一种基于云端平台的智慧教室设计与实现

    徐雅静　郑世珏　刘聪　肖遥+区诗柔

    摘 要：随着信息时代的到来和物联网技术的蓬勃发展，以智慧教室为代表的智慧学习环境的设计与实现已经得到了广泛的关注。智慧教室是学校的信息化发展到一定阶段的内在诉求，是当今时代的必然选择。文章通过分析智慧教室的系统组成以及相关硬件平台，介绍了一种基于云端平台的智慧教室的设计与实现，以华中师范大学智慧教室的建设为例，展示了这种设计方式的具体实施案例。

    关键词：智慧教室；云平台；未来教育

    21世纪以来，随着计算机与网络技术的发展，人们的生活方式发生了翻天覆地的变化，“智慧生活”的浪潮正在全面袭来，而在教育领域，传统的教学模式已渐渐无法满足现代学习者的学习需求，为了适应现代化教育，“智慧教室”应运而生[1]。

    智慧教室是数字教室和未来教室的一种形式，在传统教学模式中，课堂教学环节是学生接受教育最重要的一个环节[2]，而传统课堂的疑问确认环节往往无法得到预期效果，不利于教师对每位学生进行个性化辅导。与此同时，信息时代的学习本质也发生了改变，学生由依靠机械记忆掌握知识转变为在互动体验中理解获取知识。信息技术的快速发展使得物联网与云计算技术日益成熟，计算机、交互白板等现代化设备逐渐进入课堂。本文针对如何推进未来学校建设[3]这一问题，进行了基于物联网技术的新型现代化智慧教室系统的相關讨论，结合华中师范大学智慧教室的建设，阐述了怎样为在校师生提供更加良好的教学与学习环境。

    1 智慧教室的系统组成

    按照具体的功能来划分，智慧教室由教授呈现系统、学习资源系统、交互讨论系统、环境调节系统、信息发布系统5个部分组成。这5个部分共用教室中的软硬件资源，在相互联系协调的同时又各自独立地完成任务[4]。

    1.1 教授呈现系统

    教授呈现系统指的是传递教学内容的系统，是智慧教室的重要组成部分之一，也是开展课堂教学的基础。系统由内置电子白板功能的触控投影机一体机、问答器和配套控制软件构成。传统的黑板教学被内置电子白板的触控投影机代替，实现了无尘教学，保护了师生健康。

    1.2 学习资源系统

    学习资源系统包括教师网关、学生网关以及智慧教学系统，如图1所示。教师网关系统支持教师通过手机、笔记本电脑进行移动教学，还可与学生移动终端同步，以便进行提问、疑点反馈等互动教学功能。学生网关系统同样支持学生小组学习研讨与资源共享。

    学生在系统终端进行随堂测验，提交后直接查看答题结果以及错题解析。错题将被自动汇入学生的错题本。系统的数据采集与统计功能为教师计算每种题型的正确率，并提供直观的图表显示，生成“S-P”曲线表，给出教学建议。

    1.3 交互讨论系统

    交互讨论系统是在课堂教学的过程中，教师与学生、学生与学生之间进行交互的支持系统，如图2所示。教师根据WiFi与坐标定位实现自动考勤。在学习过程中，学生如果对某个知识点没有学会，可以单击按钮进行听课反馈，教师会重新讲授学生没有掌握的知识点。

    1.4 环境调节系统

    采用嵌入式架构使用环境调节系统为学生营造一个健康、舒适的学习环境，能够提高学生的学习效率，如图3所示。智慧教室中的桌椅预置了传感器，感知学生的坐姿状态，提醒学生矫正坐姿。除此之外，灯光控制系统和空调控制系统均可通过置于教室的传感器采集数据并进行相关控制。其中空调控制系统通过温湿度传感器检测室内温度，实现室内温湿度的自动控制。

    1.5 信息发布系统

    信息发布系统支持向所有终端播放机发送信息，也可脱机发布信息。发布者可以对信息进行编辑，每条信息由多个页面组成，每个页面可分割成多个可编辑区域，实现图、文、视频信息的组合编辑以及播放。发布者也可以对已发布内容的显示方式、显示内容、业务种类进行修改和删减。

    2 硬件平台搭建系统

    传统教室中的设备的管理与维护缺乏智能化功能，维护困难，能耗高。而智慧教室集成了电子白板、触控一体机、高清远程互动录播主机、光传感器等硬件设备，使用物联网技术对设备进行统一管理，能够更好地使硬件服务于教学，如表1所示。

    电子白板教学采用分屏触摸操控，支持用一台电脑同时连接两台触控一体机，两台一体机高清显示，构成统一电脑界面，两台触控一体机可以同时触摸和书写。教师可以一边展示课件一边进行板书，在一台触控一体机上播放多个课件的同时在另一台触控一体机上进行板书，方便对比教学。高清远程互动录播主机采用嵌入式硬件架构，内嵌音频矩阵模块，实现混音、回声抵消、啸叫抑制、自适应降噪等功能，采用H.323协议，可以实现主机与主机、主机与第三方主流视频会议终端之间的互动。教师可以使用U盘存储录制内容，结束后直接取盘即可。

    3 系统实现

    智慧教室的优越性使其在全国范围内大面积得到使用，华中师范大学构建的基于云端平台的智慧教室也正处于完善与使用中，每间智慧教室中都配备搭建了相关的硬件平台和软件系统。教师使用智慧教室授课如图4所示。

    3.1 软件环境

    华中师范大学在智慧教室中引入了一套云课程平台系统，辅助教师的教学活动，帮助学生更好地进行学习。云课程平台系统提供了PC端和移动端两种版本，方便师生通过移动设备随时查看课程最新动态。教师可以在云课堂上记录学生到课情况，上传课件、视频，发布作业、测验。学生还可在论坛上反馈学习建议。云课程平台系统反映了学生整个学期的学习状态，可作为教师给出平时成绩的重要参考。系统将与教务管理系统对接，方便学校组织架构管理。

    3.2 使用情况

    经过一学期的建设使用，智慧教室中各项参数指标均达到了期望值。电子白板教学软件的教学内容双高清双屏展示，构成的完整显示画面最高可达到3 840×1 080；录播主机支持分辨率为1080 p的视频录制与播放；环境控制系统实时监测教室内各项数据，并自动控制灯光、温度等。智慧教室在软硬件的配合下为广大在校师生提供了一个舒适的学习环境。

    4 结语

    智慧教室不再是一间封闭的教室，而是成为开放的学习空间，它打破了教室的围墙壁垒，调动了师生之间的互动积极性，为学生提供了或整或零的广泛的学习时间以及学习环境[5]，提供学生学习状态分析数据帮助教师更好地开发学生潜力，提高学习效果。华中师范大学对此进行了有益探索，然而基于云端平台的智慧教室的建设道路还很漫长，如何提高学生参与度，增强学生的学习能力，培养出有智慧有胆识的新型人才，还值得深入探讨。

    [参考文献]

    [1]李康康，赵鑫硕，陈琳.我国智慧教室的现状及发展[J].现代教育技术，2016（7）：25-30.

    [2]何克抗.智慧教室+课堂教学结构变革—实现教育信息化宏伟目标的根本途径[J].教育研究，2015（11）：76-81.

    [3]宋东茂.构建智慧型的未来教室[J].中小学信息技术教育，2014（4）：72.

    [4]孟延豹.博雅智慧教室系统环境搭建初探[J].中小学信息技术教育，2013（5）：49-53.

    [5]吴俊杰.未来教室：构建开放式创新的创客学园[J].中国信息技术教育，2015（z2）：155-156.