智慧教室的设计与管理
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2019-11-30 21:35

  一、概述教学环境的信息化建设在经历了多媒体阶段和网络化阶段之后,在物联网、云计算、大数据、移动互联、智能感知、智能硬件、智能分析、可视化等新兴信息技术的推动下,出现了最新形态即智慧教室。

  智慧教室构建了一个以课堂教学为中心,支撑教与学全过程的生态圈。运用智慧技术,提供智慧服务,实现智慧管理是智慧教室的主要特征。智慧教室服务教师开展多种教学模式,为师生建立一个网络学习空间、资源空间、物理空间、社区空间等多位一体的教与学环境,开展以学习者为中心的个性化学习指导,支撑学校教学、教学管理全过程的数据采集、记录、呈现、分析,以精确的数据统计和分析为教学质量提升、学习模式改进、领导决策提供支撑。智慧教室的建设是未来学校建设的重点内容。

  智慧教室的建设目标:旨在帮助不同的学校充分整合优质资源和先进技术,构建先进、高效、实用的智慧教室,以创新的教学资源管理体系和教学模式,促进教育内容、教学手段和方法现代化,加强优质教学资源开发与应用,加强网络教学资源体系建设,提高师生应用信息技术水平,更新教学观念,改进教学方法,提高教学质量。

  二、指导原则(一)总体规划、需求导向 从未来学校建设与发展的实际问题入手,将智慧教室融入未来学校的顶层设计中进行统一规划,在规划指引下,突出教学活动重点需求、分步实施、逐步深入,不断增强智慧教室实施应用效果,统筹推进智慧教室的协调可持续发展。

  (二)统一标准、分类建设 强化智慧教室建设标准及接口,规范智慧教室的建设。智慧教室以教室为端点,以教学工作为中心,以学校实际教学需求和经费情况为条件,进行合理化设计与建设。

  (三)可靠高效、创新拓展采用成熟的技术装备与完善的解决方案,保证系统的稳定安全和可靠高效,充分考虑智慧教室对物联网、云计算、大数据、移动互联、智能硬件、智能分析、可视化等新技术的融合与应用,保障系统的可拓展性、可伸缩性以及服务支持能力,以适应当前和未来中小学教学改革和人才培养计划的发展需要。

  (四)资源整合、互联共享 通过智慧教室实现对各类教学、教研资源在校内、校际间的优化整合,为教师的跨课堂、跨区域教学研讨提供支撑,为学生的学习互动打破时间和空间的限制。利用物联网、互联网、云存储、云计算等技术,实现教育信息和资源在校内、校区、校际间互联互通、共建共享,消除教育资源信息孤岛。

  三、实施重点(一)智慧教室的设计智慧教室系统由智慧教室端和云端平台两部分构成,这也是智慧教室实施过程中的重点。智慧教室端以软硬件环境建设为主,云端平台强调应用级别的系统和平台建设。

  1.智慧教室端智慧教室端一般包括:基础设施系统、智慧教学系统、智能录播系统、智慧感知系统和增强现实及人工智能系统五部分,各个系统的层次结构和具体设备组成如下图所示:

  基础设施系统设计和建设时,应从建筑学、人体工程学、心理学等角度出发,保证教室布局的合理性和环境的舒适度,为教学提供可靠安全健康的空间环境。

  智慧教学系统包括多媒体教学系统、交互式教学系统以及考试巡查系统,其中,多媒体教学系统是智慧教室的核心组成部分,为智慧教学提供基础硬件支撑。交互式学习系统提供教学过程中的人机交互、师生交互以及远程交互,实现课堂的分组讨论和异地的协作学习,充分实现教与学的互动,同时实现师生的快捷访问云端海量资源和教育应用服务,打破传统的教学模式,激发学生的独立思考能力,打通学习过程中的各个环节。交互式学习环境是未来教室建设的主要内容,是教学应用的主要载体。考试巡查系统按照《国家教育考试网上巡查系统视频标准技术规范》JY/T-KS-JS-2017-1进行建设,可与智慧教学系统进行硬件设施的共建共享。

