智慧教室功能模型构建与应用探究

广东工程职业技术学院 朱 靖

学习环境主要体现在对促进学生发展提供的相关条件，也是学习行为发生的载体。教室为学生学习的主要场所，直接对学习效率产生影响。近年来，我国结合教育信息化要求积极推动信息技术与教学的结合，打造智慧学习支持环境，尤其是在大数据、物联网等技术的发展下，有关智慧学习空间、智慧课堂、未来教室、智慧教室的研究和实践开始增多，并成为相关课题研究的热点。我国的智慧教室整体发展势头良好，但当前的智慧教室存在建设标准不同、软件系统使用烦琐、硬件环境构建复杂、设备兼容性不高、容易出现故障等问题，影响了智慧教室作用的发挥，与此同时我国的智慧教室主要面向中小学，存在测试对象有局限性的问题，在高校应用智慧教室还有很大的空间，以下进行相关分析。

一、智慧教室“三位一体”模型构建

（一）物理空间

对智慧教室来说，这是较为固定的场所，不过信息化时代下的智慧教室打破了场所的限制，是配备了软件与硬件的空间综合体，相关硬件与软件也是管理教学环境和感知情境的基础。比如，在特定的环境下通过传感器对光线、温度与声音进行调解；通过录像设备掌握学生位置、操作、姿势、情感等方面的数据；借助手持设备掌握交互学习过程，分析学习结果，进而跟踪学习过程。

（二）资源空间

在云计算和大数据技术下，现代教育资源的共享更加便利，对智慧教室来说，主要是应用了云端资源空间。对资源内容来说，也不再局限于习题与课件，而是打造了自主学习、交互式学习与个性化学习的空间，在配套设备下实现多样化的学习。比如，呈现资源的过程中实现了跨平台的共享，做到了按照学习需求进行分配，还支持资源的互动与再生成，如在提供个性化资源时做到闭环，之后结合学生的资源使用与学习情况合理删减资源，进而保证资源利用率，打破传统的资源形式。

（三）社区空间

教室不仅是开展教学的场所，还是培养互动能力的社会场所，相较于传统的多媒体教室，智慧教室的交互性与灵活度更大，是一种互动性强的学习空间。在互联网与学习支持服务下，教师与学生、学生与学生、师生与机器之间都可以在现实与虚拟的环境下互动。与此同时，互联网打破了传统教师在空间上的限制，进而建立了跨地区、跨学校的学习社群。智慧教室的社区空间包括了虚拟空间和实体空间，在二者的结合下教师、学生与学生家庭通过移动终端连接起来，建立较为和谐的教育环境，如当学生提出问题后，教师选择现场辅导或者在线答疑，学生可以选择求助教师、人机交互或者求助专家解答。

二、智慧教室模型构建

（一）物理设施层

在智慧教室中，物理设施层为基础部分，包括教室基础设施、多媒体教学设施、网络与感应设施。其中，教室基础设施主要指物理空间、灯光照明、供电配电、通风空调、桌椅。多媒体教学设施又包括了电子白板、智能录播系统、视频会议系统、后台监控管理系统。在网络与感应设施中网络通信系统、服务器、感应穿戴设备、终端显示设备发挥出了巨大作用。物理设施层中的以上设施应用期间需要分析教学特点与学科要求，进而为教学工作开展营造合理的软件与硬件环境。

（二）资源服务层

在智慧教室中，资源服务层为核心部分，即StarC云平台实现不同的软件与接口集成贯通，进而实现教育云端、管理端、教师端、学生端的连接，建立统一数据环境的智慧信息平台。其中，智慧课堂教学平台工具配备、教学数据采集、学科资源制作、教室智慧环境管理第三方应用支持与服务为主要功能。

（三）交互应用层

在智慧教室中，交互应用层为特色部分，也就是在无线网络的支持下实现人与设备、工具、环境流畅、高效的互动，包括提供教学、科研在内的多元化教学平台，其贯穿于师生、家庭在交互网络，如教学群、学习群、学校群。智慧教室模型中基本包括了智慧教室教学内容呈现、学习记录、资源管理、环境管理等功能与相关内容，并且每个子功能板块中又可以和具体的教学需求组合。

