教育數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的智慧教室系統(tǒng)建設(shè)

李瑞晴 王暉

摘要：基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及Web開(kāi)發(fā)技術(shù)，本文開(kāi)發(fā)的智慧教室系統(tǒng)能夠?qū)W(xué)生課堂學(xué)習(xí)行為和教師課堂教學(xué)行為數(shù)字化和結(jié)構(gòu)化，通過(guò)在線方式實(shí)現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)課堂教學(xué)過(guò)程的全程數(shù)據(jù)采集以及深度分析，最終能夠客觀準(zhǔn)確地分析學(xué)生學(xué)習(xí)行為以及教師教學(xué)行為，并為將來(lái)提供進(jìn)一步的科學(xué)行為建議提供堅(jiān)實(shí)的理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：教育數(shù)據(jù)；智慧教室；物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 論文編號(hào)：1674-2117（2018）10-0079-04

引言

在計(jì)算技術(shù)、通信技術(shù)以及微電子技術(shù)飛速發(fā)展的大背景下，國(guó)家和地方政府都在加快推動(dòng)教育信息化進(jìn)程。教育部印發(fā)的《教育信息化“十三五”規(guī)劃》中，特意強(qiáng)調(diào)要加快推動(dòng)信息技術(shù)與教育教學(xué)的融合創(chuàng)新發(fā)展。當(dāng)前，普教的課堂教學(xué)模式依然是以教師講臺(tái)授課為主的教學(xué)形式。雖然在某些教學(xué)環(huán)節(jié)中，PPT代替了黑板，學(xué)生手里有了Pad，但課堂教學(xué)仍舊遵循著傳統(tǒng)的教學(xué)模式。究其原因，是互聯(lián)網(wǎng)對(duì)教育的沖擊力度還不足以從根本上改變教育的傳統(tǒng)生態(tài)。而傳統(tǒng)的課堂教學(xué)模式在信息技術(shù)高速發(fā)展的今天，愈來(lái)愈暴露出諸多弊端：

第一，教學(xué)模式老套。教師一板一眼地把知識(shí)傳授給學(xué)生，“填鴨式”課堂讓學(xué)生感到枯燥乏味。第二，教學(xué)組織過(guò)于“被動(dòng)”。傳統(tǒng)的課堂教學(xué)，學(xué)生學(xué)習(xí)方式較為被動(dòng)并缺乏個(gè)體性，課堂上很少有思維的交鋒和智慧的碰撞，學(xué)生缺少自主探索、合作交流、獨(dú)立獲取知識(shí)的機(jī)會(huì)。第三，太注重“應(yīng)試”。在應(yīng)試教育的背景下缺乏獨(dú)立思考和思維發(fā)散能力，限制了學(xué)生學(xué)習(xí)的自信心與積極性，以及學(xué)生自主學(xué)習(xí)、自主發(fā)展的能力。針對(duì)數(shù)字原住民這一代，我國(guó)正在積極推進(jìn)基礎(chǔ)教育改革，以推進(jìn)素質(zhì)教育為目標(biāo)，鼓勵(lì)在學(xué)科教學(xué)中廣泛應(yīng)用信息手段，并把信息技術(shù)教育融合到各學(xué)科的學(xué)習(xí)中。隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”概念的提出、信息化的全面覆蓋，相繼出現(xiàn)的遠(yuǎn)程教育、在線課堂、教師屏幕廣播、多屏互動(dòng)教學(xué)及豐富的電子教材等，對(duì)傳統(tǒng)的課堂式教育模式進(jìn)行了有益的補(bǔ)充和升級(jí)。教師的傳道授業(yè)可以通過(guò)小小的屏幕靈活實(shí)現(xiàn)，學(xué)生獲得知識(shí)不再只有課堂教學(xué)這一個(gè)渠道。

信息技術(shù)推動(dòng)教育變革，“智慧教育”的概念應(yīng)運(yùn)而生。在“互聯(lián)網(wǎng)+”發(fā)展的背景下，智慧教育利用可隨身攜帶的移動(dòng)教學(xué)終端與云服務(wù)平臺(tái)相結(jié)合，打造智慧教室，實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)個(gè)性化、教育精準(zhǔn)化。

