智慧教室功能模型構建與應用探究

廣東工程職業(yè)技術學院 朱 靖

學習環(huán)境主要體現(xiàn)在對促進學生發(fā)展提供的相關條件，也是學習行為發(fā)生的載體。教室為學生學習的主要場所，直接對學習效率產(chǎn)生影響。近年來，我國結合教育信息化要求積極推動信息技術與教學的結合，打造智慧學習支持環(huán)境，尤其是在大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等技術的發(fā)展下，有關智慧學習空間、智慧課堂、未來教室、智慧教室的研究和實踐開始增多，并成為相關課題研究的熱點。我國的智慧教室整體發(fā)展勢頭良好，但當前的智慧教室存在建設標準不同、軟件系統(tǒng)使用煩瑣、硬件環(huán)境構建復雜、設備兼容性不高、容易出現(xiàn)故障等問題，影響了智慧教室作用的發(fā)揮，與此同時我國的智慧教室主要面向中小學，存在測試對象有局限性的問題，在高校應用智慧教室還有很大的空間，以下進行相關分析。

一、智慧教室“三位一體”模型構建

（一）物理空間

對智慧教室來說，這是較為固定的場所，不過信息化時代下的智慧教室打破了場所的限制，是配備了軟件與硬件的空間綜合體，相關硬件與軟件也是管理教學環(huán)境和感知情境的基礎。比如，在特定的環(huán)境下通過傳感器對光線、溫度與聲音進行調(diào)解；通過錄像設備掌握學生位置、操作、姿勢、情感等方面的數(shù)據(jù)；借助手持設備掌握交互學習過程，分析學習結果，進而跟蹤學習過程。

（二）資源空間

在云計算和大數(shù)據(jù)技術下，現(xiàn)代教育資源的共享更加便利，對智慧教室來說，主要是應用了云端資源空間。對資源內(nèi)容來說，也不再局限于習題與課件，而是打造了自主學習、交互式學習與個性化學習的空間，在配套設備下實現(xiàn)多樣化的學習。比如，呈現(xiàn)資源的過程中實現(xiàn)了跨平臺的共享，做到了按照學習需求進行分配，還支持資源的互動與再生成，如在提供個性化資源時做到閉環(huán)，之后結合學生的資源使用與學習情況合理刪減資源，進而保證資源利用率，打破傳統(tǒng)的資源形式。

（三）社區(qū)空間

教室不僅是開展教學的場所，還是培養(yǎng)互動能力的社會場所，相較于傳統(tǒng)的多媒體教室，智慧教室的交互性與靈活度更大，是一種互動性強的學習空間。在互聯(lián)網(wǎng)與學習支持服務下，教師與學生、學生與學生、師生與機器之間都可以在現(xiàn)實與虛擬的環(huán)境下互動。與此同時，互聯(lián)網(wǎng)打破了傳統(tǒng)教師在空間上的限制，進而建立了跨地區(qū)、跨學校的學習社群。智慧教室的社區(qū)空間包括了虛擬空間和實體空間，在二者的結合下教師、學生與學生家庭通過移動終端連接起來，建立較為和諧的教育環(huán)境，如當學生提出問題后，教師選擇現(xiàn)場輔導或者在線答疑，學生可以選擇求助教師、人機交互或者求助專家解答。

二、智慧教室模型構建

（一）物理設施層

在智慧教室中，物理設施層為基礎部分，包括教室基礎設施、多媒體教學設施、網(wǎng)絡與感應設施。其中，教室基礎設施主要指物理空間、燈光照明、供電配電、通風空調(diào)、桌椅。多媒體教學設施又包括了電子白板、智能錄播系統(tǒng)、視頻會議系統(tǒng)、后臺監(jiān)控管理系統(tǒng)。在網(wǎng)絡與感應設施中網(wǎng)絡通信系統(tǒng)、服務器、感應穿戴設備、終端顯示設備發(fā)揮出了巨大作用。物理設施層中的以上設施應用期間需要分析教學特點與學科要求，進而為教學工作開展營造合理的軟件與硬件環(huán)境。

