教育數據驅動的智慧教室系統建設

李瑞晴 王暉

摘要：基于物聯網技術以及Web開發技術，本文開發的智慧教室系統能夠將學生課堂學習行為和教師課堂教學行為數字化和結構化，通過在線方式實現對傳統課堂教學過程的全程數據采集以及深度分析，最終能夠客觀準確地分析學生學習行為以及教師教學行為，并為將來提供進一步的科學行為建議提供堅實的理論依據。

關鍵詞：教育數據；智慧教室；物聯網技術

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A 論文編號：1674-2117（2018）10-0079-04

引言

在計算技術、通信技術以及微電子技術飛速發展的大背景下，國家和地方政府都在加快推動教育信息化進程。教育部印發的《教育信息化“十三五”規劃》中，特意強調要加快推動信息技術與教育教學的融合創新發展。當前，普教的課堂教學模式依然是以教師講臺授課為主的教學形式。雖然在某些教學環節中，PPT代替了黑板，學生手里有了Pad，但課堂教學仍舊遵循著傳統的教學模式。究其原因，是互聯網對教育的沖擊力度還不足以從根本上改變教育的傳統生態。而傳統的課堂教學模式在信息技術高速發展的今天，愈來愈暴露出諸多弊端：

第一，教學模式老套。教師一板一眼地把知識傳授給學生，“填鴨式”課堂讓學生感到枯燥乏味。第二，教學組織過于“被動”。傳統的課堂教學，學生學習方式較為被動并缺乏個體性，課堂上很少有思維的交鋒和智慧的碰撞，學生缺少自主探索、合作交流、獨立獲取知識的機會。第三，太注重“應試”。在應試教育的背景下缺乏獨立思考和思維發散能力，限制了學生學習的自信心與積極性，以及學生自主學習、自主發展的能力。針對數字原住民這一代，我國正在積極推進基礎教育改革，以推進素質教育為目標，鼓勵在學科教學中廣泛應用信息手段，并把信息技術教育融合到各學科的學習中。隨著“互聯網+”概念的提出、信息化的全面覆蓋，相繼出現的遠程教育、在線課堂、教師屏幕廣播、多屏互動教學及豐富的電子教材等，對傳統的課堂式教育模式進行了有益的補充和升級。教師的傳道授業可以通過小小的屏幕靈活實現，學生獲得知識不再只有課堂教學這一個渠道。

信息技術推動教育變革，“智慧教育”的概念應運而生。在“互聯網+”發展的背景下，智慧教育利用可隨身攜帶的移動教學終端與云服務平臺相結合，打造智慧教室，實現學習個性化、教育精準化。

智慧教室概述

基于智慧教育的理念，我們開發了智慧教室系統。該系統是利用新一代信息技術打造的智能、高效的課堂環境（教室），是一種新型的教育形式和現代化教學手段。

1.智慧教室簡介

智慧教室充分利用智能設備（平板電腦）和網絡化，涵蓋課前課中課后多個教學環節，提供便捷的課件閱讀及課堂互動手段，全面保存學生學習的過程數據，智能分析學生作業并精準把握其知識掌握情況。通過實現評價反饋即時化、交流互動立體化、資源推送智能化，全面變革課堂教學的形式和內容，構建互聯網時代的信息化課堂教學模式。簡而言之，智慧教室是數字化校園應用的新產品，是教育信息化走進學校、走進課堂、走進師生的必然產物。

智慧云教室系統是一套具有成熟教學模型的智慧云教育解決方案，它具備以下功能：教師進入系統備課、授課、推送試題，把上課所需的課件以數字化形式保存在云服務器，上課過程中利用屏幕廣播進行課堂教學，觀看舉手提醒與學生進行課堂互動，在練習時個性化推送測試題給學生；學生使用Pad終端課前完成教師推送的課前預習題，帶著問題上課，上課利用舉手按鈕與教師展開互動，練習時間完成教師給自己推送的個性化試題，查漏補缺，并避免抄襲。教室配備的Wi-Fi節點可以保證多人同時觀看視頻30分鐘不掉線，視頻運用流媒體的形式播放使畫面更清晰、過程更流暢。

2.創新性

（1）技術創新

實現Wi-Fi高密度節點完全覆蓋：一間智慧教室可容納多人上課。在教師授課過程中，同時有多名學生接入網絡，通過信號分擔的方式，緩解了信道的壓力，解決了因為信道擁塞而導致的用戶掉線情況，繼而有效提升智慧教室Wi-Fi網絡的接入質量。

流媒體使視頻觀看更穩定更流暢：智慧教室系統支持同一個組的終端可以接受到此組內的所有數據，網絡中的交換機和路由器只向有需求者復制并轉發其所需數據。主機可以向路由器請求加入或退出某個組，網絡中的路由器和交換機有選擇地復制并傳輸數據，即只將組內數據傳輸給那些加入組的主機。

靈活課堂互動：支持PPT、Flash課件、Word文檔等電子教案的實時互動，快速收集學生答案，即時顯示統計報表，教師可以直接看到客觀題各選項選擇人數以及每個學生的答案情況；客觀題直接系統自動批改，即考即評；支持跨平臺屏幕廣播，教師端Pad屏幕界面直接廣播到學生端界面上；教師端可向全體學生發送備課文件。

