張國才

(山西經(jīng)濟(jì)管理干部學(xué)院電子信息工程系，山西 太原030024)

0 引言

以云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能為代表的信息技術(shù)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(wù)院印發(fā)《中國教育現(xiàn)代化2035》，將加快信息化時(shí)代教育變革作為教育現(xiàn)代化的戰(zhàn)略任務(wù)，要求建設(shè)智能化校園，統(tǒng)籌建設(shè)一體化智能化教學(xué)、管理與服務(wù)平臺(tái)。智慧教室的建設(shè)是高校信息化建設(shè)中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)[1]。

信息化教學(xué)以智慧教室為載體，是信息化教學(xué)的基礎(chǔ)環(huán)境支撐，提供包括：多媒體教學(xué)、智能中控、在線巡課、精品錄播、遠(yuǎn)程互動(dòng)、分組教學(xué)、平臺(tái)集中管控、人臉考勤、學(xué)情分析等多種教學(xué)業(yè)務(wù)應(yīng)用。智慧教室的空間布局轉(zhuǎn)變靈活，整個(gè)教學(xué)環(huán)境舒適便捷，更加便于開展信息化教學(xué)活動(dòng)。

1 智慧教室邏輯架構(gòu)

智慧教室建設(shè)采用一體化設(shè)計(jì)，自下而上由基礎(chǔ)設(shè)施到數(shù)據(jù)，再到業(yè)務(wù)，最后到大數(shù)據(jù)分析的理念，設(shè)計(jì)邏輯架構(gòu)為智慧教學(xué)環(huán)境、智慧教學(xué)模式、智慧教學(xué)分析評(píng)估等，如圖1所示。

圖1 智慧教室邏輯架構(gòu)

1.1 智慧教學(xué)環(huán)境

根據(jù)高校信息化投入的不同，智慧教學(xué)環(huán)境可以分為標(biāo)準(zhǔn)智慧教室和研討型智慧教室。其中：標(biāo)準(zhǔn)智慧教室滿足高校對(duì)原有教室進(jìn)行低成本改造升級(jí)，通過配備基礎(chǔ)的多媒體教學(xué)設(shè)備和接入教室已有多媒體設(shè)備，批量化實(shí)現(xiàn)了多媒體教室的升級(jí)建設(shè)，幫助高?？焖偬嵘淌倚畔⒒健６杏懶椭腔劢淌易⒅亟虒W(xué)業(yè)務(wù)和管理業(yè)務(wù)一體化，實(shí)現(xiàn)多業(yè)務(wù)一站式的智慧教學(xué)應(yīng)用，支持教學(xué)設(shè)備控制、環(huán)境設(shè)備控制、環(huán)境狀態(tài)感知、智慧投屏同步服務(wù)、跨屏教學(xué)互動(dòng)、教學(xué)數(shù)據(jù)采集、教學(xué)狀態(tài)感知等。強(qiáng)調(diào)空間的可重構(gòu)性與延展性，為情境式、探究式、討論式、翻轉(zhuǎn)式課堂教學(xué)提供支持，加強(qiáng)師生之間的互動(dòng)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。

1.2 智慧教學(xué)模式

根據(jù)不同的教學(xué)需求，打造貫穿課前、課中、課后教學(xué)環(huán)節(jié)的應(yīng)用平臺(tái)。通過教學(xué)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、教學(xué)互動(dòng)應(yīng)用、教學(xué)數(shù)據(jù)分析反饋等，為課堂教學(xué)提供應(yīng)用服務(wù)和數(shù)據(jù)支持?；诙嗑S度教學(xué)環(huán)境的構(gòu)建，智慧教室支持課堂互動(dòng)教學(xué)和在線課程平臺(tái)，滿足混合式教學(xué)、翻轉(zhuǎn)課堂、在線自學(xué)等不同課程模式的信息化教學(xué)應(yīng)用。

1.3 智慧教學(xué)評(píng)估

通過智慧教室中教學(xué)活動(dòng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，智慧教學(xué)評(píng)估提供教學(xué)分析圖表和實(shí)時(shí)預(yù)警信息，實(shí)時(shí)、直觀、準(zhǔn)確的了解課堂教學(xué)的運(yùn)行情況，為后續(xù)教學(xué)決策提供數(shù)據(jù)支持。

