種動作，進行智能分析，教師上課的過程中，可以通過數(shù)據(jù)儀表盤，掌握學生上課情緒和行為，及時調(diào)整教學策略，改善課堂教學效果；另外，教室可以配備智能麥克風，將教師講課內(nèi)容及學生回答內(nèi)容進行實錄，并實時轉(zhuǎn)化為文字，方便教師與學生及時整理課堂教學資料。人工智能技術(shù)在智慧課室建設過程更深層次的應用，可結(jié)合交互式一體機，在分組教學時，學生將討論成果輸入到一體機上，利用人工智能技術(shù)自動識別輸入內(nèi)容，對討論成果進行智能分析，給出具有針對性的評價，輔助學生進行自主學習。

建設效益

立足高職院校人才培養(yǎng)的特點，結(jié)合上述的原則、技術(shù)開展多功能智慧課室建設，能有效地支撐教與學過程問題的解決，取得顯著的效益，主要表現(xiàn)在以下四個方面：

一是遵循標準化、功能完整和可維護性原則進行智慧課室建設，能夠形成功能多樣且易用、穩(wěn)定的教學環(huán)境，學生可以置身其中，通過教學內(nèi)容與教學環(huán)境的有機融合，深刻地掌握知識技能，進而促成高職院校綜合型人才培養(yǎng)的目標；

二是高職院校學生大多喜歡新鮮事物，運用物聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實和人工智能等新技術(shù)，能充分提高其教學過程的興趣，使興趣貫穿學習過程，促進知識的有效掌握；

三是高職院校人才培養(yǎng)需要考慮學生實際動手能力的鍛煉，課室的設計融入虛擬現(xiàn)實實訓元素，讓學生在教學過程中反復操練，在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中充分掌握技能的原理和操作要領，提升了學生在實際操作過程中的動手能力；

四是多功能智慧課室簡單易用的課程資源錄播，促進了信息化教學資源的積累，為高職院校學生提供了自主學習的資源，有助于學生自習能力的提升。

隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展，多功能智慧課室在技術(shù)、功能和應用范圍上都將有更大的突破，并將支撐高職教育教學模式的變革，輔助高職人才培養(yǎng)質(zhì)量的提升。