高职院校多功能智慧课室的设计与实现

文/蔡建轩 李梅

在教育部《教育信息化2.0行动计划》中，明确提出了要持续推动信息技术与教育深度融合，促进“信息化应用水平和师生信息素养普遍提高”。目前，广东农工商职业技术学院在广东省高职院校信息化教学方面取得着实显著的成绩，不断探索推进信息技术对教育教学的积极影响，充分结合学校人才培养目标，稳抓高职院校学生的特点，利用先进的信息技术及教学方法，着力提升学生的创新思维和知识技能，增强学生综合素质，为社会输送高素质技术型人才。在这此过程中，多功能智慧课室的建设是学校在信息技术与教育教学融合过程的一个重要领域，运用信息化理念和信息技术，打造高实用性、高智能化和高水平的课室，进行教学环境优化与重构，继而利用信息技术改善教学效果，为学校人才培养提供优质的条件。

近年来，随着“翻转课堂”和“混合式教学”等教学模式在高职院校的应用，多功能智慧课室在高职院校具有突出的建设需求。本文从多功能智慧课室的设计原则、功能模块设计、关键技术和发展趋势等方面进行了阐述，为高职院校智慧课室提供建设思路。

设计原则

多功能智慧课室是当前教学模式改革以及学生学习对教学环境要求的集中体现，是实现教学模式改革的重要支撑。学院智慧课室建设在设计的过程中，充分遵循了以下原则。

1.标准化

多功能智慧课室建设是一项高程度的系统集成工程，需将计算机、平板电脑、交互式一体机和功能软件等信息化元素进行无缝连接，有机结合，因此，多功能智慧课室所采用的软硬件需遵照国际或国家相关标准，为标准化产品，具有规范性，满足系统集成要求，能实现多功能智慧课室信息资源的调用与共享，同时符合信息安全和消防安全等标准化要求。

2.功能完整

目前，国内智慧课室的研究总结出了SMART模型，即从内容呈现（Showing）、环境管理（Manageable）、资源获取（Accessible）、及时互动（Real-time Interactive）、情境感知（Testing）等五个维度建设智慧课室。在设计的过程中，需要考虑实训教学和小组教学各方面的需求，因此多功能智慧课室需涵盖传统授课、多屏互动、云录播、混合现实教学和智能中控等多个功能，以适应新型教学模式实施过程对教学环境的多样化需求。

3.可维护性

图1 多功能智慧教室环境

多功能智慧课室建成之后，面对密集繁重的教学安排，维护管理将成为一项日常性的工作。为了便于课室的维护和管理，在设计时，需要充分考虑到良好的可管理性和可维护性。课室中的所有软硬件系统在安装、调试、维护和使用各方面应尽量简便，避免繁杂的操作，提升可管理性和可维护性，最大程度地保证使用和维护效率，优化管理和维护过程。

模块设计

多功能智慧课室在设计时，应该围绕服务教学和服务师生发展，全面支撑教学模式改革，在功能模块设计方面，应该做到功能合理多样，在智慧课室建设设计中，包括环境设计和功能模块设计两个部分。

1.环境设计

如图1所示，智慧课室在环境设计上要求充分考虑课堂教学活动、录播、混合现实教学和中控等因素。

首先，在高职院校课堂教学活动中，需充分体现“以学生为中心”的教学理念，学生自由、自主地管理和支配自己的学习空间，同时，要充分考虑分组教学的方式，方便学习开展讨论，因此，在环境设计时，可考虑使用连体式的活动课桌椅，活动的课桌椅可以根据教学需要随时拼成常规课室或讨论小组的研讨课室形式，以此支撑课堂教学活动的有效开展。

其次，在多功能智慧课室需要用于精品课程录播，考虑过程的影像和声音效果，在环境设计时，要全面考虑课室的灯光，采用分组式的灯光，可在录播过程根据成像效果进行亮度调节；录播过程需要安静、无杂音的课室环境，因此需要对课室的墙面、天花和窗帘等方面做吸音处理，减少外界环境杂音对课程录播的干扰。

