智慧教室實踐與應(yīng)用研究

朱 杭

（浙江金融職業(yè)學(xué)院，浙江 杭州 310018）

隨著《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》《教育信息化2．0行動計劃》等一系列規(guī)劃綱要的陸續(xù)出臺，發(fā)展智慧化教學(xué)方法，推進新一代人才培養(yǎng)模式改革，建設(shè)以支撐學(xué)習(xí)者為中心的智能教學(xué)環(huán)境，促進人工智能在教學(xué)和管理中的全過程應(yīng)用，是今后高校全面提升教育信息化水平的必然趨勢[1]。教育信息化2．0時代已經(jīng)到來，將移動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新興信息技術(shù)與教育深度融合，以推進智慧校園建設(shè)為契機，改革創(chuàng)新傳統(tǒng)教學(xué)的理念、模式、內(nèi)容和方法等，將教育帶入新的發(fā)展階段。

智慧校園是由智慧教室、智慧課程、智慧教學(xué)和其他智能組件共同構(gòu)成的智慧生態(tài)系統(tǒng)。將物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)引入課堂，便利的學(xué)習(xí)資源獲得、豐富的教學(xué)進程呈現(xiàn)形式、流暢地進行師生交流互動、大量應(yīng)用現(xiàn)代信息技術(shù)實現(xiàn)智能控制物理環(huán)境的高度現(xiàn)代化的新型教室被稱為智慧教室[2]。智慧教室是智慧校園體系中的關(guān)鍵一環(huán)，作為教育質(zhì)量的重要保障和載體，是培養(yǎng)學(xué)生發(fā)展關(guān)鍵能力的主陣地，智慧教室的發(fā)展程度和績效評價已成為高校智慧校園建設(shè)的重要指標(biāo)。

一、智慧教室的意義

傳統(tǒng)教學(xué)中，由于教室環(huán)境和信息技術(shù)的限制，課堂上以教師講學(xué)生聽為主，教師扮演知識傳遞者的角色，往往成了課堂主角，這種單方面的教學(xué)模式導(dǎo)致教師難以迅速了解學(xué)生的學(xué)習(xí)訴求，對學(xué)生知識的吸收程度也很難把握。教師和學(xué)生缺少足夠的互動與交流，教學(xué)在傳統(tǒng)教室的學(xué)習(xí)環(huán)境中無法得到有效支持，使得學(xué)生在課堂上學(xué)習(xí)的投入度和參與度都不高[3]。

智慧教室的建設(shè)，從技術(shù)層面破解此問題，將物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)滲透到課堂上，采用互動式教學(xué)策略，體現(xiàn)以教師為主導(dǎo)、以學(xué)生為主體的教學(xué)理念，注重課堂教學(xué)過程中的多維互動，達到不同觀點的思維碰撞，教師通過互動反饋，關(guān)注到不同層次學(xué)生的思考軌跡，鼓勵個性化發(fā)展，使學(xué)生真正掌握知識要點，理論與實踐相輔相成，喚醒了學(xué)生的競爭意識，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)探究的潛能、知識的探索欲和思維的創(chuàng)造性，形成以教師引導(dǎo)和啟發(fā)、學(xué)生積極主動參與，實現(xiàn)真正意義上的課堂有效互動，提高課堂教學(xué)時效性，從而提升綜合教學(xué)質(zhì)量[4]。

二、智慧教室的構(gòu)建

智慧教室是在智慧校園基礎(chǔ)上延伸進行精細(xì)化教學(xué)管理的手段，能為信息化教學(xué)提供必要的教學(xué)場景，有助于提升課堂教學(xué)質(zhì)量，豐富和共享優(yōu)質(zhì)教育資源，促進和創(chuàng)新教育教學(xué)方式，促進與提高教育教學(xué)水平[5]。筆者所在的浙江金融職業(yè)學(xué)院，十分重視智慧教室的建設(shè)，早在2012年，就開始對智慧教室建設(shè)進行探索，2012年、2017年、2019年先后分三個階段，累計投入資金超過一千萬元用于智慧教室建設(shè)。

