基于物聯(lián)網(wǎng)的氣象+5G智慧教室設計與應用

摘" 要：為實現(xiàn)氣象干部培訓設備現(xiàn)代化、課堂精品化、師資高效化、培訓策略信息化，通過創(chuàng)新教學方式，推進教學進程，實現(xiàn)新形式的信息化教學，建設5G+智慧教室顯得十分必要。文章闡述了氣象干部智慧教室建設的設計原則以及建設的架構(gòu)和功能應用模塊，建設出了符合氣象干部教學實際需求的高效率、現(xiàn)代化的教學環(huán)境，使智慧教室更好地為課堂教學服務，提升課堂教學效果，推動了氣象干部教育培訓信息化的發(fā)展。

關鍵詞：智慧教室；物聯(lián)網(wǎng)；設計原則；系統(tǒng)構(gòu)成

中圖分類號：TN929.5；TP39" 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2024）12-0183-05

Design and Application of Meteorological + 5G Smart Classroom Based on

the Internet of Things

WANG Yongfeng， SHEN Yaoxin， XIAN Xiaolong， WANG Yiran， LIANG Xinhang

（China Meteorological Administration Training Center， Beijing" 100081， China）

Abstract： In order to achieve modernization of meteorological cadre training equipment， high-quality classrooms， efficient teaching staff， and training strategy information， it is necessary to promote teaching processes and achieve new forms of information-based teaching through innovating teaching methods， and build a 5G+ smart classroom. The paper elaborates on the design principles， architecture， and functional application modules of the construction of a smart classroom for meteorological cadres. It has built an efficient and modern teaching environment that meets the actual needs of meteorological cadre teaching， making the smart classroom better serve classroom teaching， improving classroom teaching effectiveness， and promoting the development of information in meteorological cadre education and training.

Keywords： smart classroom; Internet of Things; design principle; system composition

0" 引" 言

黨的二十大報告指出“推進教育數(shù)字化，建設全民終身學習的學習型社會、學習型大國”，為新時代教育數(shù)字化發(fā)展指明了方向[1]，智慧教育已成為全球教育變革發(fā)展的必然趨勢。近年來，為適應數(shù)字中國建設新形勢，加快推進干部教育培訓數(shù)字化建設，全國各地都在充分運用云計算、大數(shù)據(jù)、虛擬現(xiàn)實、人工智能等新興信息技術，推進信息化教學服務平臺建設和應用，推動特色鮮明的以自主、合作、探究為主要特征的教學方式變革[2]，促進教育形態(tài)從教學結(jié)構(gòu)（以教為主）向?qū)W習結(jié)構(gòu)（以學為主）的轉(zhuǎn)變。

在國務院印發(fā)的《氣象高質(zhì)量發(fā)展綱要（2022—2035年）》中，明確指出要加強氣象教育培訓體系和能力建設，要推動氣象人才隊伍轉(zhuǎn)型發(fā)展和素質(zhì)提升[3]。干部培訓如何推動教育方式轉(zhuǎn)型，教師主動適應變革，積極開展適應信息化、人工智能等新技術變革的教育教學，這樣才能加強氣象教育培訓體系和能力建設，全面推進新時期氣象培訓教師隊伍建設改革，這是氣象培訓事業(yè)發(fā)展的重大目標任務，是新時代賦予我們積極推進信息化建設和教育融合創(chuàng)新與發(fā)展的重要契機。建設智慧學習環(huán)境是氣象培訓實現(xiàn)教與學模式轉(zhuǎn)變的關鍵，是教育現(xiàn)代信息化發(fā)展的必然結(jié)果，對教與學有著革命性的影響。智慧教室，作為智慧學習環(huán)境，其功能和形態(tài)雖有不同，即使國內(nèi)外學者對其認識也存在差異，但受教育信息化發(fā)展的趨勢影響，必然成為數(shù)字化教室發(fā)展到一定階段的產(chǎn)物，也成為教育技術領域關注的焦點，以及教學環(huán)境創(chuàng)新和教學模式改革的重要標志[4]。

近年來，干部學院在氣象業(yè)務類培訓的教室、實習實訓平臺建設、干部類培訓的研討互動教室、培訓保障能力等方面有所改善，但是隨著近年來培訓需求的逐年增加，特別是干部管理類培訓教學設施和教學環(huán)境與新形勢下的要求差距日益顯現(xiàn)，無論教學設施、教學環(huán)境配置遠不能滿足現(xiàn)代干部管理類培訓的需求，重要教學手段像互動分組研討、情景模擬、分級演練等培訓形式由于相應的教學環(huán)境支撐不足而受限制。同時雖然擁有很多現(xiàn)代化教學設備，但是智慧學習環(huán)境還沒有構(gòu)建起來，各個智能化設備的“單打獨斗”，大部分教室還不能實現(xiàn)課件的按照電子課表智慧錄播；不能夠?qū)崿F(xiàn)自動考勤、課堂行為的采集與大數(shù)據(jù)分析，為教學提供大量的分析數(shù)據(jù)信息。這使得智慧教學仍然浮于表面，在運用智慧教育的思路創(chuàng)新教學、高效教學方面，沒有發(fā)揮出重要作用。