  智能录播系统实现对课堂教学的全过程记录和课堂再现,构建学校的课件资源库,学校可根据自身教学特点展开资源共享、教学评估等工作,真正将资源、教学结合到一起,达到资源的高效利用。

  智慧感知系统应能通过无线网或有线网将教室内的信息化设备物物相连并进行信息交换,实现身份、位置、资产等的智能化识别和空气质量、光照度等环境感知,对教室内的人、事、物、环境等全方位感知。

  增强现实及人工智能系统是在教学过程中充分结合学科特点和需求,融入移动端设备、可穿戴设备、3D打印、教学机器人等技术,实现课堂的物理空间与虚拟空间的无缝融合,使得学生更好的融入课堂教学情景和更加直观的获取知识。

  2.云端平台云端平台一般包括设备管理系统、教学管理系统、人工智能系统和大数据分析系统四部分。具体组成如下图所示:

  设备管理系统应实现对教室物理环境(包括:教室的灯光、窗帘、空调等)和智慧教学系统设备设施(包括:教室内的投影设备、教学电脑、监控摄像设备、显示设备、声控设备、门禁设备、考勤设备以及本地控制设备)的一体化控制和可视化管理,包括对各子系统设备的实时监控、安全监测、异常报警、远程控制和资产管理等,对各智慧教室内中软硬件装备、运行能耗等进行基于大数据的智能化分析,为智慧教室的运维提供支撑。

  教学管理系统为教学业务提供全方位支撑。在资源环境上,实现教学、教研资源的共建共享;在教学上,实现线上和线下相结合,正式学习和非正式学习相结合;在交互上,实现简单、自然、友好的人机交互,为学习者提供高效便捷的信息获取途径和交流空间;为教学巡视观摩活动提供便捷高效的窗口,实现对各智慧教室教学场景的全方位多维度展示。

  大数据分析系统在教学、教研中充分利用大数据智能分析能力,有效分析学生的学习态度、学习行为与学习能力,为教师提供准确深度的学情分析,为每个学习者提供个性化资源推送和学习支持。

  人工智能系统在教学过程中充分利用人工智能技术,以与学生充分的交互和数据获取为基础,在海量的教育数据中,匹配用户的学习需求,最终能够完成辅助教育和评估反馈,利用语音语义识别、图像识别、知识图谱和深度学习技术搜集学生学习数据并完成自动化辅导和答疑,实现智能测评,预测学生未来表现,智能化推荐最适合学生的内容,最终高效、显著地提升学习效果。

  各中小学在智慧教室的设计与建设中要与具体学科充分结合。针对学校的性质和学科特征设计不同的智慧教室,在教学活动设计中,要根据不同的学科,运用新的技术重构课堂、重构教学过程,重视引导,采用适应性方案评价学习结果;在学习方式上,要根据学科特点和学生特征,重构教室环境、建立群体协同知识建构;同时,结合学校教务管理需求和建设预算情况合理配置智慧教室端和云端平台各子系统。

  (二)智慧教室的管理智慧教室的管理主要是通过智慧教学管理服务中心来实现。该中心配置大屏拼接显示系统、值班工位、观摩评委席等,实现对各智慧教室的集中智能监管,该中心具备综合值班、教学观摩、远程管控、视频会议、应急指挥等多功能于一体,是智慧教学系统的集中地。通过教师端、云端平台以及智慧教学管理服务中心的建设,实现设备可视化管理、智能化教室联动以及云端的智能维护。

  1.设备可视化管理智慧教室平台采用先进的物联网技术,对教室内的投影设备、教学电脑、监控摄像设备、显示设备、声控设备、门禁设备、考勤设备、本地控制设备以及教室灯光、窗帘等室内环境设施进行智慧融合、集中控制,包括时序电源、设备开关、音频视频切换、考勤门禁控制和教室环境调节等功能,灵活管理教室设备设施,以智能的云端和终端操作界面,实现一体化控制和可视化管理。