三、高校智慧教室的实践

近年来，华中师范大学积极推进教学与教育的结合，为全校师生提供技术先进、功能全面、操作便捷的现代化智慧学习环境，进而实现在人才培养过程中的转变，主要体现在四个方面：其一，在教学理念上，倡导以教学为主转变为教学相长。其二，在办学思路上，主张由专业教育转变为专业教育结合通识教育。其三，在教学方法上，主张由课堂教学转变为线上与线下结合、课内与课外结合。其四，在教学评价上，从结果评价为主转变为过程评价结合结果评价。现将华中师范大学南湖教学实验综合楼作为试点进行分析。

（一）建设理念

其一，云端一体化。基于StarC云平台，连接教师、学生、管理等端口，并且收集了海量教学资源、学科辅助工具、在线学习社区与第三方服务，在线课堂内容在云端实现上传。其二，互动多样化。借助学生平板电脑、数字讨论版等智能设备满足语音、视频、文字信息等内容，满足教师与学生、学生之间、师生与机器之间直接互动与远程交互。其三，模式多元化。在这一模式下教师为学生提供了多种教学模式，比如，任务驱动教学、翻转课堂，还包括混合式教学模式。其四，行为可视化。借助智能录播系统与传感设备掌握教学期间学生的各项行为数据，之后云端系统进行分析，得到教学智能诊断分析报告，为学生带来课前预习、课堂学习与课后复习的个性化学习体验。其五，管控智能化。在StarC云平台中，借助教室物联网分析教室环境中的温度、光线、视听情况，建立稳定、实用的管理平台，打造智能环境，满足教学资源推送、数据自动收集和教室设备自动控制，达到师生无缝接入教学资源的目标，提升教学活动的质量。

（二）实践与应用

1.物理环境

其一，一体化管控。智慧教室实现了设备自动控制与环境意识控制。具体说来，在设备控制方面，实现对屏幕、温度、门锁等的控制；在环境意识控制方面，通过传感设备把环境感知收集的信息传输到智能平台进行处理。其二，绿色节能。借助智能课堂数据分析系统分析温度、湿度、光照强度、二氧化碳等环境数据，由此预测教室内能源消耗，缓解学校的能源浪费情况。其三，降噪材料。利用房间声学计算机建模技术对智慧教室典型布局模拟和背景噪声模拟。其四，智能光控。在智能灯控系统中，课程开始时系统会自动感知情境，有学生进入课堂后系统就被触发并打开教室内灯管，根据自然光环境调节亮度。其五，智能温控。用深度学习模型和感知技术来自动调控教室内温湿度，将传感器采集到的温度、湿度数据融合到情境感知架构，在此基础上产生控制信号，打开或关闭空调、除湿器，从而自动化调控物理环境。

2.基础设施与空间布局

其一，智能显示屏。智能显示屏是智慧教室的常见设备，为了增强学生的视觉体验，智慧教室内安装了LED显示屏和交互式白板形成视频墙，使得以小组为单位的教室布局中全班学生能跨小组讨论、协作和分享。其二，智能讲台。主要包括嵌入式平板电脑和传感器设备，主平板安装多种应用程序，便于教师访问教学资源，从而了解课堂的课堂统计、出勤率、提交的作业等情况，如辅助平板控制教室内麦克风声音与空气质量。其三，桌椅布局。在智慧教室环境中，多圆桌型和“U”型布局最受欢迎，其中圆桌型布局和面对面布局主要在人数较少的教学活动中应用，智慧教室中的桌椅具有灵活特征，能根据教学需求及时调整，随时重组小组成员。

3.教学内容

在通用课堂教学软件中，帮助教师在备课过程中整合教学资源，动态提供教学方法、教学策略。除了课程内容的知识点，还有大量外部链接的资源可以使用，显著提升教师备课的效率。管理层把教学资源管理、测试管理、教学评估管理等数据库整合起来。在呈现方式上，包括音频、视频、图像、文本和动画和虚拟现实。

