【干货】仲子路发详细分析信息化环境中智慧教室的构建

摘要

随着信息技术与教育融合创新发展，以智慧教室为代表的智慧学习环境的设计与应用已得到广泛关注。文章通过对智慧教室概念的研究，阐述了智慧教室区别于以往多媒体教室和网络化教室的主要特征；同时，根据智慧教室的设计思路和注意事项，设计出智慧教室的总体架构。文章认为，结合高校的实际情况，可从硬件环境和软件环境两个方面协同实现智慧教室。

引言

在“互联网+”思维下，高校如何进一步促进教学模式的转变、进一步促进教育信息化的发展，是时代赋予我们将信息技术与教育融合创新发展的机遇。因此，构建学习环境是实现教与学方式变革的基础，智慧学习环境是信息技术发展的必然结果，对教与学有着革命性影响；智慧教室是教室信息化建设的最新形态，是一种典型的智慧学习环境]；构建智慧教室是教育信息化背景下学生对学习环境发展的诉求，是实现教与学方式变革的支撑条件，也成为各学校促进教学发展的新理念、新模式、新趋势。

一 智慧教室的概述

1 传统多媒体教室的弊端

随着多媒体教学规模的不断扩大，多媒体教室越来越普及，虽然对提高教学水平发挥了一定的作用，但早期规划设计的瓶颈在使用、管理和维护方面暴露出的问题也日渐突出，严重影响了正常的教学秩序。传统多媒体教室普遍存在着以下弊端：①建设场地多，需要统一平台集中管理；②设备操作缺乏防护，造成设备损坏；③设备存在被盗的安全隐患；④多媒体教室运行状况得不到及时反馈；⑤多媒体教室缺乏可视化管理；⑥重管理轻服务的模式，难以为师生提供完善的信息服务；⑦缺乏统一的技术标准体系和全面的整体建设规划，不利于可持续发展。

由此可见，传统多媒体教室已不能满足信息化教学的需求。随着智慧地球、智慧城市等概念的提出和相关技术的发展，教室信息化建设应从顶层设计理念出发，着重考虑以人为本、面向服务、信息互通、数据共享，能够及时、准确、高效、随时随地向全校师生提供跨部门管理业务的信息化服务。为此，以信息化、个性化、智能化等为特征的智慧教室孕育而生。

2 智慧教室的概念

国外从2003年开始、国内自2008年之后，研究者就开始对智慧教室从不同角度进行界定和描述，然而他们对智慧教室的概念认识存在的共同点是利用新兴技术构建教与学的环境，促进学习者的学习和相关技能的提高。本文认为智慧教室是基于物联网、云计算、大数据和泛在网络等新兴信息技术，构建一个以互动为核心，提供个性化师生服务、进行智能化管理、实现多元化交互教学的物理环境与虚拟环境相融合的学习环境。

3 智慧教室的特征

区别于以往多媒体教室和网络化教室，智慧教室的主要特征体现在以下几个方面：

（1）教材多媒体化：提供智能和丰富的学习教材，开发学生潜力，并提高学习效果。

（2）资源共享化：建立泛在的学习资源环境，有效拓展学习时空，并且与校内外资源系统无缝整合，实现数据互通、资源共享、个性化推送等，突破传统课堂边界。

（3）教学多样化：提供便捷、自然、友好的人机交互以及高效的信息获取，实现以学生为主体的多种教学模式，从而提高学习、讨论和协作的效率。

（4）学习个性化：提供方便、快捷的学习支助服务和学习分析技术，实现线上和线下、正式学习和非正式学习的结合，为每个学习者提供个性化学习。

（5）活动协作化：学生在课堂上不仅能听、能看，更能与老师和同学进行互动、交流，使学生有更强的参与感，使教学活动更具有协作化，充分调动整个课堂的活跃气氛。

（6）网络泛在化：泛在网络将信息空间与物理空间实现无缝的对接，实现任何时间、任何地点、任何人、任何物都能顺畅地通信，都能通过合适的终端设备与网络进行连接，获得前摄性、个性化的信息服务。

（7）管理智能化：对物理环境和设备状态等信息进行实时采集、捕获、分析和处理，管理人员通过可视化界面查看运行状况和进行管理操作，从而实现教学过程的全方位“实施感知、动态控制和智慧管理”。

（8）环境和谐化：构建智慧教室的目标就是建立一个“坚持以人为本，使教育的各因素相互依存、相互促进、协调合作，形成完美的教学生态，从而促进学生自我激励、自我成长、自我完善”的和谐环境。

