高校智慧教室建設(shè)的研究與探索

關(guān)鍵詞：智慧教室；實踐教學(xué)；智慧生態(tài)系統(tǒng)；建設(shè)；創(chuàng)新

中圖分類號：TP393 文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）25-0024-03

0 引言

2018年教育部印發(fā)《教育部關(guān)于加快建設(shè)高水平本科教育全面提高人才培養(yǎng)能力的意見》提出以構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、個性化、智能化、智慧化的教育體系，實現(xiàn)服務(wù)全局、完善機制、融合創(chuàng)新、深化應(yīng)用的工作目標(biāo)[1]。智慧教室是教學(xué)改革的實踐主戰(zhàn)場，是教育信息化、智慧化的核心場景，是智慧校園重要的組成部分，利用信息技術(shù)轉(zhuǎn)變教學(xué)模式，改進教學(xué)管理，促進信息技術(shù)與教育教學(xué)融合發(fā)展。

1 智慧教室建設(shè)實踐

國內(nèi)各高校通過結(jié)合自身的特點，利用先進的信息技術(shù)，搭建不同的智慧教室教學(xué)環(huán)境，以帶動教學(xué)模式的改變與創(chuàng)新。清華大學(xué)應(yīng)對新科技革命時代的教育變革，搭建人工智能實驗室，依托物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、學(xué)習(xí)分析技術(shù)等智能技術(shù)，集成建設(shè)一體化的教室智能視聽設(shè)備，在教室內(nèi)運行智慧學(xué)習(xí)系統(tǒng)、智慧教學(xué)系統(tǒng)等多個智慧應(yīng)用系統(tǒng); 西北師范大學(xué)開展人工智能教育相關(guān)研究，探索多方聯(lián)合培養(yǎng)指導(dǎo)專業(yè)研究生，提升學(xué)生信息科技課程與教育教學(xué)能力，數(shù)字資源、教育軟件設(shè)計與開發(fā)等實踐應(yīng)用能力，并依托相關(guān)培訓(xùn)項目開展智能教育相關(guān)的教師培訓(xùn); 西南大學(xué)搭建“產(chǎn)教融合、校企合作、產(chǎn)學(xué)結(jié)合”的智慧教育產(chǎn)教研合作平臺，覆蓋教學(xué)、學(xué)習(xí)、教研、評價、測評、管理等多個板塊，賦能學(xué)校建設(shè)高水平的教育科學(xué)研究中心與高質(zhì)量的人才培養(yǎng)基地[2]。

2 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)智慧教室建設(shè)

東北農(nóng)業(yè)大學(xué)以“智慧教室，智慧管理”為建設(shè)理念建設(shè)智慧教室，打造智慧教室生態(tài)系統(tǒng)，共建設(shè)探究性智慧教室1間，智慧云教室9間，智慧授導(dǎo)教室50 間。智能考勤及學(xué)情分析系統(tǒng)基于國內(nèi)領(lǐng)先的“人工智能技術(shù)”，可以同時對教室內(nèi)學(xué)生進行人臉識別分析對比，確保能夠真實、準(zhǔn)確地對整體授課質(zhì)量和聽講質(zhì)量進行評估，并保存相關(guān)分析數(shù)據(jù)，在智慧教室云平臺中以圖表的形式方便各級教學(xué)管理者進行查閱。東北農(nóng)業(yè)大學(xué)智慧教室應(yīng)用規(guī)劃圖如圖1所示。

2.1 建設(shè)智能考勤系統(tǒng)

智能考勤系統(tǒng)通過人工智能人臉檢測算法，對裝在教室內(nèi)的攝像機識別出教室內(nèi)的學(xué)生人臉，進行識別比對，實現(xiàn)人臉識別考勤功能?？记谙到y(tǒng)與學(xué)校教務(wù)系統(tǒng)相對接，可獲取學(xué)生相關(guān)信息作為考勤基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；通過人臉識別比對進行日?？记?，支持 N對N人臉識別模式，建設(shè)采用智能班牌、考勤終端、智慧教育云平臺、智慧互動課堂系統(tǒng)四位一體模式。

