关于高职院校智慧教室系统构建的探究

么家欣

(天津市和平区新华职工大学，天津 300070)

近年来随着国家对职业教育领域的投入与注重不断加大，优秀人才引入的同时，趋于成熟的教学理念，多样性的教学方式也逐步走进了学生日常的学习中。支撑这些的将是对教育环境上的不断提升，这其中包括软件和硬件，我们通常注重应用的软件往往是基于硬件的基础。针对学校自身的环境及条件，基于高职学生的特点，合理配置构建符合高职院校特色的教学环境----智慧教室，是一名合格的实验室教师的职责。

一、高职院校建设智慧教室的意义

基于智慧教室模式下的课堂形式从引进到发展，已经成为众多院校提升教学环境提高教学质量的标志。“智慧教室”从宏观上看是一种学习场所，在微观上它主要是利用计算机技术、多媒体技术、互联网技术、通信技术、传感射频识别技术等来装备教室，改善学习环境配置，提升学习氛围，培养适应信息时代人才的一种教学环境。智慧教室它体现在智能上，集多技术功能为一体，随着科技的成熟与发展，智能的程度会越来越完善。

(一)符合高职院校教育教学的特点

高等职业院校突出的是较高层次和职业紧密的关系。职业院校承担的教学任务广，开设的课程具有职业性，多样性，随着社会需求变化快的特点。同时也要具备一定的社会职能，服务于社区人员和老年人。学员和教师的流动性大，相对于时间上的安排也较于松散，不固定性强。设计的课程难度虽然较于一般本科院校较低，但涉猎宽泛，涵盖有学历教育，职业教育，岗位培训，兴趣培训等多种形式，因此实现的模式也是多样的。智慧教师的智能课堂式授课，远程教学，分组交流，视频回放，实景再现等功能可以在教学中提升教学质量，加强教师和学员的契合度。

(二)匹配高职院校学员及师资的现状

高等职业院校的学员组成相对复杂，学历学员具有一定的学习意愿，既希望更高层次的提升，又要以就业为依托，适合理论和实际操作相互并存的教学方式。职业培训的学生目标明确，但由于学员自身层次良莠不齐，年龄跨度大，接受知识的水平和渠道有着显著的差异。面向社会的兴趣班的培训，学员对课堂自由度的要求高，节奏放缓，需要重复的环节增多。不同类型的学员需要不同的氛围，智慧教室能够充分发挥其多变的功能，迎合各类学生的需求。

基于高职院校学员的多类别，适应各专业门类的教师也呈现出细分多元化的趋势。既有可以轻松适应电教环境的教师，也有专业能力强，但缺乏纵深计算机知识的教师。如何让我们的智慧教室根据教师的要求，完成符合教学目标的综合性任务，鄙弃权威式的教学，在传统的课堂式教授的环境下，让情景式教学，参与式教学，个性化教学，启发式教学，远程教学等多种教学形式相融合，是我们建立智慧教室需要完成的目标。

(三)节省高职院校场地和资金

相较于普通院校，政府对于高职职业院校投入的比例相对较少，在有限的投资和场地上，要从成本核算上节约，建立符合职业院校特点的智慧教室，让资源得到充分的发挥和利用。在教室的安排上，需要多学科共用，功能设置上符合不同层次学员和教师，在单一的场景内发挥尽可能多的职能，让师生学校社会共同受益。

(四)建立智慧教室的功能价值

1.构建“智慧教室”，为学习者提供合作学习、自主学习、学生社群、资源共享等硬件支撑环境，完成教育信息化的拓展和落地。

2.通过输入学习数据，分析与预测，为教师提供教学数据依据、为学生提供学习依据、为教育管理者提供决策依据。

3.为教育教学模式的创新提供信息化保障，通过构建“智慧的学习环境”为翻转课堂、智能推送、情景再现等职能应用提供技术支撑。

4.通过智慧教室的模块化管理，把繁复的行为变成简单化的操作，加大可行性的范围，扩大使用人群，让更多人受益。

二、高职院校智慧教室的功能结构

(一)平台架构设计原理

平台架构设计由四部分组成，如图所示：

图1 平台架构示意图

系统架构设计采用模块化开发、组建式部署的基于门户的多层软件体系架构。主要可分为应用展现层，服务组，存储层，基础层。

1.展现层。该层次为用户接口，通过应用组件对外直接发布以及通过统一门户展现的方式作为b/s架构的应用提供用户界面。同时，系统将以对外发布移动终端的服务接口为基于移动终端的c/s架构应用提供服务。为提高系统的延展性和可扩充性，系统采用了分布式的部署方式：