二 智慧教室的设计

1 智慧教室的设计思路

智慧教室的构建，总体上遵循“统筹规划、分步实施、统一标准、整合资源、共享信息”的指导思想，一方面保障系统的先进性、可靠性、易用性和可维护性；另一方面保障系统的可扩展性、可伸缩性、可管理性和服务支持能力。

在设计上还应注意以下几点：①从技术设计和空间设计两方面入手，构建一个各构成要素（技术、环境、人、资源和方法等）和谐共存的教与学环境；②根据学校的性质和学科的特点，使智慧教室适用于不同教学应用模式；③与学校现有的一卡通系统、教务系统、教学资源以及校外的资源进行对接，实现信息的互联互通和共享利用；④利用云中心平台，有助于解决教育信息化中普遍存在的“资金难筹措”、“应用难推进”、“共享难实施”等重大问题；⑤将其进行模块化，以便进一步完善智慧教室的功能，并提高教学效果。

2 智慧教室的架构设计

基于对智慧教室的定位、特征和设计思路的探讨，构思出智慧教室的总体架构：在基础硬件设施上，依托云中心平台的支持和保障，建立可视化综合管理平台，打造出一个信息化公共支撑环境，实现课程学习个性化、教学模式多样化、优质资源公开化和设备管理智能化。将智慧教室的总体架构再细化，从低到高分为四个层次，如图1所示。

图1  智慧教室总体架构

（1）基础设施层：为智慧教室提供必要和完善的硬件环境。主要包括：教室基础设施、多媒体教学系统、互动录播系统、视频会议系统、信息发布系统、物联网感知系统、服务器集群和基础网络设施等。

（2）应用支撑层：智慧教室架构的核心层，主要通过云中心平台，整合各种软件系统，促进应用系统的贯通与集成，形成统一数据环境的智能信息平台；负责智慧教室的设备与设备之间，设备与人员之间，人员与资源之间，人员与管理、服务之间的运行控制和分析计算，总控智慧教室的各项应用和服务；将现有的信息数据进行统一管理，为智慧教室提供计算、存储、网络安全等服务，实现信息资源的按需分配；实现智慧教室与学校的教学类系统、教务类系统、一卡通类系统、安防类系统、资源类系统之间的互联互通和信息共享。

（3）综合管理层：依托应用支撑层提供全面的支撑和保障，通过统一门户、统一认证、统一权限管理的可视化综合管理平台，为智慧教室的环境、服务、管理和资源等方面提供全新运行模式，并且具有强大的移植性和伸缩性，可为良好的综合教学信息化提供保障。

（4）综合服务层：不同的用户可以采用台式电脑、平板电脑、智能手机、自助终端等设备，在任何时间、任何地点，通过任何通信方式访问教学资源和处理教学任务，实现良好的交互。

此外，信息标准化体系和信息安全与运行维护体系有利于保障整个智慧教室的建设、运营及管控。

三 智慧教室的实现

为了给全校师生营造一个技术先进、功能全面、使用便捷的智慧学习环境，在华侨大学（下文简称“我校”）两校区各筛选了一批声、光、温等环境因素符合国家标准的教室进行构建智慧教室的试点。实现智慧教室的各项功能还有赖于软、硬件的运用，而且两者相辅相成、缺一不可。因此，将智慧教室环境分为硬件环境和软件环境——硬件环境主要由智慧教室架构中的基础设施层构成，软件环境主要由智慧教室架构中的综合管理层构成。同时，学校已建成的教室控制中心、校园有线无线网和数据中心，为智慧教室的构建提供了如基础平台、泛在网络和云中心平台等强有力的软、硬件支持。

1 硬件环境的实现

首先，从新技术植入和空间布局两方面入手，将各种先进技术（设备自动化控制、多屏显示、无线投影、课堂教学录播、远程互动教学等）和空间布局（分布式空间布局、动态课桌椅组合、多样的色彩调节等）与智慧教室的教室端进行融合；以“注重互动、按需搭配”为准则，根据学科的特点和学生的特征，通过各个设备间的组合和搭配，使智慧教室营造出小组讨论、研究性学习、互动交流、精品课程录制和远程互动教学等多形态交互的教学模式，形成常规和特色相协调的教学体系。

接着，物联网感知系统在智慧教室的使用，不仅实现了本地的智能控制，还为远程的管理和维护提供了硬件支持，如蓝牙适配器实现学生的自动考勤，CO2、温湿度、光照等传感器和控制终端实现环境的智能控制，光照传感器实现投影机灯泡使用时间的记录，特高频标签实现设备的资产管理，Wifi摄像头实现教室的远程监控等。

