自貿試驗區背景下智慧教室的建設與應用

陸汝華，李亞蘭

（1.湘南學院計算機與人工智能學院 湖南 郴州 423000；2.湘南學院物理與電子電氣工程學院 湖南 郴州 423000）

在人工智能迅速發展的時代，為了促進教學改革，提高教學水平，培養符合社會發展需求的高層次人才，地方本科學校非常有必要構建一套全新的智能化、自動化教學系統——智慧教室。智慧教室基于新時代興起的信息化技術，主要涉及物聯網技術、云計算等高端科技[1]，實現了多屏互動、自動錄播、智能巡課、多端投屏等各種智慧功能[2]，體現出信息化、智能化、智慧化的特點。在自貿試驗區背景下，企業與高校聯合辦學對智慧教室提出了更高的要求，本文從空間布局、投屏設計、資源共享、教學評估、中控系統五個角度展開，構建了一套適應于企業與高校聯合辦學的智慧教室。

1 多維空間的綠色化布局與管理

1.1 多維空間的可移動靈活布局

為了滿足自貿試驗區校企合作中教學與學習的要求，尤其是校企合作中出現的新型教學模式，改變傳統教室空間的呆板布局成為必然。通過桌椅的綠色化布局，包括桌椅的可移動性、可旋轉性，也包括桌椅的形狀和顏色設計，將智慧教室設計成可移動式的多維空間，能夠實現傳統講課模式，并兼顧分組討論模式和學術研究模式等新型教學方式。在這種可移動式的多維空間中，通過移動桌椅位置，重新對智慧教室中的設備進行布局，為學生分組討論、小組成果展示、學習資源共享等提供便利，實現人人參與學習與討論、極大提升學生的積極性與學習效果。

1.2 教室新風系統的構建與保持

普通教室環境較差，冬天的寒冷與夏天的炎熱致使學生學習效率低下，室內光線、濕度、空氣等也在或多或少影響著學習質量[3]。在智慧教室內安裝新風系統等現代化設備，能夠感應室內的光線、濕度、溫度、空氣等教室環境情況并自動啟動通風系統、換氣系統，自動控制燈光和空調開關。保證教室日常通風換氣，定期和不定期關注室內空氣質量狀況，構建智慧教室環境的常態化監測和檢查機制，最大限度地預防和控制由于環境大氣污染、建筑和裝修材料、教學活動等各種原因產生的室內環境污染，保證智慧教室的綠色環保?？傊?，教室新風系統的構建與保持可以創造一個舒適健康的學習環境，使教師更專注于教學，學生更專注于學習，從而提高教育教學質量，并促進師生的身心健康。

2 多屏互動的體系化設計與應用

自貿試驗區校企合作教學內容知識面的廣度和深度都發生了較大變化。廣度更廣、深度更深，普通教室的多媒體設備僅一臺計算機、一塊顯示屏，不能夠很好地展示這種較廣、較深的知識面。運用無線投射、多屏顯示等技術，多屏互動提供實時傳輸屏幕鏡像、傳輸音視頻數據、多屏幕控制等功能，教師的電腦設備可以和學生的電腦設備實現同屏教學、一鍵投影、手寫批注、協同作業以及教學內容循環播放，使學生的移動終端及時展示收到的信息，方便分享與交流，以適應師生互動、小組討論等教學模式。教師脫離了講臺的約束，教學方式更靈活、教學效率更高效。

2.1 多屏互動教學硬件

教學硬件分為公共設備、教師設備和學生設備三類。公共設備一般指教室內電燈、空調、網絡設備、多媒體投屏計算機，在智慧教室中投屏計算機便是教師授課的大屏與多小組討論的小屏。教師設備指臺式電腦或筆記本電腦，而且也可以投屏到大屏和小屏。學生設備指學生個人學習的工具，一般指筆記本電腦、平板或手機，除了個人學習，也要能夠與教師電腦、大屏或小屏互通。

2.2 多屏互動教學模式

多屏互動教學模式包括教師授課模式、分組討論模式、集中展示模式和小組對比模式等四類。教師授課模式：教師在自己的筆記本上演示上課內容，同時將筆記本屏幕投屏至教師授課大屏與小組討論小屏。分組討論模式：學生將自己的筆記本電腦、平板或手機投屏在小組討論小屏上進行討論。集中展示模式：教師自由調取小組討論小屏，將小組討論小屏投屏至教師授課大屏與其他小組討論小屏。小組對比模式：將多個小組討論小屏同時投屏至已分多欄的教師授課大屏。在這四類中，教師授課模式是一種傳統的方式，并由教師引導至其他三種模式。分組討論模式和集中展示模式以學生為核心，小組對比模式既讓學生處于關注焦點同時教師也處于關鍵地位。

通過多屏互動的體系化應用，為每個學生提供被動或主動的學習機會，能夠做到人人加入討論、參與互動，這種以學生為中心的教學方法，提升了學生的主動學習地位。

3 多源融合的資料共享與智能推薦

3.1 利用信息化教學環境，網絡共享優質資源

目前全國高校都或多或少地建立起各種教學資源，有些優良的資源更是值得學習與借鑒[4]。在與自貿試驗區合作的驅使下，整合企業的相關信息和其他學校的優質教學資源成為必然。教師可根據自己的經驗和需要講授的內容對共享資源進行編輯，從而解決教學同質化問題，使教師與學生之間或者學生與學生之間能夠形成良好的教學互動環境，提高學生思維的活躍性及眼界的開闊性。優質教育資源共享工作的開展，不僅緩解了教師的結構性供需矛盾，實現了優質教學資源共享、優勢互補，還促進了不同教育理念、教學思想、教學方法和教學經驗的交流，促進了高校的科學化發展。

