张国才
(山西经济管理干部学院电子信息工程系，山西 太原030024)
以云计算、物联网、大数据、人工智能为代表的信息技术革命，正改变着教育信息化发展模式。2019年2月，中共中央、国务院印发《中国教育现代化2035》，将加快信息化时代教育变革作为教育现代化的战略任务，要求建设智能化校园，统筹建设一体化智能化教学、管理与服务平台。智慧教室的建设是高校信息化建设中非常重要的一个环节[1]。
信息化教学以智慧教室为载体，是信息化教学的基础环境支撑，提供包括：多媒体教学、智能中控、在线巡课、精品录播、远程互动、分组教学、平台集中管控、人脸考勤、学情分析等多种教学业务应用。智慧教室的空间布局转变灵活，整个教学环境舒适便捷，更加便于开展信息化教学活动。
智慧教室建设采用一体化设计，自下而上由基础设施到数据，再到业务，最后到大数据分析的理念，设计逻辑架构为智慧教学环境、智慧教学模式、智慧教学分析评估等，如图1所示。
图1 智慧教室逻辑架构
1.1 智慧教学环境
根据高校信息化投入的不同，智慧教学环境可以分为标准智慧教室和研讨型智慧教室。其中：标准智慧教室满足高校对原有教室进行低成本改造升级，通过配备基础的多媒体教学设备和接入教室已有多媒体设备，批量化实现了多媒体教室的升级建设，帮助高校快速提升教室信息化水平。而研讨型智慧教室注重教学业务和管理业务一体化，实现多业务一站式的智慧教学应用，支持教学设备控制、环境设备控制、环境状态感知、智慧投屏同步服务、跨屏教学互动、教学数据采集、教学状态感知等。强调空间的可重构性与延展性，为情境式、探究式、讨论式、翻转式课堂教学提供支持，加强师生之间的互动，激发学生学习的兴趣。
1.2 智慧教学模式
根据不同的教学需求，打造贯穿课前、课中、课后教学环节的应用平台。通过教学实时数据采集、教学互动应用、教学数据分析反馈等，为课堂教学提供应用服务和数据支持。基于多维度教学环境的构建，智慧教室支持课堂互动教学和在线课程平台，满足混合式教学、翻转课堂、在线自学等不同课程模式的信息化教学应用。
1.3 智慧教学评估
通过智慧教室中教学活动产生的数据，智慧教学评估提供教学分析图表和实时预警信息，实时、直观、准确的了解课堂教学的运行情况，为后续教学决策提供数据支持。
采用“云+端”部署架构，如图2。通过本地云部署，有效保证教学业务的文档和数据安全，同时可实现和校方相关业务系统的对接，更好的实现了对教学、管理业务的有效支撑。
图2 智慧教室网络架构
智慧教室采用模块化部署架构思路，使用All in one一体化进行整合，将整个系统的复杂逻辑，简洁的划分归纳为核心一体机+教室一体机。其中核心一体机部署在学校机房，内部为可插拔卡结构，业务系统运行在独立引擎卡上，后续还可扩容存储、增加弹性计算等[2]。而教室一体机部署在教室内，每间教室部署一个独立的教室一体机。
教室一体机是整个智慧教室的核心，支撑应用了包含互动教学应用、视频录播分析、网络交换处理三大模块。面向不同的教室建设形态，可实现教室一体机灵活组合中控、物联、嵌入式常态监控录播/多机位或4K抠像常态录播/多机位精品录播等不同业务模块和系统，满足不同的方案建设需要和扩展需求。
主要部署组合为业务服务器/核心一体机+多个教室一体机方式，学校构建服务器平台后，针对若干教室进行智慧教室升级或新建，只需在教室内部署教室一体机，从而实现智慧教室的分期建设，无障碍升级扩容。
3.1 标准智慧教室的硬件组成
由“服务器+教室一体机+教学设备+常态录播系统(可选)+智课堂教学软件+智能中控(可选)”组成，如图3。此场景适合常态化多媒体教室的低成本升级，打造一个简便易用的信息化教学环境。
教室一体机将课堂互动、网络数据分析、录播及视频业务处理等技术有机融合，此类标准智慧教室可以实现以较低的建设投入，批量规模化的实现智慧教室、智慧教学业务的建设。
图3 标准智慧教室硬件架构
3.2 研讨型智慧教室的硬件组成
“服务器+教室一体机+智课堂教学系统+物联系统+精品或常态录播系统+交互主屏及副屏+智慧拼合桌椅+教学空间设计”组成，如图4。为课堂教学营造一个适合教学、体验友好的智能化教学空间。
在设备管理应用层面，通过智慧物联技术的软硬件支持，实时反馈教室设施的运行状态，可远程、批量、场景化控制，为教学管理提供智能化的应用服务。