然后，校园有线无线网的覆盖，使信息空间与物理空间进行无缝对接，实现教师和学生可以在任何时间和地点、通过合适的终端设备与任何人与物顺畅地通信。

最终，将智慧教室的教室端（如图2、图3所示）通过网络接入校园网，完成智慧教室硬件环境的构建。

图2  智慧教室教室端主要设备连接图

图3  智慧教室教室端空间布局

2 软件环境的实现

为了更好地发挥硬件设施的作用，加强教学资源积累，促进教学质量提升，并且为教师、学生和管理者提供多方位的应用和服务，本研究基于数据中心提供的云中心平台作为技术支撑，通过可视化综合管理平台将全新的运行模式注入到智慧教室的环境、服务、管理和资源等要素中，建立统一认证、统一接口、统一权限管理的软件环境，并对可视化综合管理平台进行层次化和模块化的结构设计，将其分为9个系统，如图4所示。

图4  可视化综合管理平台

（1）智能化管理系统

实现对各个教室中多媒体设备、互联教学设备、环境控制设备的网络群控、联动管理和可视化管理，并实现对设备的状态监测、故障预警、故障诊断、资产使用等情况的智能分析，从而达到教学过程的全方位“实施感知、动态控制和智慧管理”，为良好的教学环境提供保障。

（2）云桌面系统

在使用上，不仅实现操作系统的快速加载和数据信息的安全防护，而且还支持教师和学生无论在何时何地都可以使用任何终端设备通过统一的身份账号访问个人的云桌面；在管理上，云桌面支持远程可视化管理和协助，提高计算机管理的能力，节约教室维护的成本。

（3）录播管理系统

利用录播管理系统，不仅能够完成全自动常态化高清视音频的采集和录制，还可以实现课堂教学多画面的轻课件录制功能，可根据我校的自身教学特点展开资源共享、教学评估等工作，将资源、教学结合到一起，达到资源的高效利用。

（4）远程互动教学系统

信息技术手段打破了时空限制，也能充分利用高质量的教育资源，建立区域内的实时互动网络视频教学平台，为开展远程网络教学、教研和培训提供技术支撑，提高教育信息化的应用水平。

（5）教务支持系统

教务支持系统通过云中心平台与学校的教务系统、一卡通系统和身份认证系统的对接，创建一个智慧感知的、自决策化的教务管理和服务信息化体系，实现师生考勤的智慧感知、电子课表智能推送、多维教学评估、教务消息通知发布等教务工作的智能服务。

（6）学习资源系统

学习资源系统主要包括多媒体课件、教学案例、试题试卷、媒体素材和电子文献资料等资源，无论教师、学生还是社会人员，只要在网络环境中，都可以共享这些优质的资源。

（7）数据存储系统

数据存储系统主要用于录播数据、软件服务系统数据、各类人员上传的数据（如学习、讨论、交流等）和基础业务管理数据（如维护管理、监控录像、教务数据等）的存储和管理。

（8）MOOC系统

MOOC系统是通过互联网络拓展的学习场域，学习者可以进行自主学习，教师可以开展翻转课堂教学，同时MOOC系统记录的学习大数据及其分析有助于客观科学地评价教学过程。

（9）教学辅助APP

教学辅助APP满足多系统、多终端、多对象的使用。无论是Windows/Android/IOS等主流操作系统，还是台式电脑、笔记本、平板电脑、智能手机等多种终端设备，均可以方便、快捷地使用。通过APP，教师可以进行测验、互动、观摩和教学备课，学生可以点播、直播、互动和课后复习，管理者可以智能管控和维护，从而实现教、学、管之间的交互服务。

硬件是软件赖以工作的物质基础，软件的正常工作是硬件发挥作用的唯一途径。基于软硬件设施构建的智慧教室，形成以可视化综合管理平台为中心、智慧教室为节点、满足各类人群（教师、学生、管理者、家长和社会）不同业务（教、学、管理和服务）需求的智慧教室环境，以适应当前和未来课堂的教学改革、人才培养计划的发展等需要，如图5所示。

图5  智慧教室环境

四 结束语

仲子路认为信息时代的学习将以智慧学习环境为基本依托，而智慧教室是智慧学习环境的典型代表之一，能够适应人们“任意时间、任意地点、任意方式、任意步调”的学习诉求，形成一个教与学，课前、课中、课后，教室内外，老师、学生、家长、学校多维度的教学应用生态。因此，智慧教室是以信息化引领教育理念和教育模式的创新，可实现信息化服务学习、信息化服务教学和信息化服务教育。

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