  2.智能化教室联动把每一个教室作为一个互联网节点,通过智能化的云端管理平台,嵌入一体化的网络课表和教务安排,实现对每个教室的自动开启和关闭,以及根据教务安排和教室的利用情况进行智能排课,由原来的逐个教室管理、课表管理改变为联动管理、智能管理,节省教室管理的人力成本,提高教室的利用率和运行能力,提升整体管理水平。

  3.云端智能维护通过云端平台可将所有的运维工具集中部署在云端服务器上,实现对教室内的教学设备和相关信息设备进行实时监控、安全监测、异常报警、远程控制和资产管理。无论是对设备的开关、升级、故障判断、运行状态、软故障修复方面的自动化远程运行维护,还是对教室内信息资产状况的实时监视和智能分析,都可做到无缝覆盖。

  四、案例(一)案例概况以北京某附属中学智慧教室建设项目为例。该校为一校多址,学校在教育集团化办学思路下,充分发挥总校“优质资源龙头”的带头作用,大力发展下属分校信息化建设,该校坚持“资源共享、集中优势、保留特色、科学整合、协同创新、优质发展”六条基本原则的基础上,逐步统一课程、管理、招生、培养、教研、培训,并在课程体系、办学理念、培养方式、管理模式、教研培训等方面实现集团各校之间的深度融合,努力推动教育的均衡发展。

  为了给师生提供一个技术先进、功能全面、高效实用的智慧化教学环境,该校在各校址共建设了89间智慧教室,其中普通型智慧教室65间,交互型智慧教室24间。下面以1间70㎡的交互型智慧教室设计为例介绍智慧教室的设计思路及方案。

  根据学校使用需求,本智慧教室需具有以下功能:多媒体教学、分组教学、课程录制、课堂再现、教学巡视、听课评课、互动课堂、跨校区互动教研、在线学习、智能考勤、教室环境智能管控、资产管理等。

  项目总体上统筹成本、效率、先进、实用的原则,遵循整体规划、需求主导、资源整合、互联互通、信息共享、标准统一的策略,保障系统的先进性、可靠性、易用性和可维护性、可扩展性。

  (1)基础设施在基础设施方面,根据物理空间的面积和层高,合理规划教室的桌椅布局,设计成48席的交互型智慧教室。

  此教室支持6个小组,每个小组8个座位的分组教学,每个小组附近墙壁距离地面30cm,预留1个电源接口和1个网络接口。讲台预留1个电源接口和2个网络接口;教室WIFI网络全覆盖;照明设计讲台区域照度150至400Lx可调,学生区域照度200至400Lx可调;室内空调设置2台壁挂2匹的壁挂空调。

  (2)智慧教学在智慧教学方面,设置了多媒体教学系统和云交互系统,配置投影显示设备、扩声设备、本地控制设备、教师计算机、控制讲台、交互云课堂设备(教师端、学生端)、学生显示屏等。

  互动教学系统作为智慧教室的核心,互动教学系统集无线投屏、资源录制、资源点播、课堂直播于一体,通过互动教学网关革新了教学模式,让教师摆脱讲台的束缚,轻松实现移动授课,同时资源可以常态化生成,通过移动互联网共享给师生,从而形成课前、课中、课后的教学生态圈。

  课程开始前,老师准备好课程学习导读内容、录制视频、课件等课程资料,上传到云端平台;学生课前就能借助手机、PAD等移动端随时随地开展在线学习,打破传统学习空间限制,重构学习流程。

  这样智慧课堂不仅是个物理空间,还是资源共享和社交的空间。学生进入课堂前,就已经收到平台所提供的各种资源:包括课程导读、课件、自测题,可以非常方便让学生提前进行自学,学生通过自主学习,能得到更多知识,从而使得课堂上的讲授变得更加的专注,也能在课前更多的掌握学生对知识的理解程度。这种方式培养学生适应自主学习和终身学习也非常的有效。