智慧教室班牌以云平臺、云服務(wù)器為基礎(chǔ)，優(yōu)化教育數(shù)據(jù)儲存于班牌管理系統(tǒng)，利用統(tǒng)一的資源內(nèi)容儲存、交流、共享，支持基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、統(tǒng)一身份認證、多種接口服務(wù)；外接話機、門禁設(shè)備，實時更新數(shù)據(jù)，顯示上課課表、學(xué)生出勤，界面清晰流暢，模塊靈活可變；內(nèi)置麥克風(fēng)和攝像頭，多點可觸摸屏幕，便于查閱操作，人臉識別，智能開關(guān)教室門，實現(xiàn)教室無人化管理。前、后端考勤攝像機與考勤終端相結(jié)合，考勤終端負責(zé)進行考勤分析工作，采用CPU+GPU架構(gòu)，使用深度學(xué)習(xí)框架下的智能算法對教室出勤人員進行動態(tài)抓圖與考勤分析，對一間教室內(nèi)的多臺攝像機進行圖像分析處理，課堂學(xué)生面部信息與教務(wù)系統(tǒng)原始庫中的學(xué)生面部信息進行實時比對。一臺終端可同時支持兩間標(biāo)準(zhǔn)的教室使用，采用實時掃描工作模式，結(jié)果通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給智慧教育云平臺，智慧教室云平臺對結(jié)果數(shù)據(jù)進行整合，通過圖表的方式，以直觀的形態(tài)展現(xiàn)給各級教育管理者，方便其查閱相關(guān)考勤數(shù)據(jù)，將識別后的人員與未識別的人員等數(shù)據(jù)進行分類展示。智慧教室互動課堂系統(tǒng)應(yīng)用移動端設(shè)備進行日常考勤管理，根據(jù)教務(wù)系統(tǒng)生成課表，還可實現(xiàn)課前預(yù)習(xí)、課中課堂互動學(xué)習(xí)、課后教學(xué)資源點播復(fù)習(xí)。智慧教室云平臺最后將課前、課中、課后數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，對數(shù)據(jù)進行整合、分析，實時更新，為輔助教學(xué)教研督導(dǎo)評估提供數(shù)據(jù)支撐。同時，智慧教室互動課堂系統(tǒng)能使教師和學(xué)生等教學(xué)參與者獲得準(zhǔn)確的課堂考勤情況[3-4]。學(xué)生課堂考勤數(shù)據(jù)統(tǒng)計表如圖2所示。

2.2 構(gòu)建學(xué)情分析系統(tǒng)

學(xué)情分析系統(tǒng)根據(jù)人工智能技術(shù)的學(xué)習(xí)算法對課堂場景進行分析，實時記錄教室內(nèi)教學(xué)場景、行為、統(tǒng)計出勤率，可對教室進行循環(huán)檢索，實現(xiàn)動態(tài)采集；支持課堂活躍度線性顯示，支持低頭率、抬頭率課堂視頻數(shù)據(jù)的采集；學(xué)情分析結(jié)果以曲線圖表展示，可進行數(shù)據(jù)對比，形成教室、教師、學(xué)生多層級數(shù)據(jù)分析；通過管理平臺登錄學(xué)情分析系統(tǒng)，對課堂教學(xué)行為進行匯總整理，進行日、周、月數(shù)據(jù)統(tǒng)計，得到日常教師教學(xué)質(zhì)量評估數(shù)據(jù)?？梢暬瘮?shù)據(jù)看板集中展現(xiàn)區(qū)域信息化建設(shè)成果，應(yīng)用趨勢分析、數(shù)據(jù)對比、細分追溯等方式進行可視化呈現(xiàn)，使其更清晰了解設(shè)備實際使用情況，能加強對課堂的管理，讓管理者學(xué)情分析有據(jù)可依，管理方向有跡可循，為智慧信息化建設(shè)提供數(shù)據(jù)支撐。學(xué)生課堂行為分析統(tǒng)計表如圖3所示。

2.3 采用智慧教室導(dǎo)播系統(tǒng)

智慧教室導(dǎo)播系統(tǒng)具有視頻輸出監(jiān)視和備播窗口，支持不少于12路信號的加載預(yù)覽，能對設(shè)備進行管理、控制和操作。遠程控制通過瀏覽器輸入IP地址，對導(dǎo)播進行遠程控制管理，與圖像定位結(jié)合自動切換教師視頻、學(xué)生視頻和教學(xué)設(shè)備屏幕視頻，可添加多種自定義導(dǎo)播規(guī)則，靈活使用，豐富課件效果。智慧教室導(dǎo)播系統(tǒng)也支持添加片頭、片尾、字幕、自定義添加圖片、文字、logo，可自定義多視頻疊加，將多個視頻疊加在同一個視頻窗體中。完整地記錄有效的課堂教學(xué)信息，生成優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源，記錄教師的音視頻信息、學(xué)生的音視頻信息、學(xué)生畫面和問答學(xué)生聲音，能夠?qū)⒂嬎銠C屏幕內(nèi)容，電子白板內(nèi)容等完全錄制下來。通用的播放器及IE瀏覽器均可以實現(xiàn)錄制課件的播放，支持FTP自動上傳和手動上傳課件到資源管理平臺，實現(xiàn)資源共享。

2.4 部署智慧教室生態(tài)系統(tǒng)

