智慧教室功能模型構(gòu)建與應(yīng)用探究

廣東工程職業(yè)技術(shù)學院 朱 靖

學習環(huán)境主要體現(xiàn)在對促進學生發(fā)展提供的相關(guān)條件，也是學習行為發(fā)生的載體。教室為學生學習的主要場所，直接對學習效率產(chǎn)生影響。近年來，我國結(jié)合教育信息化要求積極推動信息技術(shù)與教學的結(jié)合，打造智慧學習支持環(huán)境，尤其是在大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的發(fā)展下，有關(guān)智慧學習空間、智慧課堂、未來教室、智慧教室的研究和實踐開始增多，并成為相關(guān)課題研究的熱點。我國的智慧教室整體發(fā)展勢頭良好，但當前的智慧教室存在建設(shè)標準不同、軟件系統(tǒng)使用煩瑣、硬件環(huán)境構(gòu)建復(fù)雜、設(shè)備兼容性不高、容易出現(xiàn)故障等問題，影響了智慧教室作用的發(fā)揮，與此同時我國的智慧教室主要面向中小學，存在測試對象有局限性的問題，在高校應(yīng)用智慧教室還有很大的空間，以下進行相關(guān)分析。

一、智慧教室“三位一體”模型構(gòu)建

（一）物理空間

對智慧教室來說，這是較為固定的場所，不過信息化時代下的智慧教室打破了場所的限制，是配備了軟件與硬件的空間綜合體，相關(guān)硬件與軟件也是管理教學環(huán)境和感知情境的基礎(chǔ)。比如，在特定的環(huán)境下通過傳感器對光線、溫度與聲音進行調(diào)解；通過錄像設(shè)備掌握學生位置、操作、姿勢、情感等方面的數(shù)據(jù)；借助手持設(shè)備掌握交互學習過程，分析學習結(jié)果，進而跟蹤學習過程。

（二）資源空間

在云計算和大數(shù)據(jù)技術(shù)下，現(xiàn)代教育資源的共享更加便利，對智慧教室來說，主要是應(yīng)用了云端資源空間。對資源內(nèi)容來說，也不再局限于習題與課件，而是打造了自主學習、交互式學習與個性化學習的空間，在配套設(shè)備下實現(xiàn)多樣化的學習。比如，呈現(xiàn)資源的過程中實現(xiàn)了跨平臺的共享，做到了按照學習需求進行分配，還支持資源的互動與再生成，如在提供個性化資源時做到閉環(huán)，之后結(jié)合學生的資源使用與學習情況合理刪減資源，進而保證資源利用率，打破傳統(tǒng)的資源形式。

（三）社區(qū)空間

教室不僅是開展教學的場所，還是培養(yǎng)互動能力的社會場所，相較于傳統(tǒng)的多媒體教室，智慧教室的交互性與靈活度更大，是一種互動性強的學習空間。在互聯(lián)網(wǎng)與學習支持服務(wù)下，教師與學生、學生與學生、師生與機器之間都可以在現(xiàn)實與虛擬的環(huán)境下互動。與此同時，互聯(lián)網(wǎng)打破了傳統(tǒng)教師在空間上的限制，進而建立了跨地區(qū)、跨學校的學習社群。智慧教室的社區(qū)空間包括了虛擬空間和實體空間，在二者的結(jié)合下教師、學生與學生家庭通過移動終端連接起來，建立較為和諧的教育環(huán)境，如當學生提出問題后，教師選擇現(xiàn)場輔導(dǎo)或者在線答疑，學生可以選擇求助教師、人機交互或者求助專家解答。

二、智慧教室模型構(gòu)建

（一）物理設(shè)施層

在智慧教室中，物理設(shè)施層為基礎(chǔ)部分，包括教室基礎(chǔ)設(shè)施、多媒體教學設(shè)施、網(wǎng)絡(luò)與感應(yīng)設(shè)施。其中，教室基礎(chǔ)設(shè)施主要指物理空間、燈光照明、供電配電、通風空調(diào)、桌椅。多媒體教學設(shè)施又包括了電子白板、智能錄播系統(tǒng)、視頻會議系統(tǒng)、后臺監(jiān)控管理系統(tǒng)。在網(wǎng)絡(luò)與感應(yīng)設(shè)施中網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)、服務(wù)器、感應(yīng)穿戴設(shè)備、終端顯示設(shè)備發(fā)揮出了巨大作用。物理設(shè)施層中的以上設(shè)施應(yīng)用期間需要分析教學特點與學科要求，進而為教學工作開展營造合理的軟件與硬件環(huán)境。