隨著5G網(wǎng)絡建設全面展開，5G技術推動了物聯(lián)網(wǎng)的加速發(fā)展，也為智慧教室的建設提供了有利環(huán)境，干部學院規(guī)劃設計了基于5G+氣象教育培訓的智慧教室。通過智慧教室的設計應用，為干部學院教學設備智能化、教學系統(tǒng)精品化、教師團隊培養(yǎng)高效化、教學策略網(wǎng)絡化提供了保障，讓智慧教室更好地為課堂教學服務，創(chuàng)新了教學方式，推進教學進程，實現(xiàn)新形式的信息化教學[5]，智慧教室也成為促進氣象教育培訓教學發(fā)展的新理念、新模式、新趨勢的重要抓手。

1" 基于物聯(lián)網(wǎng)的5G+智慧教室建設的原則

干部學院智慧教室的建設主要包括5個方面的原則：

1）實用性與易使用性。智慧教室的建設要滿足老師教學與教研的基本需求，為未來數(shù)字化教學培訓的發(fā)展提供有力支撐和強大動力；同時在操作上高度融合易用，一鍵飛屏，一鍵廣播，全信號源自由圈點批注。

2）先進性與前瞻性。智慧教室的設計要在整合現(xiàn)有軟硬件資源的基礎上，整體規(guī)劃，適度超前，盡可能地采用最先進的創(chuàng)新技術。

3）可靠性與安全性。要選擇成熟且穩(wěn)定的軟硬件系統(tǒng)以及網(wǎng)絡系統(tǒng)，保障智慧教室運行的穩(wěn)定、可靠與安全。

4）兼容性與拓展性?？紤]到智慧教室系統(tǒng)未來的可拓展性，系統(tǒng)的軟硬件設備應具有較高的可擴展性和較強的兼容性。

5）維護的遠程化與智能化。智慧教室不僅包含各類音視頻網(wǎng)絡設備，還包含網(wǎng)絡化遠程管理。支持網(wǎng)絡化遠程管理是智慧教室的最基本的要求，能夠遠程管理視頻錄制設備、聲音設備以及物聯(lián)網(wǎng)設備、網(wǎng)絡設備，還能夠管理電子班牌等多種類型的設備。通過一體化的管理平臺對所有的設備進行管理、監(jiān)測、記錄，統(tǒng)計與分析教室內(nèi)設備的運行數(shù)據(jù)用來預判故障，提前干預，這是目前智慧教室管理的主流模式。這種智慧教室的管理模式，變被動管理為主動管理，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)使用、運行的智能化，也能夠?qū)崿F(xiàn)管理維護的智能化[6]。

2" 基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧教室的架構(gòu)與設計

干部學院智慧教室的建設以支撐新型教學模式為核心，借助互動研討教學軟件、AI督導智能分析軟件、無線投屏等信息技術，將教學資源、教學服務、教學數(shù)據(jù)融為一體，實現(xiàn)與教學模式的深度融合，打造創(chuàng)新教學空間，全面支持與推動混合式學習、研討型課堂間等新型教學模式，同時以學生為主體、以能力培養(yǎng)為目標，采集教學數(shù)據(jù)，全面服務于教學[7]。

2.1" 總體架構(gòu)

結(jié)合干部學院的實際需求以及目前智慧教室的新設備、新技術，智慧教室的體系架構(gòu)分為系統(tǒng)用戶層、教學應用層、平臺支撐層與基礎設施層，如圖1所示。

2.1.1" 系統(tǒng)用戶層

領導、教師、學員、教務、教保等教學管理人員都能夠利用手機、平板、電腦等各種終端，隨時隨地對智慧教室中的各種教學資源進行訪問，包括課表查看、直播觀看、錄制回看、教室實況巡視、教室設備管控、遠程系統(tǒng)維護、過程打點評價等。

2.1.2" 教學應用層

智慧教室應用系統(tǒng)包括視音頻采集系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)、全場景運維系統(tǒng)、多媒體教學互動系統(tǒng)、AI教學督導系統(tǒng)、教學資源管理系統(tǒng)、智慧環(huán)境系統(tǒng)、考勤系統(tǒng)等，這些系統(tǒng)通過學院一體化平臺單點登錄，實現(xiàn)遠程管控智慧教室設備、系統(tǒng)及設備異常預警、一碼報修等。