（二）資源服務層

在智慧教室中，資源服務層為核心部分，即StarC云平臺實現(xiàn)不同的軟件與接口集成貫通，進而實現(xiàn)教育云端、管理端、教師端、學生端的連接，建立統(tǒng)一數(shù)據(jù)環(huán)境的智慧信息平臺。其中，智慧課堂教學平臺工具配備、教學數(shù)據(jù)采集、學科資源制作、教室智慧環(huán)境管理第三方應用支持與服務為主要功能。

（三）交互應用層

在智慧教室中，交互應用層為特色部分，也就是在無線網(wǎng)絡的支持下實現(xiàn)人與設備、工具、環(huán)境流暢、高效的互動，包括提供教學、科研在內(nèi)的多元化教學平臺，其貫穿于師生、家庭在交互網(wǎng)絡，如教學群、學習群、學校群。智慧教室模型中基本包括了智慧教室教學內(nèi)容呈現(xiàn)、學習記錄、資源管理、環(huán)境管理等功能與相關內(nèi)容，并且每個子功能板塊中又可以和具體的教學需求組合。

三、高校智慧教室的實踐

近年來，華中師范大學積極推進教學與教育的結合，為全校師生提供技術先進、功能全面、操作便捷的現(xiàn)代化智慧學習環(huán)境，進而實現(xiàn)在人才培養(yǎng)過程中的轉(zhuǎn)變，主要體現(xiàn)在四個方面：其一，在教學理念上，倡導以教學為主轉(zhuǎn)變?yōu)榻虒W相長。其二，在辦學思路上，主張由專業(yè)教育轉(zhuǎn)變?yōu)閷I(yè)教育結合通識教育。其三，在教學方法上，主張由課堂教學轉(zhuǎn)變?yōu)榫€上與線下結合、課內(nèi)與課外結合。其四，在教學評價上，從結果評價為主轉(zhuǎn)變?yōu)檫^程評價結合結果評價?，F(xiàn)將華中師范大學南湖教學實驗綜合樓作為試點進行分析。

（一）建設理念

其一，云端一體化?；赟tarC云平臺，連接教師、學生、管理等端口，并且收集了海量教學資源、學科輔助工具、在線學習社區(qū)與第三方服務，在線課堂內(nèi)容在云端實現(xiàn)上傳。其二，互動多樣化。借助學生平板電腦、數(shù)字討論版等智能設備滿足語音、視頻、文字信息等內(nèi)容，滿足教師與學生、學生之間、師生與機器之間直接互動與遠程交互。其三，模式多元化。在這一模式下教師為學生提供了多種教學模式，比如，任務驅(qū)動教學、翻轉(zhuǎn)課堂，還包括混合式教學模式。其四，行為可視化。借助智能錄播系統(tǒng)與傳感設備掌握教學期間學生的各項行為數(shù)據(jù)，之后云端系統(tǒng)進行分析，得到教學智能診斷分析報告，為學生帶來課前預習、課堂學習與課后復習的個性化學習體驗。其五，管控智能化。在StarC云平臺中，借助教室物聯(lián)網(wǎng)分析教室環(huán)境中的溫度、光線、視聽情況，建立穩(wěn)定、實用的管理平臺，打造智能環(huán)境，滿足教學資源推送、數(shù)據(jù)自動收集和教室設備自動控制，達到師生無縫接入教學資源的目標，提升教學活動的質(zhì)量。

