智慧教室建設開放性研究

宋平平，王 鈞，孫曉雷

(1.蕪湖職業技術學院 教學督導與質量監檢處，安徽 蕪湖 241003；2.蕪湖職業技術學院 信息化建設與管理處，安徽 蕪湖 241003；3.蕪湖職業技術學院，安徽 蕪湖 241003)

0 機遇、問題與挑戰

在互聯網技術充分發展的信息時代，智慧教室應是一種“能優化教學內容呈現、便利學習資源獲取、促進課堂交互開展、達成數據采集分析、高度智能化的新型教室”[1]。智慧教室建設是一個復雜的系統工程，在學校需多部門協同，包括教學管理部門、二級學院、基礎建設部門、信息化建設部門、教育技術部門等。從參與的廠家公司角度看，因為學校需求模糊不一，公司投入方向與推進戰略有太多的不確定性，蜂擁而上、貪大求全都會給未來埋下風險；如何在復雜的智慧教室系統中實現共建共享，亟需達成共識。

智慧教室建設頂層設計需堅持開放性、系統性、體驗性以及擴展性，納入智慧校園大平臺設計與數據服務體系，應包含教學大平臺設計建設，并植入“互聯網+”思維，在有效的服務過程中生成各類數據。師生的認證和教學過程數據都應依托并融入學校數據中心，同時尊重互聯網時代的學習規律。全網資源的共享性，學習平臺的開放性、擴展性都提出了云服務的要求，在這個大趨勢背景下，理清并解決云校接口問題，構建可持續發展系統架構。下面主要從開放性方面研究解決各類問題。

1 智慧教室與智慧校園

黃榮懷等認為，智慧校園具有環境全面感知、網絡無縫互通、海量數據支撐、開放學習環境、師生個性化服務等特征[2]。智慧校園在為師生提供各類服務的過程中，自動生成數據，支持教學過程分析、評價和學校治理決策。甘容輝等研究國外智慧校園建設最新進展時，觀察到斯坦福大學正致力于建設決策科學、可持續發展、基于大數據分析的智慧校園[3]。綜合以上觀點，智慧校園的核心是服務、數據和分析，智慧教室作為智慧校園的一部分，與學校其它信息化業務系統一樣，其設計、建設、管理需納入智慧校園數據服務統一框架內，實現統一認證、數據集成、數據共享、數據服務，通過開放的接口、統一的數據標準以及多維度數據服務體現智慧教室系統的開放性、兼容性，促進智慧教室建設步入快速、規范發展階段。智慧校園開放性數據服務框架圖如圖1所示。

2 智慧教室系統的開放性

2.1 系統組成

聶風華等構建了智慧教室系統“iSMART“模型，他們提出智慧教室系統由基礎設施、網絡感知、 可視管理、 增強現實、 實時記錄和泛在技術六大子系統組成。[4]從實際應用系統建設角度看，智慧教室系統包括教學平臺、顯示系統(含黑板、多屏調度)、中控系統、錄播系統、音頻系統、環控系統、身份門禁系統、人臉識別系統、用電管理系統等子系統以及環境改造項目。智慧教室主要系統(設備)拓撲圖如圖2所示。通過子系統連接功能設計和統一的集成要求與標準，達成各子系統主流廠家的兼容與系統功能的有效銜接，實現系統建設、擴展的開放性。從單個子系統角度看，很多子系統功能已非常成熟，問題主要在數據集成、功能邊界的設計以及新技術、新產品的融合，下面就當前主要困擾問題研究探討。

圖1智慧校園開放性數據服務框架圖

圖2 智慧教室主要系統(設備)拓撲圖

2.2 功能設計

從學校管理和教師使用需求兩個角度實現教室和設備的精準管理，只需通過一卡通刷卡認證，便可實現對場地和設備的授權控制，通過與一卡通系統和教務系統的數據同步，實現教室使用按課表信息精準提供。

智能控制中心是智慧教室中的核心設備，需支持設備管控、電源管理、音視頻管理等功能，并通過管理平臺展現全部教室的設備情況，包括設備類型、使用狀態、故障告警、報表統計等內容，并能實現遠程控制。

教學平臺與錄播系統需有效銜接，教學平臺在工具欄中添加開啟錄播功能，需支持通過接口控制的形式自定義推流地址，實現錄播的視頻與課程綁定，課程結束，錄播自動結束。通過調用接口獲取地址和token，錄播和直播的視頻可傳輸到第三方視頻云服務商或本地存儲，課后，錄播視頻顯示在學生的聽課列表里，學生可回放觀看。

黑板作為傳統的教學媒介在教學中仍有不可替代的作用，將黑板數字化、智能化是智慧教室建設的重要內容。板書內容同步實時數據化，實時傳輸到教學平臺，同時可以通過投影、顯示屏、手機微信、網頁等載體獲得黑板書寫內容。板書內容可以融入到PPT教學過程中，實現課堂中重要的兩個元素(PPT與板書)以及老師電腦屏幕等同步展示、留存、回看。

