一種基于云端平臺(tái)的智慧教室設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

徐雅靜　鄭世玨　劉聰　肖遙+區(qū)詩(shī)柔

摘 要：隨著信息時(shí)代的到來(lái)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，以智慧教室為代表的智慧學(xué)習(xí)環(huán)境的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)已經(jīng)得到了廣泛的關(guān)注。智慧教室是學(xué)校的信息化發(fā)展到一定階段的內(nèi)在訴求，是當(dāng)今時(shí)代的必然選擇。文章通過(guò)分析智慧教室的系統(tǒng)組成以及相關(guān)硬件平臺(tái)，介紹了一種基于云端平臺(tái)的智慧教室的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，以華中師范大學(xué)智慧教室的建設(shè)為例，展示了這種設(shè)計(jì)方式的具體實(shí)施案例。

關(guān)鍵詞：智慧教室；云平臺(tái)；未來(lái)教育

21世紀(jì)以來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，人們的生活方式發(fā)生了翻天覆地的變化，“智慧生活”的浪潮正在全面襲來(lái)，而在教育領(lǐng)域，傳統(tǒng)的教學(xué)模式已漸漸無(wú)法滿足現(xiàn)代學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)需求，為了適應(yīng)現(xiàn)代化教育，“智慧教室”應(yīng)運(yùn)而生[1]。

智慧教室是數(shù)字教室和未來(lái)教室的一種形式，在傳統(tǒng)教學(xué)模式中，課堂教學(xué)環(huán)節(jié)是學(xué)生接受教育最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)[2]，而傳統(tǒng)課堂的疑問(wèn)確認(rèn)環(huán)節(jié)往往無(wú)法得到預(yù)期效果，不利于教師對(duì)每位學(xué)生進(jìn)行個(gè)性化輔導(dǎo)。與此同時(shí)，信息時(shí)代的學(xué)習(xí)本質(zhì)也發(fā)生了改變，學(xué)生由依靠機(jī)械記憶掌握知識(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)樵诨?dòng)體驗(yàn)中理解獲取知識(shí)。信息技術(shù)的快速發(fā)展使得物聯(lián)網(wǎng)與云計(jì)算技術(shù)日益成熟，計(jì)算機(jī)、交互白板等現(xiàn)代化設(shè)備逐漸進(jìn)入課堂。本文針對(duì)如何推進(jìn)未來(lái)學(xué)校建設(shè)[3]這一問(wèn)題，進(jìn)行了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的新型現(xiàn)代化智慧教室系統(tǒng)的相關(guān)討論，結(jié)合華中師范大學(xué)智慧教室的建設(shè)，闡述了怎樣為在校師生提供更加良好的教學(xué)與學(xué)習(xí)環(huán)境。

1 智慧教室的系統(tǒng)組成

按照具體的功能來(lái)劃分，智慧教室由教授呈現(xiàn)系統(tǒng)、學(xué)習(xí)資源系統(tǒng)、交互討論系統(tǒng)、環(huán)境調(diào)節(jié)系統(tǒng)、信息發(fā)布系統(tǒng)5個(gè)部分組成。這5個(gè)部分共用教室中的軟硬件資源，在相互聯(lián)系協(xié)調(diào)的同時(shí)又各自獨(dú)立地完成任務(wù)[4]。

1.1 教授呈現(xiàn)系統(tǒng)

教授呈現(xiàn)系統(tǒng)指的是傳遞教學(xué)內(nèi)容的系統(tǒng)，是智慧教室的重要組成部分之一，也是開(kāi)展課堂教學(xué)的基礎(chǔ)。系統(tǒng)由內(nèi)置電子白板功能的觸控投影機(jī)一體機(jī)、問(wèn)答器和配套控制軟件構(gòu)成。傳統(tǒng)的黑板教學(xué)被內(nèi)置電子白板的觸控投影機(jī)代替，實(shí)現(xiàn)了無(wú)塵教學(xué)，保護(hù)了師生健康。

1.2 學(xué)習(xí)資源系統(tǒng)

