智慧教室實踐與應用研究

朱 杭

（浙江金融職業學院，浙江 杭州 310018）

隨著《新一代人工智能發展規劃》《教育信息化2．0行動計劃》等一系列規劃綱要的陸續出臺，發展智慧化教學方法，推進新一代人才培養模式改革，建設以支撐學習者為中心的智能教學環境，促進人工智能在教學和管理中的全過程應用，是今后高校全面提升教育信息化水平的必然趨勢[1]。教育信息化2．0時代已經到來，將移動互聯網、大數據、云計算、物聯網、人工智能等新興信息技術與教育深度融合，以推進智慧校園建設為契機，改革創新傳統教學的理念、模式、內容和方法等，將教育帶入新的發展階段。

智慧校園是由智慧教室、智慧課程、智慧教學和其他智能組件共同構成的智慧生態系統。將物聯網、云計算、大數據、人工智能等技術引入課堂，便利的學習資源獲得、豐富的教學進程呈現形式、流暢地進行師生交流互動、大量應用現代信息技術實現智能控制物理環境的高度現代化的新型教室被稱為智慧教室[2]。智慧教室是智慧校園體系中的關鍵一環，作為教育質量的重要保障和載體，是培養學生發展關鍵能力的主陣地，智慧教室的發展程度和績效評價已成為高校智慧校園建設的重要指標。

一、智慧教室的意義

傳統教學中，由于教室環境和信息技術的限制，課堂上以教師講學生聽為主，教師扮演知識傳遞者的角色，往往成了課堂主角，這種單方面的教學模式導致教師難以迅速了解學生的學習訴求，對學生知識的吸收程度也很難把握。教師和學生缺少足夠的互動與交流，教學在傳統教室的學習環境中無法得到有效支持，使得學生在課堂上學習的投入度和參與度都不高[3]。

智慧教室的建設，從技術層面破解此問題，將物聯網、云計算、大數據、人工智能等技術滲透到課堂上，采用互動式教學策略，體現以教師為主導、以學生為主體的教學理念，注重課堂教學過程中的多維互動，達到不同觀點的思維碰撞，教師通過互動反饋，關注到不同層次學生的思考軌跡，鼓勵個性化發展，使學生真正掌握知識要點，理論與實踐相輔相成，喚醒了學生的競爭意識，激發了學生學習探究的潛能、知識的探索欲和思維的創造性，形成以教師引導和啟發、學生積極主動參與，實現真正意義上的課堂有效互動，提高課堂教學時效性，從而提升綜合教學質量[4]。

二、智慧教室的構建

智慧教室是在智慧校園基礎上延伸進行精細化教學管理的手段，能為信息化教學提供必要的教學場景，有助于提升課堂教學質量，豐富和共享優質教育資源，促進和創新教育教學方式，促進與提高教育教學水平[5]。筆者所在的浙江金融職業學院，十分重視智慧教室的建設，早在2012年，就開始對智慧教室建設進行探索，2012年、2017年、2019年先后分三個階段，累計投入資金超過一千萬元用于智慧教室建設。

（一）第一階段：基于移動設備及通信技術的智慧教室

2012年，我校第一間基于移動設備及通信技術的智慧教室建成，除保留多媒體教室標配的視聽設備外，將傳統的地臺做成T型臺形態，深入到教室當中，取消課桌，采用帶書寫桌板的折疊椅，不設學生電腦，采購61臺IPAD和智慧課堂教學平臺。根據教學內容的不同，教師可選擇多種教學方式，如任務驅動、小組協作、探究學習等，可直接在智慧課堂教學軟件上進行可視化操作。學生使用IPAD登錄智慧課堂教學軟件，與教師進行師生交互、與其他學生進行生生合作，學生課堂上的思維處于積極的互動狀態。

T型地臺能夠帶動教師講課時深入到學生當中，教師和學生之間沒有了講臺的隔離物體，師生間的距離更近了，這對教師上課是一個全新的挑戰，在講課的同時能夠關注到學生的微表情，判斷他們是否聽懂某一知識點，作出相應的進度調整，改變傳統教室，教師坐在講臺后一味灌輸式講課，而沒有關注學生在聽講時的動態表現。從學生的角度看，教師站在T型的臺上，就如同教師站在學生中間一樣，學生圍著教師聽課，為學生帶來前所未有的體驗，學生聽課的認真度很快提高。鼓勵他們參與到課堂教學中，站在T型臺最前端發表自己的觀點時，既充滿了新鮮感和儀式感，又能充分調動學生學習的積極性，激發他們的創作熱情，使課堂的教學呈現出豐富多彩的形式。課后，學生還可以組成學習協作團隊，在學習平臺進行合作完成任務，通過云端互動交流分享學習心得，增強學習的成就感。通過智慧課堂教學平臺，讓學生把作業上傳云端，互評其他學生的作業，每一個學生完成作業時都更用心了，與教師和學生互動討論，形成良好的學習氛圍。

（二）第二階段：基于物聯網技術的環境與資源智能化的智慧教室

2017年第二階段智慧教室的建設，我們對智慧課堂教學平臺進行升級，引入物聯網技術，實現讓教室能夠自動化檢測采光、溫度環境，并進行相應調整，實現教室內的全部智能化控制。

首先，擴展智慧課堂教學平臺的功能，為教師備課提供數據、案例和專業信息支持，為教學提供資料，提高教師的教學計劃水平、教學技巧和教學效果。為學生學習提供資料庫、題目庫和學習評價，實時呈現學習效果的驗證和實驗結果。

