自贸试验区背景下智慧教室的建设与应用

陆汝华，李亚兰

（1.湘南学院计算机与人工智能学院 湖南 郴州 423000；2.湘南学院物理与电子电气工程学院 湖南 郴州 423000）

在人工智能迅速发展的时代，为了促进教学改革，提高教学水平，培养符合社会发展需求的高层次人才，地方本科学校非常有必要构建一套全新的智能化、自动化教学系统——智慧教室。智慧教室基于新时代兴起的信息化技术，主要涉及物联网技术、云计算等高端科技[1]，实现了多屏互动、自动录播、智能巡课、多端投屏等各种智慧功能[2]，体现出信息化、智能化、智慧化的特点。在自贸试验区背景下，企业与高校联合办学对智慧教室提出了更高的要求，本文从空间布局、投屏设计、资源共享、教学评估、中控系统五个角度展开，构建了一套适应于企业与高校联合办学的智慧教室。

1 多维空间的绿色化布局与管理

1.1 多维空间的可移动灵活布局

为了满足自贸试验区校企合作中教学与学习的要求，尤其是校企合作中出现的新型教学模式，改变传统教室空间的呆板布局成为必然。通过桌椅的绿色化布局，包括桌椅的可移动性、可旋转性，也包括桌椅的形状和颜色设计，将智慧教室设计成可移动式的多维空间，能够实现传统讲课模式，并兼顾分组讨论模式和学术研究模式等新型教学方式。在这种可移动式的多维空间中，通过移动桌椅位置，重新对智慧教室中的设备进行布局，为学生分组讨论、小组成果展示、学习资源共享等提供便利，实现人人参与学习与讨论、极大提升学生的积极性与学习效果。

1.2 教室新风系统的构建与保持

普通教室环境较差，冬天的寒冷与夏天的炎热致使学生学习效率低下，室内光线、湿度、空气等也在或多或少影响着学习质量[3]。在智慧教室内安装新风系统等现代化设备，能够感应室内的光线、湿度、温度、空气等教室环境情况并自动启动通风系统、换气系统，自动控制灯光和空调开关。保证教室日常通风换气，定期和不定期关注室内空气质量状况，构建智慧教室环境的常态化监测和检查机制，最大限度地预防和控制由于环境大气污染、建筑和装修材料、教学活动等各种原因产生的室内环境污染，保证智慧教室的绿色环保。总之，教室新风系统的构建与保持可以创造一个舒适健康的学习环境，使教师更专注于教学，学生更专注于学习，从而提高教育教学质量，并促进师生的身心健康。

2 多屏互动的体系化设计与应用

自贸试验区校企合作教学内容知识面的广度和深度都发生了较大变化。广度更广、深度更深，普通教室的多媒体设备仅一台计算机、一块显示屏，不能够很好地展示这种较广、较深的知识面。运用无线投射、多屏显示等技术，多屏互动提供实时传输屏幕镜像、传输音视频数据、多屏幕控制等功能，教师的电脑设备可以和学生的电脑设备实现同屏教学、一键投影、手写批注、协同作业以及教学内容循环播放，使学生的移动终端及时展示收到的信息，方便分享与交流，以适应师生互动、小组讨论等教学模式。教师脱离了讲台的约束，教学方式更灵活、教学效率更高效。

2.1 多屏互动教学硬件

教学硬件分为公共设备、教师设备和学生设备三类。公共设备一般指教室内电灯、空调、网络设备、多媒体投屏计算机，在智慧教室中投屏计算机便是教师授课的大屏与多小组讨论的小屏。教师设备指台式电脑或笔记本电脑，而且也可以投屏到大屏和小屏。学生设备指学生个人学习的工具，一般指笔记本电脑、平板或手机，除了个人学习，也要能够与教师电脑、大屏或小屏互通。

2.2 多屏互动教学模式

多屏互动教学模式包括教师授课模式、分组讨论模式、集中展示模式和小组对比模式等四类。教师授课模式：教师在自己的笔记本上演示上课内容，同时将笔记本屏幕投屏至教师授课大屏与小组讨论小屏。分组讨论模式：学生将自己的笔记本电脑、平板或手机投屏在小组讨论小屏上进行讨论。集中展示模式：教师自由调取小组讨论小屏，将小组讨论小屏投屏至教师授课大屏与其他小组讨论小屏。小组对比模式：将多个小组讨论小屏同时投屏至已分多栏的教师授课大屏。在这四类中，教师授课模式是一种传统的方式，并由教师引导至其他三种模式。分组讨论模式和集中展示模式以学生为核心，小组对比模式既让学生处于关注焦点同时教师也处于关键地位。

通过多屏互动的体系化应用，为每个学生提供被动或主动的学习机会，能够做到人人加入讨论、参与互动，这种以学生为中心的教学方法，提升了学生的主动学习地位。

3 多源融合的资料共享与智能推荐

3.1 利用信息化教学环境，网络共享优质资源

目前全国高校都或多或少地建立起各种教学资源，有些优良的资源更是值得学习与借鉴[4]。在与自贸试验区合作的驱使下，整合企业的相关信息和其他学校的优质教学资源成为必然。教师可根据自己的经验和需要讲授的内容对共享资源进行编辑，从而解决教学同质化问题，使教师与学生之间或者学生与学生之间能够形成良好的教学互动环境，提高学生思维的活跃性及眼界的开阔性。优质教育资源共享工作的开展，不仅缓解了教师的结构性供需矛盾，实现了优质教学资源共享、优势互补，还促进了不同教育理念、教学思想、教学方法和教学经验的交流，促进了高校的科学化发展。