學(xué)習(xí)資源系統(tǒng)包括教師網(wǎng)關(guān)、學(xué)生網(wǎng)關(guān)以及智慧教學(xué)系統(tǒng)，如圖1所示。教師網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)支持教師通過(guò)手機(jī)、筆記本電腦進(jìn)行移動(dòng)教學(xué)，還可與學(xué)生移動(dòng)終端同步，以便進(jìn)行提問(wèn)、疑點(diǎn)反饋等互動(dòng)教學(xué)功能。學(xué)生網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)同樣支持學(xué)生小組學(xué)習(xí)研討與資源共享。

學(xué)生在系統(tǒng)終端進(jìn)行隨堂測(cè)驗(yàn)，提交后直接查看答題結(jié)果以及錯(cuò)題解析。錯(cuò)題將被自動(dòng)匯入學(xué)生的錯(cuò)題本。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與統(tǒng)計(jì)功能為教師計(jì)算每種題型的正確率，并提供直觀的圖表顯示，生成“S-P”曲線表，給出教學(xué)建議。

1.3 交互討論系統(tǒng)

交互討論系統(tǒng)是在課堂教學(xué)的過(guò)程中，教師與學(xué)生、學(xué)生與學(xué)生之間進(jìn)行交互的支持系統(tǒng)，如圖2所示。教師根據(jù)WiFi與坐標(biāo)定位實(shí)現(xiàn)自動(dòng)考勤。在學(xué)習(xí)過(guò)程中，學(xué)生如果對(duì)某個(gè)知識(shí)點(diǎn)沒(méi)有學(xué)會(huì)，可以單擊按鈕進(jìn)行聽(tīng)課反饋，教師會(huì)重新講授學(xué)生沒(méi)有掌握的知識(shí)點(diǎn)。

1.4 環(huán)境調(diào)節(jié)系統(tǒng)

采用嵌入式架構(gòu)使用環(huán)境調(diào)節(jié)系統(tǒng)為學(xué)生營(yíng)造一個(gè)健康、舒適的學(xué)習(xí)環(huán)境，能夠提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，如圖3所示。智慧教室中的桌椅預(yù)置了傳感器，感知學(xué)生的坐姿狀態(tài)，提醒學(xué)生矯正坐姿。除此之外，燈光控制系統(tǒng)和空調(diào)控制系統(tǒng)均可通過(guò)置于教室的傳感器采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行相關(guān)控制。其中空調(diào)控制系統(tǒng)通過(guò)溫濕度傳感器檢測(cè)室內(nèi)溫度，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)溫濕度的自動(dòng)控制。

1.5 信息發(fā)布系統(tǒng)

信息發(fā)布系統(tǒng)支持向所有終端播放機(jī)發(fā)送信息，也可脫機(jī)發(fā)布信息。發(fā)布者可以對(duì)信息進(jìn)行編輯，每條信息由多個(gè)頁(yè)面組成，每個(gè)頁(yè)面可分割成多個(gè)可編輯區(qū)域，實(shí)現(xiàn)圖、文、視頻信息的組合編輯以及播放。發(fā)布者也可以對(duì)已發(fā)布內(nèi)容的顯示方式、顯示內(nèi)容、業(yè)務(wù)種類進(jìn)行修改和刪減。

2 硬件平臺(tái)搭建系統(tǒng)

傳統(tǒng)教室中的設(shè)備的管理與維護(hù)缺乏智能化功能，維護(hù)困難，能耗高。而智慧教室集成了電子白板、觸控一體機(jī)、高清遠(yuǎn)程互動(dòng)錄播主機(jī)、光傳感器等硬件設(shè)備，使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一管理，能夠更好地使硬件服務(wù)于教學(xué)，如表1所示。

