云环境下智慧教室的建设研究

    朱燕

    

    摘 要：随着网络技术、云计算、物联网等技术的飞速发展，传统多媒体教室将被多功能智慧教室取代。智慧教室通过科技与教育的深度结合，使得教学真正做到智慧化和个性化，从而提高教学效率。文章首先介绍了智慧教室的诞生背景，分析了智慧教室的建设原则，然后给出了智慧教室建设的解决方案，将智慧教室建设分为4个子系统，分别是环境感控系统、云录播系统、显示互动系统、云课堂系统，并对每个子系统的功能需求进行了详细阐述。

    关键词：智慧教室；云课堂；互动教学

    1 智慧教室发展背景

    目前，高职教育在校学生的学习主要还是以课堂教学为主，课后以网络学习、移动学习等手段进行补充。因此在云技术高速发展的大环境下，智慧教室的概念应运而生。学生进行课堂学习的教室经历了传统的教室、多媒体教室、网络教室等几个阶段的发展，而智慧教室不同于以往的各种模式，它是一种结合了网络、云技术、物联网技术的新型的、现代化的教育手段。在此之前诸多学者已经对智慧教室做了大量的研究，并提出了多种概念模型，其中两个模型最具有代表性，一是黄荣怀等[1]提出的“SMART”模型，把智慧教室概括成最能体现其特征的5个维度，分别是内容呈现（Showing）、环境管理（Manageable）、资源获取（Accessible）、及时互动（Real-time Interactive）、情境感知（Testing），另一个是聂风华等[2]从系统组成的角度构建的“ISMART”模型，包括基础设施（Infrastructure）、网络感知（Network Sensor）、可视管理（Visual Management）、增强现实（Augmented Reality）、实时记录（Real-time Recording）、泛在技术（Ubiquitous Technology）六大系统。两个模型侧重点不同，但是都体现了智慧教室的“智慧化”以及“个性化“。

    2 智慧教室的建设原则

    智慧教室的建设将遵循先进性、可持续性、可扩展性的原则。所谓先进性表示智慧教室将前沿技术运用到教学一线，做到科技与教育的真正融合。可持续性是指智慧教室的建设必须做到节能环保并且便于后期维护；提高资源利用率，注重实用性，避免浪费；可扩展性要求智能教室建设要考虑未来发展方向，为今后的扩展留有接口和空间。

    智慧教室以智能化硬件设备为基础，以云计算、软件控制为支撑，以服务教学为导向，以课程为中心，以教师为主导，以学生为主体，以信息资源建设和信息应用系统建设为核心，实现教与学的多重互动，记录教学轨迹，提高学生的学习兴趣和乐趣，从而提高学习效率[3]。

    3 基于云的智慧教室建设方案

    依据智慧教室的构建模型和建设原则，我们初步把智慧教室的建设分为4个子系统，分别是环境感控系统、云录播系统、显示互动系统、云课堂系统（见图1）。

    图1 智慧教室系统构成

    3.1 环境感控系统

    环境感控系统基于教室物联网的建设，通过传感技术、无线网络技术和通信技术，实现对教室灯光、温度湿度状态随时做到智能检测。教室内的感知前端设备，例如光照传感器、湿度传感器、温度传感器等实时传递相关数据、服务器端实时分析，工作人员通过智能终端经过网络获得实时信息后可以设置自动控制，或者手动地深入查询或调控。

    此外，智慧教室桌椅要求能够灵活布局，动态组合，便于移动，适用于集中授课、小组学习、小组讨论等多种学习模式。硬件设备必须充分考虑能耗问题，遵循绿色环保的建设理念，在满足教学功能的同时选择能耗最小、对环境影响最小的建设方案。

    此外智能控制系统可以实现与教务处课表的对接，根据课程安排提前开启教室门禁、灯光、空调，并且按课程需求开启教学设备等，在课程结束后自动关闭设备。

    3.2 云录播系统

    云录播系统基于图像跟踪采集、云存储等技术实时采集课堂中的教学视频、音频、视频传输标准（Video Graphics Array，VGA）以及教学资源、文本、图片等数据，并录制保存到主机中，实现多路视频信号源、视/音频文件和计算机画面之间的切换。系统前端视频采集采用专业摄像机，通过视频信号线与主机相连，教师只需要簡单连接好设备，开启录播软件，系统自动进入录制状态。结束时，选择“下课”，课件自动生成，并且系统提供简易剪切编辑软件，可对录制好的课件进行剪辑。

    除了进行课堂信息采集，该系统也可以进行在线远程教学，云课堂在线学习，课后学生通过移动终端接入系统，实现在线课件点播，在线直播，可以做到任何时候、任何地点、随时随地在线学习。