智慧教室生態(tài)系統(tǒng)以學(xué)?，F(xiàn)有校園網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，將管理平臺與學(xué)校舊系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)，建設(shè)智慧教室綜合管理平臺，其具有以下功能及特點：

1） 支持統(tǒng)一身份認證功能、統(tǒng)一應(yīng)用中心頁面設(shè)計與模塊維護及多媒體教室、課堂記錄教室、互動教學(xué)、教學(xué)考勤、教務(wù)系統(tǒng)、教學(xué)反饋、多媒體運維等系統(tǒng)進行統(tǒng)一界面管理；支持直播課堂功能模塊顯示、課堂記錄課堂功能模塊顯示、個人空間功能模塊顯示、課程中心功能模塊顯示。

2） 為學(xué)校平臺數(shù)據(jù)提供數(shù)據(jù)處理支撐服務(wù)，實行分級分布式部署、平臺與數(shù)據(jù)分離，與教務(wù)排課系統(tǒng)相對接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享；支持平臺數(shù)據(jù)統(tǒng)計，點擊量排行、視頻量排行、學(xué)習(xí)時長排行、在線用戶等數(shù)據(jù)統(tǒng)計；根據(jù)學(xué)校設(shè)備實際使用率、動態(tài)分析設(shè)備活躍數(shù)據(jù)、軟件使用變化、網(wǎng)址瀏覽情況；智能分析、識別設(shè)備存在的潛在風(fēng)險，根據(jù)風(fēng)險機制及時設(shè)置應(yīng)急管理策略，規(guī)避設(shè)備風(fēng)險，提升設(shè)備使用安全率。

3） 課堂錄制模組進行課堂視頻錄制，四分屏記錄上課全過程，課程名稱、教室名稱、教師名、上課時間、上課班次均可查詢相關(guān)課程。系統(tǒng)每天凌晨準(zhǔn)時上傳錄制視頻到管理平臺，創(chuàng)建與展示列表模式和課表模式的課堂記錄計劃，方便用戶對課堂記錄計劃進行管理，通過移動端進行課程直播、點播觀看，進行巡課。在手機端建立課表，下發(fā)給學(xué)生進行簽到，教師進行課前考勤，根據(jù)課前準(zhǔn)備數(shù)據(jù)反饋，教師設(shè)置搶答題、課堂展示等多種類互動內(nèi)容，豐富課堂環(huán)節(jié)，充分提高學(xué)生的積極性和上課的快捷性，實現(xiàn)互動教學(xué)教研。

4） 實時觀摩課堂教學(xué)，滿足不同權(quán)限觀摩課堂要求。巡課信息展示包括PPT課件、教室全景、教師特寫、學(xué)生特寫等畫面，可隨時進行多屏切換，展示學(xué)生出勤情況；系統(tǒng)支持攝像機遠程控制功能，進行教室換面切換巡課，通過智慧教室教學(xué)可視化運行中心，與課表對接實現(xiàn)多間教室管理，對教室人數(shù)、班級課程、教師、學(xué)生聽課行為等信息顯示，實現(xiàn)教室統(tǒng)一監(jiān)管tcgxeyh+UpnGK1euJ8xNXQ==[5]，系統(tǒng)通過在線編輯功能，對PPT課件進行線上編輯，對已錄制的課程視頻進行剪裁、編輯、下載等操作，并根據(jù)實際需要對時間、地點、標(biāo)題等添加索引，對視頻的聲音進行優(yōu)化處理，體現(xiàn)其獨特性。系統(tǒng)的文件均支持云端保存和下載。

5） 通過統(tǒng)一分析前端教室產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)分析。數(shù)據(jù)分析包含各區(qū)域占比數(shù)據(jù)、教室使用數(shù)據(jù)、教師教學(xué)數(shù)據(jù)、學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)、設(shè)備運行數(shù)據(jù)、教學(xué)資源數(shù)據(jù)等，通過智慧教室教學(xué)可視化管理運行平臺進行大數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，輔助教育管理者教學(xué)教研，為教學(xué)質(zhì)量評價評估、教師自身發(fā)展、學(xué)生學(xué)習(xí)培養(yǎng)方向提供了有力依據(jù)[6]。

3 智慧教室建設(shè)的探索

東北農(nóng)業(yè)大學(xué)智慧教室以信息技術(shù)與教育教學(xué)的深度融合為核心理念，以建設(shè)、應(yīng)用和共享優(yōu)質(zhì)數(shù)字教育資源為目標(biāo)，通過優(yōu)化頂層設(shè)計、明確建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)、細化建設(shè)任務(wù)、集中建設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施、提升運維管理能力等方法，實現(xiàn)信息化水平的整體提升。

