基于物聯網的氣象+5G智慧教室設計與應用

摘" 要：為實現氣象干部培訓設備現代化、課堂精品化、師資高效化、培訓策略信息化，通過創新教學方式，推進教學進程，實現新形式的信息化教學，建設5G+智慧教室顯得十分必要。文章闡述了氣象干部智慧教室建設的設計原則以及建設的架構和功能應用模塊，建設出了符合氣象干部教學實際需求的高效率、現代化的教學環境，使智慧教室更好地為課堂教學服務，提升課堂教學效果，推動了氣象干部教育培訓信息化的發展。

關鍵詞：智慧教室；物聯網；設計原則；系統構成

中圖分類號：TN929.5；TP39" 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2024）12-0183-05

Design and Application of Meteorological + 5G Smart Classroom Based on

the Internet of Things

WANG Yongfeng， SHEN Yaoxin， XIAN Xiaolong， WANG Yiran， LIANG Xinhang

（China Meteorological Administration Training Center， Beijing" 100081， China）

Abstract： In order to achieve modernization of meteorological cadre training equipment， high-quality classrooms， efficient teaching staff， and training strategy information， it is necessary to promote teaching processes and achieve new forms of information-based teaching through innovating teaching methods， and build a 5G+ smart classroom. The paper elaborates on the design principles， architecture， and functional application modules of the construction of a smart classroom for meteorological cadres. It has built an efficient and modern teaching environment that meets the actual needs of meteorological cadre teaching， making the smart classroom better serve classroom teaching， improving classroom teaching effectiveness， and promoting the development of information in meteorological cadre education and training.

Keywords： smart classroom; Internet of Things; design principle; system composition

0" 引" 言

黨的二十大報告指出“推進教育數字化，建設全民終身學習的學習型社會、學習型大國”，為新時代教育數字化發展指明了方向[1]，智慧教育已成為全球教育變革發展的必然趨勢。近年來，為適應數字中國建設新形勢，加快推進干部教育培訓數字化建設，全國各地都在充分運用云計算、大數據、虛擬現實、人工智能等新興信息技術，推進信息化教學服務平臺建設和應用，推動特色鮮明的以自主、合作、探究為主要特征的教學方式變革[2]，促進教育形態從教學結構（以教為主）向學習結構（以學為主）的轉變。

在國務院印發的《氣象高質量發展綱要（2022—2035年）》中，明確指出要加強氣象教育培訓體系和能力建設，要推動氣象人才隊伍轉型發展和素質提升[3]。干部培訓如何推動教育方式轉型，教師主動適應變革，積極開展適應信息化、人工智能等新技術變革的教育教學，這樣才能加強氣象教育培訓體系和能力建設，全面推進新時期氣象培訓教師隊伍建設改革，這是氣象培訓事業發展的重大目標任務，是新時代賦予我們積極推進信息化建設和教育融合創新與發展的重要契機。建設智慧學習環境是氣象培訓實現教與學模式轉變的關鍵，是教育現代信息化發展的必然結果，對教與學有著革命性的影響。智慧教室，作為智慧學習環境，其功能和形態雖有不同，即使國內外學者對其認識也存在差異，但受教育信息化發展的趨勢影響，必然成為數字化教室發展到一定階段的產物，也成為教育技術領域關注的焦點，以及教學環境創新和教學模式改革的重要標志[4]。

近年來，干部學院在氣象業務類培訓的教室、實習實訓平臺建設、干部類培訓的研討互動教室、培訓保障能力等方面有所改善，但是隨著近年來培訓需求的逐年增加，特別是干部管理類培訓教學設施和教學環境與新形勢下的要求差距日益顯現，無論教學設施、教學環境配置遠不能滿足現代干部管理類培訓的需求，重要教學手段像互動分組研討、情景模擬、分級演練等培訓形式由于相應的教學環境支撐不足而受限制。同時雖然擁有很多現代化教學設備，但是智慧學習環境還沒有構建起來，各個智能化設備的“單打獨斗”，大部分教室還不能實現課件的按照電子課表智慧錄播；不能夠實現自動考勤、課堂行為的采集與大數據分析，為教學提供大量的分析數據信息。這使得智慧教學仍然浮于表面，在運用智慧教育的思路創新教學、高效教學方面，沒有發揮出重要作用。

隨著5G網絡建設全面展開，5G技術推動了物聯網的加速發展，也為智慧教室的建設提供了有利環境，干部學院規劃設計了基于5G+氣象教育培訓的智慧教室。通過智慧教室的設計應用，為干部學院教學設備智能化、教學系統精品化、教師團隊培養高效化、教學策略網絡化提供了保障，讓智慧教室更好地為課堂教學服務，創新了教學方式，推進教學進程，實現新形式的信息化教學[5]，智慧教室也成為促進氣象教育培訓教學發展的新理念、新模式、新趨勢的重要抓手。

1" 基于物聯網的5G+智慧教室建設的原則

干部學院智慧教室的建設主要包括5個方面的原則：

1）實用性與易使用性。智慧教室的建設要滿足老師教學與教研的基本需求，為未來數字化教學培訓的發展提供有力支撐和強大動力；同時在操作上高度融合易用，一鍵飛屏，一鍵廣播，全信號源自由圈點批注。