    3.3 显示互动系统

    传统的多媒体教室显示呈现技术主要经历了黑板板书、投影机以及触控一体机等阶段，或者几种手段相结合的方式。然而传统模式存在很多问题与不足，黑板板书效率低、缺少互动，传统投影仪的亮度低、维护率高、成本高；触控一体机也存在反光的问题，教室部分区域的学生可能看不清液晶触控屏。而智慧教室显示系统可一键从黑板切换到触摸屏，并通过软件平台能以互动的方式呈现教学内容（如PPT，视频，图片，动画等），丰富的互动模板能把枯燥的教学素材变为交互性好、视觉冲击强的互动教学课程，通过触控黑板的表面进行交互，简单、人性化的交互操作，将人与互动教学内容有机地连接起来，让师生之间产生更多课堂互动。丰富的人机互动方式结合视听上的感官，让教学和学习过程不再枯燥。师生之间更多互动，帮助学生加深对知识的记忆和学习。

    智慧教室互动显示系统可以对接教室中控网络控制功能，通过教师的手写电脑控制，也可通过校园网实现远程控制，为实现教学、学术报告、会议、综合性研讨、演示交流及远程教学、远程会议等功能提供服务[4]。

    3.4 云课堂系统

    智慧教室以硬件为基础，以资源平台为核心。云课堂资源平台是基于云计算技术开发，集课程资源展示、网络教学、学习过程追踪，师生互动、答疑和管理等功能于一体的综合平台，主要包含以下几个功能模块[5]。

    3.4.1 备课系统

    教师通过平台学校可以在线创建课程、设置课程的学分考核机制、设置课程展示模板等，并且可以多名教师协同工作，共同创建课程以及设置学生在线听课、在线阅读、在线提问、在线作业、在线考试、互动讨论等流程。

    3.4.2 资源调用

    云课堂平台可通过备课系统进行课堂授课，教师可在课堂上直接引用备课系统中已经创建好的课程及资源，包含课程章节内容、作业模块、考试模块、资料模块、学生管理等内容。老师在课堂中，可以随时调用平台中事先准备好的内容，实现课前、课中、课后的连贯性。

    云课堂可以实现与老师个人云盘的对接，课堂上，可以随时调用云盘内容，并对常规格式的文档支持在线预览功能，下载过的资源自动缓存到本地，避免大文件反复下载，节省时间。

    老师可以通过多种终端对某一堂课的内容进行提前准备，最终生成本堂课的教案，教案内容包括：文字排版、各种教学互动的控件（如签到、问答、测验、投票、抢答、选人、文件等）。课堂上，可以以教案为大纲进行教学，同时，如果课堂临时发起一些活动，也可以保存成教案形式用于下堂课的重复使用。

    3.4.3 课堂信息采集

    云课堂平台可以和录播系统对接，录制的视频可以直接进入到云平台，并通过与学习平台的对接，上传到学习平台，老师和学生可以方便地地调取、编辑、并成为课程建设的资料、素材。并且云课堂平台可以完整地将课堂测验记录、考勤记录、屏幕录制、課堂笔记、老师、资料和PPT等数据进行采集整理及自动归类，形成一套大数据分析，最终这些数据可以进入学习平台。一方面老师可以对数据分析进行有针对性的授课，另一方面，通过数据分析可以为教学的过程性评价提供依据。

    3.4.4 网络教学

    平台可支持辅助教学、翻转课堂、纯网络教学和网络修学分等教学模式。

    辅助教学模式是指教师可以利用平台上传教学所需的资料，布置作业，批改作业，在线与同学们进行讨论答疑等活动，从而达到辅助教学的作用。翻转课堂模式是将课程学习的过程由线下实体课堂反转到线上网上教学。首先由学生在线上进行自主的课程学习，在实体课堂中老师主要进行讨论与答疑等活动。纯网络教学模式是指所有的教学活动都在网络上进行。使学生可以跨时间，跨地域灵活自主的进行学习。网络修学分模式是在线教学中加入学习流程管理，监控学生学习过程，设置各项学习指标的权重，统计学习成绩，使学生在课程学习合格后可以顺利拿到所通过课程相应的学分。

    4 结语

    智慧教室的建设依赖于多种先进技术的结合，以硬件系统为基础，以资源平台为核心，可以实现实体课堂、线上课堂的多重互动，优秀教学资源的共享。但是对于智慧教室的研究不能只停留在智慧建设层面，而应该进一步研究如何将它的智慧性与多种教学方法、教学策略或者教学模式相结合，最大限度地提高课堂效率和质量，为学生提供个性化的、高质量高水平的学习体验。