傳統的預習方式，教師主要通過兩種方法了解學生的完成質量：第一種逐一批閱預習作業，這種方法由于信息滯后的原因，教師常無法準確判斷學生的自主預習效果和知識點的掌握程度。第二種是通過課堂上隨機提問了解，但這種方法覆蓋面太小，且教師很難了解不同層次學生的自主學習能力的差異。智慧課堂教學平臺利用信息技術手段，為教師的下一步教學提供了依據，課前要求學生以任務驅動模式提高自主預習的質量。由于作業提交由課前提交改為線上智慧課堂教學平臺提交，教師和學生都能夠實時看到作業提交情況，使得學生完成作業認真度和完整度有了很大提高，教師批閱學生在平臺上提交的作業，能在課前掌握學生對知識點的學習情況，平臺的開放性為學生提供了便利，學生可以互相閱讀作業，學生能從彼此的作業中得到啟發，并在互相評價中有所收獲，提高了學生的自學能力，培養了學生的學術素養。

其次，在教室前后配備紅外傳感器，傳感器檢測到教室里有人，自動打開燈光，檢測環境的亮度，及時調整燈光使教師學生始終處于一個柔和的光線環境。如果室外光線過亮或陽光直射到教室內，窗簾能自動關閉。偵測教室內的溫度，配合全自動新風系統，一旦檢測到教室內含氧量過低，能自動開啟新風系統并給教室內輸送新鮮空氣。偵測到教室內室溫高于或低于臨界值，能自動開啟空調設備，使教室能維持在一個適宜的溫度范圍。每隔一段時間檢測教室內是否有人，如果檢測到教室內沒有人員存在，燈光、空調和新風系統自動關閉。

此外，我們帶來了可多種形態拼接的組合課桌，符合人體工程學設計的座椅，為師生提供一個寬松舒適的教學環境。

（三）第三階段：基于大數據人臉識別行為分析和常態化錄播的智慧教室

通過前兩個階段智慧教室實踐和應用的情況來看，課堂互動頻率有了較大提升，上課環境舒適度也有明顯提高，智慧教室深受師生們歡迎，獲得學校管理層的肯定。

在2019年第三階段的智慧教室建設，作為教學和管理的支撐，運用大數據技術，重點攻關數據采集、匯總和分析，通過多維度的比較關系，實現對教學效果、設備管理、教室使用績效等情況的評價，為教師學生提供多樣化的教學支持，為管理者提供信息化的管理支持，并為決策者提供科學化的決策支持，我們引入智能班牌、人臉識別行為分析和常態化錄播系統。

相較于普通的電子班牌顯示每日課表和通知公告等靜態信息，智能班牌融合身份識別、多維課表、教室預約、督導巡查、空間考勤、門禁管理、呼叫服務等強大的人機交互功能。教師、學生通過智能班牌上的人臉識別通過身份驗證后，可進行查課表、預約教室、考勤等動作，可以查詢本教室當日、當周、當月課程安排，也可以查詢本人本學期的課程表。教師可預約課內時段使用，學生可預約課外時段使用。可以進行課前考勤簽到。督導可進入班牌巡課功能，在不打擾師生上課的情況下，在班牌上實時觀看本教室內上課直播畫面，當然這一功能在督導辦公電腦上也可進行。課內時段，智慧教室根據課表安排自動開啟關閉教室門。課外時段，學生可在班牌上通過人臉識別驗證預約信息后進入教室。教室內有設備故障或教師需要幫助服務時可通過班牌呼叫系統召喚管理人員到現場解決問題。遇到未預約臨時使用的情況，教師可通過班牌呼叫管理人員遠程開啟教室。

教室中配備多目高清攝像機，將課堂上教師和學生的圖像采集到錄播平臺中，利用掉麥、話筒等拾音設備采集音頻數據，錄播系統自動將圖像和音頻合成教學視頻，存入視頻數據庫中，作為教學數據供師生在線瀏覽或下載學習。人臉抓拍機將課堂現場學生圖像采集后，進行圖像分割，對每一位學生進行面部特征的搜索提取，與數據庫中學生人臉數據進行對比，智能識別學生的身份，將學生的出勤情況，自動錄入數據庫，統計出學生考勤報告。人臉識別抓拍機以一定時間間隔對學生進行面部搜索，對每一位學生抬頭、低頭、轉頭次數、位移幅度進行統計，自動生成上課專注程度分析報告，實現高效和自動化的智能學生課堂專注度分析。

教師可以通過教學平臺查看學生的資源查看率、作業提交率、課堂考勤率、課堂答題率、考勤報告、課堂專注度報告，形成數據模塊，通過平臺自動整理分析海量數據資源進行，成評價報告，根據信息調用的頻率和設備使用的次數，為師生提供高效精準的信息服務。

三、總結

智慧教室的建設是一個綜合性、復雜性和積累性的工程，必須付諸行動和實施，才能知道我們需要怎樣的智慧教室。智慧教室的核心是數據庫建設，關鍵是人，而不是各種高科技設備和新功能的簡單堆砌。應在數據處理、決策分析和教學支持上發揮更強大的作用。

智慧教室建設除了在課堂互動和環境調控上體現智慧外，更應該建設系統化的優質資源網絡，對教師和學生教學過程中行為、語言和座位布局等進行分析，對海量元數據資源的整合分析，優化教學和管理，要利用教學平臺主動評價、綜合比對、智能分析等功能，為激發學生主動創新的精神，圍繞任務、項目、競賽自主研究型和小組協作型的學習方式，研創教育模式和智慧型學習評價，提供強大支撐。培養有國際競爭力的創新人才是未來智慧教室需要研究的課題。