一種基于云端平臺的智慧教室設計與實現

徐雅靜　鄭世玨　劉聰　肖遙+區詩柔

摘 要：隨著信息時代的到來和物聯網技術的蓬勃發展，以智慧教室為代表的智慧學習環境的設計與實現已經得到了廣泛的關注。智慧教室是學校的信息化發展到一定階段的內在訴求，是當今時代的必然選擇。文章通過分析智慧教室的系統組成以及相關硬件平臺，介紹了一種基于云端平臺的智慧教室的設計與實現，以華中師范大學智慧教室的建設為例，展示了這種設計方式的具體實施案例。

關鍵詞：智慧教室；云平臺；未來教育

21世紀以來，隨著計算機與網絡技術的發展，人們的生活方式發生了翻天覆地的變化，“智慧生活”的浪潮正在全面襲來，而在教育領域，傳統的教學模式已漸漸無法滿足現代學習者的學習需求，為了適應現代化教育，“智慧教室”應運而生[1]。

智慧教室是數字教室和未來教室的一種形式，在傳統教學模式中，課堂教學環節是學生接受教育最重要的一個環節[2]，而傳統課堂的疑問確認環節往往無法得到預期效果，不利于教師對每位學生進行個性化輔導。與此同時，信息時代的學習本質也發生了改變，學生由依靠機械記憶掌握知識轉變為在互動體驗中理解獲取知識。信息技術的快速發展使得物聯網與云計算技術日益成熟，計算機、交互白板等現代化設備逐漸進入課堂。本文針對如何推進未來學校建設[3]這一問題，進行了基于物聯網技術的新型現代化智慧教室系統的相關討論，結合華中師范大學智慧教室的建設，闡述了怎樣為在校師生提供更加良好的教學與學習環境。

1 智慧教室的系統組成

按照具體的功能來劃分，智慧教室由教授呈現系統、學習資源系統、交互討論系統、環境調節系統、信息發布系統5個部分組成。這5個部分共用教室中的軟硬件資源，在相互聯系協調的同時又各自獨立地完成任務[4]。

1.1 教授呈現系統

教授呈現系統指的是傳遞教學內容的系統，是智慧教室的重要組成部分之一，也是開展課堂教學的基礎。系統由內置電子白板功能的觸控投影機一體機、問答器和配套控制軟件構成。傳統的黑板教學被內置電子白板的觸控投影機代替，實現了無塵教學，保護了師生健康。

1.2 學習資源系統

學習資源系統包括教師網關、學生網關以及智慧教學系統，如圖1所示。教師網關系統支持教師通過手機、筆記本電腦進行移動教學，還可與學生移動終端同步，以便進行提問、疑點反饋等互動教學功能。學生網關系統同樣支持學生小組學習研討與資源共享。

學生在系統終端進行隨堂測驗，提交后直接查看答題結果以及錯題解析。錯題將被自動匯入學生的錯題本。系統的數據采集與統計功能為教師計算每種題型的正確率，并提供直觀的圖表顯示，生成“S-P”曲線表，給出教學建議。

1.3 交互討論系統

交互討論系統是在課堂教學的過程中，教師與學生、學生與學生之間進行交互的支持系統，如圖2所示。教師根據WiFi與坐標定位實現自動考勤。在學習過程中，學生如果對某個知識點沒有學會，可以單擊按鈕進行聽課反饋，教師會重新講授學生沒有掌握的知識點。

1.4 環境調節系統

采用嵌入式架構使用環境調節系統為學生營造一個健康、舒適的學習環境，能夠提高學生的學習效率，如圖3所示。智慧教室中的桌椅預置了傳感器，感知學生的坐姿狀態，提醒學生矯正坐姿。除此之外，燈光控制系統和空調控制系統均可通過置于教室的傳感器采集數據并進行相關控制。其中空調控制系統通過溫濕度傳感器檢測室內溫度，實現室內溫濕度的自動控制。

