高職院校多功能智慧課室的設計與實現

文/蔡建軒 李梅

在教育部《教育信息化2.0行動計劃》中，明確提出了要持續推動信息技術與教育深度融合，促進“信息化應用水平和師生信息素養普遍提高”。目前，廣東農工商職業技術學院在廣東省高職院校信息化教學方面取得著實顯著的成績，不斷探索推進信息技術對教育教學的積極影響，充分結合學校人才培養目標，穩抓高職院校學生的特點，利用先進的信息技術及教學方法，著力提升學生的創新思維和知識技能，增強學生綜合素質，為社會輸送高素質技術型人才。在這此過程中，多功能智慧課室的建設是學校在信息技術與教育教學融合過程的一個重要領域，運用信息化理念和信息技術，打造高實用性、高智能化和高水平的課室，進行教學環境優化與重構，繼而利用信息技術改善教學效果，為學校人才培養提供優質的條件。

近年來，隨著“翻轉課堂”和“混合式教學”等教學模式在高職院校的應用，多功能智慧課室在高職院校具有突出的建設需求。本文從多功能智慧課室的設計原則、功能模塊設計、關鍵技術和發展趨勢等方面進行了闡述，為高職院校智慧課室提供建設思路。

設計原則

多功能智慧課室是當前教學模式改革以及學生學習對教學環境要求的集中體現，是實現教學模式改革的重要支撐。學院智慧課室建設在設計的過程中，充分遵循了以下原則。

1.標準化

多功能智慧課室建設是一項高程度的系統集成工程，需將計算機、平板電腦、交互式一體機和功能軟件等信息化元素進行無縫連接，有機結合，因此，多功能智慧課室所采用的軟硬件需遵照國際或國家相關標準，為標準化產品，具有規范性，滿足系統集成要求，能實現多功能智慧課室信息資源的調用與共享，同時符合信息安全和消防安全等標準化要求。

2.功能完整

目前，國內智慧課室的研究總結出了SMART模型，即從內容呈現（Showing）、環境管理（Manageable）、資源獲取（Accessible）、及時互動（Real-time Interactive）、情境感知（Testing）等五個維度建設智慧課室。在設計的過程中，需要考慮實訓教學和小組教學各方面的需求，因此多功能智慧課室需涵蓋傳統授課、多屏互動、云錄播、混合現實教學和智能中控等多個功能，以適應新型教學模式實施過程對教學環境的多樣化需求。

3.可維護性

圖1 多功能智慧教室環境

多功能智慧課室建成之后，面對密集繁重的教學安排，維護管理將成為一項日常性的工作。為了便于課室的維護和管理，在設計時，需要充分考慮到良好的可管理性和可維護性。課室中的所有軟硬件系統在安裝、調試、維護和使用各方面應盡量簡便，避免繁雜的操作，提升可管理性和可維護性，最大程度地保證使用和維護效率，優化管理和維護過程。

模塊設計

多功能智慧課室在設計時，應該圍繞服務教學和服務師生發展，全面支撐教學模式改革，在功能模塊設計方面，應該做到功能合理多樣，在智慧課室建設設計中，包括環境設計和功能模塊設計兩個部分。

1.環境設計

如圖1所示，智慧課室在環境設計上要求充分考慮課堂教學活動、錄播、混合現實教學和中控等因素。

首先，在高職院校課堂教學活動中，需充分體現“以學生為中心”的教學理念，學生自由、自主地管理和支配自己的學習空間，同時，要充分考慮分組教學的方式，方便學習開展討論，因此，在環境設計時，可考慮使用連體式的活動課桌椅，活動的課桌椅可以根據教學需要隨時拼成常規課室或討論小組的研討課室形式，以此支撐課堂教學活動的有效開展。

其次，在多功能智慧課室需要用于精品課程錄播，考慮過程的影像和聲音效果，在環境設計時，要全面考慮課室的燈光，采用分組式的燈光，可在錄播過程根據成像效果進行亮度調節；錄播過程需要安靜、無雜音的課室環境，因此需要對課室的墻面、天花和窗簾等方面做吸音處理，減少外界環境雜音對課程錄播的干擾。

