智慧教室建设开放性研究
2021-10-20宋平平孙晓雷
宋平平，王 钧，孙晓雷
(1.芜湖职业技术学院 教学督导与质量监检处，安徽 芜湖 241003；2.芜湖职业技术学院 信息化建设与管理处，安徽 芜湖 241003；3.芜湖职业技术学院，安徽 芜湖 241003)
0 机遇、问题与挑战
在互联网技术充分发展的信息时代，智慧教室应是一种“能优化教学内容呈现、便利学习资源获取、促进课堂交互开展、达成数据采集分析、高度智能化的新型教室”[1]。智慧教室建设是一个复杂的系统工程，在学校需多部门协同，包括教学管理部门、二级学院、基础建设部门、信息化建设部门、教育技术部门等。从参与的厂家公司角度看，因为学校需求模糊不一，公司投入方向与推进战略有太多的不确定性，蜂拥而上、贪大求全都会给未来埋下风险；如何在复杂的智慧教室系统中实现共建共享，亟需达成共识。
智慧教室建设顶层设计需坚持开放性、系统性、体验性以及扩展性，纳入智慧校园大平台设计与数据服务体系，应包含教学大平台设计建设，并植入“互联网+”思维，在有效的服务过程中生成各类数据。师生的认证和教学过程数据都应依托并融入学校数据中心，同时尊重互联网时代的学习规律。全网资源的共享性，学习平台的开放性、扩展性都提出了云服务的要求，在这个大趋势背景下，理清并解决云校接口问题，构建可持续发展系统架构。下面主要从开放性方面研究解决各类问题。
1 智慧教室与智慧校园
黄荣怀等认为，智慧校园具有环境全面感知、网络无缝互通、海量数据支撑、开放学习环境、师生个性化服务等特征[2]。智慧校园在为师生提供各类服务的过程中，自动生成数据，支持教学过程分析、评价和学校治理决策。甘容辉等研究国外智慧校园建设最新进展时，观察到斯坦福大学正致力于建设决策科学、可持续发展、基于大数据分析的智慧校园[3]。综合以上观点，智慧校园的核心是服务、数据和分析，智慧教室作为智慧校园的一部分，与学校其它信息化业务系统一样，其设计、建设、管理需纳入智慧校园数据服务统一框架内，实现统一认证、数据集成、数据共享、数据服务，通过开放的接口、统一的数据标准以及多维度数据服务体现智慧教室系统的开放性、兼容性，促进智慧教室建设步入快速、规范发展阶段。智慧校园开放性数据服务框架图如图1所示。
2 智慧教室系统的开放性
2.1 系统组成
聂风华等构建了智慧教室系统“iSMART“模型，他们提出智慧教室系统由基础设施、网络感知、 可视管理、 增强现实、 实时记录和泛在技术六大子系统组成。[4]从实际应用系统建设角度看，智慧教室系统包括教学平台、显示系统(含黑板、多屏调度)、中控系统、录播系统、音频系统、环控系统、身份门禁系统、人脸识别系统、用电管理系统等子系统以及环境改造项目。智慧教室主要系统(设备)拓扑图如图2所示。通过子系统连接功能设计和统一的集成要求与标准，达成各子系统主流厂家的兼容与系统功能的有效衔接，实现系统建设、扩展的开放性。从单个子系统角度看，很多子系统功能已非常成熟，问题主要在数据集成、功能边界的设计以及新技术、新产品的融合，下面就当前主要困扰问题研究探讨。
图1智慧校园开放性数据服务框架图
图2 智慧教室主要系统(设备)拓扑图
2.2 功能设计
从学校管理和教师使用需求两个角度实现教室和设备的精准管理，只需通过一卡通刷卡认证，便可实现对场地和设备的授权控制，通过与一卡通系统和教务系统的数据同步，实现教室使用按课表信息精准提供。
智能控制中心是智慧教室中的核心设备，需支持设备管控、电源管理、音视频管理等功能，并通过管理平台展现全部教室的设备情况，包括设备类型、使用状态、故障告警、报表统计等内容，并能实现远程控制。
教学平台与录播系统需有效衔接，教学平台在工具栏中添加开启录播功能，需支持通过接口控制的形式自定义推流地址，实现录播的视频与课程绑定，课程结束，录播自动结束。通过调用接口获取地址和token，录播和直播的视频可传输到第三方视频云服务商或本地存储，课后，录播视频显示在学生的听课列表里，学生可回放观看。
黑板作为传统的教学媒介在教学中仍有不可替代的作用，将黑板数字化、智能化是智慧教室建设的重要内容。板书内容同步实时数据化，实时传输到教学平台，同时可以通过投影、显示屏、手机微信、网页等载体获得黑板书写内容。板书内容可以融入到PPT教学过程中，实现课堂中重要的两个元素(PPT与板书)以及老师电脑屏幕等同步展示、留存、回看。
教师授课过程中需实现包含黑板、教师屏、小组屏、学生终端屏(电脑、手机、平板)的多屏互联，达成即思、即写、即显示的体验，教师和学生设备可主动发起连接，支持全局广播投屏和多终端投屏，高效分享信息，远程教学的屏幕分享功能可通过教学平台的模拟全场景视频功能模块实现。
学校管理人员通过统一认证并授权后，可访问录播子系统，实时查看各教室授课情况，并可进行多角度巡视(教师、学生、黑板等)，通过每间教室画面轮循，掌控全校课堂情况，实现在线巡课、督导。完全线上教学场景下，在线巡课、督导功能可在教学平台中设计实现。
2.3 集成