智慧教室概述

基于智慧教育的理念，我們開(kāi)發(fā)了智慧教室系統(tǒng)。該系統(tǒng)是利用新一代信息技術(shù)打造的智能、高效的課堂環(huán)境（教室），是一種新型的教育形式和現(xiàn)代化教學(xué)手段。

1.智慧教室簡(jiǎn)介

智慧教室充分利用智能設(shè)備（平板電腦）和網(wǎng)絡(luò)化，涵蓋課前課中課后多個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)，提供便捷的課件閱讀及課堂互動(dòng)手段，全面保存學(xué)生學(xué)習(xí)的過(guò)程數(shù)據(jù)，智能分析學(xué)生作業(yè)并精準(zhǔn)把握其知識(shí)掌握情況。通過(guò)實(shí)現(xiàn)評(píng)價(jià)反饋即時(shí)化、交流互動(dòng)立體化、資源推送智能化，全面變革課堂教學(xué)的形式和內(nèi)容，構(gòu)建互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的信息化課堂教學(xué)模式。簡(jiǎn)而言之，智慧教室是數(shù)字化校園應(yīng)用的新產(chǎn)品，是教育信息化走進(jìn)學(xué)校、走進(jìn)課堂、走進(jìn)師生的必然產(chǎn)物。

智慧云教室系統(tǒng)是一套具有成熟教學(xué)模型的智慧云教育解決方案，它具備以下功能：教師進(jìn)入系統(tǒng)備課、授課、推送試題，把上課所需的課件以數(shù)字化形式保存在云服務(wù)器，上課過(guò)程中利用屏幕廣播進(jìn)行課堂教學(xué)，觀看舉手提醒與學(xué)生進(jìn)行課堂互動(dòng)，在練習(xí)時(shí)個(gè)性化推送測(cè)試題給學(xué)生；學(xué)生使用Pad終端課前完成教師推送的課前預(yù)習(xí)題，帶著問(wèn)題上課，上課利用舉手按鈕與教師展開(kāi)互動(dòng)，練習(xí)時(shí)間完成教師給自己推送的個(gè)性化試題，查漏補(bǔ)缺，并避免抄襲。教室配備的Wi-Fi節(jié)點(diǎn)可以保證多人同時(shí)觀看視頻30分鐘不掉線，視頻運(yùn)用流媒體的形式播放使畫(huà)面更清晰、過(guò)程更流暢。

2.創(chuàng)新性

（1）技術(shù)創(chuàng)新

實(shí)現(xiàn)Wi-Fi高密度節(jié)點(diǎn)完全覆蓋：一間智慧教室可容納多人上課。在教師授課過(guò)程中，同時(shí)有多名學(xué)生接入網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)信號(hào)分擔(dān)的方式，緩解了信道的壓力，解決了因?yàn)樾诺罁砣鴮?dǎo)致的用戶掉線情況，繼而有效提升智慧教室Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)的接入質(zhì)量。

流媒體使視頻觀看更穩(wěn)定更流暢：智慧教室系統(tǒng)支持同一個(gè)組的終端可以接受到此組內(nèi)的所有數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)中的交換機(jī)和路由器只向有需求者復(fù)制并轉(zhuǎn)發(fā)其所需數(shù)據(jù)。主機(jī)可以向路由器請(qǐng)求加入或退出某個(gè)組，網(wǎng)絡(luò)中的路由器和交換機(jī)有選擇地復(fù)制并傳輸數(shù)據(jù)，即只將組內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸給那些加入組的主機(jī)。

靈活課堂互動(dòng)：支持PPT、Flash課件、Word文檔等電子教案的實(shí)時(shí)互動(dòng)，快速收集學(xué)生答案，即時(shí)顯示統(tǒng)計(jì)報(bào)表，教師可以直接看到客觀題各選項(xiàng)選擇人數(shù)以及每個(gè)學(xué)生的答案情況；客觀題直接系統(tǒng)自動(dòng)批改，即考即評(píng)；支持跨平臺(tái)屏幕廣播，教師端Pad屏幕界面直接廣播到學(xué)生端界面上；教師端可向全體學(xué)生發(fā)送備課文件。