（二）資源服務(wù)層

在智慧教室中，資源服務(wù)層為核心部分，即StarC云平臺實現(xiàn)不同的軟件與接口集成貫通，進而實現(xiàn)教育云端、管理端、教師端、學生端的連接，建立統(tǒng)一數(shù)據(jù)環(huán)境的智慧信息平臺。其中，智慧課堂教學平臺工具配備、教學數(shù)據(jù)采集、學科資源制作、教室智慧環(huán)境管理第三方應(yīng)用支持與服務(wù)為主要功能。

（三）交互應(yīng)用層

在智慧教室中，交互應(yīng)用層為特色部分，也就是在無線網(wǎng)絡(luò)的支持下實現(xiàn)人與設(shè)備、工具、環(huán)境流暢、高效的互動，包括提供教學、科研在內(nèi)的多元化教學平臺，其貫穿于師生、家庭在交互網(wǎng)絡(luò)，如教學群、學習群、學校群。智慧教室模型中基本包括了智慧教室教學內(nèi)容呈現(xiàn)、學習記錄、資源管理、環(huán)境管理等功能與相關(guān)內(nèi)容，并且每個子功能板塊中又可以和具體的教學需求組合。

三、高校智慧教室的實踐

近年來，華中師范大學積極推進教學與教育的結(jié)合，為全校師生提供技術(shù)先進、功能全面、操作便捷的現(xiàn)代化智慧學習環(huán)境，進而實現(xiàn)在人才培養(yǎng)過程中的轉(zhuǎn)變，主要體現(xiàn)在四個方面：其一，在教學理念上，倡導(dǎo)以教學為主轉(zhuǎn)變?yōu)榻虒W相長。其二，在辦學思路上，主張由專業(yè)教育轉(zhuǎn)變?yōu)閷I(yè)教育結(jié)合通識教育。其三，在教學方法上，主張由課堂教學轉(zhuǎn)變?yōu)榫€上與線下結(jié)合、課內(nèi)與課外結(jié)合。其四，在教學評價上，從結(jié)果評價為主轉(zhuǎn)變?yōu)檫^程評價結(jié)合結(jié)果評價?，F(xiàn)將華中師范大學南湖教學實驗綜合樓作為試點進行分析。

（一）建設(shè)理念

其一，云端一體化?；赟tarC云平臺，連接教師、學生、管理等端口，并且收集了海量教學資源、學科輔助工具、在線學習社區(qū)與第三方服務(wù)，在線課堂內(nèi)容在云端實現(xiàn)上傳。其二，互動多樣化。借助學生平板電腦、數(shù)字討論版等智能設(shè)備滿足語音、視頻、文字信息等內(nèi)容，滿足教師與學生、學生之間、師生與機器之間直接互動與遠程交互。其三，模式多元化。在這一模式下教師為學生提供了多種教學模式，比如，任務(wù)驅(qū)動教學、翻轉(zhuǎn)課堂，還包括混合式教學模式。其四，行為可視化。借助智能錄播系統(tǒng)與傳感設(shè)備掌握教學期間學生的各項行為數(shù)據(jù)，之后云端系統(tǒng)進行分析，得到教學智能診斷分析報告，為學生帶來課前預(yù)習、課堂學習與課后復(fù)習的個性化學習體驗。其五，管控智能化。在StarC云平臺中，借助教室物聯(lián)網(wǎng)分析教室環(huán)境中的溫度、光線、視聽情況，建立穩(wěn)定、實用的管理平臺，打造智能環(huán)境，滿足教學資源推送、數(shù)據(jù)自動收集和教室設(shè)備自動控制，達到師生無縫接入教學資源的目標，提升教學活動的質(zhì)量。