第三，混合現實教學需搭建綠箱，通過攝像機采集，配合混合現實教學平臺將所需的物品完成摳像處理，因此在環境設計中，要預留10～15平方米的空間搭建綠箱；

第四，在中控部分，需要從課室的易管理性和易用性出發，在環境設計中利用中控平臺對課室所有計算機硬件、交互式一體機、門禁、燈光、空調和功放等進行集中管理，最終實現課室設備簡便化控制，滿足高效、靈活、有序的課室設備集中管理，達到易用、安全和節能的效果。

2.功能模塊設計

（1）多屏互動功能

多屏互動的設計思路主要從以下兩個方面出發，一是由于課室較大，入座課室后方的學生無法清晰地看到教師講臺的屏幕，此時采用分屏技術，在課室的中間或者后方設置屏幕，方便學生觀看，使坐在不同角度、不同方位的學生能清楚看到教學內容；二是小組教學將成為高職院校課堂教學的主流方式，當小組進行討論時，每個小組將對應一個交互式屏幕，學生可以將討論結果在分屏上進行展示，當教師講解或者小組展示討論結果時，可以智能地將小組的屏幕內容推送至教師講臺的屏幕以及其他小組的屏幕上，方便教師進行講解和批注。

（2）混合現實教學功能

作為面向高職院校所有專業的智慧課室，不能只針對某個專業進行實訓設備放置，因此，引入虛擬現實的元素，通過虛擬現實資源的建設，豐富智慧課室的實訓功能。混合現實是在虛擬現實的基礎上，融入第三人稱視角，將置于綠箱內的人和物放置到虛擬現實資源中，實現高度仿真的教學效果，解決教學重難點，同時激發學生學習興趣。因此在多功能智慧課室設計時，可以融入混合現實技術，配置虛擬現實設備，結合高清攝像機和綠箱，打造高水平的混合現實教學功能，通過模擬實際世界，學生沉浸式學習，在虛擬現實資源中進行實操，掌握實際的技能，適用于需要掌握實操技能的課程學習，可以極大地提升學生的學習積極性，大大提高課堂教學的效果。

（3）錄播功能

精品課程資源是學校數字化學習中心的重要組成部分，高職院校教師的課程錄制將成為常態化。在多功能智慧課室中，錄播功能尤為重要。錄播平臺的設計，需考慮多個標準機位，設置教師特寫、教師全景、學生特寫、學生全景以及板書追蹤特寫等多個畫面，高度適應課室中教師的位置變化和學生座位的調整。錄播控制平臺由視頻采集、音頻采集與處理、跟蹤系統和導播組成，采用圖像識別和自動追蹤技術，按照對老師行為、學生行為、電腦畫面進行跟蹤拍攝，并自動制成高質量的教學視頻資源。錄播平臺需達到高度的智能化，教師只需通過一鍵式操作即可完成課堂的全過程實況拍攝，無需另外的人工投入。

（4）課室智能管理功能

在傳統的管理方式中，設備一般配備物理按鍵，在使用和關閉時用手動方式進行管理控制，多功能智慧課室在使用的過程中，設備種類多樣且較為分散，若采用傳統的管理方式，會大大降低使用效率，同時缺乏統一管理，無法達到節能效果。因此，需要引入課室智能管理中控系統，通過物聯網技術，搭建管理平臺，將課室中的交互式一體機、計算機、電視機、空調、燈光及門禁等設備進行聯網，通過1臺平板電腦即可完成對設備的控制，包括一鍵開關機、視頻信號切換、空調控制、燈光調控和門禁控制等。通過設計課室智能管理功能，充分簡化設備控制過程，教師在上課過程中，可以輕松通過平板電腦控制課室里的任何設備（如圖2所示），提高教學過程的流暢性。下課時，教師可以通過一鍵關閉系統的功能對課室里的所有設備進行軟關機，達到節能環保的效果。