3.2 采用人工智能自动分析，智能推荐个性化资源

教学资源的建设与共享呈现出庞大的信息量，学生的需求也越来越多样化，使得学生难以做出选择，或者难以做出正确的选择，甚至放弃继续搜索学习资料。人工智能行业正进入高速发展的黄金时期，个性化推荐引擎作为人工智能发展过程中的衍生产品，涵盖了机器学习、自然语言处理、神经网络、自动推理等多学科技术，正是由于这些技术的突破性进展，智慧教室中才有了使用智能推荐技术的可能。学生在智慧教室学习过程中所产生的数据，有课堂内的也有课堂外的，有线上也有线下，都由智能设备对这些用户信息、学习和生活信息、资源查阅与测试信息等进行采集，采用先进的人工智能技术分析，为教育管理者和教师提供教育教学参考，为学生提供相关课程或相关知识点的个性化推荐服务。

4 多元信息的自动化监测与评估

学生的学习态度与教师的教学方式直接影响整个教学效果[5]，对师生在智慧教室中的行为进行自动收集与分析，以实现对师生行为的自动监测。

4.1 信息发布

智慧教室中安装一块简单的电子显示屏，显示当前教室的相关信息，主要为教室信息和上课信息。教室信息用于展示教室环境，通过通风系统获得的温度、湿度、光等数据，也可包括学校或学院发的公告通知。上课信息是用于显示当前上课的基本信息，有当前时间信息、当前上课的班级信息、当前上课的课程信息、当前上课的教师信息等。展示信息以文本为主，适当使用少量图片或视频。电子显示屏不宜太大，必要的时候使用滚动技术将展示信息进行上下或左右滚动。

4.2 教学评估

通过标准接口控制方式在可视化视窗对录播主机进行开启、录制、结束、保存等操作，既录制及保存学生的学习行为，也录制及保存教师的教学行为。既可用于教师和学校相关管理人员对学生学风的评估，比如学生期末考试的平时成绩，期末班级的学风评比等，也可用于学校管理人员对教师教学的评估，比如年度考核评估、职称晋升等。

4.3 考场监控

为了保证考场的公平性、公开性，进一步严肃考风考纪，通过智慧教室内高清摄像机及录播服务器等设备对考试过程进行多方位的监控。体现信息化考场的专业性及严肃性，以保证学生成绩的真正水平。

5 中控系统的智能化控制与管理

智慧教室中有计算机、显示屏、通风系统、灯具等较多设备，如果单独控制不仅增加了操作者的难度，也增加了操作者的烦琐事务[6]。随着信息技术的不断发展，智慧教学环境的进一步优化，教室内的教学设备日趋复杂，为了简化教师授课期间对设备的操作和满足更高的信息化管理要求，在构建智慧教室智能化管理平台时，可将所有设备统一控制与管理即中控系统，简化人工操作。在讲台安装智能中控系统，实现对智慧教室内设备的控制。

中控系统最主要的是教师上下课控制，一键上课、一键下课。一键上课和一键下课功能，用于控制教师电脑、教师授课大屏、小组讨论小屏、空调或风扇、窗帘、灯光等设备。教师电脑、教师授课大屏和小组讨论小屏实时开启或关闭，空调或风扇、窗帘、灯光等设备的开启状态则通过光、温、湿等感应器根据教室环境确定。一键上课时，打开计算机、投影仪、灯光、空调等设备。一键下课时，按照适宜的顺序依次关闭所有设备。

中控系统面板上也有单独控制各设备功能，主要有空调控制、新风控制、照明控制、投影仪控制。空调控制：温湿传感器实时感知教室里的温度和湿度，自动打开空调、关闭空调、休眠空调或调节空调相应模式，使教室保持预先设置好的适宜温度和湿度。新风控制：通过传感器感知教室的空气质量自动控制新风设备，使教室保持良好的空气质量。照明控制：通过感知教室内光的亮度，智能控制教室里的灯具，自动实现一键全开、一键全关、半开、半关等多种选项，以达到教室内光线适宜的目的。投影仪控制：上课时自动打开投影设备进入投影模式，计算机、大屏、小屏等设备自动打开，窗帘自动拉上，空调系统、新风系统、照明系统根据上课模式设置工作。下课时自动关闭投影设备退出投影模式，计算机、大屏、小屏等设备自动关闭，窗帘自动打开，空调系统、新风系统、照明系统根据下课模式设置工作。

6 结语

在与自贸试验区校企合作教学过程中，普通教室既不能全方位展示教学内容，也不能灵活使用硬件设备，更不能自由移动桌椅讨论，非常有必要构建新一代智慧化教育信息生态系统——智慧教室。通过多维空间的绿色化、多屏互动的体系化、多源融合的资料共享与智能推荐、多元信息的自动化监测与评估、中控系统的智能化控制与管理等环节实现了智慧教室的建设与应用，从而达到提高管理水平，推进信息技术和教育领域主流业务的深度融合。