信息化環(huán)境中智慧教室的構建

程 敏

（華僑大學 網絡與教育技術中心，福建泉州 362021）

信息化環(huán)境中智慧教室的構建

程 敏

（華僑大學 網絡與教育技術中心，福建泉州 362021）

隨著信息技術與教育融合創(chuàng)新發(fā)展，以智慧教室為代表的智慧學習環(huán)境的設計與應用已得到廣泛關注。文章通過對智慧教室概念的研究，闡述了智慧教室區(qū)別于以往多媒體教室和網絡化教室的主要特征；同時，根據智慧教室的設計思路和注意事項，設計出智慧教室的總體架構。文章認為，結合高校的實際情況，可從硬件環(huán)境和軟件環(huán)境兩個方面協(xié)同實現(xiàn)智慧教室。

信息化；環(huán)境；智慧教室；軟硬件；設計與實現(xiàn)

引言

在“互聯(lián)網+”思維下，高校如何進一步促進教學模式的轉變、進一步促進教育信息化的發(fā)展，是時代賦予我們將信息技術與教育融合創(chuàng)新發(fā)展的機遇。因此，構建學習環(huán)境是實現(xiàn)教與學方式變革的基礎，智慧學習環(huán)境是信息技術發(fā)展的必然結果，對教與學有著革命性影響[1]；智慧教室是教室信息化建設的最新形態(tài)，是一種典型的智慧學習環(huán)境[2][3]；構建智慧教室是教育信息化背景下學生對學習環(huán)境發(fā)展的訴求，是實現(xiàn)教與學方式變革的支撐條件，也成為各學校促進教學發(fā)展的新理念、新模式、新趨勢。

一 智慧教室的概述

1 傳統(tǒng)多媒體教室的弊端

隨著多媒體教學規(guī)模的不斷擴大，多媒體教室越來越普及，雖然對提高教學水平發(fā)揮了一定的作用，但早期規(guī)劃設計的瓶頸在使用、管理和維護方面暴露出的問題也日漸突出，嚴重影響了正常的教學秩序。傳統(tǒng)多媒體教室普遍存在著以下弊端：①建設場地多，需要統(tǒng)一平臺集中管理；②設備操作缺乏防護，造成設備損壞；③設備存在被盜的安全隱患；④多媒體教室運行狀況得不到及時反饋；⑤多媒體教室缺乏可視化管理；⑥重管理輕服務的模式，難以為師生提供完善的信息服務；⑦缺乏統(tǒng)一的技術標準體系和全面的整體建設規(guī)劃，不利于可持續(xù)發(fā)展。

由此可見，傳統(tǒng)多媒體教室已不能滿足信息化教學的需求。隨著智慧地球、智慧城市等概念的提出和相關技術的發(fā)展，教室信息化建設應從頂層設計理念出發(fā)，著重考慮以人為本、面向服務、信息互通、數據共享，能夠及時、準確、高效、隨時隨地向全校師生提供跨部門管理業(yè)務的信息化服務。為此，以信息化、個性化、智能化等為特征的智慧教室孕育而生。

2 智慧教室的概念

國外從2003年開始、國內自2008年之后，研究者就開始對智慧教室從不同角度進行界定和描述，然而他們對智慧教室的概念認識存在的共同點是利用新興技術構建教與學的環(huán)境，促進學習者的學習和相關技能的提高。本文認為智慧教室是基于物聯(lián)網、云計算、大數據和泛在網絡等新興信息技術，構建一個以互動為核心，提供個性化師生服務、進行智能化管理、實現(xiàn)多元化交互教學的物理環(huán)境與虛擬環(huán)境相融合的學習環(huán)境。

3 智慧教室的特征

區(qū)別于以往多媒體教室和網絡化教室，智慧教室的主要特征體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）教材多媒體化：提供智能和豐富的學習教材，開發(fā)學生潛力，并提高學習效果。

（2）資源共享化：建立泛在的學習資源環(huán)境，有效拓展學習時空，并且與校內外資源系統(tǒng)無縫整合，實現(xiàn)數據互通、資源共享、個性化推送等，突破傳統(tǒng)課堂邊界。

（3）教學多樣化：提供便捷、自然、友好的人機交互以及高效的信息獲取，實現(xiàn)以學生為主體的多種教學模式，從而提高學習、討論和協(xié)作的效率。

（4）學習個性化：提供方便、快捷的學習支助服務和學習分析技術，實現(xiàn)線上和線下、正式學習和非正式學習的結合，為每個學習者提供個性化學習。

（5）活動協(xié)作化：學生在課堂上不僅能聽、能看，更能與老師和同學進行互動、交流，使學生有更強的參與感，使教學活動更具有協(xié)作化，充分調動整個課堂的活躍氣氛。

