智慧教室技术方案设计与实践

2021-12-10刘景唐燕梅

中国教育信息化·高教职教 2021年11期

刘景唐燕梅

摘要：智慧教室作为信息技术与教育教学深度融合的典型形态引起了广泛关注，有别于多媒体教室，其显著特点是以校园网、互联网为基础通过多种信息技术手段，优化教育教学过程，丰富课堂教学组织形式，拓宽师生课上课下的沟通与互动途径，改善教学评价方式，践行“以学生为中心”的教育发展理念。文章对方案设计的整体过程进行了回顾，对学校多媒体教室支撑教学的现状进行了分析，结合学校实际情况给出智慧教室建设的思路、总体技术框架和子系统建设方案。

关键词：智慧教室;专有网络;共建共享

中图分类号：G434;G642 文献标志码：B 文章编号：1673-8454（2021）21-0067-06

一、引言

西南交通大学智慧教室一期建设始于2019年7月，经过前期调研、现状分析、方案设计等工作，于2020年12月完成本期建设工作，本文对方案设计的整体过程进行了回顾，对学校多媒体教室支撑教学的现状进行了分析，结合学校实际情况给出智慧教室建设的思路、总体技术框架和子系统建设方案。

二、现状分析

受限于常规的桌椅布局，多媒體教室在课程教学开展过程中缺少对启发式教学、参与式教学、协作式教学等模式的有效支撑。

1.对教学模式的支撑不足

高校教育信息化从管理信息化转向教学信息化，服务于教学、创新教学模式支撑成为新的建设重点。当前传统的多媒体教室，设备仅具备基本的上课条件，缺少对教学改革的有效支撑，课堂学生参与度低，缺少有效的教学工具来提升教学效率和教学效果。

2.学生自主学习的积极性不高

学生自己没有一个综合学情分析、课前预习、课后巩固复习与作业、课堂资料记录备查、微课及资源库的个人学习空间。自主学习缺乏积极性。

3.教学评价和督导的效率偏低

学校还在采用“推门课”这种传统的听评课形式，需要教学质量监督组成员亲临教室现场进行听课、评课，对教师的授课心理和学生的听课情绪有影响，授课过程也缺乏记录途径和反馈。

4.新型教学模式存在支撑问题

多媒体教室建设的核心出发点更多的是考虑教学环境中的设备，而不是以支撑新型教学模式为出发点进行设计，因此教室功能不能有效满足教学模式的需求。

5.多媒体设备操作复杂

目前这些信息化教学的工具集成度低，各自独立，缺乏互操作性;而且操作复杂，多数教师很难全部熟练掌握，甚至上课时还需专人辅助完成设备操作，教师被这些新技术所淹没，不但没有增强教师能力使其教学更轻松，而且消耗不少教师的精力，不能专注于教学。

6.教学环境可靠性不足

传统多媒体教室设备多，连接复杂，易感染病毒，可维护性低，直接影响教学工作;授课教师自带笔记本等设备进行教学工作，不熟悉教室线路连接或是设备兼容问题，导致教学效率低，影响授课效果，课前准备的教学素材无法有效展示;同时，传统多媒体教室教师被讲台绑定，活动范围受限，不利于师生互动。

综上所述，智慧教室的建设应结合智慧校园基础环境，以互联网、物联网为载体，为全校师生提供“教”与“学”创新的手段和环境，支持创新，引领创新，关注师生感受，让学生成为教学活动的主体，让数据成为教学管理的载体。

三、智慧教室建设思路和目标

1.顶层规划、分步建设

智慧教室的建设是一项系统工程，不仅仅是实现多媒体教室2.0，还要结合教学需求、课程内容、师生心理，体现教学方法的创新，坚持整体规划、分步实施、不同子系统协调发展，从而有序推进智慧教室的建设。

2.更新理念、创新模式

教学目的是培养学生解决问题的能力和创新精神，实现信息技术和教育教学的深度融合，营造匹配和适应新型教学模式的整体学习环境，使课堂真正从以“教”为中心转变为以“学”为中心，让课堂更有趣、教学更有效、教室更简单。[1]

3.分类设计、全面支撑

结合学习空间设计原则，为师生提供配套的学习环境。支持学生彼此协作、便捷接入网络、营造更真实的学习环境，同时尊重学生的个性化需求，推动自适应和个性化学习，全面支撑教学活动和教学策略。[2]

