教育数据驱动的智慧教室系统建设

李瑞晴 王晖

摘要：基于物联网技术以及Web开发技术，本文开发的智慧教室系统能够将学生课堂学习行为和教师课堂教学行为数字化和结构化，通过在线方式实现对传统课堂教学过程的全程数据采集以及深度分析，最终能够客观准确地分析学生学习行为以及教师教学行为，并为将来提供进一步的科学行为建议提供坚实的理论依据。

关键词：教育数据；智慧教室；物联网技术

中图分类号：G434 文献标识码：A 论文编号：1674-2117（2018）10-0079-04

引言

在计算技术、通信技术以及微电子技术飞速发展的大背景下，国家和地方政府都在加快推动教育信息化进程。教育部印发的《教育信息化“十三五”规划》中，特意强调要加快推动信息技术与教育教学的融合创新发展。当前，普教的课堂教学模式依然是以教师讲台授课为主的教学形式。虽然在某些教学环节中，PPT代替了黑板，学生手里有了Pad，但课堂教学仍旧遵循着传统的教学模式。究其原因，是互联网对教育的冲击力度还不足以从根本上改变教育的传统生态。而传统的课堂教学模式在信息技术高速发展的今天，愈来愈暴露出诸多弊端：

第一，教学模式老套。教师一板一眼地把知识传授给学生，“填鸭式”课堂让学生感到枯燥乏味。第二，教学组织过于“被动”。传统的课堂教学，学生学习方式较为被动并缺乏个体性，课堂上很少有思维的交锋和智慧的碰撞，学生缺少自主探索、合作交流、独立获取知识的机会。第三，太注重“应试”。在应试教育的背景下缺乏独立思考和思维发散能力，限制了学生学习的自信心与积极性，以及学生自主学习、自主发展的能力。针对数字原住民这一代，我国正在积极推进基础教育改革，以推进素质教育为目标，鼓励在学科教学中广泛应用信息手段，并把信息技術教育融合到各学科的学习中。随着“互联网+”概念的提出、信息化的全面覆盖，相继出现的远程教育、在线课堂、教师屏幕广播、多屏互动教学及丰富的电子教材等，对传统的课堂式教育模式进行了有益的补充和升级。教师的传道授业可以通过小小的屏幕灵活实现，学生获得知识不再只有课堂教学这一个渠道。

信息技术推动教育变革，“智慧教育”的概念应运而生。在“互联网+”发展的背景下，智慧教育利用可随身携带的移动教学终端与云服务平台相结合，打造智慧教室，实现学习个性化、教育精准化。

智慧教室概述

基于智慧教育的理念，我们开发了智慧教室系统。该系统是利用新一代信息技术打造的智能、高效的课堂环境（教室），是一种新型的教育形式和现代化教学手段。

1.智慧教室简介

智慧教室充分利用智能设备（平板电脑）和网络化，涵盖课前课中课后多个教学环节，提供便捷的课件阅读及课堂互动手段，全面保存学生学习的过程数据，智能分析学生作业并精准把握其知识掌握情况。通过实现评价反馈即时化、交流互动立体化、资源推送智能化，全面变革课堂教学的形式和内容，构建互联网时代的信息化课堂教学模式。简而言之，智慧教室是数字化校园应用的新产品，是教育信息化走进学校、走进课堂、走进师生的必然产物。

智慧云教室系统是一套具有成熟教学模型的智慧云教育解决方案，它具备以下功能：教师进入系统备课、授课、推送试题，把上课所需的课件以数字化形式保存在云服务器，上课过程中利用屏幕广播进行课堂教学，观看举手提醒与学生进行课堂互动，在练习时个性化推送测试题给学生；学生使用Pad终端课前完成教师推送的课前预习题，带着问题上课，上课利用举手按钮与教师展开互动，练习时间完成教师给自己推送的个性化试题，查漏补缺，并避免抄袭。教室配备的Wi-Fi节点可以保证多人同时观看视频30分钟不掉线，视频运用流媒体的形式播放使画面更清晰、过程更流畅。

2.创新性

（1）技术创新

实现Wi-Fi高密度节点完全覆盖：一间智慧教室可容纳多人上课。在教师授课过程中，同时有多名学生接入网络，通过信号分担的方式，缓解了信道的压力，解决了因为信道拥塞而导致的用户掉线情况，继而有效提升智慧教室Wi-Fi网络的接入质量。

流媒体使视频观看更稳定更流畅：智慧教室系统支持同一个组的终端可以接受到此组内的所有数据，网络中的交换机和路由器只向有需求者复制并转发其所需数据。主机可以向路由器请求加入或退出某个组，网络中的路由器和交换机有选择地复制并传输数据，即只将组内数据传输给那些加入组的主机。

灵活课堂互动：支持PPT、Flash课件、Word文档等电子教案的实时互动，快速收集学生答案，即时显示统计报表，教师可以直接看到客观题各选项选择人数以及每个学生的答案情况；客观题直接系统自动批改，即考即评；支持跨平台屏幕广播，教师端Pad屏幕界面直接广播到学生端界面上；教师端可向全体学生发送备课文件。

