高校智慧教室建设的研究与探索

关键词：智慧教室；实践教学；智慧生态系统；建设；创新

中图分类号：TP393 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2024）25-0024-03

0 引言

2018年教育部印发《教育部关于加快建设高水平本科教育全面提高人才培养能力的意见》提出以构建网络化、数字化、个性化、智能化、智慧化的教育体系，实现服务全局、完善机制、融合创新、深化应用的工作目标[1]。智慧教室是教学改革的实践主战场，是教育信息化、智慧化的核心场景，是智慧校园重要的组成部分，利用信息技术转变教学模式，改进教学管理，促进信息技术与教育教学融合发展。

1 智慧教室建设实践

国内各高校通过结合自身的特点，利用先进的信息技术，搭建不同的智慧教室教学环境，以带动教学模式的改变与创新。清华大学应对新科技革命时代的教育变革，搭建人工智能实验室，依托物联网技术、大数据技术、学习分析技术等智能技术，集成建设一体化的教室智能视听设备，在教室内运行智慧学习系统、智慧教学系统等多个智慧应用系统; 西北师范大学开展人工智能教育相关研究，探索多方联合培养指导专业研究生，提升学生信息科技课程与教育教学能力，数字资源、教育软件设计与开发等实践应用能力，并依托相关培训项目开展智能教育相关的教师培训; 西南大学搭建“产教融合、校企合作、产学结合”的智慧教育产教研合作平台，覆盖教学、学习、教研、评价、测评、管理等多个板块，赋能学校建设高水平的教育科学研究中心与高质量的人才培养基地[2]。

2 东北农业大学智慧教室建设

东北农业大学以“智慧教室，智慧管理”为建设理念建设智慧教室，打造智慧教室生态系统，共建设探究性智慧教室1间，智慧云教室9间，智慧授导教室50 间。智能考勤及学情分析系统基于国内领先的“人工智能技术”，可以同时对教室内学生进行人脸识别分析对比，确保能够真实、准确地对整体授课质量和听讲质量进行评估，并保存相关分析数据，在智慧教室云平台中以图表的形式方便各级教学管理者进行查阅。东北农业大学智慧教室应用规划图如图1所示。

2.1 建设智能考勤系统

智能考勤系统通过人工智能人脸检测算法，对装在教室内的摄像机识别出教室内的学生人脸，进行识别比对，实现人脸识别考勤功能。考勤系统与学校教务系统相对接，可获取学生相关信息作为考勤基础数据；通过人脸识别比对进行日常考勤，支持 N对N人脸识别模式，建设采用智能班牌、考勤终端、智慧教育云平台、智慧互动课堂系统四位一体模式。

智慧教室班牌以云平台、云服务器为基础，优化教育数据储存于班牌管理系统，利用统一的资源内容储存、交流、共享，支持基础数据管理、统一身份认证、多种接口服务；外接话机、门禁设备，实时更新数据，显示上课课表、学生出勤，界面清晰流畅，模块灵活可变；内置麦克风和摄像头，多点可触摸屏幕，便于查阅操作，人脸识别，智能开关教室门，实现教室无人化管理。前、后端考勤摄像机与考勤终端相结合，考勤终端负责进行考勤分析工作，采用CPU+GPU架构，使用深度学习框架下的智能算法对教室出勤人员进行动态抓图与考勤分析，对一间教室内的多台摄像机进行图像分析处理，课堂学生面部信息与教务系统原始库中的学生面部信息进行实时比对。一台终端可同时支持两间标准的教室使用，采用实时扫描工作模式，结果通过网络发送给智慧教育云平台，智慧教室云平台对结果数据进行整合，通过图表的方式，以直观的形态展现给各级教育管理者，方便其查阅相关考勤数据，将识别后的人员与未识别的人员等数据进行分类展示。智慧教室互动课堂系统应用移动端设备进行日常考勤管理，根据教务系统生成课表，还可实现课前预习、课中课堂互动学习、课后教学资源点播复习。智慧教室云平台最后将课前、课中、课后数据关联，对数据进行整合、分析，实时更新，为辅助教学教研督导评估提供数据支撑。同时，智慧教室互动课堂系统能使教师和学生等教学参与者获得准确的课堂考勤情况[3-4]。学生课堂考勤数据统计表如图2所示。