（2）教學(xué)方式創(chuàng)新

教師輕松備課，高效輔導(dǎo)：擁有一個(gè)云終端，教師就可隨時(shí)隨地備課、輔導(dǎo)學(xué)生，學(xué)生則可以隨時(shí)隨地享受到原來(lái)在教室才能進(jìn)行的聽(tīng)課、答疑。

學(xué)生享有豐富資源，高效學(xué)習(xí)：智慧教室為學(xué)生提供練習(xí)題個(gè)性化推送、在線學(xué)習(xí)和在線測(cè)試等功能，為學(xué)生提供豐富多彩的課堂內(nèi)容，以及豐富的學(xué)習(xí)資源，方便學(xué)生根據(jù)自身?xiàng)l件，有選擇性地進(jìn)行個(gè)性化學(xué)習(xí)，這樣有利于提高學(xué)習(xí)效率。

3.實(shí)現(xiàn)方式

①選擇Linux作為操作系統(tǒng)，使得開(kāi)發(fā)和維護(hù)成本較Windows Server更為低廉，同時(shí)有大量參考案例可供學(xué)習(xí)。在眾多Linux發(fā)行版中，選擇基于Red Hat Enterprise Linux開(kāi)放的源代碼編譯而成的Community Enterprise Operating System，即CentOS，使智慧教室具備高度穩(wěn)定性的服務(wù)器操作系統(tǒng)。

②PHP作為開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，使智慧教室具有跨平臺(tái)、使用廣泛、成本低廉、開(kāi)發(fā)速度快等特色。

③Apache作為Web服務(wù)器，它是一個(gè)開(kāi)源的HTTP服務(wù)器，是最為流行的HTTP服務(wù)器之一。Apache使智慧教室具有高安全性、高可靠性和高度的可定制性，并且代理服務(wù)器可通過(guò)簡(jiǎn)單的API擴(kuò)充，將PHP等解釋器編譯到服務(wù)器中。

④MySQL作為數(shù)據(jù)庫(kù)，將數(shù)據(jù)保存在不同的表中，使智慧教室可以存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)在服務(wù)器中。MySQL所具有的開(kāi)源、高性能、低成本和高可靠性使其成為全球最為流行的開(kāi)源數(shù)據(jù)庫(kù)。其與Apache、PHP的結(jié)合為基于數(shù)據(jù)庫(kù)的動(dòng)態(tài)網(wǎng)站提供了強(qiáng)大動(dòng)力。

4.系統(tǒng)功能

智慧教室系統(tǒng)是由“Web端”“學(xué)生/教師Pad端”組成的一個(gè)數(shù)字化教室（如上頁(yè)圖1）。該系統(tǒng)為教師提供了一個(gè)輕松教學(xué)的環(huán)境，為學(xué)生提供了一個(gè)高效學(xué)習(xí)的工具。智慧教室整合了網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)軟件、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)視頻等諸多全新的概念，構(gòu)建了全新的教與學(xué)工具。

智慧教室系統(tǒng)建設(shè)

1.Pad端

Pad端是智慧教室的核心所在，是實(shí)現(xiàn)靈活課堂互動(dòng)的前提。智慧教室系統(tǒng)Pad端能夠?yàn)榻處熒险n提供備課、廣播教學(xué)、課堂互動(dòng)、記錄考勤信息和課堂互動(dòng)等功能，方便使用多媒體課件進(jìn)行教學(xué)展示和增加學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，為學(xué)生提供廣播教學(xué)的接收、接收教師推送的練習(xí)題、在線學(xué)習(xí)和在線測(cè)試等功能，為學(xué)生提供豐富多彩的課堂內(nèi)容以及豐富的學(xué)習(xí)資源，方便學(xué)生根據(jù)自身?xiàng)l件，有選擇性地進(jìn)行個(gè)性化學(xué)習(xí)。

2.Web端

智慧教室系統(tǒng)Web端為教師提供在線備課、課件資源管理、推送練習(xí)和作業(yè)給學(xué)生等功能，為學(xué)生提供在線練習(xí)、在線測(cè)試、自主學(xué)習(xí)和查看錯(cuò)題記錄等功能。智慧課堂系統(tǒng)在公認(rèn)的教學(xué)模型基礎(chǔ)上，提高“課前”“課中”“課后”學(xué)習(xí)的效率和效果，構(gòu)建了科學(xué)的教學(xué)模型。