  老师上传课件时不需要登录云端平台,只要电脑上安装发题助手软件,课前通过常用的office软件编辑完成之后,就可以直接在office里面点击“上传”按钮就直接传到平台了,不用登录切换到其他软件;上传以后,学生可以在手机APP上查看,方便快捷。

  除上传课件外,老师还可在课前使用云端平台发布学生学习要求,学生自己参照发布的预习要求开展自主式学习;传统课堂的45分钟是有限的,通过课程云平台可以将学习要求、拓展性的资源提供给学生,引导学生自主学习、满足其更深层次的学习需求。

  平台提供师生互动交流功能,可以让师生更多的交流,老师可以从学生的提问和交流中发现课程自学效果和反馈,从而更加完善自己的课堂教学。不仅在课前能随时与学生互动交流、沟通学习心得;也可以查看学生自学笔记,对学生自学笔记评论、回复、点赞,构建社交化学习机制。

  作为授课老师,教室里面的教学网关有无线投屏功能,支持多终端的投屏:使用个人电脑无线投屏,不管是Windows电脑还是Mac电脑,可以直接通过无线方式把画面投到大屏,同时教室里面的设备不再是通过线与线相连了,教室的环境也变得更加简洁;(2)学生通过移动设备(Android、iOS 手机和pad)也可以参与无线投屏,方便展示、交流和讨论。

  课堂场景自动生成系统能够真实记录课堂场景,无需教师操作,即可实现课堂场景的常态化录制,也可以直接用来进行课程直播,简单便捷。课后可以通过云端平台回放录像,也可以下载,录制视频图像比较清晰。

  另外,为发现个人教学不足和可改进点,在课程开展过程中,也可以邀请其他教师观看课堂直播,在观看直播过程中,观摩老师可以随时发表评论、交流,为教学工作提供指导和帮助。

  在讲课过程中,系统还可以自动根据老师的PPT章节的内容进行智能打点,这样每个重要的位置都自动生成一个索引。这样老师或学生在课后查看录像时可以根据这些索引快速找到相应章节内容的视频节点,使用起来比较方便。

  课堂反馈,传统的做法往往都是老师提问、学生举手、老师大概看看人数,或者是让少部分人来回答。但在智慧课堂中,老师在讲课过程中,可以随时一键发起课堂提问/测验,学生的手机都能同步收到问题,回答以后老师马上就能知道每个答案有多少人选择,每个学生的具体答题情况,实时了解知识点掌握情况;而且学生回答问题的情况可以作为平时成绩,自动记录到数据库,一学期结束每个学生课堂表现情况一目了然。

  课堂互动反馈系统,是老师在课堂上最常使用的一种手段,它既能使课堂更加活跃,又能提醒学生当前的注意力,还能在课堂上瞬间分析处理学生反馈结果,掌握当前学生对课堂知识内容的掌握程度,便于老师随时调整讲授的进度和难易程度。

  传统课堂的45分钟是有限的,课后通过云端平台可以把课堂录播视频、课后拓展阅读资料提供给学生,学生可以回顾课堂重点、完成课后作业,满足深层学习需求。每节课都是一个节点,以这节课为中心,汇聚课程所有相关内容资料(如导学材料、课件、课堂视频、课堂测验等),便于学生对课堂整体过程回顾。

  每节课结束后,打开移动端APP,通过“作业”这个功能,给学生布置课后作业;这样学生打开APP(学生端)后,可以查看该课程下布置的作业并可以随时随地跟学生进行交流,实现课堂的有效延展。

  课程结束后,老师可以通过APP随时随地与学生互动交流、沟通了解学生课堂学习情况、解答学生存在疑问,以提高学生学习积极性、巩固课堂学习知识。

  课程结束后,打开APP,查看课堂上的历史提问/测验作答情况,系统会自动统计出上课期间测试试题的数量、每道试题学生作答情况(最高分、最低分、平均分等),用于分析优化课堂教学工作。

  通过智慧教室、云端平台、APP等应用,将线上线下教学相融合,重新分配设计课堂时间,强调以学习者为中心、强调互动、寻求真实问题的解决方案,促进更多的自主学习和协作。