（一）第一階段：基于移動設(shè)備及通信技術(shù)的智慧教室

2012年，我校第一間基于移動設(shè)備及通信技術(shù)的智慧教室建成，除保留多媒體教室標(biāo)配的視聽設(shè)備外，將傳統(tǒng)的地臺做成T型臺形態(tài)，深入到教室當(dāng)中，取消課桌，采用帶書寫桌板的折疊椅，不設(shè)學(xué)生電腦，采購61臺IPAD和智慧課堂教學(xué)平臺。根據(jù)教學(xué)內(nèi)容的不同，教師可選擇多種教學(xué)方式，如任務(wù)驅(qū)動、小組協(xié)作、探究學(xué)習(xí)等，可直接在智慧課堂教學(xué)軟件上進行可視化操作。學(xué)生使用IPAD登錄智慧課堂教學(xué)軟件，與教師進行師生交互、與其他學(xué)生進行生生合作，學(xué)生課堂上的思維處于積極的互動狀態(tài)。

T型地臺能夠帶動教師講課時深入到學(xué)生當(dāng)中，教師和學(xué)生之間沒有了講臺的隔離物體，師生間的距離更近了，這對教師上課是一個全新的挑戰(zhàn)，在講課的同時能夠關(guān)注到學(xué)生的微表情，判斷他們是否聽懂某一知識點，作出相應(yīng)的進度調(diào)整，改變傳統(tǒng)教室，教師坐在講臺后一味灌輸式講課，而沒有關(guān)注學(xué)生在聽講時的動態(tài)表現(xiàn)。從學(xué)生的角度看，教師站在T型的臺上，就如同教師站在學(xué)生中間一樣，學(xué)生圍著教師聽課，為學(xué)生帶來前所未有的體驗，學(xué)生聽課的認(rèn)真度很快提高。鼓勵他們參與到課堂教學(xué)中，站在T型臺最前端發(fā)表自己的觀點時，既充滿了新鮮感和儀式感，又能充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，激發(fā)他們的創(chuàng)作熱情，使課堂的教學(xué)呈現(xiàn)出豐富多彩的形式。課后，學(xué)生還可以組成學(xué)習(xí)協(xié)作團隊，在學(xué)習(xí)平臺進行合作完成任務(wù)，通過云端互動交流分享學(xué)習(xí)心得，增強學(xué)習(xí)的成就感。通過智慧課堂教學(xué)平臺，讓學(xué)生把作業(yè)上傳云端，互評其他學(xué)生的作業(yè)，每一個學(xué)生完成作業(yè)時都更用心了，與教師和學(xué)生互動討論，形成良好的學(xué)習(xí)氛圍。

（二）第二階段：基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的環(huán)境與資源智能化的智慧教室

2017年第二階段智慧教室的建設(shè)，我們對智慧課堂教學(xué)平臺進行升級，引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)讓教室能夠自動化檢測采光、溫度環(huán)境，并進行相應(yīng)調(diào)整，實現(xiàn)教室內(nèi)的全部智能化控制。

首先，擴展智慧課堂教學(xué)平臺的功能，為教師備課提供數(shù)據(jù)、案例和專業(yè)信息支持，為教學(xué)提供資料，提高教師的教學(xué)計劃水平、教學(xué)技巧和教學(xué)效果。為學(xué)生學(xué)習(xí)提供資料庫、題目庫和學(xué)習(xí)評價，實時呈現(xiàn)學(xué)習(xí)效果的驗證和實驗結(jié)果。