（二）實踐與應(yīng)用

1.物理環(huán)境

其一，一體化管控。智慧教室實現(xiàn)了設(shè)備自動控制與環(huán)境意識控制。具體說來，在設(shè)備控制方面，實現(xiàn)對屏幕、溫度、門鎖等的控制；在環(huán)境意識控制方面，通過傳感設(shè)備把環(huán)境感知收集的信息傳輸?shù)街悄芷脚_進行處理。其二，綠色節(jié)能。借助智能課堂數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)分析溫度、濕度、光照強度、二氧化碳等環(huán)境數(shù)據(jù)，由此預(yù)測教室內(nèi)能源消耗，緩解學校的能源浪費情況。其三，降噪材料。利用房間聲學計算機建模技術(shù)對智慧教室典型布局模擬和背景噪聲模擬。其四，智能光控。在智能燈控系統(tǒng)中，課程開始時系統(tǒng)會自動感知情境，有學生進入課堂后系統(tǒng)就被觸發(fā)并打開教室內(nèi)燈管，根據(jù)自然光環(huán)境調(diào)節(jié)亮度。其五，智能溫控。用深度學習模型和感知技術(shù)來自動調(diào)控教室內(nèi)溫濕度，將傳感器采集到的溫度、濕度數(shù)據(jù)融合到情境感知架構(gòu)，在此基礎(chǔ)上產(chǎn)生控制信號，打開或關(guān)閉空調(diào)、除濕器，從而自動化調(diào)控物理環(huán)境。

2.基礎(chǔ)設(shè)施與空間布局

其一，智能顯示屏。智能顯示屏是智慧教室的常見設(shè)備，為了增強學生的視覺體驗，智慧教室內(nèi)安裝了LED顯示屏和交互式白板形成視頻墻，使得以小組為單位的教室布局中全班學生能跨小組討論、協(xié)作和分享。其二，智能講臺。主要包括嵌入式平板電腦和傳感器設(shè)備，主平板安裝多種應(yīng)用程序，便于教師訪問教學資源，從而了解課堂的課堂統(tǒng)計、出勤率、提交的作業(yè)等情況，如輔助平板控制教室內(nèi)麥克風聲音與空氣質(zhì)量。其三，桌椅布局。在智慧教室環(huán)境中，多圓桌型和“U”型布局最受歡迎，其中圓桌型布局和面對面布局主要在人數(shù)較少的教學活動中應(yīng)用，智慧教室中的桌椅具有靈活特征，能根據(jù)教學需求及時調(diào)整，隨時重組小組成員。

3.教學內(nèi)容

在通用課堂教學軟件中，幫助教師在備課過程中整合教學資源，動態(tài)提供教學方法、教學策略。除了課程內(nèi)容的知識點，還有大量外部鏈接的資源可以使用，顯著提升教師備課的效率。管理層把教學資源管理、測試管理、教學評估管理等數(shù)據(jù)庫整合起來。在呈現(xiàn)方式上，包括音頻、視頻、圖像、文本和動畫和虛擬現(xiàn)實。

4.課堂互動

其一，師生互動。教師通過視頻監(jiān)控和傳感技術(shù)可以實時了解學生的學習反饋，比如學習興趣、學習狀態(tài)，再通過反饋系統(tǒng)及時干預(yù)或調(diào)整教學進度，有效提高教學質(zhì)量。其二，學生與學生互動。學生利用社交媒體分享學習材料，教室中的智能屏、交互式白板能支持小組協(xié)作，帶有翻譯功能的交互屏為留學生的交流提供了支持。其三，學生與內(nèi)容互動。利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)開發(fā)一個智能學習系統(tǒng)，通過手勢動作觸發(fā)相應(yīng)的動畫，包括旋轉(zhuǎn)、平移和縮放。

四、智慧教室功能模型在高校的應(yīng)用效果

（一）物理空間及其設(shè)施的實現(xiàn)