  (3)智能录播智能录播系统主要实现智慧教室内视音频信号的实时采集,设置教师摄像机、学生摄像机、吊麦等音视频采集设备、音频处理器、导播设备、录播主机等。其中教室摄像机安装于教室后面,用于拍摄老师授课场景,学生摄像机安装于教室前方,用于拍摄学生听课场景。

  (4)智慧感知在智慧感知系统方面,在教室门口安装教室智能管理终端,用于课程信息、考勤信息、教室视频、考场安排及座位安排、学校通知通告发布、天气预报等的展示。在教室内设置环境智能管控系统,通过部署前端智能传感器设备感知教室实时的温湿度、光照度等环境参数,通过中央管控系统自动配置不同的控制策略,对教室内各种设备进行控制;用户可通过手机、智能控制PAD等移动终端查看教室温湿度、照度的实时信息,实现对教室内的空调、窗帘、灯光等设备的控制。

  2.云端平台设计云端平台部署于总校的教学管理服务中心,该中心面积约为120㎡,是集综合值班、教学观摩、考试巡查、远程管控、视频会议、应急指挥等六位一体的多功能中心,该中心分为LCD拼接显示墙、值班和控制区、指挥观摩区和设备间。平面布局示意图如下:

  通过云端平台的建设实现对所有智慧教室的可视化智能管理,建立资源共建共享中心,对全校的资源进行统一管理。设备管理系统实现远程控制和管理教室内的多媒体设备,可完成整个教学过程的实时监控,可以远程控制和管理教室的设备,实现设备远程检测和远程诊断。教学管理系统构建易于分享的教学云资源中心,构建自管理、自决策的教学管理体系,为老师、学生和管理者提供全面的教、学、管一体化服务,实现了教学计划、教学评估、考勤管理、教务信息传播发布等教务工作的网络化、一体化、联动化和智能化,为推进教学方法的变革提供了有效的管理和服务手段。主要功能为以下:

  云端平台所搭建面向全校的一个开放式的资源共建共享平台,融合了学校各类优秀资源,是全校教学资源共建共享的多功能资源平台。教学工作中产生的各种各样的课件、录像、声音,以多媒体教学资源库的形式分类存放于教学资源中心,无论是常规录播的课程、个性化的课件、轻量化的讲义或笔记,无论是教师、学生或管理者及家长,都可以通过云端的教学资源中心上传或下载、点播、在线观看,有利于师生丰富校园生活,开阔视野,进行自主学习。包括资源中心、同步课堂、课堂再现、听课评课、教学巡视等功能。

  云端平台为教学评估提供了多维度的支撑。智慧教室能够提供革命性的教学方式,不仅表现在教学评估的多手段、多渠道上,还支持不同教、学对象的交互评价。无论是通过云端管理平台,还是教学端的云客户端,无论是教学管理者,还是教师之间,都可以对教师的课堂教学、课件资源、学生的听课效果做出全方位、立体化的评价。不仅支持教学管理者进行专业的评价,也支持教师之间的互相评价,甚至老师的自我评价和学生的在线评价、留言评价,这些评价可以作为专业评价的补充进入教务系统,为提升教学质量提供参考依据。

  云端平台实现无感知考勤。智慧教室系统无缝集成校园一卡通系统,可以对教师、学生的身份根据课表和教室的一体化安排进行智能感知和判断,不仅提供精确的身份认证信息,还支持人、课、教室三位一体的考勤判定,并将这些考勤签到情况接入学校教务系统,为学校教学管理工作提供准确的数据支撑。

  云端平台为教务、管理信息的发布提供了多种信息通道,即支持云端平台的统一发布和智能推送,也支持通过智能终端设备的定向人群推送、群组推送功能。无论校园网、移动网络、互联网还是物联网,信息发布渠道都是畅通的。