多功能智慧課室關鍵技術

圖2 通過平板電腦對設備進行控制

智慧課室的建設與信息技術的發展息息相關，國內外在研究智慧課室的建設時也大多以技術研究為重點，關注點大多在如何利用新興技術創建教與學的環境，促進資源個性化呈現、教學交互多元化，實現學習者的學習和相關技能的提高上。在多功能智慧課室建設過程中，采用關鍵技術包括物聯網技術、虛擬現實技術，在此基礎上，其他功能更為齊備的智慧課室中，可能涉及人工智能技術。在實際應用中，各類關鍵技術在智慧課室起到了重要的作用。

1.物聯網技術

通過物聯網技術，搭建課室智能中控平臺，實現對課室所有設備的控制；利用RFID技術，結合射頻IC卡，搭建門禁系統，根據課表對教師進行門禁授權，教師在課表有課的時間段可進行自助開門，簡化了課室管理環節。除了以上功能外，物聯網技術可以通過溫濕度傳感器或光敏儀等感知課室的溫濕度和光線，對課室內的窗簾、燈光、空調等進行實時調控，為師生營造更加良好的教與學的環境。

2.虛擬現實技術

利用虛擬現實技術，結合混合現實技術，搭建了混合現實教學平臺，制作了包括汽車檢修與維護、旅游英語及商務談判等VR資源，為教學過程提供真實情景再現，實現了教學資源的循環利用。

3.云計算技術

在多功能智慧課室設計中，云計算技術主要應用在以下兩個方面，一是用于建設教學資源庫，將教師的課件等教學資源上傳至云空間，解決多種大量數據存儲的問題，同時解決了教學資源跨平臺訪問、開放性和共享性的問題；二是用于云錄播，在錄播系統完成視頻和聲音采集后，合成的教學視頻可以自動的上傳至云空間，自動形成精品課程資源，方便學習者利用云平臺進行自主學習。

4.人工智能技術

在多功能智慧課室建設中，人工智能技術可以與物聯網技術結合，在課室安裝多個高清攝像頭，對學生臉部進行識別，解決課堂考勤問題，同時，在課程進行過程中，實時抓取學生的臉部表情、移動軌跡和各種動作，進行智能分析，教師上課的過程中，可以通過數據儀表盤，掌握學生上課情緒和行為，及時調整教學策略，改善課堂教學效果；另外，教室可以配備智能麥克風，將教師講課內容及學生回答內容進行實錄，并實時轉化為文字，方便教師與學生及時整理課堂教學資料。人工智能技術在智慧課室建設過程更深層次的應用，可結合交互式一體機，在分組教學時，學生將討論成果輸入到一體機上，利用人工智能技術自動識別輸入內容，對討論成果進行智能分析，給出具有針對性的評價，輔助學生進行自主學習。

建設效益

立足高職院校人才培養的特點，結合上述的原則、技術開展多功能智慧課室建設，能有效地支撐教與學過程問題的解決，取得顯著的效益，主要表現在以下四個方面：

一是遵循標準化、功能完整和可維護性原則進行智慧課室建設，能夠形成功能多樣且易用、穩定的教學環境，學生可以置身其中，通過教學內容與教學環境的有機融合，深刻地掌握知識技能，進而促成高職院校綜合型人才培養的目標；

二是高職院校學生大多喜歡新鮮事物，運用物聯網、虛擬現實和人工智能等新技術，能充分提高其教學過程的興趣，使興趣貫穿學習過程，促進知識的有效掌握；

三是高職院校人才培養需要考慮學生實際動手能力的鍛煉，課室的設計融入虛擬現實實訓元素，讓學生在教學過程中反復操練，在虛擬現實環境中充分掌握技能的原理和操作要領，提升了學生在實際操作過程中的動手能力；

四是多功能智慧課室簡單易用的課程資源錄播，促進了信息化教學資源的積累，為高職院校學生提供了自主學習的資源，有助于學生自習能力的提升。

隨著信息技術的高速發展，多功能智慧課室在技術、功能和應用范圍上都將有更大的突破，并將支撐高職教育教學模式的變革，輔助高職人才培養質量的提升。