2.1.3" 平臺支持層

通過課堂教學課前、課中、課后全流程采集、計算、存儲產(chǎn)生的各類數(shù)據(jù)，構(gòu)建多維度大數(shù)據(jù)體系，為學院教學改革及人才培養(yǎng)質(zhì)量提供數(shù)據(jù)支撐服務，保障智慧教室教學應用工作的順利進行，確保數(shù)據(jù)安全性。

2.1.4" 基礎設施層

基礎設施層包括服務器、網(wǎng)絡等基礎設施。該層是智慧教室的基礎，為智慧教室提供基本的網(wǎng)絡通信以及安全保障，實現(xiàn)各類數(shù)據(jù)的可靠安全的高質(zhì)量傳輸。同時也包括空調(diào)、換氣扇、電源、多媒體設備、電動窗簾、攝像頭、Wi-Fi、智能讀卡器等教學管理設備[8]，通過這些基礎設備，實現(xiàn)對智慧教室內(nèi)的窗簾、溫度、濕度、光照強度、燈光亮度、安防等的智能感知控制。

2.2" 物聯(lián)系統(tǒng)架構(gòu)設計

基于物聯(lián)網(wǎng)技術的智能系統(tǒng)由教室端和服務器端兩部分組成，如圖2所示。教室端提供音視頻信號切換、電源管理、環(huán)境設備控制等；服務器端則提供用戶集中控制和管理等功能。

2.3" 功能模塊設計

智慧教室是實現(xiàn)探究式教學模式的主要環(huán)境載體，通常集合了如自動錄播系統(tǒng)、課堂教學分析系統(tǒng)、環(huán)境智能控制、遠程互動教學、交互討論系統(tǒng)等多種子系統(tǒng)[9]。這些系統(tǒng)幫助學習者和教師突破固有思維，重構(gòu)教學方法，實現(xiàn)新場景融合設計、將智慧內(nèi)容與教學深度結(jié)合。

2.3.1" 自動錄播系統(tǒng)

智慧教室集成課堂教學錄直播系統(tǒng)，構(gòu)成支持全自動導播錄制、網(wǎng)絡直播、存儲等多種功能的專業(yè)錄制系統(tǒng)。其目的是讓每間教室實現(xiàn)常態(tài)化教學場景錄制、豐富校本視頻課程資源、實現(xiàn)師生課后課堂回顧、進行大規(guī)模公開課實況直播、擴展校區(qū)間班級互動教學等功能。

2.3.2" AI課堂教學分析

AI課堂教學分析系統(tǒng)利用基于人工智能技術的人臉識別、表情識別、語音識別、行為識別，通過建立課堂分析模型實現(xiàn)對課堂中各種教學行為和教學內(nèi)容的自動分析，可以生成教員講授、教員板書、教員巡視、師生互動等9類教學行為進行自動分析，生成課堂教學報告，教學巡視如圖3所示。教員可以依據(jù)系統(tǒng)生成的課堂報告進行教學反思，改進教學方法，提升教學技能。系統(tǒng)自動生成學員的學習行為數(shù)據(jù)，方便教員針對學員的學習方法進行指導改進。同時，系統(tǒng)可擴展支持教員、學員的無感考勤，簡化考勤人工操作，提升系統(tǒng)體驗和考勤的精確度。

2.3.3" 遠程互動教學系統(tǒng)

在線互動教學系統(tǒng)是利用網(wǎng)上同步上課的方式，通過直播功能，教師和學生可在線完成授課、學習、討論、提問等教學互動，實現(xiàn)學院多校區(qū)同上一節(jié)課，共享優(yōu)質(zhì)教育資源，包括授課和互動兩種課堂模式。軟件系統(tǒng)內(nèi)置到課堂教學錄直播系統(tǒng)的智課終端中，無須建立獨立的硬件設備，最大化減少智慧教室的硬件設備。教師借助在線互動課堂系統(tǒng)可以采用點對點模式、一點對多點模式帶領遠程教室同時上課，實現(xiàn)1 v N的遠程互動教學。

2.3.4" 研討互動教學系統(tǒng)

在探究式學習場景中，學員分成若干小組，根據(jù)教員布置的項目或主題展開研討，通過小組內(nèi)的交流合作完成學習任務，最后教員對小組成果進行分享、講解和對比，達到提升學員自主創(chuàng)新能力、交流協(xié)作能力的目的。智慧教學系統(tǒng)提供教學大屏、分組中屏、移動終端之間的智能交互功能，如圖4所示，可以實時完成各個設備之間的內(nèi)容呈現(xiàn)，實現(xiàn)教員與學員，學員與學員之間的互動交流、協(xié)作學習、合作分享，從而使探究式教學更加便捷、高效。

2.3.5" 智慧班牌系統(tǒng)