2 智慧教室網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

采用“云+端”部署架構(gòu)，如圖2。通過本地云部署，有效保證教學(xué)業(yè)務(wù)的文檔和數(shù)據(jù)安全，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)和校方相關(guān)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的對(duì)接，更好的實(shí)現(xiàn)了對(duì)教學(xué)、管理業(yè)務(wù)的有效支撐。

圖2 智慧教室網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

智慧教室采用模塊化部署架構(gòu)思路，使用All in one一體化進(jìn)行整合，將整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜邏輯，簡(jiǎn)潔的劃分歸納為核心一體機(jī)+教室一體機(jī)。其中核心一體機(jī)部署在學(xué)校機(jī)房，內(nèi)部為可插拔卡結(jié)構(gòu)，業(yè)務(wù)系統(tǒng)運(yùn)行在獨(dú)立引擎卡上，后續(xù)還可擴(kuò)容存儲(chǔ)、增加彈性計(jì)算等[2]。而教室一體機(jī)部署在教室內(nèi)，每間教室部署一個(gè)獨(dú)立的教室一體機(jī)。

教室一體機(jī)是整個(gè)智慧教室的核心，支撐應(yīng)用了包含互動(dòng)教學(xué)應(yīng)用、視頻錄播分析、網(wǎng)絡(luò)交換處理三大模塊。面向不同的教室建設(shè)形態(tài)，可實(shí)現(xiàn)教室一體機(jī)靈活組合中控、物聯(lián)、嵌入式常態(tài)監(jiān)控錄播/多機(jī)位或4K摳像常態(tài)錄播/多機(jī)位精品錄播等不同業(yè)務(wù)模塊和系統(tǒng)，滿足不同的方案建設(shè)需要和擴(kuò)展需求。

主要部署組合為業(yè)務(wù)服務(wù)器/核心一體機(jī)+多個(gè)教室一體機(jī)方式，學(xué)校構(gòu)建服務(wù)器平臺(tái)后，針對(duì)若干教室進(jìn)行智慧教室升級(jí)或新建，只需在教室內(nèi)部署教室一體機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)智慧教室的分期建設(shè)，無障礙升級(jí)擴(kuò)容。

3 智慧教室硬件系統(tǒng)

3.1 標(biāo)準(zhǔn)智慧教室的硬件組成

由“服務(wù)器+教室一體機(jī)+教學(xué)設(shè)備+常態(tài)錄播系統(tǒng)(可選)+智課堂教學(xué)軟件+智能中控(可選)”組成，如圖3。此場(chǎng)景適合常態(tài)化多媒體教室的低成本升級(jí)，打造一個(gè)簡(jiǎn)便易用的信息化教學(xué)環(huán)境。

教室一體機(jī)將課堂互動(dòng)、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分析、錄播及視頻業(yè)務(wù)處理等技術(shù)有機(jī)融合，此類標(biāo)準(zhǔn)智慧教室可以實(shí)現(xiàn)以較低的建設(shè)投入，批量規(guī)模化的實(shí)現(xiàn)智慧教室、智慧教學(xué)業(yè)務(wù)的建設(shè)。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)智慧教室硬件架構(gòu)

3.2 研討型智慧教室的硬件組成

“服務(wù)器+教室一體機(jī)+智課堂教學(xué)系統(tǒng)+物聯(lián)系統(tǒng)+精品或常態(tài)錄播系統(tǒng)+交互主屏及副屏+智慧拼合桌椅+教學(xué)空間設(shè)計(jì)”組成，如圖4。為課堂教學(xué)營(yíng)造一個(gè)適合教學(xué)、體驗(yàn)友好的智能化教學(xué)空間。

在設(shè)備管理應(yīng)用層面，通過智慧物聯(lián)技術(shù)的軟硬件支持，實(shí)時(shí)反饋教室設(shè)施的運(yùn)行狀態(tài)，可遠(yuǎn)程、批量、場(chǎng)景化控制，為教學(xué)管理提供智能化的應(yīng)用服務(wù)。