另一方面，研讨型智慧教室的建设优势在于可结合不同高校专业特性，学科教学需求以及不同阶段信息化建设配套的设备、技术一体化构建。能够满足不同院系专业教学的特性和专项建设需要，建设具有教学应用针对性的教室，如：远程互动教室、移动教学实训室、多屏教学课室等。可选择基于智慧黑板、教学互动屏设备、门禁、智慧班牌、远程对讲系统、增强虚拟现实产品、拾音扩音等附属硬件系统，辅以互动教学软件、多屏协作软件，教师APP、无线互联工具等实现多媒体互动教学、分组教学、课堂项目实践等教学场景应用。通过完整的智慧环境构建，更好提升了课堂互动性、学生参与感、丰富教学实践的形式、提高教学效果和教学体验。
图4 研讨型智慧教室硬件架构
4.1 智慧教学系统平台
智慧教学系统平台应包括在线学习平台、课堂互动教学平台、课程管理平台、移动学习平台。通过课前、课中、课后的教学活动场景梳理，制定教学环节和流程。通过教学过程数据分析，为教师及教学管理人员教学决策提供依据。支持跨终端接入的在线课程学习，满足在线课程的教学管理和应用。实时统计了解在线教学的相关数据，为教学改进和调整提供完整的数据支持[3]。
4.1.1 课前
教师可以轻松通过计算机或智能平板进行课程创建和课前备课，可以嵌入课件、音频、视频、电子教材、试题等资源。学生在课前进行有引导的预习和了解学习课程资源，提升课堂学习效率。
4.1.2 课中
教师可以进行一键上课、一键录播、一键下课，主持与指导学生进行探究式小组教学活动。选择一位学生进行示范，学生可以用智能平板等设备讲解，讲解的同时，可以实时同步到互动大屏及学生和教师的智能设备上，达到教学过程可视化。教师能够第一时间感知学生对课程内容的理解程度，对问题回答及讨论的情况，通过这些数据反馈，实时调整教学进度和方式。
4.1.3 课后
平台提供课堂教学数据分析，有针对性的进行教学反思，改善教学环节。教师能够针对课堂数据进行精细化分析，通过对出勤率、课件理解情况、知识点掌握情况以及课堂评价等维度的分析，有针对性的改善教学环节。另外，系统给学生提供在线学习数据分析，帮助学生更好的改进学习情况。
4.2 教学数据分析平台
教学数据分析平台进行教学质量分析、课堂行为和学习活跃度分析，通过教学活动获取实时数据，即时全面的了解教学质量情况。
4.2.1 教学质量分析
教学过程中同时采集线上和线下的数据，通过各项的教学指标和灵活的权重定义，为高校提供不同组合教学数据统计分析。让教学管理更直观、生动、及时的了解教学活动运行状态，快速精准的定位教学活动的问题所在。通过院系横向对比，快速了解全校院系的教学质量变化情况，针对院系教学的管理将更明确，通过具体指标项的得分比对，有效比对教学环节中存在的不足，引导教学活动平衡发展，更好的保证教学质量[4]。
4.2.2 课堂行为和学习活跃度分析
依靠人脸分析技术，通过采集教室内的上课画面，实时分析学生的上课状态，包括积极学习、正常听讲、消极厌烦等，并能帮助评估学生对课程内容的兴趣程度。通过跟踪学生在线上、线下的学习行为轨迹，分析学生的学习活跃指数变化，考虑学生在不同阶段的学习活跃度情况，使学生的学习状态被量化呈现。
4.3 教学督导评教系统
教学督导评教系统提供覆盖课程督导、质量评价等多方位的课程教学过程督导、回顾，满足教学质量督导管理业务开展的应用需求。
4.3.1 远程教学督导
课堂教学过程的教学内容(教学资料、互动过程等)、教学环境(现场音视频画面)、教学状态(到课率、情绪指数、抬头率等)均可被系统捕捉并实时呈现，通过多维的课堂信息，快速定位问题课堂，有针对性的开展远程课堂教学督导和教学评价。通过平台完成的相关教学过程和内容可被完整记录，支持督导教学回顾和记录分析，完整实现课堂教学的回顾和评教。
4.3.2 课程建设分析
结合课程建设目标，通过分析课程教学数据，对课程建设任务的完成进度和质量、授课计划的运行状况进行诊断，及时发现问题并进行预警。
4.3.3 多元化评价
基于平台的教学过程数据采集记录，通过多元化评价业务的评价指标定义、评价规则设定，满足教学管理过程中对课程教学质量的多维分析。满足了对学生课堂教学的综合评分设计和成绩管理。
智慧教室是高校信息化建设的的重要部分，智慧教室的合理建设能够促进高校改善教学环境，促进三教改革、提升教学成效，利用新一代信息技术培养出适应时代需要的高素质技能人才。
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