傳統(tǒng)的預(yù)習(xí)方式，教師主要通過兩種方法了解學(xué)生的完成質(zhì)量：第一種逐一批閱預(yù)習(xí)作業(yè)，這種方法由于信息滯后的原因，教師常無法準(zhǔn)確判斷學(xué)生的自主預(yù)習(xí)效果和知識點的掌握程度。第二種是通過課堂上隨機提問了解，但這種方法覆蓋面太小，且教師很難了解不同層次學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力的差異。智慧課堂教學(xué)平臺利用信息技術(shù)手段，為教師的下一步教學(xué)提供了依據(jù)，課前要求學(xué)生以任務(wù)驅(qū)動模式提高自主預(yù)習(xí)的質(zhì)量。由于作業(yè)提交由課前提交改為線上智慧課堂教學(xué)平臺提交，教師和學(xué)生都能夠?qū)崟r看到作業(yè)提交情況，使得學(xué)生完成作業(yè)認(rèn)真度和完整度有了很大提高，教師批閱學(xué)生在平臺上提交的作業(yè)，能在課前掌握學(xué)生對知識點的學(xué)習(xí)情況，平臺的開放性為學(xué)生提供了便利，學(xué)生可以互相閱讀作業(yè)，學(xué)生能從彼此的作業(yè)中得到啟發(fā)，并在互相評價中有所收獲，提高了學(xué)生的自學(xué)能力，培養(yǎng)了學(xué)生的學(xué)術(shù)素養(yǎng)。

其次，在教室前后配備紅外傳感器，傳感器檢測到教室里有人，自動打開燈光，檢測環(huán)境的亮度，及時調(diào)整燈光使教師學(xué)生始終處于一個柔和的光線環(huán)境。如果室外光線過亮或陽光直射到教室內(nèi)，窗簾能自動關(guān)閉。偵測教室內(nèi)的溫度，配合全自動新風(fēng)系統(tǒng)，一旦檢測到教室內(nèi)含氧量過低，能自動開啟新風(fēng)系統(tǒng)并給教室內(nèi)輸送新鮮空氣。偵測到教室內(nèi)室溫高于或低于臨界值，能自動開啟空調(diào)設(shè)備，使教室能維持在一個適宜的溫度范圍。每隔一段時間檢測教室內(nèi)是否有人，如果檢測到教室內(nèi)沒有人員存在，燈光、空調(diào)和新風(fēng)系統(tǒng)自動關(guān)閉。

此外，我們帶來了可多種形態(tài)拼接的組合課桌，符合人體工程學(xué)設(shè)計的座椅，為師生提供一個寬松舒適的教學(xué)環(huán)境。

（三）第三階段：基于大數(shù)據(jù)人臉識別行為分析和常態(tài)化錄播的智慧教室

通過前兩個階段智慧教室實踐和應(yīng)用的情況來看，課堂互動頻率有了較大提升，上課環(huán)境舒適度也有明顯提高，智慧教室深受師生們歡迎，獲得學(xué)校管理層的肯定。

在2019年第三階段的智慧教室建設(shè)，作為教學(xué)和管理的支撐，運用大數(shù)據(jù)技術(shù)，重點攻關(guān)數(shù)據(jù)采集、匯總和分析，通過多維度的比較關(guān)系，實現(xiàn)對教學(xué)效果、設(shè)備管理、教室使用績效等情況的評價，為教師學(xué)生提供多樣化的教學(xué)支持，為管理者提供信息化的管理支持，并為決策者提供科學(xué)化的決策支持，我們引入智能班牌、人臉識別行為分析和常態(tài)化錄播系統(tǒng)。