另一方面，研討型智慧教室的建設(shè)優(yōu)勢(shì)在于可結(jié)合不同高校專業(yè)特性，學(xué)科教學(xué)需求以及不同階段信息化建設(shè)配套的設(shè)備、技術(shù)一體化構(gòu)建。能夠滿足不同院系專業(yè)教學(xué)的特性和專項(xiàng)建設(shè)需要，建設(shè)具有教學(xué)應(yīng)用針對(duì)性的教室，如：遠(yuǎn)程互動(dòng)教室、移動(dòng)教學(xué)實(shí)訓(xùn)室、多屏教學(xué)課室等?？蛇x擇基于智慧黑板、教學(xué)互動(dòng)屏設(shè)備、門禁、智慧班牌、遠(yuǎn)程對(duì)講系統(tǒng)、增強(qiáng)虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品、拾音擴(kuò)音等附屬硬件系統(tǒng)，輔以互動(dòng)教學(xué)軟件、多屏協(xié)作軟件，教師APP、無線互聯(lián)工具等實(shí)現(xiàn)多媒體互動(dòng)教學(xué)、分組教學(xué)、課堂項(xiàng)目實(shí)踐等教學(xué)場(chǎng)景應(yīng)用。通過完整的智慧環(huán)境構(gòu)建，更好提升了課堂互動(dòng)性、學(xué)生參與感、豐富教學(xué)實(shí)踐的形式、提高教學(xué)效果和教學(xué)體驗(yàn)。

圖4 研討型智慧教室硬件架構(gòu)

4 智慧教室軟件平臺(tái)構(gòu)成

4.1 智慧教學(xué)系統(tǒng)平臺(tái)

智慧教學(xué)系統(tǒng)平臺(tái)應(yīng)包括在線學(xué)習(xí)平臺(tái)、課堂互動(dòng)教學(xué)平臺(tái)、課程管理平臺(tái)、移動(dòng)學(xué)習(xí)平臺(tái)。通過課前、課中、課后的教學(xué)活動(dòng)場(chǎng)景梳理，制定教學(xué)環(huán)節(jié)和流程。通過教學(xué)過程數(shù)據(jù)分析，為教師及教學(xué)管理人員教學(xué)決策提供依據(jù)。支持跨終端接入的在線課程學(xué)習(xí)，滿足在線課程的教學(xué)管理和應(yīng)用。實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)了解在線教學(xué)的相關(guān)數(shù)據(jù)，為教學(xué)改進(jìn)和調(diào)整提供完整的數(shù)據(jù)支持[3]。

4.1.1 課前

教師可以輕松通過計(jì)算機(jī)或智能平板進(jìn)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(xué)生在課前進(jìn)行有引導(dǎo)的預(yù)習(xí)和了解學(xué)習(xí)課程資源，提升課堂學(xué)習(xí)效率。

4.1.2 課中

教師可以進(jìn)行一鍵上課、一鍵錄播、一鍵下課，主持與指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行探究式小組教學(xué)活動(dòng)。選擇一位學(xué)生進(jìn)行示范，學(xué)生可以用智能平板等設(shè)備講解，講解的同時(shí)，可以實(shí)時(shí)同步到互動(dòng)大屏及學(xué)生和教師的智能設(shè)備上，達(dá)到教學(xué)過程可視化。教師能夠第一時(shí)間感知學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容的理解程度，對(duì)問題回答及討論的情況，通過這些數(shù)據(jù)反饋，實(shí)時(shí)調(diào)整教學(xué)進(jìn)度和方式。

4.1.3 課后

平臺(tái)提供課堂教學(xué)數(shù)據(jù)分析，有針對(duì)性的進(jìn)行教學(xué)反思，改善教學(xué)環(huán)節(jié)。教師能夠針對(duì)課堂數(shù)據(jù)進(jìn)行精細(xì)化分析，通過對(duì)出勤率、課件理解情況、知識(shí)點(diǎn)掌握情況以及課堂評(píng)價(jià)等維度的分析，有針對(duì)性的改善教學(xué)環(huán)節(jié)。另外，系統(tǒng)給學(xué)生提供在線學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)分析，幫助學(xué)生更好的改進(jìn)學(xué)習(xí)情況。

4.2 教學(xué)數(shù)據(jù)分析平臺(tái)

教學(xué)數(shù)據(jù)分析平臺(tái)進(jìn)行教學(xué)質(zhì)量分析、課堂行為和學(xué)習(xí)活躍度分析，通過教學(xué)活動(dòng)獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，即時(shí)全面的了解教學(xué)質(zhì)量情況。