  3.主要设备清单(三)实施效果通过智慧教室的建设,构建智慧教学形态体系,打造易于分享的互联网教学云资源社区,构建自管理、自决策的业务服务体系。

  1.多模式的网络录课智慧教室提供了先进的课堂录播模式,一方面支持教学管理者进行常态化录播,另一方面也支持学生和教师进行多模式录播。

  常态化录播主要用于标准化课堂、精品课堂,满足规范性教学的音视频教学要求。多模式录播适用于学生笔记、讲义备注和要点采集,通过智能终端,使用系统提供的轻量化方法将课堂内容的多媒体信息节约采集为图片、声音、板书等可以自由组合的电子笔记,便于复习、讨论和分享。

  2.多画面的课程点播无论是常态化录播的教学资源,还是通过轻量化方法录播的电子笔记,以及教师和学生们根据课堂内容分享的各类教学资源,都可以通过智慧教室云中心将这些资源上传和分类存储。智慧教室提供易于分享的教学资源社区,即支持常规网络课堂的多画面课程点播,主要用于常规教学;也支持通过智能终端的轻量化模式的多画面点播,主要用于课后复习、自我学习、交流讨论等。

  3.多形态的教学课堂智慧教室的革新之处在于支持多形态的教学课堂,不仅支持灌输式的教学课堂、师生交互式的课堂,更是通过智慧教室云中心和教师端的教学云Pad、学生端的智能云手机为以学生的发展为根本的“生命课堂”、“反转课堂”提供了高度适宜的信息化教学环境,对于教学理念的变革和教学方法的创新都是一个很好的提升。

  此外,无论是同步课堂、大班教学、网络视频教学还是移动教学,智慧教室都能够采用先进的影音传送技术及高品质、高画质的影音服务,将不同的课堂内容传送到网络中,完美实现资源的充分利用和有效共享。

  4.一体化的网络课表智慧教室将网络课表与教学计划、教室、教师、学生、教室管理者、教务管理者有机的结合在一起,将教学课程的执行与教室使用和管理、教师以及学生的考勤签到有机的结合在一起,将固定教室的课表与公共教室、临时教室的课表实时的结合在一起,真正实现了教务工作的一体化管理,同步管理。

  5.多手段的教学互动智慧教室利用先进的技术手段,解决当前教学过程中互动手段少、互动模式僵化的问题。不仅提供了易交互的双屏互动功能,还可以通过云Pad、云手机实现师生间的教学联动、分组讨论、交互解答、专题发言、学习评价、复习指导、团队协作等先进的教与学方法互动。

  6.强交互的教学终端智慧教室采用先进的移动平台框架支撑技术,不仅支持IOS、安卓等主流移动操作系统智能终端设备的接入,还集成了无线投屏、多格式音视频接入功能。无论是教师利用专属Pad或自有Pad,无论学生使用何种Pad或智能手机,智慧教室都可以实现这些设备间的移动交互、无线屏幕互动以及教学资源、教务信息的同步,强大的教学云终端平台成为当前教学方式变革的有力助手,为教学体制的创新带来积极的促进作用。

  通过交互型智慧教室的建设,为师生创建了360度的交流空间,通过常态化录播、多媒体教学,让教师从原来的讲台上走下来,拉近师生距离,促进互动交流,同时也达到了授课、研讨两相宜的效果。

  (四)案例拓展通过以上案例的分析,智慧教室的创新应用与优势已经很明确,主要体现为以下两个层面:

  1.技术层面:信息技术融合创新应用。智慧教室充分考虑物理空间和各种技术装备的优化融合,借助互联网、物联网、云计算、大数据、增强现实、移动终端、交互电视等信息技术,向师生提供智慧服务,如智能跟踪和记录、无障碍交互、智能管理和推送、远程教学与协作等,为师生提供全新的教学环境。

  2.教育层面:适合多模式教学。在智慧教室中的教学活动不再是传统的“灌输式”教学,而是更倾向于情景探究式、问题探究式、远程协同式和体验式的教学模式。智慧教室具有:高度互动、协作学习、真实情景和个性化教学等关键特征,充分围绕“以学生为中心”,引导学生主动学习、积极思考、发挥自我、参与实践的能力,充分展现未来课堂的特色。

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