智慧教室系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

1.系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)先進(jìn)性、實(shí)用性與開(kāi)放性的設(shè)計(jì)原則，智慧教室系統(tǒng)的架構(gòu)主要分為四層，從下至上依次為底層硬件、服務(wù)層、構(gòu)件庫(kù)層與視圖層（如圖2）。

①底層硬件：最底端是底層硬件，它是奠定整個(gè)智慧教室平臺(tái)運(yùn)行的基礎(chǔ)。該層為智慧教室的教學(xué)和管理提供必要和完善的物理平臺(tái)。主要包括視頻終端和多媒體錄制設(shè)備。

②服務(wù)層：底層硬件之上是服務(wù)層，該層是智慧教室的核心業(yè)務(wù)部分，構(gòu)造了平臺(tái)服務(wù)的基本框架。通過(guò)無(wú)線Wi-Fi確保了服務(wù)層與底層硬件間的通信，實(shí)現(xiàn)無(wú)障礙、安全、可靠的信息傳輸，并構(gòu)建數(shù)據(jù)庫(kù)保障了數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)管理。服務(wù)層主要提供了數(shù)據(jù)交換、人員/權(quán)限管理、知識(shí)管理、離線接入、表單引擎、部件管理等服務(wù)。

③構(gòu)件庫(kù)層：依托服務(wù)層提供全面的支撐和保障，構(gòu)件庫(kù)層提供了備課管理、考試管理、題庫(kù)管理、學(xué)生錯(cuò)題管理、課堂教學(xué)管理、作業(yè)管理、視頻教學(xué)管理、資源管理、通知公告等強(qiáng)大的功能。此外還加入成長(zhǎng)智能分析管理、行為記錄及評(píng)價(jià)策略管理、智能考勤等其他功能來(lái)提高課堂教學(xué)質(zhì)量。

④視圖層：智慧教室系統(tǒng)的頂層是面向用戶（學(xué)生、教師、管理員）的視圖層。智慧教室系統(tǒng)Web端以HTML5、Bootstrap、jQuery等前端開(kāi)發(fā)技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合下層的服務(wù)接口，為用戶提供豐富多樣、交互友好、響應(yīng)式的教育應(yīng)用服務(wù)。用戶可以通過(guò)臺(tái)式電腦、筆記本、平板電腦、智能手機(jī)等終端設(shè)備，在任何時(shí)間和任何地點(diǎn)，采用任何通信方式，訪問(wèn)教學(xué)資源和處理教學(xué)任務(wù)。

2.系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

智慧教室系統(tǒng)由Web端、教師端、學(xué)生端、后臺(tái)管理四大部分組成。Web端主要用戶角色為教師和學(xué)生。Web端為教師提供了在線備課、課件資源管理、課前預(yù)習(xí)管理、課堂預(yù)習(xí)管理、課后作業(yè)管理等功能。教師端為教師上課提供備課、廣播教學(xué)、課堂互動(dòng)、記錄考勤信息和課堂互動(dòng)等功能，方便使用多媒體課件進(jìn)行教學(xué)展示和增加學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。學(xué)生端為學(xué)生提供廣播教學(xué)的接收、接收教師推送的練習(xí)題、在線學(xué)習(xí)和在線測(cè)試等功能，為學(xué)生提供豐富多彩的課堂內(nèi)容以及豐富的學(xué)習(xí)資源。后臺(tái)管理主要為系統(tǒng)管理員提供系統(tǒng)資源管理，以及對(duì)系統(tǒng)的整體管理，維護(hù)系統(tǒng)的運(yùn)行。系統(tǒng)資源的管理包括對(duì)各種視頻、音頻、數(shù)據(jù)等資源的管理，系統(tǒng)管理主要包括用戶管理、年級(jí)管理、班級(jí)管理、科目管理。

展望

智慧教室系統(tǒng)是為滿足信息技術(shù)不斷深入發(fā)展以及人們不斷增長(zhǎng)的教育需求的必然產(chǎn)物。但我們相信，智慧教室系統(tǒng)只是智慧教育發(fā)展過(guò)程中的一個(gè)過(guò)渡性技術(shù)，隨著人工智能技術(shù)以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，在智慧教室系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，必將衍生出更加體現(xiàn)智慧教育核心思想的新一代智慧教育技術(shù)。