高校智慧教室建設探索與實踐

張國才

(山西經濟管理干部學院電子信息工程系，山西 太原030024)

0 引言

以云計算、物聯網、大數據、人工智能為代表的信息技術革命，正改變著教育信息化發(fā)展模式。2019年2月，中共中央、國務院印發(fā)《中國教育現代化2035》，將加快信息化時代教育變革作為教育現代化的戰(zhàn)略任務，要求建設智能化校園，統籌建設一體化智能化教學、管理與服務平臺。智慧教室的建設是高校信息化建設中非常重要的一個環(huán)節(jié)[1]。

信息化教學以智慧教室為載體，是信息化教學的基礎環(huán)境支撐，提供包括：多媒體教學、智能中控、在線巡課、精品錄播、遠程互動、分組教學、平臺集中管控、人臉考勤、學情分析等多種教學業(yè)務應用。智慧教室的空間布局轉變靈活，整個教學環(huán)境舒適便捷，更加便于開展信息化教學活動。

1 智慧教室邏輯架構

智慧教室建設采用一體化設計，自下而上由基礎設施到數據，再到業(yè)務，最后到大數據分析的理念，設計邏輯架構為智慧教學環(huán)境、智慧教學模式、智慧教學分析評估等，如圖1所示。

圖1 智慧教室邏輯架構

1.1 智慧教學環(huán)境

根據高校信息化投入的不同，智慧教學環(huán)境可以分為標準智慧教室和研討型智慧教室。其中：標準智慧教室滿足高校對原有教室進行低成本改造升級，通過配備基礎的多媒體教學設備和接入教室已有多媒體設備，批量化實現了多媒體教室的升級建設，幫助高校快速提升教室信息化水平。而研討型智慧教室注重教學業(yè)務和管理業(yè)務一體化，實現多業(yè)務一站式的智慧教學應用，支持教學設備控制、環(huán)境設備控制、環(huán)境狀態(tài)感知、智慧投屏同步服務、跨屏教學互動、教學數據采集、教學狀態(tài)感知等。強調空間的可重構性與延展性，為情境式、探究式、討論式、翻轉式課堂教學提供支持，加強師生之間的互動，激發(fā)學生學習的興趣。

1.2 智慧教學模式

根據不同的教學需求，打造貫穿課前、課中、課后教學環(huán)節(jié)的應用平臺。通過教學實時數據采集、教學互動應用、教學數據分析反饋等，為課堂教學提供應用服務和數據支持?；诙嗑S度教學環(huán)境的構建，智慧教室支持課堂互動教學和在線課程平臺，滿足混合式教學、翻轉課堂、在線自學等不同課程模式的信息化教學應用。

1.3 智慧教學評估

通過智慧教室中教學活動產生的數據，智慧教學評估提供教學分析圖表和實時預警信息，實時、直觀、準確的了解課堂教學的運行情況，為后續(xù)教學決策提供數據支持。

2 智慧教室網絡架構

采用“云+端”部署架構，如圖2。通過本地云部署，有效保證教學業(yè)務的文檔和數據安全，同時可實現和校方相關業(yè)務系統的對接，更好的實現了對教學、管理業(yè)務的有效支撐。

圖2 智慧教室網絡架構

智慧教室采用模塊化部署架構思路，使用All in one一體化進行整合，將整個系統的復雜邏輯，簡潔的劃分歸納為核心一體機+教室一體機。其中核心一體機部署在學校機房，內部為可插拔卡結構，業(yè)務系統運行在獨立引擎卡上，后續(xù)還可擴容存儲、增加彈性計算等[2]。而教室一體機部署在教室內，每間教室部署一個獨立的教室一體機。

教室一體機是整個智慧教室的核心，支撐應用了包含互動教學應用、視頻錄播分析、網絡交換處理三大模塊。面向不同的教室建設形態(tài)，可實現教室一體機靈活組合中控、物聯、嵌入式常態(tài)監(jiān)控錄播/多機位或4K摳像常態(tài)錄播/多機位精品錄播等不同業(yè)務模塊和系統，滿足不同的方案建設需要和擴展需求。

主要部署組合為業(yè)務服務器/核心一體機+多個教室一體機方式，學校構建服務器平臺后，針對若干教室進行智慧教室升級或新建，只需在教室內部署教室一體機，從而實現智慧教室的分期建設，無障礙升級擴容。

3 智慧教室硬件系統

3.1 標準智慧教室的硬件組成

由“服務器+教室一體機+教學設備+常態(tài)錄播系統(可選)+智課堂教學軟件+智能中控(可選)”組成，如圖3。此場景適合常態(tài)化多媒體教室的低成本升級，打造一個簡便易用的信息化教學環(huán)境。

教室一體機將課堂互動、網絡數據分析、錄播及視頻業(yè)務處理等技術有機融合，此類標準智慧教室可以實現以較低的建設投入，批量規(guī)模化的實現智慧教室、智慧教學業(yè)務的建設。

圖3 標準智慧教室硬件架構

3.2 研討型智慧教室的硬件組成

“服務器+教室一體機+智課堂教學系統+物聯系統+精品或常態(tài)錄播系統+交互主屏及副屏+智慧拼合桌椅+教學空間設計”組成，如圖4。為課堂教學營造一個適合教學、體驗友好的智能化教學空間。