图2 展现层部署示意图

如图所示，在展现层，系统采用基于Nginx/Apache的反向代理技术实现服务器的集群部署。移动终端和PC端浏览器不直接访问应用容器，而是通过在多个应用容器前架设反向代理服务器。这样一来可以在用户不可知的情况下，根据需求任意扩充应用容器的数量以满足不断增长的用户数的要求。

2.业务层、服务层、支撑层。该层次为平台的业务核心，负责完成系统中各个组件以及系统与外部系统之间的业务逻辑。首先，支撑层提供例如资源管理、接入规范、缓存、任务等各类基础技术机制与实现，为整个平台业务的建设、系统的接入等提供通用的、一体化的技术解决方案。其次，在支撑层的基础上，系统抽象出了各个业务模块公用的认证、用户、日志、文件等通用业务组件，不但为各个模块提供了通用的业务功能，也为后期持续建设以及外部系统的接入提供了相关的标准和规范。建立在支撑层和通用业务组件的基础上，业务层和服务层用于完成具体的业务功能。这部分的建设使用了通用业务接口的相关功能，以及系统提供的服务管理和交互的机制完成自身的建设和模块之间的协作，并在此基础上进一步抽象并实现个人中心、消息通知、统计等汇总类功能。与此同时，在整个软件核心体系的建设中，平台也通过后台管理模块以及接入运维、部署配置等工作达到完成元信息管理、后台资源管理、灵活部署的目标。该部分的建设基于SOA的体系，采用模块化开发、组件式部署的方式，因此可支持非常灵活的部署方式：

图3 核心层部署示意图

如上图所示，系统设计阶段的模块、组件等逻辑单元，也可以被建设成为物理隔离的不同部署单元，之间通过WebService或RPC进行通讯。一方面，不同类型的节点可以独立为不同部署节点，例如业务组件、通用业务组件、通用功能组件等。可以让不同的业务模块根据其使用特征进行有针对性地优化与维护，充分利用服务器的资源；另一方面，在同类节点(尤其体现为业务节点)中，其无状态的特征决定可以对任意节点进行多份复制，以分担业务层的负载以及避免单点失效，进一步提高了系统的健壮性和实用性。

3.存储层。该层次负责通过异构的存储技术，针对不同的目标对系统中的数据进行各种形式的存储和服务接口。平台将用关系型数据库完成结构化数据存储技术，采用磁盘存储非结构化数据(附件、视频等)，并利用索引和缓存实现对结构化数据存储的格式调整和优化用以提高系统的性能。

4.基础层。该层次为平台运行的物理环境，包括硬件设备、网络环境等，依据系统情况，使用区域信息化建设的机房和云服务实现该层的建设与管理。

(二)平台的主要技术

项目建设应采用以下主要技术和软件：

1.系统采用MVC模式组织系统对外提供服务的资源。MVC的工作方式如下：

图4 MVC模式下交互过程示意图

上图显示了在MVC模式下，用户和系统前端之间的交互过程。MVC模式(即Module-View-Controller模式)是一种非常经典的软件架构方法，它对业务逻辑、数据和界面显示这三者进行了剥离和合理组织，使得系统的构架愈加明晰和易于维护。

系统中主要以高效灵活的SpringMVC框架结合J2EE中的Servlet、JSP等技术完成该层次建设。

2.前端展现：前端将采用HTML + CSS的方式完成基于B/S架构的内容和展现。在前端展现的过程中，还将大量使用Ajax异步交互技术大幅提高用户体验。

3.资源管理：资源管理是系统内部操控的重要环节，将系统内部的资源接口、服务接口进行统一的管理并加工，使其能为系统内部以及外部系统提供标准服务接口的同时，完成全局统一的事务管理、日志管理等重要工作。平台中使用Spring框架完成系统的AOP和IOC功能。

4.远程调用技术：由于系统采用模块化开发，并需要与外部系统对接，因此存在大量远程调用工作。由于平台内部统一采用Java语言建立，因此在内部模块或系统之间的交互将采用基于Java的RPC技术(RMI、Thrift等)。对于外部系统，为增加系统的可扩展性，在可对外提供Java接口的同时，还将采用发布WebService接口的方式对外提供跨平台、跨语言的标准服务。

