智慧教室功能模型構建與應用探究

廣東工程職業技術學院 朱 靖

學習環境主要體現在對促進學生發展提供的相關條件，也是學習行為發生的載體。教室為學生學習的主要場所，直接對學習效率產生影響。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境，尤其是在大數據、物聯網等技術的發展下，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、軟件系統使用煩瑣、硬件環境構建復雜、設備兼容性不高、容易出現故障等問題，影響了智慧教室作用的發揮，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境和感知情境的基礎。比如，在特定的環境下通過傳感器對光線、溫度與聲音進行調解；通過錄像設備掌握學生位置、操作、姿勢、情感等方面的數據；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

在云計算和大數據技術下，現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，在配套設備下實現多樣化的學習。比如，呈現資源的過程中實現了跨平臺的共享，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，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，打破傳統的資源形式。

（三）社區空間

教室不僅是開展教學的場所，還是培養互動能力的社會場所，相較于傳統的多媒體教室，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。在互聯網與學習支持服務下，教師與學生、學生與學生、師生與機器之間都可以在現實與虛擬的環境下互動。與此同時，互聯網打破了傳統教師在空間上的限制，進而建立了跨地區、跨學校的學習社群。智慧教室的社區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境，如當學生提出問題后，教師選擇現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、桌椅。多媒體教學設施又包括了電子白板、智能錄播系統、視頻會議系統、后臺監控管理系統。在網絡與感應設施中網絡通信系統、服務器、感應穿戴設備、終端顯示設備發揮出了巨大作用。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云平臺實現不同的軟件與接口集成貫通，進而實現教育云端、管理端、教師端、學生端的連接，建立統一數據環境的智慧信息平臺。其中，智慧課堂教學平臺工具配備、教學數據采集、學科資源制作、教室智慧環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，也就是在無線網絡的支持下實現人與設備、工具、環境流暢、高效的互動，包括提供教學、科研在內的多元化教學平臺，其貫穿于師生、家庭在交互網絡，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容呈現、學習記錄、資源管理、環境管理等功能與相關內容，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、操作便捷的現代化智慧學習環境，進而實現在人才培養過程中的轉變，主要體現在四個方面：其一，在教學理念上，倡導以教學為主轉變為教學相長。其二，在辦學思路上，主張由專業教育轉變為專業教育結合通識教育。其三，在教學方法上，主張由課堂教學轉變為線上與線下結合、課內與課外結合。其四，在教學評價上，從結果評價為主轉變為過程評價結合結果評價。現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。基于StarC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、在線學習社區與第三方服務，在線課堂內容在云端實現上傳。其二，互動多樣化。借助學生平板電腦、數字討論版等智能設備滿足語音、視頻、文字信息等內容，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，任務驅動教學、翻轉課堂，還包括混合式教學模式。其四，行為可視化。借助智能錄播系統與傳感設備掌握教學期間學生的各項行為數據，之后云端系統進行分析，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，借助教室物聯網分析教室環境中的溫度、光線、視聽情況，建立穩定、實用的管理平臺，打造智能環境，滿足教學資源推送、數據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，提升教學活動的質量。

（二）實踐與應用

1.物理環境

其一，一體化管控。智慧教室實現了設備自動控制與環境意識控制。具體說來，在設備控制方面，實現對屏幕、溫度、門鎖等的控制；在環境意識控制方面，通過傳感設備把環境感知收集的信息傳輸到智能平臺進行處理。其二，綠色節能。借助智能課堂數據分析系統分析溫度、濕度、光照強度、二氧化碳等環境數據，由此預測教室內能源消耗，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。在智能燈控系統中，課程開始時系統會自動感知情境，有學生進入課堂后系統就被觸發并打開教室內燈管，根據自然光環境調節亮度。其五，智能溫控。用深度學習模型和感知技術來自動調控教室內溫濕度，將傳感器采集到的溫度、濕度數據融合到情境感知架構，在此基礎上產生控制信號，打開或關閉空調、除濕器，從而自動化調控物理環境。

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計、出勤率、提交的作業等情況，如輔助平板控制教室內麥克風聲音與空氣質量。其三，桌椅布局。在智慧教室環境中，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，能根據教學需求及時調整，隨時重組小組成員。

3.教學內容

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，動態提供教學方法、教學策略。除了課程內容的知識點，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、教學評估管理等數據庫整合起來。在呈現方式上，包括音頻、視頻、圖像、文本和動畫和虛擬現實。

4.課堂互動

其一，師生互動。教師通過視頻監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，再通過反饋系統及時干預或調整教學進度，有效提高教學質量。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，學生與內容互動。利用虛擬現實技術開發一個智能學習系統，通過手勢動作觸發相應的動畫，包括旋轉、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

在物理空間中和智慧教室有關的板塊包括呈現教學內容、記錄教學過程、教學交互、環境管理。當前已經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、全息投影。與此同時，統一配置了網絡設施及傳感設備，借助教室物聯網系統完成智能管控，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連接學校網絡，并且實現了物理空間和虛擬空間的無縫銜接。其二，空間環境。為了營造多樣化、人性化的空間，采取組合聯動控制方式，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，滿足傳統講授、觀影、小組討論等教學場景。其三，智能環境管理。在物聯網技術下監測氣溫、濕度等教室環境，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的實現

資源服務系統和主要用于各種軟件平臺、資源與應用服務，并且實現了不同板塊的結合。當前，華中師范大學已經成功建設智慧教室，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了數據交換，連接國內其他慕課學習平臺，得到更加豐富的課程資源。其二，課堂場景與資源生成系統。在這一系統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，學習行為數據采集和分析系統。在高清課堂教學實況采集系統、在線課堂交互行為采集系統配合下，記錄了學生的虛擬課堂和物理課堂和學習歷程，之后成為教育大數據的內容，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。這一系統中包括了智慧教室預約、知識服務、在線問答等服務。

（三）社區空間的實現

在社區交互空間下，實現教學社區建設、課堂教學交互空間建設，也是智慧教室教學、科研等環境應用的場合，這一過程中課堂教學智能交互系統起到了作用，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空間，主要功能與模式包括兩個方面。其一，課堂內互動教學模式。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，最終實現智慧教育，為教育信息化目標的實現提供條件。本文通過分析華中師范大學智慧教室功能模式發現，把教學系統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，最終實現教學的智能化發展。