相較于普通的電子班牌顯示每日課表和通知公告等靜態(tài)信息，智能班牌融合身份識別、多維課表、教室預(yù)約、督導(dǎo)巡查、空間考勤、門禁管理、呼叫服務(wù)等強大的人機交互功能。教師、學(xué)生通過智能班牌上的人臉識別通過身份驗證后，可進行查課表、預(yù)約教室、考勤等動作，可以查詢本教室當(dāng)日、當(dāng)周、當(dāng)月課程安排，也可以查詢本人本學(xué)期的課程表。教師可預(yù)約課內(nèi)時段使用，學(xué)生可預(yù)約課外時段使用?？梢赃M行課前考勤簽到。督導(dǎo)可進入班牌巡課功能，在不打擾師生上課的情況下，在班牌上實時觀看本教室內(nèi)上課直播畫面，當(dāng)然這一功能在督導(dǎo)辦公電腦上也可進行。課內(nèi)時段，智慧教室根據(jù)課表安排自動開啟關(guān)閉教室門。課外時段，學(xué)生可在班牌上通過人臉識別驗證預(yù)約信息后進入教室。教室內(nèi)有設(shè)備故障或教師需要幫助服務(wù)時可通過班牌呼叫系統(tǒng)召喚管理人員到現(xiàn)場解決問題。遇到未預(yù)約臨時使用的情況，教師可通過班牌呼叫管理人員遠程開啟教室。

教室中配備多目高清攝像機，將課堂上教師和學(xué)生的圖像采集到錄播平臺中，利用掉麥、話筒等拾音設(shè)備采集音頻數(shù)據(jù)，錄播系統(tǒng)自動將圖像和音頻合成教學(xué)視頻，存入視頻數(shù)據(jù)庫中，作為教學(xué)數(shù)據(jù)供師生在線瀏覽或下載學(xué)習(xí)。人臉抓拍機將課堂現(xiàn)場學(xué)生圖像采集后，進行圖像分割，對每一位學(xué)生進行面部特征的搜索提取，與數(shù)據(jù)庫中學(xué)生人臉數(shù)據(jù)進行對比，智能識別學(xué)生的身份，將學(xué)生的出勤情況，自動錄入數(shù)據(jù)庫，統(tǒng)計出學(xué)生考勤報告。人臉識別抓拍機以一定時間間隔對學(xué)生進行面部搜索，對每一位學(xué)生抬頭、低頭、轉(zhuǎn)頭次數(shù)、位移幅度進行統(tǒng)計，自動生成上課專注程度分析報告，實現(xiàn)高效和自動化的智能學(xué)生課堂專注度分析。

教師可以通過教學(xué)平臺查看學(xué)生的資源查看率、作業(yè)提交率、課堂考勤率、課堂答題率、考勤報告、課堂專注度報告，形成數(shù)據(jù)模塊，通過平臺自動整理分析海量數(shù)據(jù)資源進行，成評價報告，根據(jù)信息調(diào)用的頻率和設(shè)備使用的次數(shù)，為師生提供高效精準(zhǔn)的信息服務(wù)。

三、總結(jié)

智慧教室的建設(shè)是一個綜合性、復(fù)雜性和積累性的工程，必須付諸行動和實施，才能知道我們需要怎樣的智慧教室。智慧教室的核心是數(shù)據(jù)庫建設(shè)，關(guān)鍵是人，而不是各種高科技設(shè)備和新功能的簡單堆砌。應(yīng)在數(shù)據(jù)處理、決策分析和教學(xué)支持上發(fā)揮更強大的作用。

智慧教室建設(shè)除了在課堂互動和環(huán)境調(diào)控上體現(xiàn)智慧外，更應(yīng)該建設(shè)系統(tǒng)化的優(yōu)質(zhì)資源網(wǎng)絡(luò)，對教師和學(xué)生教學(xué)過程中行為、語言和座位布局等進行分析，對海量元數(shù)據(jù)資源的整合分析，優(yōu)化教學(xué)和管理，要利用教學(xué)平臺主動評價、綜合比對、智能分析等功能，為激發(fā)學(xué)生主動創(chuàng)新的精神，圍繞任務(wù)、項目、競賽自主研究型和小組協(xié)作型的學(xué)習(xí)方式，研創(chuàng)教育模式和智慧型學(xué)習(xí)評價，提供強大支撐。培養(yǎng)有國際競爭力的創(chuàng)新人才是未來智慧教室需要研究的課題。