（6）網絡泛在化：泛在網絡將信息空間與物理空間實現(xiàn)無縫的對接，實現(xiàn)任何時間、任何地點、任何人、任何物都能順暢地通信，都能通過合適的終端設備與網絡進行連接，獲得前攝性、個性化的信息服務[4]。

（7）管理智能化：對物理環(huán)境和設備狀態(tài)等信息進行實時采集、捕獲、分析和處理，管理人員通過可視化界面查看運行狀況和進行管理操作，從而實現(xiàn)教學過程的全方位“實施感知、動態(tài)控制和智慧管理”。

（8）環(huán)境和諧化：構建智慧教室的目標就是建立一個“堅持以人為本，使教育的各因素相互依存、相互促進、協(xié)調合作，形成完美的教學生態(tài)，從而促進學生自我激勵、自我成長、自我完善”的和諧環(huán)境[5]。

二 智慧教室的設計

1 智慧教室的設計思路

智慧教室的構建，總體上遵循“統(tǒng)籌規(guī)劃、分步實施、統(tǒng)一標準、整合資源、共享信息”的指導思想，一方面保障系統(tǒng)的先進性、可靠性、易用性和可維護性；另一方面保障系統(tǒng)的可擴展性、可伸縮性、可管理性和服務支持能力。

在設計上還應注意以下幾點：①從技術設計和空間設計兩方面入手，構建一個各構成要素（技術、環(huán)境、人、資源和方法等）和諧共存的教與學環(huán)境；②根據學校的性質和學科的特點，使智慧教室適用于不同教學應用模式；③與學校現(xiàn)有的一卡通系統(tǒng)、教務系統(tǒng)、教學資源以及校外的資源進行對接，實現(xiàn)信息的互聯(lián)互通和共享利用；④利用云中心平臺，有助于解決教育信息化中普遍存在的“資金難籌措”、“應用難推進”、“共享難實施”等重大問題；⑤將其進行模塊化，以便進一步完善智慧教室的功能，并提高教學效果。

2 智慧教室的架構設計

基于對智慧教室的定位、特征和設計思路的探討，構思出智慧教室的總體架構：在基礎硬件設施上，依托云中心平臺的支持和保障，建立可視化綜合管理平臺，打造出一個信息化公共支撐環(huán)境，實現(xiàn)課程學習個性化、教學模式多樣化、優(yōu)質資源公開化和設備管理智能化。將智慧教室的總體架構再細化，從低到高分為四個層次，如圖1所示。

圖1 智慧教室總體架構

（1）基礎設施層：為智慧教室提供必要和完善的硬件環(huán)境。主要包括：教室基礎設施、多媒體教學系統(tǒng)、互動錄播系統(tǒng)、視頻會議系統(tǒng)、信息發(fā)布系統(tǒng)、物聯(lián)網感知系統(tǒng)、服務器集群和基礎網絡設施等。

（2）應用支撐層：智慧教室架構的核心層，主要通過云中心平臺，整合各種軟件系統(tǒng)，促進應用系統(tǒng)的貫通與集成，形成統(tǒng)一數據環(huán)境的智能信息平臺；負責智慧教室的設備與設備之間，設備與人員之間，人員與資源之間，人員與管理、服務之間的運行控制和分析計算，總控智慧教室的各項應用和服務；將現(xiàn)有的信息數據進行統(tǒng)一管理，為智慧教室提供計算、存儲、網絡安全等服務，實現(xiàn)信息資源的按需分配；實現(xiàn)智慧教室與學校的教學類系統(tǒng)、教務類系統(tǒng)、一卡通類系統(tǒng)、安防類系統(tǒng)、資源類系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通和信息共享[6]。

（3）綜合管理層：依托應用支撐層提供全面的支撐和保障，通過統(tǒng)一門戶、統(tǒng)一認證、統(tǒng)一權限管理的可視化綜合管理平臺，為智慧教室的環(huán)境、服務、管理和資源等方面提供全新運行模式，并且具有強大的移植性和伸縮性，可為良好的綜合教學信息化提供保障。

（4）綜合服務層：不同的用戶可以采用臺式電腦、平板電腦、智能手機、自助終端等設備，在任何時間、任何地點，通過任何通信方式訪問教學資源和處理教學任務，實現(xiàn)良好的交互。

此外，信息標準化體系和信息安全與運行維護體系有利于保障整個智慧教室的建設、運營及管控。

三 智慧教室的實現(xiàn)