第三，混合现实教学需搭建绿箱，通过摄像机采集，配合混合现实教学平台将所需的物品完成抠像处理，因此在环境设计中，要预留10～15平方米的空间搭建绿箱；

第四，在中控部分，需要从课室的易管理性和易用性出发，在环境设计中利用中控平台对课室所有计算机硬件、交互式一体机、门禁、灯光、空调和功放等进行集中管理，最终实现课室设备简便化控制，满足高效、灵活、有序的课室设备集中管理，达到易用、安全和节能的效果。

2.功能模块设计

（1）多屏互动功能

多屏互动的设计思路主要从以下两个方面出发，一是由于课室较大，入座课室后方的学生无法清晰地看到教师讲台的屏幕，此时采用分屏技术，在课室的中间或者后方设置屏幕，方便学生观看，使坐在不同角度、不同方位的学生能清楚看到教学内容；二是小组教学将成为高职院校课堂教学的主流方式，当小组进行讨论时，每个小组将对应一个交互式屏幕，学生可以将讨论结果在分屏上进行展示，当教师讲解或者小组展示讨论结果时，可以智能地将小组的屏幕内容推送至教师讲台的屏幕以及其他小组的屏幕上，方便教师进行讲解和批注。

（2）混合现实教学功能

作为面向高职院校所有专业的智慧课室，不能只针对某个专业进行实训设备放置，因此，引入虚拟现实的元素，通过虚拟现实资源的建设，丰富智慧课室的实训功能。混合现实是在虚拟现实的基础上，融入第三人称视角，将置于绿箱内的人和物放置到虚拟现实资源中，实现高度仿真的教学效果，解决教学重难点，同时激发学生学习兴趣。因此在多功能智慧课室设计时，可以融入混合现实技术，配置虚拟现实设备，结合高清摄像机和绿箱，打造高水平的混合现实教学功能，通过模拟实际世界，学生沉浸式学习，在虚拟现实资源中进行实操，掌握实际的技能，适用于需要掌握实操技能的课程学习，可以极大地提升学生的学习积极性，大大提高课堂教学的效果。

（3）录播功能

精品课程资源是学校数字化学习中心的重要组成部分，高职院校教师的课程录制将成为常态化。在多功能智慧课室中，录播功能尤为重要。录播平台的设计，需考虑多个标准机位，设置教师特写、教师全景、学生特写、学生全景以及板书追踪特写等多个画面，高度适应课室中教师的位置变化和学生座位的调整。录播控制平台由视频采集、音频采集与处理、跟踪系统和导播组成，采用图像识别和自动追踪技术，按照对老师行为、学生行为、电脑画面进行跟踪拍摄，并自动制成高质量的教学视频资源。录播平台需达到高度的智能化，教师只需通过一键式操作即可完成课堂的全过程实况拍摄，无需另外的人工投入。

（4）课室智能管理功能

在传统的管理方式中，设备一般配备物理按键，在使用和关闭时用手动方式进行管理控制，多功能智慧课室在使用的过程中，设备种类多样且较为分散，若采用传统的管理方式，会大大降低使用效率，同时缺乏统一管理，无法达到节能效果。因此，需要引入课室智能管理中控系统，通过物联网技术，搭建管理平台，将课室中的交互式一体机、计算机、电视机、空调、灯光及门禁等设备进行联网，通过1台平板电脑即可完成对设备的控制，包括一键开关机、视频信号切换、空调控制、灯光调控和门禁控制等。通过设计课室智能管理功能，充分简化设备控制过程，教师在上课过程中，可以轻松通过平板电脑控制课室里的任何设备（如图2所示），提高教学过程的流畅性。下课时，教师可以通过一键关闭系统的功能对课室里的所有设备进行软关机，达到节能环保的效果。