智慧班牌系統(tǒng)主要包括前端智慧班牌和后端班牌信息發(fā)布系統(tǒng)。主要功能包括教室管理、課表管理、信息發(fā)布管理、實時播報、流媒體展示、考試管理、考勤管理、教室預約、報修管理、人臉識別登錄、門禁等。提供橫豎版多種樣式；支持斷網(wǎng)脫機時包括視頻、圖片、課表、學員信息全部功能在脫機下運行，脫機時保證刷卡考勤及抓拍數(shù)據(jù)的完整性，聯(lián)網(wǎng)自動上傳。

2.3.6" 多媒體網(wǎng)絡中控系統(tǒng)

多媒體網(wǎng)絡中控系統(tǒng)是智慧教室的重要組成部分，借助網(wǎng)絡中控系統(tǒng)以及可視化集控管理系統(tǒng)，通過與音視頻采集系統(tǒng)、網(wǎng)絡系統(tǒng)、投影等多媒體設備的聯(lián)動，實現(xiàn)設備的一鍵開啟、關閉、信號切換、幕布升降、音量調(diào)節(jié)等，從而實現(xiàn)教員授課過程智能化、教學資源管理分配智能化以及多媒體教學設備管理控制智能化，如圖5所示。

2.3.7" 智慧環(huán)境系統(tǒng)

智慧環(huán)境系統(tǒng)對智慧教室內(nèi)物理環(huán)境實時全方位監(jiān)控，對教室內(nèi)光線、溫度、濕度、空氣質(zhì)量等實時監(jiān)測；通過策略設置，自動調(diào)節(jié)教室內(nèi)物理環(huán)境，將環(huán)境因素對課堂的影響和對學員人體的傷害降到最低。

2.3.8" 課程管理系統(tǒng)

課程資源管理平臺以智慧教室錄播系統(tǒng)錄制的課堂教學課程為基礎，提供課程管理、資源分類、在線瀏覽、資源統(tǒng)計等功能。支持在線創(chuàng)建作業(yè)、考試等學習任務，同時可在線批改作業(yè)、考試。智慧教室錄制的課程資源可以自動或手動上傳平臺，平臺亦支持師生個人資源的上傳、審核、管理與發(fā)布，實現(xiàn)個人資源的分享。系統(tǒng)提供API接口可以對接學院數(shù)據(jù)中心。

2.3.9" AI督導系統(tǒng)

教學督導是教育督導一種特殊的形式，是運用科學的方法和手段對教學工作進行監(jiān)督、檢查、評價和指導[10]，通過發(fā)現(xiàn)問題、診斷原因、提出辦法、實施改進等步驟，最終實現(xiàn)提升學校課程質(zhì)量和人才培養(yǎng)質(zhì)量。AI督導系統(tǒng)借助智慧教室的AI錄播系統(tǒng)錄制的課程，實時直播的課程及課堂教學行為分析數(shù)據(jù)進行在線評課、診斷，為教師的教學改進提供指導建議。

2.3.10" 在線學習系統(tǒng)

在線學習系統(tǒng)提供課程資源管理、布置學習任務、數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析等功能，如圖6所示。打通課堂教學前、中、后的教學全環(huán)節(jié)，教師可通過平臺進行課前備課、發(fā)布任務、課中互動數(shù)據(jù)自動收集、分析，課后布置作業(yè)、互動交流等功能，學生可通過平臺選擇感興趣的視音頻課程，通過點播方式進行在線學習、互動交流等，并生成課堂報告，支持知識點標注、資源檢索、文字互動等功能。

2.3.11" 可視化集控管理平臺

可視化集控管理平臺是提供統(tǒng)一認證、統(tǒng)一數(shù)據(jù)、統(tǒng)一權(quán)限的智慧教室的遠程管理平臺，通過該系統(tǒng)可實現(xiàn)課堂教學常態(tài)化錄播系統(tǒng)、智能教學中控系統(tǒng)、教學督導管理系統(tǒng)等的遠程集中可視化管理，包括監(jiān)控設備數(shù)據(jù)、監(jiān)看設備狀態(tài)、遠程控制設備、遠程導播可視化、巡視課堂畫面等。

3" 結(jié)" 論

干部學院智慧教室的設計及建設是以服務教學為核心，具體分析與考慮教室空間布局與教學方面的實際需求，提供教室智能中控、課堂互動教學、教學過程督導、音視頻錄播、數(shù)據(jù)分析與可視化平臺等功能，通過智慧教學環(huán)境、智慧教學模式、智慧教學評估三個維度進行的一體化構(gòu)建?？傊?，依托物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、云計算、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術，智慧教室服務氣象培訓的智慧教學，有利于提升學員學習體驗，提高教學效果，以教育信息化全面推動干部培訓的教育現(xiàn)代化。

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作者簡介：王永鋒（1969—），男，漢族，山西呂梁人，高級工程師，本科，研究方向：多媒體技術。