2）先進性與前瞻性。智慧教室的設計要在整合現有軟硬件資源的基礎上，整體規劃，適度超前，盡可能地采用最先進的創新技術。

3）可靠性與安全性。要選擇成熟且穩定的軟硬件系統以及網絡系統，保障智慧教室運行的穩定、可靠與安全。

4）兼容性與拓展性。考慮到智慧教室系統未來的可拓展性，系統的軟硬件設備應具有較高的可擴展性和較強的兼容性。

5）維護的遠程化與智能化。智慧教室不僅包含各類音視頻網絡設備，還包含網絡化遠程管理。支持網絡化遠程管理是智慧教室的最基本的要求，能夠遠程管理視頻錄制設備、聲音設備以及物聯網設備、網絡設備，還能夠管理電子班牌等多種類型的設備。通過一體化的管理平臺對所有的設備進行管理、監測、記錄，統計與分析教室內設備的運行數據用來預判故障，提前干預，這是目前智慧教室管理的主流模式。這種智慧教室的管理模式，變被動管理為主動管理，不僅能夠實現使用、運行的智能化，也能夠實現管理維護的智能化[6]。

2" 基于物聯網的智慧教室的架構與設計

干部學院智慧教室的建設以支撐新型教學模式為核心，借助互動研討教學軟件、AI督導智能分析軟件、無線投屏等信息技術，將教學資源、教學服務、教學數據融為一體，實現與教學模式的深度融合，打造創新教學空間，全面支持與推動混合式學習、研討型課堂間等新型教學模式，同時以學生為主體、以能力培養為目標，采集教學數據，全面服務于教學[7]。

2.1" 總體架構

結合干部學院的實際需求以及目前智慧教室的新設備、新技術，智慧教室的體系架構分為系統用戶層、教學應用層、平臺支撐層與基礎設施層，如圖1所示。

2.1.1" 系統用戶層

領導、教師、學員、教務、教保等教學管理人員都能夠利用手機、平板、電腦等各種終端，隨時隨地對智慧教室中的各種教學資源進行訪問，包括課表查看、直播觀看、錄制回看、教室實況巡視、教室設備管控、遠程系統維護、過程打點評價等。

2.1.2" 教學應用層

智慧教室應用系統包括視音頻采集系統、顯示系統、全場景運維系統、多媒體教學互動系統、AI教學督導系統、教學資源管理系統、智慧環境系統、考勤系統等，這些系統通過學院一體化平臺單點登錄，實現遠程管控智慧教室設備、系統及設備異常預警、一碼報修等。

2.1.3" 平臺支持層

通過課堂教學課前、課中、課后全流程采集、計算、存儲產生的各類數據，構建多維度大數據體系，為學院教學改革及人才培養質量提供數據支撐服務，保障智慧教室教學應用工作的順利進行，確保數據安全性。

2.1.4" 基礎設施層

基礎設施層包括服務器、網絡等基礎設施。該層是智慧教室的基礎，為智慧教室提供基本的網絡通信以及安全保障，實現各類數據的可靠安全的高質量傳輸。同時也包括空調、換氣扇、電源、多媒體設備、電動窗簾、攝像頭、Wi-Fi、智能讀卡器等教學管理設備[8]，通過這些基礎設備，實現對智慧教室內的窗簾、溫度、濕度、光照強度、燈光亮度、安防等的智能感知控制。

2.2" 物聯系統架構設計

基于物聯網技術的智能系統由教室端和服務器端兩部分組成，如圖2所示。教室端提供音視頻信號切換、電源管理、環境設備控制等；服務器端則提供用戶集中控制和管理等功能。

2.3" 功能模塊設計

智慧教室是實現探究式教學模式的主要環境載體，通常集合了如自動錄播系統、課堂教學分析系統、環境智能控制、遠程互動教學、交互討論系統等多種子系統[9]。這些系統幫助學習者和教師突破固有思維，重構教學方法，實現新場景融合設計、將智慧內容與教學深度結合。

2.3.1" 自動錄播系統

智慧教室集成課堂教學錄直播系統，構成支持全自動導播錄制、網絡直播、存儲等多種功能的專業錄制系統。其目的是讓每間教室實現常態化教學場景錄制、豐富校本視頻課程資源、實現師生課后課堂回顧、進行大規模公開課實況直播、擴展校區間班級互動教學等功能。

2.3.2" AI課堂教學分析

AI課堂教學分析系統利用基于人工智能技術的人臉識別、表情識別、語音識別、行為識別，通過建立課堂分析模型實現對課堂中各種教學行為和教學內容的自動分析，可以生成教員講授、教員板書、教員巡視、師生互動等9類教學行為進行自動分析，生成課堂教學報告，教學巡視如圖3所示。教員可以依據系統生成的課堂報告進行教學反思，改進教學方法，提升教學技能。系統自動生成學員的學習行為數據，方便教員針對學員的學習方法進行指導改進。同時，系統可擴展支持教員、學員的無感考勤，簡化考勤人工操作，提升系統體驗和考勤的精確度。