東北農(nóng)業(yè)大學(xué)智慧教室以常態(tài)化的全自動大規(guī)模課堂記錄模式，無須人為干預(yù)進行教室內(nèi)畫面的采集錄制，形成課件。采用觸摸一體機實現(xiàn)全觸摸教學(xué)，為教師、學(xué)生提供無塵教學(xué)與學(xué)習(xí)。教師與學(xué)生可進行實時的課堂內(nèi)容互動，提高了學(xué)習(xí)效率，實現(xiàn)了教室間的互動教學(xué)，打破教室與空間的限制，通過網(wǎng)絡(luò)與本校或其他院校形成網(wǎng)絡(luò)化互動教學(xué)。通過對名校名師的授課現(xiàn)場及授課過程實時直播及資源平臺進行點播，形成教學(xué)反饋資源，學(xué)生課后可通過學(xué)校資源管理軟件在客戶端點播優(yōu)秀教師的課堂記錄課件進行自主學(xué)習(xí)[7]。

智能控制系統(tǒng)實現(xiàn)了一鍵式控制，彌補了不同教師在多媒體應(yīng)用中的不足，無須專業(yè)培訓(xùn)即可進行教室內(nèi)設(shè)備的控制操作，形成多種教學(xué)環(huán)境的搭建，完美結(jié)合了互動教室的應(yīng)用情況，無須額外地支付裝修及建設(shè)費用，一套設(shè)備實現(xiàn)多種應(yīng)用的建設(shè)。通過教育信息化建設(shè)的實施，創(chuàng)新教學(xué)模式、培育新的教學(xué)理念、構(gòu)建新的教師角色、完善新的學(xué)習(xí)工具、開拓新的辦學(xué)模式并且通過教育信息化起步、應(yīng)用、融合、創(chuàng)新的四個階段，利用信息技術(shù)驅(qū)動教育教學(xué)創(chuàng)新。

平臺統(tǒng)一管理實現(xiàn)了各樓區(qū)統(tǒng)一管理規(guī)劃，實現(xiàn)教學(xué)評估督導(dǎo)。通過統(tǒng)一部署全面提升學(xué)校的軟硬件信息化環(huán)境、總控室系統(tǒng)等硬件設(shè)備。通過系統(tǒng)管理平臺實現(xiàn)教室間實時互動、同步直播、教學(xué)實況錄制、遠程督導(dǎo)教學(xué)、校園安全監(jiān)管等，以供教學(xué)觀摩，開展智能化、全交互網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)，實現(xiàn)督導(dǎo)教研進行可視化教學(xué)教研，實現(xiàn)遠程教育會議，實現(xiàn)教師交流，實現(xiàn)師生遠程互動教學(xué)，實現(xiàn)教育資源共享，實現(xiàn)教育均衡化[8]。

智慧教室在教學(xué)使用過程中也衍生出與傳統(tǒng)教室教學(xué)不同的問題：網(wǎng)絡(luò)延遲、波動會導(dǎo)致直播或視頻下載的不穩(wěn)定；視頻畫面的清晰度會影響觀感；教室格局的不同直接影響聲音的傳輸質(zhì)量；學(xué)生上課的動作影響考勤的準(zhǔn)確性；不同年齡的教師對新設(shè)備的接受能力不同導(dǎo)致使用舒適度有明顯差異；新設(shè)備外接入會有穩(wěn)定性及兼容性問題等。此外，如何使智慧教室更加智慧仍需進一步探索和研究。這些情況均需要在智慧教室使用過程中不斷改進和完善。

4 結(jié)束語

東北農(nóng)業(yè)大學(xué)智慧教室的建設(shè)實現(xiàn)了學(xué)校師資隊伍建設(shè)的專業(yè)化，科學(xué)分析了學(xué)科專業(yè)發(fā)展前景，合理制定了師生發(fā)展計劃，著力改善了師資隊伍結(jié)構(gòu)，加強了專業(yè)人才隊伍建設(shè)，探索完善了教學(xué)管理制度，構(gòu)建了有效的人才培養(yǎng)與人才使用融通渠道，有利于推進教學(xué)改革。同時智慧教室的建設(shè)運用了教學(xué)新模式，優(yōu)化了課程資源儲備，轉(zhuǎn)變了教學(xué)模式，提升了實踐教學(xué)，培養(yǎng)了學(xué)生專業(yè)能力和創(chuàng)新意識，為建立完備的教學(xué)質(zhì)量保障體系、實現(xiàn)教學(xué)評價多樣化、教學(xué)方法新型化、教學(xué)應(yīng)用管理先進化提供了有力保障，為建設(shè)智慧化校園、構(gòu)建教育新發(fā)展理念提供了重要數(shù)據(jù)支撐和實踐經(jīng)驗。