4.兼容开放、融合统一

以统一标准、统一平台的形式，集多媒体设备管理、常态化录播、教学管理、物联感知等多款应用于一体，建设综合教学服务平台。充分考虑原有校园应用系统的利旧性原则，并坚持开放性原则，兼容第三方应用，开放后期扩展功能。为师生构建协作、互动、物联的开放教学应用平台，采集教与学过程数据，全面支撑大规模常态化教学活动。通过建设教学综合服务中心，全面提升高校的教学变革水平，及教学管理、监督评价、决策支持等服务水平，切实提升教育教学的现代化水平。[3]

5.稳定可靠、简单易用

智慧教室的物理空间集成了多媒体设备、常态化录播设备、物联感知设备、教学系统等，其稳定、可靠、安全运行，是全面支撑教学活动的基础保障。集成的设备与功能众多，要简化操作，做到简单易用，具备良好的互操作性。通过简单易用的平台来增强教与学的能力，使教师的教学更轻松，简化师生沟通。

综上所述，智慧教室的建设不能一蹴而就，需要循序渐进，“搭架子，扩内容”，本期智慧教室的建设目标有以下方面：一是建设完善的信息化支撑环境，实现对教师授课过程、学生学习过程的数字化支持;二是构建支持不同教学系统、应用软硬件运行的环境，适应多种教学活动的开展;三是营造适应两地三校区课程讲授、师生互动、板书录制、资源分享等跨校区教学需要的基础环境;四是实现教师一键上课、课表自动计划、学生点到考勤、在线巡课评课等智慧化教学管理;五是实现教室内各类教学设备设施的统一管理和控制，支持教室空间的可视化管理。

四、智慧教室总体架构设计

西南交通大学智慧教室拓展了物理教室的时间、空间、受众、功能和内容，构建以学习者为中心的学习空间，服务于教师、学生和教学，如图1所示。

1.基础设施层

基础设施层为智慧教室学习空间提供硬件功能实现和软件平台运行的环境，包括教室内的有线网络、无线网络、与校园网连接的网络、设备管理网络、显示控制设备、教学讲台，教学管理、课堂互动软件，以及录播系统需要的计算、存储资源等。[4]

2.支撑平台层

支撑平台层为智慧教室教学平台、互动平台、教学管理与服务提供支撑，包括数据交换、数据处理、数据服务、支撑平台和统一接口等功能单元。[5]

3.应用平台层

应用平台层是在支撑平台层的基础上构建智慧教室的环境、资源、管理和服务等应用，包括智慧教学应用、智慧教学资源、智慧教室环境感知、智慧教室运管维服务四大部分。

4.应用终端

通过智慧教室统一的信息门户，不同角色的用户可以随时随地访问平台服务和资源。[6]

5.信息安全体系

基于網络环境智慧教室涉及多个软硬件设备系统，因此按照不低于《信息安全技术网络安全等级保护定级指南》规定的二级要求进行设计，贯穿智慧教室总体框架多个层面，包括物理安全、网络安全、主机安全、应用安全和数据安全。[7]

五、建设内容

1.智慧教室教学功能

（1）讲台子系统

兼顾传统授课模式，每间教室都会配置讲台子系统，它是在常规电教及计算机设备基础上发展起来的，兼具教学、学术报告、会议、综合性研讨、演示交流等功能。它整合了目前大多数电子化产品的常见功能，全面支持windows下的各种文件格式，方便教师在智慧教室环境开展经典授课模式。通过云端资源空间和目录服务，教师可使用自己的账号访问课程相关的课件、多媒体文件，轻松实现生动的演示效果。

（2）分组子系统

分组子系统用于分组教学环境，每间教室设计容纳人数24～36人，使用分组桌椅布局，一般分为4～6组，每组6～8人，每组配置多媒体显示大屏及投屏终端设备。如图2所示，分组子系统主要用于研讨型教室空间，主要包括中央视觉区、小组信息岛、移动讲台和可书写墙面等。

分组子系统支持多屏互动式的学习空间。满足有用且易用原则，采用固定小组信息岛，即来即用。实现教师与小组间、小组与小组间的信息分享，允许学生自带设备参与课堂及小组内、组间的内容展示。同时支持TBL（小组合作学习）、PBL（基于问题或项目的学习）。依托于互动教学模式的屏幕调度系统，可将教师、学生小组的内容凝聚在一起，支持简单、灵活的共享模式。[8]

分组子系统的出现改变了传统集中授课模式，强调教与学、师与生、生与生之间的互动式教学，提供灵活方便的交流环境，适用于基于项目式学习、基于问题教学及分组互动教学等。[9]该类型教室专注于协作或探究型课堂，如研究生小班课堂。