2.2 构建学情分析系统

学情分析系统根据人工智能技术的学习算法对课堂场景进行分析，实时记录教室内教学场景、行为、统计出勤率，可对教室进行循环检索，实现动态采集；支持课堂活跃度线性显示，支持低头率、抬头率课堂视频数据的采集；学情分析结果以曲线图表展示，可进行数据对比，形成教室、教师、学生多层级数据分析；通过管理平台登录学情分析系统，对课堂教学行为进行汇总整理，进行日、周、月数据统计，得到日常教师教学质量评估数据。可视化数据看板集中展现区域信息化建设成果，应用趋势分析、数据对比、细分追溯等方式进行可视化呈现，使其更清晰了解设备实际使用情况，能加强对课堂的管理，让管理者学情分析有据可依，管理方向有迹可循，为智慧信息化建设提供数据支撑。学生课堂行为分析统计表如图3所示。

2.3 采用智慧教室导播系统

智慧教室导播系统具有视频输出监视和备播窗口，支持不少于12路信号的加载预览，能对设备进行管理、控制和操作。远程控制通过浏览器输入IP地址，对导播进行远程控制管理，与图像定位结合自动切换教师视频、学生视频和教学设备屏幕视频，可添加多种自定义导播规则，灵活使用，丰富课件效果。智慧教室导播系统也支持添加片头、片尾、字幕、自定义添加图片、文字、logo，可自定义多视频叠加，将多个视频叠加在同一个视频窗体中。完整地记录有效的课堂教学信息，生成优质教学资源，记录教师的音视频信息、学生的音视频信息、学生画面和问答学生声音，能够将计算机屏幕内容，电子白板内容等完全录制下来。通用的播放器及IE浏览器均可以实现录制课件的播放，支持FTP自动上传和手动上传课件到资源管理平台，实现资源共享。

2.4 部署智慧教室生态系统

智慧教室生态系统以学校现有校园网络为基础，将管理平台与学校旧系统相关联，建设智慧教室综合管理平台，其具有以下功能及特点：

1） 支持统一身份认证功能、统一应用中心页面设计与模块维护及多媒体教室、课堂记录教室、互动教学、教学考勤、教务系统、教学反馈、多媒体运维等系统进行统一界面管理；支持直播课堂功能模块显示、课堂记录课堂功能模块显示、个人空间功能模块显示、课程中心功能模块显示。

2） 为学校平台数据提供数据处理支撑服务，实行分级分布式部署、平台与数据分离，与教务排课系统相对接，实现数据共享；支持平台数据统计，点击量排行、视频量排行、学习时长排行、在线用户等数据统计；根据学校设备实际使用率、动态分析设备活跃数据、软件使用变化、网址浏览情况；智能分析、识别设备存在的潜在风险，根据风险机制及时设置应急管理策略，规避设备风险，提升设备使用安全率。

3） 课堂录制模组进行课堂视频录制，四分屏记录上课全过程，课程名称、教室名称、教师名、上课时间、上课班次均可查询相关课程。系统每天凌晨准时上传录制视频到管理平台，创建与展示列表模式和课表模式的课堂记录计划，方便用户对课堂记录计划进行管理，通过移动端进行课程直播、点播观看，进行巡课。在手机端建立课表，下发给学生进行签到，教师进行课前考勤，根据课前准备数据反馈，教师设置抢答题、课堂展示等多种类互动内容，丰富课堂环节，充分提高学生的积极性和上课的快捷性，实现互动教学教研。