1.5 信息發布系統

信息發布系統支持向所有終端播放機發送信息，也可脫機發布信息。發布者可以對信息進行編輯，每條信息由多個頁面組成，每個頁面可分割成多個可編輯區域，實現圖、文、視頻信息的組合編輯以及播放。發布者也可以對已發布內容的顯示方式、顯示內容、業務種類進行修改和刪減。

2 硬件平臺搭建系統

傳統教室中的設備的管理與維護缺乏智能化功能，維護困難，能耗高。而智慧教室集成了電子白板、觸控一體機、高清遠程互動錄播主機、光傳感器等硬件設備，使用物聯網技術對設備進行統一管理，能夠更好地使硬件服務于教學，如表1所示。

電子白板教學采用分屏觸摸操控，支持用一臺電腦同時連接兩臺觸控一體機，兩臺一體機高清顯示，構成統一電腦界面，兩臺觸控一體機可以同時觸摸和書寫。教師可以一邊展示課件一邊進行板書，在一臺觸控一體機上播放多個課件的同時在另一臺觸控一體機上進行板書，方便對比教學。高清遠程互動錄播主機采用嵌入式硬件架構，內嵌音頻矩陣模塊，實現混音、回聲抵消、嘯叫抑制、自適應降噪等功能，采用H.323協議，可以實現主機與主機、主機與第三方主流視頻會議終端之間的互動。教師可以使用U盤存儲錄制內容，結束后直接取盤即可。

3 系統實現

智慧教室的優越性使其在全國范圍內大面積得到使用，華中師范大學構建的基于云端平臺的智慧教室也正處于完善與使用中，每間智慧教室中都配備搭建了相關的硬件平臺和軟件系統。教師使用智慧教室授課如圖4所示。

3.1 軟件環境

華中師范大學在智慧教室中引入了一套云課程平臺系統，輔助教師的教學活動，幫助學生更好地進行學習。云課程平臺系統提供了PC端和移動端兩種版本，方便師生通過移動設備隨時查看課程最新動態。教師可以在云課堂上記錄學生到課情況，上傳課件、視頻，發布作業、測驗。學生還可在論壇上反饋學習建議。云課程平臺系統反映了學生整個學期的學習狀態，可作為教師給出平時成績的重要參考。系統將與教務管理系統對接，方便學校組織架構管理。

3.2 使用情況

經過一學期的建設使用，智慧教室中各項參數指標均達到了期望值。電子白板教學軟件的教學內容雙高清雙屏展示，構成的完整顯示畫面最高可達到3 840×1 080；錄播主機支持分辨率為1080 p的視頻錄制與播放；環境控制系統實時監測教室內各項數據，并自動控制燈光、溫度等。智慧教室在軟硬件的配合下為廣大在校師生提供了一個舒適的學習環境。

4 結語

智慧教室不再是一間封閉的教室，而是成為開放的學習空間，它打破了教室的圍墻壁壘，調動了師生之間的互動積極性，為學生提供了或整或零的廣泛的學習時間以及學習環境[5]，提供學生學習狀態分析數據幫助教師更好地開發學生潛力，提高學習效果。華中師范大學對此進行了有益探索，然而基于云端平臺的智慧教室的建設道路還很漫長，如何提高學生參與度，增強學生的學習能力，培養出有智慧有膽識的新型人才，還值得深入探討。

[參考文獻]

[1]李康康，趙鑫碩，陳琳.我國智慧教室的現狀及發展[J].現代教育技術，2016（7）：25-30.

[2]何克抗.智慧教室+課堂教學結構變革—實現教育信息化宏偉目標的根本途徑[J].教育研究，2015（11）：76-81.

[3]宋東茂.構建智慧型的未來教室[J].中小學信息技術教育，2014（4）：72.

[4]孟延豹.博雅智慧教室系統環境搭建初探[J].中小學信息技術教育，2013（5）：49-53.

[5]吳俊杰.未來教室：構建開放式創新的創客學園[J].中國信息技術教育，2015（z2）：155-156.endprint