（二）實踐與應用

1.物理環(huán)境

其一，一體化管控。智慧教室實現(xiàn)了設備自動控制與環(huán)境意識控制。具體說來，在設備控制方面，實現(xiàn)對屏幕、溫度、門鎖等的控制；在環(huán)境意識控制方面，通過傳感設備把環(huán)境感知收集的信息傳輸?shù)街悄芷脚_進行處理。其二，綠色節(jié)能。借助智能課堂數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)分析溫度、濕度、光照強度、二氧化碳等環(huán)境數(shù)據(jù)，由此預測教室內(nèi)能源消耗，緩解學校的能源浪費情況。其三，降噪材料。利用房間聲學計算機建模技術對智慧教室典型布局模擬和背景噪聲模擬。其四，智能光控。在智能燈控系統(tǒng)中，課程開始時系統(tǒng)會自動感知情境，有學生進入課堂后系統(tǒng)就被觸發(fā)并打開教室內(nèi)燈管，根據(jù)自然光環(huán)境調(diào)節(jié)亮度。其五，智能溫控。用深度學習模型和感知技術來自動調(diào)控教室內(nèi)溫濕度，將傳感器采集到的溫度、濕度數(shù)據(jù)融合到情境感知架構，在此基礎上產(chǎn)生控制信號，打開或關閉空調(diào)、除濕器，從而自動化調(diào)控物理環(huán)境。

2.基礎設施與空間布局

其一，智能顯示屏。智能顯示屏是智慧教室的常見設備，為了增強學生的視覺體驗，智慧教室內(nèi)安裝了LED顯示屏和交互式白板形成視頻墻，使得以小組為單位的教室布局中全班學生能跨小組討論、協(xié)作和分享。其二，智能講臺。主要包括嵌入式平板電腦和傳感器設備，主平板安裝多種應用程序，便于教師訪問教學資源，從而了解課堂的課堂統(tǒng)計、出勤率、提交的作業(yè)等情況，如輔助平板控制教室內(nèi)麥克風聲音與空氣質(zhì)量。其三，桌椅布局。在智慧教室環(huán)境中，多圓桌型和“U”型布局最受歡迎，其中圓桌型布局和面對面布局主要在人數(shù)較少的教學活動中應用，智慧教室中的桌椅具有靈活特征，能根據(jù)教學需求及時調(diào)整，隨時重組小組成員。

3.教學內(nèi)容

在通用課堂教學軟件中，幫助教師在備課過程中整合教學資源，動態(tài)提供教學方法、教學策略。除了課程內(nèi)容的知識點，還有大量外部鏈接的資源可以使用，顯著提升教師備課的效率。管理層把教學資源管理、測試管理、教學評估管理等數(shù)據(jù)庫整合起來。在呈現(xiàn)方式上，包括音頻、視頻、圖像、文本和動畫和虛擬現(xiàn)實。

4.課堂互動

其一，師生互動。教師通過視頻監(jiān)控和傳感技術可以實時了解學生的學習反饋，比如學習興趣、學習狀態(tài)，再通過反饋系統(tǒng)及時干預或調(diào)整教學進度，有效提高教學質(zhì)量。其二，學生與學生互動。學生利用社交媒體分享學習材料，教室中的智能屏、交互式白板能支持小組協(xié)作，帶有翻譯功能的交互屏為留學生的交流提供了支持。其三，學生與內(nèi)容互動。利用虛擬現(xiàn)實技術開發(fā)一個智能學習系統(tǒng)，通過手勢動作觸發(fā)相應的動畫，包括旋轉(zhuǎn)、平移和縮放。

四、智慧教室功能模型在高校的應用效果

（一）物理空間及其設施的實現(xiàn)