多功能智慧课室关键技术

图2 通过平板电脑对设备进行控制

智慧课室的建设与信息技术的发展息息相关，国内外在研究智慧课室的建设时也大多以技术研究为重点，关注点大多在如何利用新兴技术创建教与学的环境，促进资源个性化呈现、教学交互多元化，实现学习者的学习和相关技能的提高上。在多功能智慧课室建设过程中，采用关键技术包括物联网技术、虚拟现实技术，在此基础上，其他功能更为齐备的智慧课室中，可能涉及人工智能技术。在实际应用中，各类关键技术在智慧课室起到了重要的作用。

1.物联网技术

通过物联网技术，搭建课室智能中控平台，实现对课室所有设备的控制；利用RFID技术，结合射频IC卡，搭建门禁系统，根据课表对教师进行门禁授权，教师在课表有课的时间段可进行自助开门，简化了课室管理环节。除了以上功能外，物联网技术可以通过温湿度传感器或光敏仪等感知课室的温湿度和光线，对课室内的窗帘、灯光、空调等进行实时调控，为师生营造更加良好的教与学的环境。

2.虚拟现实技术

利用虚拟现实技术，结合混合现实技术，搭建了混合现实教学平台，制作了包括汽车检修与维护、旅游英语及商务谈判等VR资源，为教学过程提供真实情景再现，实现了教学资源的循环利用。

3.云计算技术

在多功能智慧课室设计中，云计算技术主要应用在以下两个方面，一是用于建设教学资源库，将教师的课件等教学资源上传至云空间，解决多种大量数据存储的问题，同时解决了教学资源跨平台访问、开放性和共享性的问题；二是用于云录播，在录播系统完成视频和声音采集后，合成的教学视频可以自动的上传至云空间，自动形成精品课程资源，方便学习者利用云平台进行自主学习。

4.人工智能技术

在多功能智慧课室建设中，人工智能技术可以与物联网技术结合，在课室安装多个高清摄像头，对学生脸部进行识别，解决课堂考勤问题，同时，在课程进行过程中，实时抓取学生的脸部表情、移动轨迹和各种动作，进行智能分析，教师上课的过程中，可以通过数据仪表盘，掌握学生上课情绪和行为，及时调整教学策略，改善课堂教学效果；另外，教室可以配备智能麦克风，将教师讲课内容及学生回答内容进行实录，并实时转化为文字，方便教师与学生及时整理课堂教学资料。人工智能技术在智慧课室建设过程更深层次的应用，可结合交互式一体机，在分组教学时，学生将讨论成果输入到一体机上，利用人工智能技术自动识别输入内容，对讨论成果进行智能分析，给出具有针对性的评价，辅助学生进行自主学习。

建设效益

立足高职院校人才培养的特点，结合上述的原则、技术开展多功能智慧课室建设，能有效地支撑教与学过程问题的解决，取得显著的效益，主要表现在以下四个方面：

一是遵循标准化、功能完整和可维护性原则进行智慧课室建设，能够形成功能多样且易用、稳定的教学环境，学生可以置身其中，通过教学内容与教学环境的有机融合，深刻地掌握知识技能，进而促成高职院校综合型人才培养的目标；

二是高职院校学生大多喜欢新鲜事物，运用物联网、虚拟现实和人工智能等新技术，能充分提高其教学过程的兴趣，使兴趣贯穿学习过程，促进知识的有效掌握；

三是高职院校人才培养需要考虑学生实际动手能力的锻炼，课室的设计融入虚拟现实实训元素，让学生在教学过程中反复操练，在虚拟现实环境中充分掌握技能的原理和操作要领，提升了学生在实际操作过程中的动手能力；

四是多功能智慧课室简单易用的课程资源录播，促进了信息化教学资源的积累，为高职院校学生提供了自主学习的资源，有助于学生自习能力的提升。

随着信息技术的高速发展，多功能智慧课室在技术、功能和应用范围上都将有更大的突破，并将支撑高职教育教学模式的变革，辅助高职人才培养质量的提升。