2.3.3" 遠程互動教學系統

在線互動教學系統是利用網上同步上課的方式，通過直播功能，教師和學生可在線完成授課、學習、討論、提問等教學互動，實現學院多校區同上一節課，共享優質教育資源，包括授課和互動兩種課堂模式。軟件系統內置到課堂教學錄直播系統的智課終端中，無須建立獨立的硬件設備，最大化減少智慧教室的硬件設備。教師借助在線互動課堂系統可以采用點對點模式、一點對多點模式帶領遠程教室同時上課，實現1 v N的遠程互動教學。

2.3.4" 研討互動教學系統

在探究式學習場景中，學員分成若干小組，根據教員布置的項目或主題展開研討，通過小組內的交流合作完成學習任務，最后教員對小組成果進行分享、講解和對比，達到提升學員自主創新能力、交流協作能力的目的。智慧教學系統提供教學大屏、分組中屏、移動終端之間的智能交互功能，如圖4所示，可以實時完成各個設備之間的內容呈現，實現教員與學員，學員與學員之間的互動交流、協作學習、合作分享，從而使探究式教學更加便捷、高效。

2.3.5" 智慧班牌系統

智慧班牌系統主要包括前端智慧班牌和后端班牌信息發布系統。主要功能包括教室管理、課表管理、信息發布管理、實時播報、流媒體展示、考試管理、考勤管理、教室預約、報修管理、人臉識別登錄、門禁等。提供橫豎版多種樣式；支持斷網脫機時包括視頻、圖片、課表、學員信息全部功能在脫機下運行，脫機時保證刷卡考勤及抓拍數據的完整性，聯網自動上傳。

2.3.6" 多媒體網絡中控系統

多媒體網絡中控系統是智慧教室的重要組成部分，借助網絡中控系統以及可視化集控管理系統，通過與音視頻采集系統、網絡系統、投影等多媒體設備的聯動，實現設備的一鍵開啟、關閉、信號切換、幕布升降、音量調節等，從而實現教員授課過程智能化、教學資源管理分配智能化以及多媒體教學設備管理控制智能化，如圖5所示。

2.3.7" 智慧環境系統

智慧環境系統對智慧教室內物理環境實時全方位監控，對教室內光線、溫度、濕度、空氣質量等實時監測；通過策略設置，自動調節教室內物理環境，將環境因素對課堂的影響和對學員人體的傷害降到最低。

2.3.8" 課程管理系統

課程資源管理平臺以智慧教室錄播系統錄制的課堂教學課程為基礎，提供課程管理、資源分類、在線瀏覽、資源統計等功能。支持在線創建作業、考試等學習任務，同時可在線批改作業、考試。智慧教室錄制的課程資源可以自動或手動上傳平臺，平臺亦支持師生個人資源的上傳、審核、管理與發布，實現個人資源的分享。系統提供API接口可以對接學院數據中心。

2.3.9" AI督導系統

教學督導是教育督導一種特殊的形式，是運用科學的方法和手段對教學工作進行監督、檢查、評價和指導[10]，通過發現問題、診斷原因、提出辦法、實施改進等步驟，最終實現提升學校課程質量和人才培養質量。AI督導系統借助智慧教室的AI錄播系統錄制的課程，實時直播的課程及課堂教學行為分析數據進行在線評課、診斷，為教師的教學改進提供指導建議。

2.3.10" 在線學習系統

在線學習系統提供課程資源管理、布置學習任務、數據統計與分析等功能，如圖6所示。打通課堂教學前、中、后的教學全環節，教師可通過平臺進行課前備課、發布任務、課中互動數據自動收集、分析，課后布置作業、互動交流等功能，學生可通過平臺選擇感興趣的視音頻課程，通過點播方式進行在線學習、互動交流等，并生成課堂報告，支持知識點標注、資源檢索、文字互動等功能。

2.3.11" 可視化集控管理平臺

可視化集控管理平臺是提供統一認證、統一數據、統一權限的智慧教室的遠程管理平臺，通過該系統可實現課堂教學常態化錄播系統、智能教學中控系統、教學督導管理系統等的遠程集中可視化管理，包括監控設備數據、監看設備狀態、遠程控制設備、遠程導播可視化、巡視課堂畫面等。

3" 結" 論

干部學院智慧教室的設計及建設是以服務教學為核心，具體分析與考慮教室空間布局與教學方面的實際需求，提供教室智能中控、課堂互動教學、教學過程督導、音視頻錄播、數據分析與可視化平臺等功能，通過智慧教學環境、智慧教學模式、智慧教學評估三個維度進行的一體化構建。總之，依托物聯網、人工智能、云計算、大數據等新一代信息技術，智慧教室服務氣象培訓的智慧教學，有利于提升學員學習體驗，提高教學效果，以教育信息化全面推動干部培訓的教育現代化。

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作者簡介：王永鋒（1969—），男，漢族，山西呂梁人，高級工程師，本科，研究方向：多媒體技術。