（2）教学方式创新

教师轻松备课，高效辅导：拥有一个云终端，教师就可随时随地备课、辅导学生，学生则可以随时随地享受到原来在教室才能进行的听课、答疑。

学生享有丰富资源，高效学习：智慧教室为学生提供练习题个性化推送、在线学习和在线测试等功能，为学生提供丰富多彩的课堂内容，以及丰富的学习资源，方便学生根据自身条件，有选择性地进行个性化学习，这样有利于提高学习效率。

3.实现方式

①选择Linux作为操作系统，使得开发和维护成本较Windows Server更为低廉，同时有大量参考案例可供学习。在众多Linux发行版中，选择基于Red Hat Enterprise Linux开放的源代码编译而成的Community Enterprise Operating System，即CentOS，使智慧教室具备高度稳定性的服务器操作系统。

②PHP作为开发语言，使智慧教室具有跨平台、使用广泛、成本低廉、开发速度快等特色。

③Apache作为Web服务器，它是一个开源的HTTP服务器，是最为流行的HTTP服务器之一。Apache使智慧教室具有高安全性、高可靠性和高度的可定制性，并且代理服务器可通过简单的API扩充，将PHP等解释器编译到服务器中。

④MySQL作为数据库，将数据保存在不同的表中，使智慧教室可以存储大量数据在服务器中。MySQL所具有的开源、高性能、低成本和高可靠性使其成为全球最为流行的开源数据库。其与Apache、PHP的结合为基于数据库的动态网站提供了强大动力。

4.系统功能

智慧教室系统是由“Web端”“学生/教师Pad端”组成的一个数字化教室（如上页图1）。该系统为教师提供了一个轻松教学的环境，为学生提供了一个高效学习的工具。智慧教室整合了网络教学平台、网络教学系统、网络教学资源、网络教学软件、网络教学视频等诸多全新的概念，构建了全新的教与学工具。

智慧教室系统建设

1.Pad端

Pad端是智慧教室的核心所在，是实现灵活课堂互动的前提。智慧教室系统Pad端能够为教师上课提供备课、广播教学、课堂互动、记录考勤信息和课堂互动等功能，方便使用多媒体课件进行教学展示和增加学生学习的积极性，为学生提供广播教学的接收、接收教师推送的练习题、在线学习和在线测试等功能，为学生提供丰富多彩的课堂内容以及丰富的学习资源，方便学生根据自身条件，有选择性地进行个性化学习。

2.Web端

智慧教室系统Web端为教师提供在线备课、课件资源管理、推送练习和作业给学生等功能，为学生提供在线练习、在线测试、自主学习和查看错题记录等功能。智慧课堂系统在公认的教学模型基础上，提高“课前”“课中”“课后”学习的效率和效果，构建了科学的教学模型。

智慧教室系统开发

1.系统设计

根据先进性、实用性与开放性的设计原则，智慧教室系统的架构主要分为四层，从下至上依次为底层硬件、服务层、构件库层与视图层（如图2）。

①底层硬件：最底端是底层硬件，它是奠定整个智慧教室平台运行的基础。该层为智慧教室的教学和管理提供必要和完善的物理平台。主要包括视频终端和多媒体录制设备。

②服务层：底层硬件之上是服务层，该层是智慧教室的核心业务部分，构造了平台服务的基本框架。通过无线Wi-Fi确保了服务层与底层硬件间的通信，实现无障碍、安全、可靠的信息传输，并构建数据库保障了数据的存储管理。服务层主要提供了数据交换、人员/权限管理、知识管理、离线接入、表单引擎、部件管理等服务。

③构件库层：依托服务层提供全面的支撑和保障，构件库层提供了备课管理、考试管理、题库管理、学生错题管理、课堂教学管理、作业管理、视频教学管理、资源管理、通知公告等强大的功能。此外还加入成长智能分析管理、行为记录及评价策略管理、智能考勤等其他功能来提高课堂教学质量。

④视图层：智慧教室系统的顶层是面向用户（学生、教師、管理员）的视图层。智慧教室系统Web端以HTML5、Bootstrap、jQuery等前端开发技术为基础，结合下层的服务接口，为用户提供丰富多样、交互友好、响应式的教育应用服务。用户可以通过台式电脑、笔记本、平板电脑、智能手机等终端设备，在任何时间和任何地点，采用任何通信方式，访问教学资源和处理教学任务。

2.系统功能设计

智慧教室系统由Web端、教师端、学生端、后台管理四大部分组成。Web端主要用户角色为教师和学生。Web端为教师提供了在线备课、课件资源管理、课前预习管理、课堂预习管理、课后作业管理等功能。教师端为教师上课提供备课、广播教学、课堂互动、记录考勤信息和课堂互动等功能，方便使用多媒体课件进行教学展示和增加学生学习的积极性。学生端为学生提供广播教学的接收、接收教师推送的练习题、在线学习和在线测试等功能，为学生提供丰富多彩的课堂内容以及丰富的学习资源。后台管理主要为系统管理员提供系统资源管理，以及对系统的整体管理，维护系统的运行。系统资源的管理包括对各种视频、音频、数据等资源的管理，系统管理主要包括用户管理、年级管理、班级管理、科目管理。

展望

智慧教室系统是为满足信息技术不断深入发展以及人们不断增长的教育需求的必然产物。但我们相信，智慧教室系统只是智慧教育发展过程中的一个过渡性技术，随着人工智能技术以及物联网技术的发展，在智慧教室系统的基础上，必将衍生出更加体现智慧教育核心思想的新一代智慧教育技术。