4） 实时观摩课堂教学，满足不同权限观摩课堂要求。巡课信息展示包括PPT课件、教室全景、教师特写、学生特写等画面，可随时进行多屏切换，展示学生出勤情况；系统支持摄像机远程控制功能，进行教室换面切换巡课，通过智慧教室教学可视化运行中心，与课表对接实现多间教室管理，对教室人数、班级课程、教师、学生听课行为等信息显示，实现教室统一监管[5]，系统通过在线编辑功能，对PPT课件进行线上编辑，对已录制的课程视频进行剪裁、编辑、下载等操作，并根据实际需要对时间、地点、标题等添加索引，对视频的声音进行优化处理，体现其独特性。系统的文件均支持云端保存和下载。

5） 通过统一分析前端教室产生的数据，进行数据分析。数据分析包含各区域占比数据、教室使用数据、教师教学数据、学生学习数据、设备运行数据、教学资源数据等，通过智慧教室教学可视化管理运行平台进行大数据统计分析，辅助教育管理者教学教研，为教学质量评价评估、教师自身发展、学生学习培养方向提供了有力依据[6]。

3 智慧教室建设的探索

东北农业大学智慧教室以信息技术与教育教学的深度融合为核心理念，以建设、应用和共享优质数字教育资源为目标，通过优化顶层设计、明确建设标准、细化建设任务、集中建设基础设施、提升运维管理能力等方法，实现信息化水平的整体提升。

东北农业大学智慧教室以常态化的全自动大规模课堂记录模式，无须人为干预进行教室内画面的采集录制，形成课件。采用触摸一体机实现全触摸教学，为教师、学生提供无尘教学与学习。教师与学生可进行实时的课堂内容互动，提高了学习效率，实现了教室间的互动教学，打破教室与空间的限制，通过网络与本校或其他院校形成网络化互动教学。通过对名校名师的授课现场及授课过程实时直播及资源平台进行点播，形成教学反馈资源，学生课后可通过学校资源管理软件在客户端点播优秀教师的课堂记录课件进行自主学习[7]。

智能控制系统实现了一键式控制，弥补了不同教师在多媒体应用中的不足，无须专业培训即可进行教室内设备的控制操作，形成多种教学环境的搭建，完美结合了互动教室的应用情况，无须额外地支付装修及建设费用，一套设备实现多种应用的建设。通过教育信息化建设的实施，创新教学模式、培育新的教学理念、构建新的教师角色、完善新的学习工具、开拓新的办学模式并且通过教育信息化起步、应用、融合、创新的四个阶段，利用信息技术驱动教育教学创新。

平台统一管理实现了各楼区统一管理规划，实现教学评估督导。通过统一部署全面提升学校的软硬件信息化环境、总控室系统等硬件设备。通过系统管理平台实现教室间实时互动、同步直播、教学实况录制、远程督导教学、校园安全监管等，以供教学观摩，开展智能化、全交互网络化教学，实现督导教研进行可视化教学教研，实现远程教育会议，实现教师交流，实现师生远程互动教学，实现教育资源共享，实现教育均衡化[8]。

智慧教室在教学使用过程中也衍生出与传统教室教学不同的问题：网络延迟、波动会导致直播或视频下载的不稳定；视频画面的清晰度会影响观感；教室格局的不同直接影响声音的传输质量；学生上课的动作影响考勤的准确性；不同年龄的教师对新设备的接受能力不同导致使用舒适度有明显差异；新设备外接入会有稳定性及兼容性问题等。此外，如何使智慧教室更加智慧仍需进一步探索和研究。这些情况均需要在智慧教室使用过程中不断改进和完善。

4 结束语

东北农业大学智慧教室的建设实现了学校师资队伍建设的专业化，科学分析了学科专业发展前景，合理制定了师生发展计划，着力改善了师资队伍结构，加强了专业人才队伍建设，探索完善了教学管理制度，构建了有效的人才培养与人才使用融通渠道，有利于推进教学改革。同时智慧教室的建设运用了教学新模式，优化了课程资源储备，转变了教学模式，提升了实践教学，培养了学生专业能力和创新意识，为建立完备的教学质量保障体系、实现教学评价多样化、教学方法新型化、教学应用管理先进化提供了有力保障，为建设智慧化校园、构建教育新发展理念提供了重要数据支撑和实践经验。