為了給全校師生營造一個技術先進、功能全面、使用便捷的智慧學習環(huán)境，在華僑大學（下文簡稱“我校”）兩校區(qū)各篩選了一批聲、光、溫等環(huán)境因素符合國家標準的教室進行構建智慧教室的試點。實現(xiàn)智慧教室的各項功能還有賴于軟、硬件的運用，而且兩者相輔相成、缺一不可。因此，將智慧教室環(huán)境分為硬件環(huán)境和軟件環(huán)境——硬件環(huán)境主要由智慧教室架構中的基礎設施層構成，軟件環(huán)境主要由智慧教室架構中的綜合管理層構成。同時，學校已建成的教室控制中心、校園有線無線網和數據中心，為智慧教室的構建提供了如基礎平臺、泛在網絡和云中心平臺等強有力的軟、硬件支持。

1 硬件環(huán)境的實現(xiàn)

首先，從新技術植入和空間布局兩方面入手，將各種先進技術（設備自動化控制、多屏顯示、無線投影、課堂教學錄播、遠程互動教學等）和空間布局（分布式空間布局、動態(tài)課桌椅組合、多樣的色彩調節(jié)等）與智慧教室的教室端進行融合；以“注重互動、按需搭配”為準則，根據學科的特點和學生的特征，通過各個設備間的組合和搭配，使智慧教室營造出小組討論、研究性學習、互動交流、精品課程錄制和遠程互動教學等多形態(tài)交互的教學模式，形成常規(guī)和特色相協(xié)調的教學體系。

接著，物聯(lián)網感知系統(tǒng)在智慧教室的使用，不僅實現(xiàn)了本地的智能控制，還為遠程的管理和維護提供了硬件支持，如藍牙適配器實現(xiàn)學生的自動考勤，CO2、溫濕度、光照等傳感器和控制終端實現(xiàn)環(huán)境的智能控制，光照傳感器實現(xiàn)投影機燈泡使用時間的記錄，特高頻標簽實現(xiàn)設備的資產管理，Wifi攝像頭實現(xiàn)教室的遠程監(jiān)控等。

然后，校園有線無線網的覆蓋，使信息空間與物理空間進行無縫對接，實現(xiàn)教師和學生可以在任何時間和地點、通過合適的終端設備與任何人與物順暢地通信。

最終，將智慧教室的教室端（如圖2、圖3所示）通過網絡接入校園網，完成智慧教室硬件環(huán)境的構建。

圖2 智慧教室教室端主要設備連接圖

圖3 智慧教室教室端空間布局

2 軟件環(huán)境的實現(xiàn)

為了更好地發(fā)揮硬件設施的作用，加強教學資源積累，促進教學質量提升，并且為教師、學生和管理者提供多方位的應用和服務，本研究基于數據中心提供的云中心平臺作為技術支撐，通過可視化綜合管理平臺將全新的運行模式注入到智慧教室的環(huán)境、服務、管理和資源等要素中，建立統(tǒng)一認證、統(tǒng)一接口、統(tǒng)一權限管理的軟件環(huán)境，并對可視化綜合管理平臺進行層次化和模塊化的結構設計，將其分為9個系統(tǒng)，如圖4所示。

圖4 可視化綜合管理平臺

（1）智能化管理系統(tǒng)

實現(xiàn)對各個教室中多媒體設備、互聯(lián)教學設備、環(huán)境控制設備的網絡群控、聯(lián)動管理和可視化管理，并實現(xiàn)對設備的狀態(tài)監(jiān)測、故障預警、故障診斷、資產使用等情況的智能分析，從而達到教學過程的全方位“實施感知、動態(tài)控制和智慧管理”，為良好的教學環(huán)境提供保障。

（2）云桌面系統(tǒng)

在使用上，不僅實現(xiàn)操作系統(tǒng)的快速加載和數據信息的安全防護，而且還支持教師和學生無論在何時何地都可以使用任何終端設備通過統(tǒng)一的身份賬號訪問個人的云桌面；在管理上，云桌面支持遠程可視化管理和協(xié)助，提高計算機管理的能力，節(jié)約教室維護的成本。

（3）錄播管理系統(tǒng)

利用錄播管理系統(tǒng)，不僅能夠完成全自動常態(tài)化高清視音頻的采集和錄制，還可以實現(xiàn)課堂教學多畫面的輕課件錄制功能，可根據我校的自身教學特點展開資源共享、教學評估等工作，將資源、教學結合到一起，達到資源的高效利用。

（4）遠程互動教學系統(tǒng)

信息技術手段打破了時空限制，也能充分利用高質量的教育資源，建立區(qū)域內的實時互動網絡視頻教學平臺，為開展遠程網絡教學、教研和培訓提供技術支撐，提高教育信息化的應用水平。

（5）教務支持系統(tǒng)

教務支持系統(tǒng)通過云中心平臺與學校的教務系統(tǒng)、一卡通系統(tǒng)和身份認證系統(tǒng)的對接，創(chuàng)建一個智慧感知的、自決策化的教務管理和服務信息化體系，實現(xiàn)師生考勤的智慧感知、電子課表智能推送、多維教學評估、教務消息通知發(fā)布等教務工作的智能服務。