（3）录播子系统

智慧教室提供录播功能，分为常态化录播和精品录播。常态化录播以方便制作教学资源、方便教师自行操作录制课程视频为目标，通过在教室空间部署录播子系统，授课教师可以自行控制录播过程，在开展课程教学的同时就可以完成视频录制，教师根据需要可以进行后期编辑。常态化录播系统如图3所示。

在满足高清画面录播的同时还可以部署4K录播系统，实现名师教学录制与直播、名师教学资源共享、跨校区教学合作/学术交流等应用，如图4所示。

（4）跨校区互动子系统

跨校区的互动子系统是以“云+端”的方式连接多个校区，任何互动录播课室均可快速发起互动教学、研讨活动。[10]“云”是指借助嵌入式的云主机，构建云互动资源池，对所有互动教室音视频交互系统实现信息注册、管控、互动联通等应用。“端”是指上课教室端部署的互动型录播系统，既支持本地课程实时录制，也支持与互动云实现联通，灵活组建互动课堂。依托跨多个校区的专线网络，可以实现校区间的互动视频教学，适用于教学资源共享、多校区教学互动、跨区域视频培训等场景。跨校区互动子系统如图5所示。

2.教学平台

智慧教学互动系统主要围绕“课前——课中——课后”三个教学场景进行开发设计，包含师生实时互动、教学全周期数据分析等功能，平台采用“云+校+端”架构模式，包括云端系统平台、教学互动系统和移动App应用系统。智慧教学互动系统主要实现教师教学、学生学习、教务管理、教师课程课件管理和教学活动评价的全程智慧化。云端教学平台是智慧教学系统平台核心应用系统之一，通过与智能化教室、移动App应用、微信小程序相配合运用，使线上线下高效融合，实现课堂内外的师生互动、教师课前备课、学生课前预习、课前课后作业发布、通知管理、网上课堂等。

教学云端平台可以作为私有云方式，部署至校内本地服务器，部署架构如图6所示。

按照学院、专业、课程的不同，教师、教学管理人员可以获取不同的学情数据，基于这些数据搭建评测模型，进行大数据分析，形成面向不同维度、不同角色的学情报告，如图7所示。

3.智慧教室空间环境

智慧教室空间环境是指除了与教学相关的软件、硬件功能之外的教室环境，包括了电子班牌子系统、门禁与考勤子系统、音频扩音及对讲子系统、监控视频子系统、教室环境控制子系统。

（1）电子班牌子系统，安装在每间教室的入口处，用于显示学期课表信息、当前课堂授课信息、通知公告等内容，由后台进行内容管理和发布，课程、通知、新闻等信息来自于相关系统数据，电子班牌自身不产生数据。

（2）门禁与考勤子系统，安装在每间教室的入口处，用于教室门开闭管理和学生考勤。

（3）音频扩音及对讲子系统，每间教室内均安装有音频采集和播放装置，对讲子系统用于解决教室和总控室之间语音沟通，协助授课教室进行设备的操作。

（4）监控视频子系统，每间教室均安装有一台360度全視角云台视频摄像头，可以实现对教室内活动的实时监控和指挥。

（5）教室环境控制子系统，实现对教室内物联网设备（包括灯光、窗帘、空调、新风系统等）的统一管理，提供远程信息推送和告警等与智慧教室场景相关的应用，如图8所示。

4.智慧教室运行保障系统

智慧教室涉及数十种设备的集成建设，在运行保障方面完全依赖于人工是不现实的，因此在设计时就要考虑以后的运行维护工作。通过建设运管维系统实现设备运行状态监测、开关机控制、远程故障报修、配置进度查询、处理结果等操作，实现管理人员、操作过程（相应的管理制度和事件处理流程）和技术三者的融合。主要功能模块包括以下方面。

（1）设备状态查询

系统界面通过形象化的图标或图标的颜色，将每个教室对应的设备工作状态集中反映出来，管理员看到所要了解教室号的图标，就能了解到该教室多媒体设备当前的工作状态。在设备出现异常情况时，系统可以自动提示，生成预警信息，上传到平台，如图9所示。