電子白板教學(xué)采用分屏觸摸操控，支持用一臺(tái)電腦同時(shí)連接兩臺(tái)觸控一體機(jī)，兩臺(tái)一體機(jī)高清顯示，構(gòu)成統(tǒng)一電腦界面，兩臺(tái)觸控一體機(jī)可以同時(shí)觸摸和書(shū)寫(xiě)。教師可以一邊展示課件一邊進(jìn)行板書(shū)，在一臺(tái)觸控一體機(jī)上播放多個(gè)課件的同時(shí)在另一臺(tái)觸控一體機(jī)上進(jìn)行板書(shū)，方便對(duì)比教學(xué)。高清遠(yuǎn)程互動(dòng)錄播主機(jī)采用嵌入式硬件架構(gòu)，內(nèi)嵌音頻矩陣模塊，實(shí)現(xiàn)混音、回聲抵消、嘯叫抑制、自適應(yīng)降噪等功能，采用H.323協(xié)議，可以實(shí)現(xiàn)主機(jī)與主機(jī)、主機(jī)與第三方主流視頻會(huì)議終端之間的互動(dòng)。教師可以使用U盤(pán)存儲(chǔ)錄制內(nèi)容，結(jié)束后直接取盤(pán)即可。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

智慧教室的優(yōu)越性使其在全國(guó)范圍內(nèi)大面積得到使用，華中師范大學(xué)構(gòu)建的基于云端平臺(tái)的智慧教室也正處于完善與使用中，每間智慧教室中都配備搭建了相關(guān)的硬件平臺(tái)和軟件系統(tǒng)。教師使用智慧教室授課如圖4所示。

3.1 軟件環(huán)境

華中師范大學(xué)在智慧教室中引入了一套云課程平臺(tái)系統(tǒng)，輔助教師的教學(xué)活動(dòng)，幫助學(xué)生更好地進(jìn)行學(xué)習(xí)。云課程平臺(tái)系統(tǒng)提供了PC端和移動(dòng)端兩種版本，方便師生通過(guò)移動(dòng)設(shè)備隨時(shí)查看課程最新動(dòng)態(tài)。教師可以在云課堂上記錄學(xué)生到課情況，上傳課件、視頻，發(fā)布作業(yè)、測(cè)驗(yàn)。學(xué)生還可在論壇上反饋學(xué)習(xí)建議。云課程平臺(tái)系統(tǒng)反映了學(xué)生整個(gè)學(xué)期的學(xué)習(xí)狀態(tài)，可作為教師給出平時(shí)成績(jī)的重要參考。系統(tǒng)將與教務(wù)管理系統(tǒng)對(duì)接，方便學(xué)校組織架構(gòu)管理。

3.2 使用情況

經(jīng)過(guò)一學(xué)期的建設(shè)使用，智慧教室中各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)均達(dá)到了期望值。電子白板教學(xué)軟件的教學(xué)內(nèi)容雙高清雙屏展示，構(gòu)成的完整顯示畫(huà)面最高可達(dá)到3 840×1 080；錄播主機(jī)支持分辨率為1080 p的視頻錄制與播放；環(huán)境控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)教室內(nèi)各項(xiàng)數(shù)據(jù)，并自動(dòng)控制燈光、溫度等。智慧教室在軟硬件的配合下為廣大在校師生提供了一個(gè)舒適的學(xué)習(xí)環(huán)境。

4 結(jié)語(yǔ)

智慧教室不再是一間封閉的教室，而是成為開(kāi)放的學(xué)習(xí)空間，它打破了教室的圍墻壁壘，調(diào)動(dòng)了師生之間的互動(dòng)積極性，為學(xué)生提供了或整或零的廣泛的學(xué)習(xí)時(shí)間以及學(xué)習(xí)環(huán)境[5]，提供學(xué)生學(xué)習(xí)狀態(tài)分析數(shù)據(jù)幫助教師更好地開(kāi)發(fā)學(xué)生潛力，提高學(xué)習(xí)效果。華中師范大學(xué)對(duì)此進(jìn)行了有益探索，然而基于云端平臺(tái)的智慧教室的建設(shè)道路還很漫長(zhǎng)，如何提高學(xué)生參與度，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力，培養(yǎng)出有智慧有膽識(shí)的新型人才，還值得深入探討。

[參考文獻(xiàn)]

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