在設備管理應用層面，通過智慧物聯技術的軟硬件支持，實時反饋教室設施的運行狀態(tài)，可遠程、批量、場景化控制，為教學管理提供智能化的應用服務。

另一方面，研討型智慧教室的建設優(yōu)勢在于可結合不同高校專業(yè)特性，學科教學需求以及不同階段信息化建設配套的設備、技術一體化構建。能夠滿足不同院系專業(yè)教學的特性和專項建設需要，建設具有教學應用針對性的教室，如：遠程互動教室、移動教學實訓室、多屏教學課室等?？蛇x擇基于智慧黑板、教學互動屏設備、門禁、智慧班牌、遠程對講系統、增強虛擬現實產品、拾音擴音等附屬硬件系統，輔以互動教學軟件、多屏協作軟件，教師APP、無線互聯工具等實現多媒體互動教學、分組教學、課堂項目實踐等教學場景應用。通過完整的智慧環(huán)境構建，更好提升了課堂互動性、學生參與感、豐富教學實踐的形式、提高教學效果和教學體驗。

圖4 研討型智慧教室硬件架構

4 智慧教室軟件平臺構成

4.1 智慧教學系統平臺

智慧教學系統平臺應包括在線學習平臺、課堂互動教學平臺、課程管理平臺、移動學習平臺。通過課前、課中、課后的教學活動場景梳理，制定教學環(huán)節(jié)和流程。通過教學過程數據分析，為教師及教學管理人員教學決策提供依據。支持跨終端接入的在線課程學習，滿足在線課程的教學管理和應用。實時統計了解在線教學的相關數據，為教學改進和調整提供完整的數據支持[3]。

4.1.1 課前

教師可以輕松通過計算機或智能平板進行課程創(chuàng)建和課前備課，可以嵌入課件、音頻、視頻、電子教材、試題等資源。學生在課前進行有引導的預習和了解學習課程資源，提升課堂學習效率。

4.1.2 課中

教師可以進行一鍵上課、一鍵錄播、一鍵下課，主持與指導學生進行探究式小組教學活動。選擇一位學生進行示范，學生可以用智能平板等設備講解，講解的同時，可以實時同步到互動大屏及學生和教師的智能設備上，達到教學過程可視化。教師能夠第一時間感知學生對課程內容的理解程度，對問題回答及討論的情況，通過這些數據反饋，實時調整教學進度和方式。

4.1.3 課后

平臺提供課堂教學數據分析，有針對性的進行教學反思，改善教學環(huán)節(jié)。教師能夠針對課堂數據進行精細化分析，通過對出勤率、課件理解情況、知識點掌握情況以及課堂評價等維度的分析，有針對性的改善教學環(huán)節(jié)。另外，系統給學生提供在線學習數據分析，幫助學生更好的改進學習情況。

4.2 教學數據分析平臺

教學數據分析平臺進行教學質量分析、課堂行為和學習活躍度分析，通過教學活動獲取實時數據，即時全面的了解教學質量情況。

4.2.1 教學質量分析

教學過程中同時采集線上和線下的數據，通過各項的教學指標和靈活的權重定義，為高校提供不同組合教學數據統計分析。讓教學管理更直觀、生動、及時的了解教學活動運行狀態(tài)，快速精準的定位教學活動的問題所在。通過院系橫向對比，快速了解全校院系的教學質量變化情況，針對院系教學的管理將更明確，通過具體指標項的得分比對，有效比對教學環(huán)節(jié)中存在的不足，引導教學活動平衡發(fā)展，更好的保證教學質量[4]。

4.2.2 課堂行為和學習活躍度分析

依靠人臉分析技術，通過采集教室內的上課畫面，實時分析學生的上課狀態(tài)，包括積極學習、正常聽講、消極厭煩等，并能幫助評估學生對課程內容的興趣程度。通過跟蹤學生在線上、線下的學習行為軌跡，分析學生的學習活躍指數變化，考慮學生在不同階段的學習活躍度情況，使學生的學習狀態(tài)被量化呈現。

4.3 教學督導評教系統

教學督導評教系統提供覆蓋課程督導、質量評價等多方位的課程教學過程督導、回顧，滿足教學質量督導管理業(yè)務開展的應用需求。

4.3.1 遠程教學督導

課堂教學過程的教學內容(教學資料、互動過程等)、教學環(huán)境(現場音視頻畫面)、教學狀態(tài)(到課率、情緒指數、抬頭率等)均可被系統捕捉并實時呈現，通過多維的課堂信息，快速定位問題課堂，有針對性的開展遠程課堂教學督導和教學評價。通過平臺完成的相關教學過程和內容可被完整記錄，支持督導教學回顧和記錄分析，完整實現課堂教學的回顧和評教。

4.3.2 課程建設分析

結合課程建設目標，通過分析課程教學數據，對課程建設任務的完成進度和質量、授課計劃的運行狀況進行診斷，及時發(fā)現問題并進行預警。

4.3.3 多元化評價

基于平臺的教學過程數據采集記錄，通過多元化評價業(yè)務的評價指標定義、評價規(guī)則設定，滿足教學管理過程中對課程教學質量的多維分析。滿足了對學生課堂教學的綜合評分設計和成績管理。

5 結語

智慧教室是高校信息化建設的的重要部分，智慧教室的合理建設能夠促進高校改善教學環(huán)境，促進三教改革、提升教學成效，利用新一代信息技術培養(yǎng)出適應時代需要的高素質技能人才。