（2）设备控制

系统支持对单个教室的设备控制，也支持对多个或全部设备的集中控制，支持按校区、教学楼、楼层等分组控制，支持自定义选择目标教室控制，如图10所示。

（3）电子课表

用户可自定义课表中课节、上课时间、下课时间和课节数量，根据本校的实际情况设置，设置后即生成与自身对应的课表，从而实现运管维系统无人值守自动管理。电子课表的无人值守管控方式主要有两种：一是按课表定时自动解锁或自动开启教室设备的方式;二是按课表和校园一卡通刷/插卡一对一严格对应，以达到精准控制。

（4）教室管制

为了更有效地进行管控，系统提供了教室管控功能，在非上课时段，如假期、节假日、考试等，可以禁用教室设备，在禁用的情况下被禁用的教室设备取消了使用权限，处于禁用状态，在教室端，无法打开设备，有效防止了设备滥用的情况。教室管制可以自由选择，可以是单个教室，也可以是一组教室，还可以是全部教室，应用灵活方便。

（5）事件预警

实时监测系统设备的运行状态，并实时采集数据信息，在系统中若侦测到异常信息，立即发出警告提示信息，如投影机故障、灯泡使用超时、麦克风电量不足、电脑启动异常等。

（6）课堂转播

系统支持实时和定时两种方式的课堂转播，该功能可以实现课堂观摩、网络听课、评估、上大课等应用。

（7）IC卡管理

教师通过自己的校园卡在教室端直接认证解锁应用。运管维系统中的IC卡管理功能可以与校园一卡通系统对接，直接获取一卡通数据，实现教师身份认证，实时对接，数据完全同步，丢卡、换卡等工作后台自动处理，无需人工干预。

（8）录播管理

进行录播实时状态监测，支持以区域真实电子地图形式展示各校区的录播在线状态和运行数据。电子地图分多级管理，支持逐级点击各级地图模块进入模式，并观看对应的数据。

（9）环境控制管理

该功能对接物联网智慧环境控制子系统，实现对教室内物联网设备的统一管理，提供智能联动策略、远程信息推送和告警等与智慧教室场景相关的应用。

（10）备件管理

备件管理功能模块具备备件分类、备件申购与入库、备件领用与出库、备件安装维修以及备件消耗统计等多个功能，能满足日常使用。[11]

5.智慧教室基础网络环境

为更好地保障智慧教室教学活动的开展，智慧教室考虑采用独立组网方式，各校区的智慧教室独立组网，通过连接校区的校园主干网互联互通，从而形成一张西南交大的智慧教室独立网络，如图11所示。

在各校区每间教室部署相应的高密AP，承载学生、设备数据在教室内的互动数据传输，AP接入教室的交换机通过千兆网与控制室的核心交换机互联互通。

本次设计三个校区的智慧教室专网自成一个局域网，各校区的业务vlan终结于出口防火墙设备，三个校区互联设计采用三层路由进行互访。智慧教室物联网通过教室端的物联网关连接教室的网络交换机，完成L2到L3的转换，与智慧教室网络融为一体，如图12所示。每个校区设计部署一台高性能防火墙与犀浦校区核心交换设备互联，隔离智慧教室网外部网络（即校园网）的非法访问。

六、结语

根据智慧教室技术方案总体框架，我校开展了一期建设，完成了智慧教室内、外，物理空间与网络空间相关软件和硬件系统的建设，实现了既定的目标。

参考文献：

[1]王会燕.“同步课堂”教学环境支持与教学适应性研究——以讲授课为例[D].武汉：华中师范大学，2015.

[2]学习空间的建设要综合考虑技术的最新发展和学生的个性化学习需求[EB/OL].http：//blog.sina.com.cn/s/blog_c3ed52710101 azb5.html.

[3]物联网技术应用——智慧校园第1章概述-原创力文档[EB/OL].https：//max.book118.com/html/2020/0525/6124100105002203.shtm.

[4]智慧校园管理平台-涵谦亿网络技术公司-开发教育应用软件-教育[EB/OL].https：//www.erp8.org/news/208.html.

[5]联奕资讯[EB/OL].http：//www.ly-sky.com/cms/schd/47.jhtml.

[6]高校教育信息化实践者[EB/OL].http：//www.bangtech.com.cn/SC.html.

[7]智慧教室建设指南[EB/OL].https：//xw.qq.com/cmsid/20201119A0HOQ100.

[8]RG-GTS-S多屏调度系统|多屏互动系统-教学互动系统-锐捷网络[EB/OL].http：//www.ruijie.com.cn/cp/zhjs-jxhd/gtss/.

[9]吴平颐.研讨型课堂的设计与应用[D].上海：华东师范大学，2011.