4.2.1 教學(xué)質(zhì)量分析

教學(xué)過程中同時(shí)采集線上和線下的數(shù)據(jù)，通過各項(xiàng)的教學(xué)指標(biāo)和靈活的權(quán)重定義，為高校提供不同組合教學(xué)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。讓教學(xué)管理更直觀、生動(dòng)、及時(shí)的了解教學(xué)活動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，快速精準(zhǔn)的定位教學(xué)活動(dòng)的問題所在。通過院系橫向?qū)Ρ?，快速了解全校院系的教學(xué)質(zhì)量變化情況，針對(duì)院系教學(xué)的管理將更明確，通過具體指標(biāo)項(xiàng)的得分比對(duì)，有效比對(duì)教學(xué)環(huán)節(jié)中存在的不足，引導(dǎo)教學(xué)活動(dòng)平衡發(fā)展，更好的保證教學(xué)質(zhì)量[4]。

4.2.2 課堂行為和學(xué)習(xí)活躍度分析

依靠人臉分析技術(shù)，通過采集教室內(nèi)的上課畫面，實(shí)時(shí)分析學(xué)生的上課狀態(tài)，包括積極學(xué)習(xí)、正常聽講、消極厭煩等，并能幫助評(píng)估學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容的興趣程度。通過跟蹤學(xué)生在線上、線下的學(xué)習(xí)行為軌跡，分析學(xué)生的學(xué)習(xí)活躍指數(shù)變化，考慮學(xué)生在不同階段的學(xué)習(xí)活躍度情況，使學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)被量化呈現(xiàn)。

4.3 教學(xué)督導(dǎo)評(píng)教系統(tǒng)

教學(xué)督導(dǎo)評(píng)教系統(tǒng)提供覆蓋課程督導(dǎo)、質(zhì)量評(píng)價(jià)等多方位的課程教學(xué)過程督導(dǎo)、回顧，滿足教學(xué)質(zhì)量督導(dǎo)管理業(yè)務(wù)開展的應(yīng)用需求。

4.3.1 遠(yuǎn)程教學(xué)督導(dǎo)

課堂教學(xué)過程的教學(xué)內(nèi)容(教學(xué)資料、互動(dòng)過程等)、教學(xué)環(huán)境(現(xiàn)場(chǎng)音視頻畫面)、教學(xué)狀態(tài)(到課率、情緒指數(shù)、抬頭率等)均可被系統(tǒng)捕捉并實(shí)時(shí)呈現(xiàn)，通過多維的課堂信息，快速定位問題課堂，有針對(duì)性的開展遠(yuǎn)程課堂教學(xué)督導(dǎo)和教學(xué)評(píng)價(jià)。通過平臺(tái)完成的相關(guān)教學(xué)過程和內(nèi)容可被完整記錄，支持督導(dǎo)教學(xué)回顧和記錄分析，完整實(shí)現(xiàn)課堂教學(xué)的回顧和評(píng)教。

4.3.2 課程建設(shè)分析

結(jié)合課程建設(shè)目標(biāo)，通過分析課程教學(xué)數(shù)據(jù)，對(duì)課程建設(shè)任務(wù)的完成進(jìn)度和質(zhì)量、授課計(jì)劃的運(yùn)行狀況進(jìn)行診斷，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并進(jìn)行預(yù)警。

4.3.3 多元化評(píng)價(jià)

基于平臺(tái)的教學(xué)過程數(shù)據(jù)采集記錄，通過多元化評(píng)價(jià)業(yè)務(wù)的評(píng)價(jià)指標(biāo)定義、評(píng)價(jià)規(guī)則設(shè)定，滿足教學(xué)管理過程中對(duì)課程教學(xué)質(zhì)量的多維分析。滿足了對(duì)學(xué)生課堂教學(xué)的綜合評(píng)分設(shè)計(jì)和成績(jī)管理。

5 結(jié)語

智慧教室是高校信息化建設(shè)的的重要部分，智慧教室的合理建設(shè)能夠促進(jìn)高校改善教學(xué)環(huán)境，促進(jìn)三教改革、提升教學(xué)成效，利用新一代信息技術(shù)培養(yǎng)出適應(yīng)時(shí)代需要的高素質(zhì)技能人才。