教師授課過程中需實現包含黑板、教師屏、小組屏、學生終端屏(電腦、手機、平板)的多屏互聯，達成即思、即寫、即顯示的體驗，教師和學生設備可主動發起連接，支持全局廣播投屏和多終端投屏，高效分享信息，遠程教學的屏幕分享功能可通過教學平臺的模擬全場景視頻功能模塊實現。

學校管理人員通過統一認證并授權后，可訪問錄播子系統，實時查看各教室授課情況，并可進行多角度巡視(教師、學生、黑板等)，通過每間教室畫面輪循，掌控全校課堂情況，實現在線巡課、督導。完全線上教學場景下，在線巡課、督導功能可在教學平臺中設計實現。

2.3 集成

2.3.1 集成要求

智慧教室子系統眾多，統一的集成標準與規范至關重要；集成包括身份、門戶和數據三方面內容，集成后各子系統的WEB訪問將經由智慧校園網上服務大廳CAS方式實現單點登錄。各子系統需從學校數據中心人員信息中間表中讀取出用戶信息，并將用戶信息轉換成自身的用戶信息和用戶角色信息格式數據，在校驗完數據正確性后保存到子系統數據庫中。各子系統從學校數據中心課程信息中間表中查詢出課程數據，并將課程數據轉化為自身的課程信息格式數據，然后更新本子系統中已存在的課程數據。

教學基本信息需實現同步共享，包括教學班、學生、教師、教室、課程、課表等數據。數據流向為教務排課完成后從教務系統同步至主數據平臺，再通過數據交換平臺同步至各子系統；各子系統將運行過程中產生的數據通過ETL工具定時同步至主數據平臺。對于不方便開放的第三方數據庫，在主數據平臺開放API接口，采用web Service數據服務共享方式直接調用，滿足按需、實時訪問的需求。

2.3.2 集成實現

各子系統數據的集成實現可按照統一標準，由各業務系統中間表作為集成數據的數據源，通過ODI實現對數據加載與集成，并按照規定的執行頻率實現數據的自動抽取、轉化以及寫入。 加載數據與集成數據主要代碼如下。

加載數據：

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集成數據：

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drop table <%=snpRef.getTable("L","INT_NAME","A")%>

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2.4 教學平臺的開放性

教學平臺的開放性應當從平臺服務架構、第三方廠家服務和資源互聯、功能模塊設計三方面實現。

服務教學全過程且能有效銜接上下游服務、基于B2B2C的云教學平臺服務架構應是面向未來的選擇。學校部署私有云節點與教學云平臺對接，實現教學大數據的本地化存儲、管理、應用和數據對接，達成公有云與私有云之間的教學大數據的實時或準實時同步，滿足本地化檢索、管理、分析、展示并集成到學校數據中心。云教學平臺需從學校端同步各類基礎數據，包括師生基本信息、院系、專業班級、課程、課表等基本數據，實現線上課堂與線下課堂的規范統一。教學平臺開放服務框架圖如圖3所示。

圖3 教學平臺開放服務框架圖

黃榮懷等認為教育教學要回答好“學什么”“在哪學”“怎么學”“學怎樣”等基本學習問題。[5]教學平臺須在功能設計上開放性地回答好、解決好這些問題。教學平臺包括教務處理、資源管理、教學管理、數據分析、評教評學等模塊，教師教學功能主要圍繞”課前—課中—課后“三個場景，實現教學全周期數據分析，達成大數據時代智慧教學。當前教學平臺應用已進入井噴爆發期，但其設計建設仍需從功能系統性、體驗友好性、模型科學性等方面持續優化。

基于以上視角， 平臺需采用松耦合的模塊設計，支持用戶多元化需求，并能根據需求實現第三方服務的調用，通過開放的接口、主流廠家合作共贏實現可持續發展，達成學校、師生可持續使用價值的最大化。

3 結語

基于以上分析，智慧教室建設的開放性體現在四個方面。一是智慧教室系統應融入智慧校園大平臺，基礎數據來自統一平臺，生成數據存儲于數據中心；二是智慧教室系統應有開放的框架、總線與接口，并可根據用戶訂制需求，可增可減，體現彈性設計；三是智慧教室系統在對不同廠家產品應有良好的兼容性，應建立統一接口、數據標準；四是教學平臺、黑板、中控、錄播、環控等智慧教室子系統的數據應在合理的策略下，實現最大程度的開放共享，最終實現高校智慧教室建設可預期、可掌控、可持續快速發展，系統不斷完善，數據項不斷拓展優化，通過數據服務與分析為師生創造價值，為學校現代化治理提供支撐。