在物理空間中和智慧教室有關的板塊包括呈現(xiàn)教學內(nèi)容、記錄教學過程、教學交互、環(huán)境管理。當前已經(jīng)具備的功能包括三方面。其一，教學軟硬件設施，如電子課桌、多點觸控液晶屏、電子白板、一體化的自動錄播系統(tǒng)、全息投影。與此同時，統(tǒng)一配置了網(wǎng)絡設施及傳感設備，借助教室物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)完成智能管控，并且在各個部分配置了獨立控制面板和手機軟件，通過一鍵開啟讓系統(tǒng)連接學校網(wǎng)絡，并且實現(xiàn)了物理空間和虛擬空間的無縫銜接。其二，空間環(huán)境。為了營造多樣化、人性化的空間，采取組合聯(lián)動控制方式，借助獨立梯形、異型桌椅、豆瓣課桌，之后和教室地面的插座通電，滿足傳統(tǒng)講授、觀影、小組討論等教學場景。其三，智能環(huán)境管理。在物聯(lián)網(wǎng)技術下監(jiān)測氣溫、濕度等教室環(huán)境，控制觸控液晶屏、投影、錄播設備、音視頻矩陣等設備。此外，可以對全部的教室進行集中監(jiān)控，了解每間教室的設備與電源使用情況，還可以生成報告。

（二）資源空間及服務系統(tǒng)的實現(xiàn)

資源服務系統(tǒng)和主要用于各種軟件平臺、資源與應用服務，并且實現(xiàn)了不同板塊的結合。當前，華中師范大學已經(jīng)成功建設智慧教室，主要功能包括四個方面。其一，云端一體化教學平臺。借助StarC云平臺達到備課與教學的一體化，并且無縫連接了教育云端，師生得以便捷地獲取學習工具和教學資源。而StarC云平臺、課堂教學記錄、學生學習行為都實現(xiàn)了數(shù)據(jù)交換，連接國內(nèi)其他慕課學習平臺，得到更加豐富的課程資源。其二，課堂場景與資源生成系統(tǒng)。在這一系統(tǒng)下可以錄制智慧教室中師生的聲音、行為、表情，并且還原教學過程中的各種情況，教師審核課堂視頻之后上傳到StarC云平臺，學生無論是學習還是復習，都有更多的選擇。此外，在教學期間可以進行直播，多個平臺都支持用戶觀看。其三，學習行為數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)。在高清課堂教學實況采集系統(tǒng)、在線課堂交互行為采集系統(tǒng)配合下，記錄了學生的虛擬課堂和物理課堂和學習歷程，之后成為教育大數(shù)據(jù)的內(nèi)容，并且全方位分析教師端與學生端、整體與個體。其四，提交于云端一體化教學平臺。其四，應用支持與服務系統(tǒng)。這一系統(tǒng)中包括了智慧教室預約、知識服務、在線問答等服務。

（三）社區(qū)空間的實現(xiàn)

在社區(qū)交互空間下，實現(xiàn)教學社區(qū)建設、課堂教學交互空間建設，也是智慧教室教學、科研等環(huán)境應用的場合，這一過程中課堂教學智能交互系統(tǒng)起到了作用，對象包括教師、學生、管理人員、終端設備。目前，華中師范大學已建成社區(qū)空間，主要功能與模式包括兩個方面。其一，課堂內(nèi)互動教學模式。在這一模式下打造了講授型學空間、自主學習型學空間以及研討型教學空間，可以通過學生的手寫、圖像視頻等方式交互，學生終端與小組討論屏交互，教學雙屏與小組討論屏交互，小組討論屏之間交互。其二，課堂外遠程互動教學模式。也就是跨教室、跨校區(qū)的課堂音視頻，實時進行教學評價。

五、結語

綜上所述，在構建智慧教室的過程中，需要圍繞智能決策、智能實施與智能評價，確保支持教與學，最終實現(xiàn)智慧教育，為教育信息化目標的實現(xiàn)提供條件。本文通過分析華中師范大學智慧教室功能模式發(fā)現(xiàn)，把教學系統(tǒng)各要素與師生連接起來，有助于打造個性化的、智慧化的學習環(huán)境，不過在引入先進技術中一味地追求多功能也是不可取的，避免使學校成為軟硬件的堆砌地，需要建設符合高職院校辦學思路和教學實際的智慧教室，最終實現(xiàn)教學的智能化發(fā)展。