5.数据存储和检索：系统中存在大量结构化数据，这些数据采用SQL Server或Oracle数据库等作为存储介质，在教育领域中应用非常广泛，其中型数据库的定位已被证明为足以支撑各类教育信息化的结构化数据存储的要求。对应的数据访问规范依据J2EE规范提供的JDBC技术。在基础数据的存储上，为进一步提升系统性能，系统采用了与消息机制的索引、缓存等数据快速检索技术。

图5 平台检索示意图

上图表示平台选择建立索引的基本方案，即采用异步消息或同步机制在生产数据的过程中建立索引或缓存，并确保索引或缓存的可靠性。在数据检索的过程中，可通过直接缓存命中取代查询数据库的方式，大幅提高系统的并发和传输量。

6.应用服务器：平台需要依据实际情况进行灵活的部署方式，平台采用Tomcat应用服务器作为平台各个部分程序的运行容器。如有需要也将采用Apache和Tomcat集群的方式提高系统的伸缩性和高可用性。

7.用户接口：为适应各类需求、丰富应用场景，系统将提供差异类型的用户接口。首先系统提供基于HTML、CSS、Flash等前端与基于浏览器的客户端技术实现所有B/S架构的应用。此外，通过为安卓/IOS等操作平台建设应用的形式完成基于移动终端的C/S架构的应用。

8.安全技术：采用SSL，HTTPS等技术实现对敏感的通讯和请求的内容加密，采用DES算法对消息内容中敏感字段加密，利用MD5算法对密码等个人信息加密，以完成系统的安全可靠，来保障数据传输的安全。

9.其他技术或工具：平台将使用各类技术、产品或方案完成平台各个阶段的相关工作。例如eclipse(开发IDE)、Power Designer(设计工具)、SVN(版本控制工具)、Dream Weaver(前端设计IDE)、J Console(运行环境监控)等。

三、智慧教室构建的功能及特点

(一)智慧教室构建的功能

1.智慧教室通过远程互动把虚拟媒介与现实的信息相结合，实现更多层次的互动，课堂中录制的视频，优秀的教学资料得以保存，互联网中有用的资源得以上传，从而实现区域内教育资源的共建共享。使得课堂更精彩，更具吸引力。

2.基于平台可视化模块的操作，实现搭建自主学习环境。

3.基于VR技术实景再现功能，实现人与职业环境的交融，提高意识的感知度，达到教学与实际应用的快速接轨。

4.应用先进的设备，高效的应用，实现数据的最大存储化，接口的可调式性和丰富性，更人性化操作。

(二)智慧教室平台构建的特点

开放性：方便的融合第三方软件系统，提供开放的接口服务，使其他应用系统可以迅速接入，并向平台内的用户提供第三方软件服务。

可行性：简化软件平台和合理配置硬件设备，突出易操作功能，融合多样性，创造出区域内普遍应用的良好条件。

创新性：为改进教学模式，提升课堂互动教学，设计最佳的可操作应用平台。从根本上改变教学理念，突出信息化教学手段，在教学中潜移默化融入更多知识信息。

实用性：教学平台符合国际相关标准和技术规范，操作界面简洁、操作方便。能非常便利的调用各种类型的教学资源，实现师生各种功能需求的操作。

稳定性：通过大范围的技术性实测和集中多用户操作检验，平台和终端多用户的网络传输性能良好，设备运行性能平稳。

扩充性：架构设计充分考虑系统的可持续发展性和容量的增加。考量到未来新用户的增加，和新功能的开设，在保证基础功能的同时，可根据实际情况优化更新平台。

安全性：从设计与建设之初提高安全意识，充分考虑信息、数据、网络、传输等各类安全问题。具备研判、预警、自动分类，提示删除等多项功能。

高职院校智慧教室的设计构建，功能突出简便易操作，可融合，适应性强。通过智慧教室的建设实施，实现搭建自主学习环境，远程互动，录播优质教学资源，实践和虚拟信息相结合，区域内资源的共享共建等多功能用途。把计算机技术、多媒体技术、互联网技术、通信技术、传感射频识别技术等多种技术整合共建，在简单的模块操作上运行复杂的功能，通过可视化的按键，更易理解的影像，形成这个活跃互动的智慧教室是符合现代快节奏生活，适合学生学习和教师教学的一种新型的教育形式和现代化教学手段。在未来通过不断的完善、发展、创新，它将成为一种必然趋势，成为我国教育信息化进程的重要组成部分。