3.2 采用人工智能自動分析，智能推薦個性化資源

教學資源的建設與共享呈現出龐大的信息量，學生的需求也越來越多樣化，使得學生難以做出選擇，或者難以做出正確的選擇，甚至放棄繼續搜索學習資料。人工智能行業正進入高速發展的黃金時期，個性化推薦引擎作為人工智能發展過程中的衍生產品，涵蓋了機器學習、自然語言處理、神經網絡、自動推理等多學科技術，正是由于這些技術的突破性進展，智慧教室中才有了使用智能推薦技術的可能。學生在智慧教室學習過程中所產生的數據，有課堂內的也有課堂外的，有線上也有線下，都由智能設備對這些用戶信息、學習和生活信息、資源查閱與測試信息等進行采集，采用先進的人工智能技術分析，為教育管理者和教師提供教育教學參考，為學生提供相關課程或相關知識點的個性化推薦服務。

4 多元信息的自動化監測與評估

學生的學習態度與教師的教學方式直接影響整個教學效果[5]，對師生在智慧教室中的行為進行自動收集與分析，以實現對師生行為的自動監測。

4.1 信息發布

智慧教室中安裝一塊簡單的電子顯示屏，顯示當前教室的相關信息，主要為教室信息和上課信息。教室信息用于展示教室環境，通過通風系統獲得的溫度、濕度、光等數據，也可包括學?；驅W院發的公告通知。上課信息是用于顯示當前上課的基本信息，有當前時間信息、當前上課的班級信息、當前上課的課程信息、當前上課的教師信息等。展示信息以文本為主，適當使用少量圖片或視頻。電子顯示屏不宜太大，必要的時候使用滾動技術將展示信息進行上下或左右滾動。

4.2 教學評估

通過標準接口控制方式在可視化視窗對錄播主機進行開啟、錄制、結束、保存等操作，既錄制及保存學生的學習行為，也錄制及保存教師的教學行為。既可用于教師和學校相關管理人員對學生學風的評估，比如學生期末考試的平時成績，期末班級的學風評比等，也可用于學校管理人員對教師教學的評估，比如年度考核評估、職稱晉升等。

4.3 考場監控

為了保證考場的公平性、公開性，進一步嚴肅考風考紀，通過智慧教室內高清攝像機及錄播服務器等設備對考試過程進行多方位的監控。體現信息化考場的專業性及嚴肅性，以保證學生成績的真正水平。

5 中控系統的智能化控制與管理

智慧教室中有計算機、顯示屏、通風系統、燈具等較多設備，如果單獨控制不僅增加了操作者的難度，也增加了操作者的煩瑣事務[6]。隨著信息技術的不斷發展，智慧教學環境的進一步優化，教室內的教學設備日趨復雜，為了簡化教師授課期間對設備的操作和滿足更高的信息化管理要求，在構建智慧教室智能化管理平臺時，可將所有設備統一控制與管理即中控系統，簡化人工操作。在講臺安裝智能中控系統，實現對智慧教室內設備的控制。

中控系統最主要的是教師上下課控制，一鍵上課、一鍵下課。一鍵上課和一鍵下課功能，用于控制教師電腦、教師授課大屏、小組討論小屏、空調或風扇、窗簾、燈光等設備。教師電腦、教師授課大屏和小組討論小屏實時開啟或關閉，空調或風扇、窗簾、燈光等設備的開啟狀態則通過光、溫、濕等感應器根據教室環境確定。一鍵上課時，打開計算機、投影儀、燈光、空調等設備。一鍵下課時，按照適宜的順序依次關閉所有設備。

中控系統面板上也有單獨控制各設備功能，主要有空調控制、新風控制、照明控制、投影儀控制。空調控制：溫濕傳感器實時感知教室里的溫度和濕度，自動打開空調、關閉空調、休眠空調或調節空調相應模式，使教室保持預先設置好的適宜溫度和濕度。新風控制：通過傳感器感知教室的空氣質量自動控制新風設備，使教室保持良好的空氣質量。照明控制：通過感知教室內光的亮度，智能控制教室里的燈具，自動實現一鍵全開、一鍵全關、半開、半關等多種選項，以達到教室內光線適宜的目的。投影儀控制：上課時自動打開投影設備進入投影模式，計算機、大屏、小屏等設備自動打開，窗簾自動拉上，空調系統、新風系統、照明系統根據上課模式設置工作。下課時自動關閉投影設備退出投影模式，計算機、大屏、小屏等設備自動關閉，窗簾自動打開，空調系統、新風系統、照明系統根據下課模式設置工作。

6 結語

在與自貿試驗區校企合作教學過程中，普通教室既不能全方位展示教學內容，也不能靈活使用硬件設備，更不能自由移動桌椅討論，非常有必要構建新一代智慧化教育信息生態系統——智慧教室。通過多維空間的綠色化、多屏互動的體系化、多源融合的資料共享與智能推薦、多元信息的自動化監測與評估、中控系統的智能化控制與管理等環節實現了智慧教室的建設與應用，從而達到提高管理水平，推進信息技術和教育領域主流業務的深度融合。