4.课堂互动

其一，师生互动。教师通过视频监控和传感技术可以实时了解学生的学习反馈，比如学习兴趣、学习状态，再通过反馈系统及时干预或调整教学进度，有效提高教学质量。其二，学生与学生互动。学生利用社交媒体分享学习材料，教室中的智能屏、交互式白板能支持小组协作，带有翻译功能的交互屏为留学生的交流提供了支持。其三，学生与内容互动。利用虚拟现实技术开发一个智能学习系统，通过手势动作触发相应的动画，包括旋转、平移和缩放。

四、智慧教室功能模型在高校的应用效果

（一）物理空间及其设施的实现

在物理空间中和智慧教室有关的板块包括呈现教学内容、记录教学过程、教学交互、环境管理。当前已经具备的功能包括三方面。其一，教学软硬件设施，如电子课桌、多点触控液晶屏、电子白板、一体化的自动录播系统、全息投影。与此同时，统一配置了网络设施及传感设备，借助教室物联网系统完成智能管控，并且在各个部分配置了独立控制面板和手机软件，通过一键开启让系统连接学校网络，并且实现了物理空间和虚拟空间的无缝衔接。其二，空间环境。为了营造多样化、人性化的空间，采取组合联动控制方式，借助独立梯形、异型桌椅、豆瓣课桌，之后和教室地面的插座通电，满足传统讲授、观影、小组讨论等教学场景。其三，智能环境管理。在物联网技术下监测气温、湿度等教室环境，控制触控液晶屏、投影、录播设备、音视频矩阵等设备。此外，可以对全部的教室进行集中监控，了解每间教室的设备与电源使用情况，还可以生成报告。

（二）资源空间及服务系统的实现

资源服务系统和主要用于各种软件平台、资源与应用服务，并且实现了不同板块的结合。当前，华中师范大学已经成功建设智慧教室，主要功能包括四个方面。其一，云端一体化教学平台。借助StarC云平台达到备课与教学的一体化，并且无缝连接了教育云端，师生得以便捷地获取学习工具和教学资源。而StarC云平台、课堂教学记录、学生学习行为都实现了数据交换，连接国内其他慕课学习平台，得到更加丰富的课程资源。其二，课堂场景与资源生成系统。在这一系统下可以录制智慧教室中师生的声音、行为、表情，并且还原教学过程中的各种情况，教师审核课堂视频之后上传到StarC云平台，学生无论是学习还是复习，都有更多的选择。此外，在教学期间可以进行直播，多个平台都支持用户观看。其三，学习行为数据采集和分析系统。在高清课堂教学实况采集系统、在线课堂交互行为采集系统配合下，记录了学生的虚拟课堂和物理课堂和学习历程，之后成为教育大数据的内容，并且全方位分析教师端与学生端、整体与个体。其四，提交于云端一体化教学平台。其四，应用支持与服务系统。这一系统中包括了智慧教室预约、知识服务、在线问答等服务。

（三）社区空间的实现

在社区交互空间下，实现教学社区建设、课堂教学交互空间建设，也是智慧教室教学、科研等环境应用的场合，这一过程中课堂教学智能交互系统起到了作用，对象包括教师、学生、管理人员、终端设备。目前，华中师范大学已建成社区空间，主要功能与模式包括两个方面。其一，课堂内互动教学模式。在这一模式下打造了讲授型学空间、自主学习型学空间以及研讨型教学空间，可以通过学生的手写、图像视频等方式交互，学生终端与小组讨论屏交互，教学双屏与小组讨论屏交互，小组讨论屏之间交互。其二，课堂外远程互动教学模式。也就是跨教室、跨校区的课堂音视频，实时进行教学评价。

五、结语

综上所述，在构建智慧教室的过程中，需要围绕智能决策、智能实施与智能评价，确保支持教与学，最终实现智慧教育，为教育信息化目标的实现提供条件。本文通过分析华中师范大学智慧教室功能模式发现，把教学系统各要素与师生连接起来，有助于打造个性化的、智慧化的学习环境，不过在引入先进技术中一味地追求多功能也是不可取的，避免使学校成为软硬件的堆砌地，需要建设符合高职院校办学思路和教学实际的智慧教室，最终实现教学的智能化发展。