（2）教學方式創新

教師輕松備課，高效輔導：擁有一個云終端，教師就可隨時隨地備課、輔導學生，學生則可以隨時隨地享受到原來在教室才能進行的聽課、答疑。

學生享有豐富資源，高效學習：智慧教室為學生提供練習題個性化推送、在線學習和在線測試等功能，為學生提供豐富多彩的課堂內容，以及豐富的學習資源，方便學生根據自身條件，有選擇性地進行個性化學習，這樣有利于提高學習效率。

3.實現方式

①選擇Linux作為操作系統，使得開發和維護成本較Windows Server更為低廉，同時有大量參考案例可供學習。在眾多Linux發行版中，選擇基于Red Hat Enterprise Linux開放的源代碼編譯而成的Community Enterprise Operating System，即CentOS，使智慧教室具備高度穩定性的服務器操作系統。

②PHP作為開發語言，使智慧教室具有跨平臺、使用廣泛、成本低廉、開發速度快等特色。

③Apache作為Web服務器，它是一個開源的HTTP服務器，是最為流行的HTTP服務器之一。Apache使智慧教室具有高安全性、高可靠性和高度的可定制性，并且代理服務器可通過簡單的API擴充，將PHP等解釋器編譯到服務器中。

④MySQL作為數據庫，將數據保存在不同的表中，使智慧教室可以存儲大量數據在服務器中。MySQL所具有的開源、高性能、低成本和高可靠性使其成為全球最為流行的開源數據庫。其與Apache、PHP的結合為基于數據庫的動態網站提供了強大動力。

4.系統功能

智慧教室系統是由“Web端”“學生/教師Pad端”組成的一個數字化教室（如上頁圖1）。該系統為教師提供了一個輕松教學的環境，為學生提供了一個高效學習的工具。智慧教室整合了網絡教學平臺、網絡教學系統、網絡教學資源、網絡教學軟件、網絡教學視頻等諸多全新的概念，構建了全新的教與學工具。

智慧教室系統建設

1.Pad端

Pad端是智慧教室的核心所在，是實現靈活課堂互動的前提。智慧教室系統Pad端能夠為教師上課提供備課、廣播教學、課堂互動、記錄考勤信息和課堂互動等功能，方便使用多媒體課件進行教學展示和增加學生學習的積極性，為學生提供廣播教學的接收、接收教師推送的練習題、在線學習和在線測試等功能，為學生提供豐富多彩的課堂內容以及豐富的學習資源，方便學生根據自身條件，有選擇性地進行個性化學習。

2.Web端

智慧教室系統Web端為教師提供在線備課、課件資源管理、推送練習和作業給學生等功能，為學生提供在線練習、在線測試、自主學習和查看錯題記錄等功能。智慧課堂系統在公認的教學模型基礎上，提高“課前”“課中”“課后”學習的效率和效果，構建了科學的教學模型。

智慧教室系統開發

1.系統設計

根據先進性、實用性與開放性的設計原則，智慧教室系統的架構主要分為四層，從下至上依次為底層硬件、服務層、構件庫層與視圖層（如圖2）。

①底層硬件：最底端是底層硬件，它是奠定整個智慧教室平臺運行的基礎。該層為智慧教室的教學和管理提供必要和完善的物理平臺。主要包括視頻終端和多媒體錄制設備。

②服務層：底層硬件之上是服務層，該層是智慧教室的核心業務部分，構造了平臺服務的基本框架。通過無線Wi-Fi確保了服務層與底層硬件間的通信，實現無障礙、安全、可靠的信息傳輸，并構建數據庫保障了數據的存儲管理。服務層主要提供了數據交換、人員/權限管理、知識管理、離線接入、表單引擎、部件管理等服務。

③構件庫層：依托服務層提供全面的支撐和保障，構件庫層提供了備課管理、考試管理、題庫管理、學生錯題管理、課堂教學管理、作業管理、視頻教學管理、資源管理、通知公告等強大的功能。此外還加入成長智能分析管理、行為記錄及評價策略管理、智能考勤等其他功能來提高課堂教學質量。

④視圖層：智慧教室系統的頂層是面向用戶（學生、教師、管理員）的視圖層。智慧教室系統Web端以HTML5、Bootstrap、jQuery等前端開發技術為基礎，結合下層的服務接口，為用戶提供豐富多樣、交互友好、響應式的教育應用服務。用戶可以通過臺式電腦、筆記本、平板電腦、智能手機等終端設備，在任何時間和任何地點，采用任何通信方式，訪問教學資源和處理教學任務。

2.系統功能設計

智慧教室系統由Web端、教師端、學生端、后臺管理四大部分組成。Web端主要用戶角色為教師和學生。Web端為教師提供了在線備課、課件資源管理、課前預習管理、課堂預習管理、課后作業管理等功能。教師端為教師上課提供備課、廣播教學、課堂互動、記錄考勤信息和課堂互動等功能，方便使用多媒體課件進行教學展示和增加學生學習的積極性。學生端為學生提供廣播教學的接收、接收教師推送的練習題、在線學習和在線測試等功能，為學生提供豐富多彩的課堂內容以及豐富的學習資源。后臺管理主要為系統管理員提供系統資源管理，以及對系統的整體管理，維護系統的運行。系統資源的管理包括對各種視頻、音頻、數據等資源的管理，系統管理主要包括用戶管理、年級管理、班級管理、科目管理。

展望

智慧教室系統是為滿足信息技術不斷深入發展以及人們不斷增長的教育需求的必然產物。但我們相信，智慧教室系統只是智慧教育發展過程中的一個過渡性技術，隨著人工智能技術以及物聯網技術的發展，在智慧教室系統的基礎上，必將衍生出更加體現智慧教育核心思想的新一代智慧教育技術。