在物理空間中和智慧教室有關(guān)的板塊包括呈現(xiàn)教學內(nèi)容、記錄教學過程、教學交互、環(huán)境管理。當前已經(jīng)具備的功能包括三方面。其一，教學軟硬件設(shè)施，如電子課桌、多點觸控液晶屏、電子白板、一體化的自動錄播系統(tǒng)、全息投影。與此同時，統(tǒng)一配置了網(wǎng)絡(luò)設(shè)施及傳感設(shè)備，借助教室物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)完成智能管控，并且在各個部分配置了獨立控制面板和手機軟件，通過一鍵開啟讓系統(tǒng)連接學校網(wǎng)絡(luò)，并且實現(xiàn)了物理空間和虛擬空間的無縫銜接。其二，空間環(huán)境。為了營造多樣化、人性化的空間，采取組合聯(lián)動控制方式，借助獨立梯形、異型桌椅、豆瓣課桌，之后和教室地面的插座通電，滿足傳統(tǒng)講授、觀影、小組討論等教學場景。其三，智能環(huán)境管理。在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下監(jiān)測氣溫、濕度等教室環(huán)境，控制觸控液晶屏、投影、錄播設(shè)備、音視頻矩陣等設(shè)備。此外，可以對全部的教室進行集中監(jiān)控，了解每間教室的設(shè)備與電源使用情況，還可以生成報告。

（二）資源空間及服務(wù)系統(tǒng)的實現(xiàn)

資源服務(wù)系統(tǒng)和主要用于各種軟件平臺、資源與應(yīng)用服務(wù)，并且實現(xiàn)了不同板塊的結(jié)合。當前，華中師范大學已經(jīng)成功建設(shè)智慧教室，主要功能包括四個方面。其一，云端一體化教學平臺。借助StarC云平臺達到備課與教學的一體化，并且無縫連接了教育云端，師生得以便捷地獲取學習工具和教學資源。而StarC云平臺、課堂教學記錄、學生學習行為都實現(xiàn)了數(shù)據(jù)交換，連接國內(nèi)其他慕課學習平臺，得到更加豐富的課程資源。其二，課堂場景與資源生成系統(tǒng)。在這一系統(tǒng)下可以錄制智慧教室中師生的聲音、行為、表情，并且還原教學過程中的各種情況，教師審核課堂視頻之后上傳到StarC云平臺，學生無論是學習還是復(fù)習，都有更多的選擇。此外，在教學期間可以進行直播，多個平臺都支持用戶觀看。其三，學習行為數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)。在高清課堂教學實況采集系統(tǒng)、在線課堂交互行為采集系統(tǒng)配合下，記錄了學生的虛擬課堂和物理課堂和學習歷程，之后成為教育大數(shù)據(jù)的內(nèi)容，并且全方位分析教師端與學生端、整體與個體。其四，提交于云端一體化教學平臺。其四，應(yīng)用支持與服務(wù)系統(tǒng)。這一系統(tǒng)中包括了智慧教室預(yù)約、知識服務(wù)、在線問答等服務(wù)。

（三）社區(qū)空間的實現(xiàn)

在社區(qū)交互空間下，實現(xiàn)教學社區(qū)建設(shè)、課堂教學交互空間建設(shè)，也是智慧教室教學、科研等環(huán)境應(yīng)用的場合，這一過程中課堂教學智能交互系統(tǒng)起到了作用，對象包括教師、學生、管理人員、終端設(shè)備。目前，華中師范大學已建成社區(qū)空間，主要功能與模式包括兩個方面。其一，課堂內(nèi)互動教學模式。在這一模式下打造了講授型學空間、自主學習型學空間以及研討型教學空間，可以通過學生的手寫、圖像視頻等方式交互，學生終端與小組討論屏交互，教學雙屏與小組討論屏交互，小組討論屏之間交互。其二，課堂外遠程互動教學模式。也就是跨教室、跨校區(qū)的課堂音視頻，實時進行教學評價。

五、結(jié)語

綜上所述，在構(gòu)建智慧教室的過程中，需要圍繞智能決策、智能實施與智能評價，確保支持教與學，最終實現(xiàn)智慧教育，為教育信息化目標的實現(xiàn)提供條件。本文通過分析華中師范大學智慧教室功能模式發(fā)現(xiàn)，把教學系統(tǒng)各要素與師生連接起來，有助于打造個性化的、智慧化的學習環(huán)境，不過在引入先進技術(shù)中一味地追求多功能也是不可取的，避免使學校成為軟硬件的堆砌地，需要建設(shè)符合高職院校辦學思路和教學實際的智慧教室，最終實現(xiàn)教學的智能化發(fā)展。