2.3.1 集成要求
智慧教室子系统众多，统一的集成标准与规范至关重要；集成包括身份、门户和数据三方面内容，集成后各子系统的WEB访问将经由智慧校园网上服务大厅CAS方式实现单点登录。各子系统需从学校数据中心人员信息中间表中读取出用户信息，并将用户信息转换成自身的用户信息和用户角色信息格式数据，在校验完数据正确性后保存到子系统数据库中。各子系统从学校数据中心课程信息中间表中查询出课程数据，并将课程数据转化为自身的课程信息格式数据，然后更新本子系统中已存在的课程数据。
教学基本信息需实现同步共享，包括教学班、学生、教师、教室、课程、课表等数据。数据流向为教务排课完成后从教务系统同步至主数据平台，再通过数据交换平台同步至各子系统；各子系统将运行过程中产生的数据通过ETL工具定时同步至主数据平台。对于不方便开放的第三方数据库，在主数据平台开放API接口，采用web Service数据服务共享方式直接调用，满足按需、实时访问的需求。
2.3.2 集成实现
各子系统数据的集成实现可按照统一标准，由各业务系统中间表作为集成数据的数据源，通过ODI实现对数据加载与集成，并按照规定的执行频率实现数据的自动抽取、转化以及写入。 加载数据与集成数据主要代码如下。
加载数据：
drop table <%=snpRef.getTable("L","COLL_NAME","A")%>
create table <%=snpRef.getTable("L","COLL_NAME","A")%>
insert into <%=snpRef.getTable("L","COLL_NAME","A")%>
drop table <%=snpRef.getTable("L","COLL_NAME","A")%>
集成数据：
create table <%=snpRef.getTable("L","TARG_NAME","A")%>
drop table <%=snpRef.getTable("L","INT_NAME","A")%>
create table <%=snpRef.getTable("L","INT_NAME","A")%>
truncate table <%=snpRef.getTable("L","TARG_NAME","A")%>
delete from <%=snpRef.getTable("L","TARG_NAME","A")%>
insert into<%=snpRef.getTable("L","INT_NAME","A")%>
update<%=snpRef.getTable("L","INT_NAME","A")%>
update<%=snpRef.getTable("L","TARG_NAME","A")%>
drop table <%=snpRef.getTable("L","INT_NAME","A")%>
2.4 教学平台的开放性
教学平台的开放性应当从平台服务架构、第三方厂家服务和资源互联、功能模块设计三方面实现。
服务教学全过程且能有效衔接上下游服务、基于B2B2C的云教学平台服务架构应是面向未来的选择。学校部署私有云节点与教学云平台对接，实现教学大数据的本地化存储、管理、应用和数据对接，达成公有云与私有云之间的教学大数据的实时或准实时同步，满足本地化检索、管理、分析、展示并集成到学校数据中心。云教学平台需从学校端同步各类基础数据，包括师生基本信息、院系、专业班级、课程、课表等基本数据，实现线上课堂与线下课堂的规范统一。教学平台开放服务框架图如图3所示。
图3 教学平台开放服务框架图
黄荣怀等认为教育教学要回答好“学什么”“在哪学”“怎么学”“学怎样”等基本学习问题。[5]教学平台须在功能设计上开放性地回答好、解决好这些问题。教学平台包括教务处理、资源管理、教学管理、数据分析、评教评学等模块，教师教学功能主要围绕”课前—课中—课后“三个场景，实现教学全周期数据分析，达成大数据时代智慧教学。当前教学平台应用已进入井喷爆发期，但其设计建设仍需从功能系统性、体验友好性、模型科学性等方面持续优化。
基于以上视角， 平台需采用松耦合的模块设计，支持用户多元化需求，并能根据需求实现第三方服务的调用，通过开放的接口、主流厂家合作共赢实现可持续发展，达成学校、师生可持续使用价值的最大化。
3 结语
基于以上分析，智慧教室建设的开放性体现在四个方面。一是智慧教室系统应融入智慧校园大平台，基础数据来自统一平台，生成数据存储于数据中心；二是智慧教室系统应有开放的框架、总线与接口，并可根据用户订制需求，可增可减，体现弹性设计；三是智慧教室系统在对不同厂家产品应有良好的兼容性，应建立统一接口、数据标准；四是教学平台、黑板、中控、录播、环控等智慧教室子系统的数据应在合理的策略下，实现最大程度的开放共享，最终实现高校智慧教室建设可预期、可掌控、可持续快速发展，系统不断完善，数据项不断拓展优化，通过数据服务与分析为师生创造价值，为学校现代化治理提供支撑。