（6）學習資源系統(tǒng)

學習資源系統(tǒng)主要包括多媒體課件、教學案例、試題試卷、媒體素材和電子文獻資料等資源，無論教師、學生還是社會人員，只要在網絡環(huán)境中，都可以共享這些優(yōu)質的資源。

（7）數據存儲系統(tǒng)

數據存儲系統(tǒng)主要用于錄播數據、軟件服務系統(tǒng)數據、各類人員上傳的數據（如學習、討論、交流等）和基礎業(yè)務管理數據（如維護管理、監(jiān)控錄像、教務數據等）的存儲和管理。

（8）MOOC系統(tǒng)

MOOC系統(tǒng)是通過互聯(lián)網絡拓展的學習場域，學習者可以進行自主學習，教師可以開展翻轉課堂教學，同時MOOC系統(tǒng)記錄的學習大數據及其分析有助于客觀科學地評價教學過程[7]。

（9）教學輔助APP

教學輔助APP滿足多系統(tǒng)、多終端、多對象的使用。無論是Windows/Android/IOS等主流操作系統(tǒng)，還是臺式電腦、筆記本、平板電腦、智能手機等多種終端設備，均可以方便、快捷地使用。通過APP，教師可以進行測驗、互動、觀摩和教學備課，學生可以點播、直播、互動和課后復習，管理者可以智能管控和維護，從而實現(xiàn)教、學、管之間的交互服務。

硬件是軟件賴以工作的物質基礎，軟件的正常工作是硬件發(fā)揮作用的唯一途徑。基于軟硬件設施構建的智慧教室，形成以可視化綜合管理平臺為中心、智慧教室為節(jié)點、滿足各類人群（教師、學生、管理者、家長和社會）不同業(yè)務（教、學、管理和服務）需求的智慧教室環(huán)境，以適應當前和未來課堂的教學改革、人才培養(yǎng)計劃的發(fā)展等需要，如圖5所示。

圖5 智慧教室環(huán)境

四 結束語

信息時代的學習將以智慧學習環(huán)境為基本依托，而智慧教室是智慧學習環(huán)境的典型代表之一，能夠適應人們“任意時間、任意地點、任意方式、任意步調”的學習訴求，形成一個教與學，課前、課中、課后，教室內外，老師、學生、家長、學校多維度的教學應用生態(tài)[8]。因此，智慧教室是以信息化引領教育理念和教育模式的創(chuàng)新，可實現(xiàn)信息化服務學習、信息化服務教學和信息化服務教育。

[1]祝智庭.以智慧教育引領教育信息化創(chuàng)新發(fā)展[J].中國教育信息化,2014,(9):4-8.

[2]聶風華,鐘曉流,宋述強.智慧教室:概念特征、系統(tǒng)模型與建設案例[J].現(xiàn)代教育技術,2013,(7):5-8.

[3]黃榮懷,胡永斌,楊俊鋒,等.智慧教室的概念及特征[J].開放教育研究,2012,(2):22-27.

[4]張平,苗杰,胡錚,等.泛在網絡研究綜述[J].北京郵電大學學報,2010,(5):1-6.

[5]俞曉菊.和諧課堂——學生有效學習的主陣地[J].教育前沿(綜合版),2008,(9):37-38.

[6]楊現(xiàn)民.智慧教育體系架構與關鍵支撐技術[J].中國電化教育,2015,(1):77-84.

[7]鐘曉流,宋述強,胡敏,等.第四次教育革命視域中的智慧教育生態(tài)構建[J].遠程教育雜志,2015,(4):34-40.

[8]《2015中國智慧學習環(huán)境白皮書》項目成果發(fā)布會在北京師范大學舉行[J].現(xiàn)代教育技術,2015,(10):126.

Construction of Smart Classroom in Information Environment

CHENG Min
（Network and Educational Technology Center,Huaqiao University,Quanzhou,Fujian,China 362021）

With the fusion and innovative development of information technology and education,the design and application of smart learning environment represented by smart classroom has already attracted extensive attention.Main characteristics of smart classroom that were distinct from the traditional multi-media classroom and networked classroom were illustrated through the study on the concept of smart classroom.The overall architecture of smart classroom was designed according to the design thought and precautions of smart classroom.Collaborative implementation of smart classroom was achieved from two aspects,including the hardware and software environment,according to the practical conditions of our school.

informatization; environment; smart classroom; software and hardware; design and implementation

小西

G40-057

A 【論文編號】1009—8097（2016）02—0101—07

10.3969/j.issn.1009-8097.2016.02.015

程敏，工程師，碩士，研究方向為現(xiàn)代教育技術，郵箱為ipod@hqu.edu.cn。

2014年11月28日