1.前言1.1背景
教育信息化是衡量一个国家和地区教育发展水平的重要标志，实现教育现代化、创新教学模式、提高教育质量，迫切需要大力推进教育信息化。根据《国家中长期教育改革发展纲要（2010-2020）》、《教育信息化十年发展规划（2010-2020）》、《数字校园示范校建设指南（试行）》强调：要大力推进“三通两平台”建设，即宽带网络校校通、优质资源班班通、网络学习空间人人通，建设教育资源公共服务平台、教育管理公共服务平台。力争实现四个新突破，即教育信息化基础设施建设新突破、优质数字教育资源共建共享新突破、信息技术与教育教学深度融合新突破、教育信息化科学发展机制新突破。
《教育信息化2.0行动计划》明确提出：构建智慧学习支持环境。开展以学习者为中心的智能化教学支持环境建设，推动人工智能在教学、管理等方面的全流程，加强智慧学习的理论研究与顶层设计，推进技术开发与实践应用，提高人才培养质量。大力推进智能教育，利用智能技术加快推动人才培养模式、教学方法改革，探索泛在、灵活、智能的教育教学新环境建设与应用模式。
加快面向下一代网络的高校智能学习体系建设。适应5G网络技术发展，服务全时域、全空域、全受众的智能学习新要求，以增强知识传授、能力培养和素质提升的效率和效果为重点，以国家精品在线开放课程、示范性虚拟仿真实验教学项目等建设为载体，加强大容量智能教学资源建设，加快建设在线智能教室、智能实验室、虚拟工厂（医院）等智能学习空间，积极探索基于区块链、大数据等新技术的智能学习效果记录、转移、交换、认证等有效方式，形成泛在化、智能化学习体系，推进信息技术和智能技术深度融入教育教学全过程，打造教育发展国际竞争新增长极。
智慧教室是智慧学习环境的重要组成部分。智慧教室的建设将为学习者提供深层次交流的环境，拓展创新空间，丰富知识建构的广度和深度，为其学习提供丰富的支持环境。1.2意义
课堂教学环节是学生接受系统教育最重要的一环，做好教学互动环节，是掌
握好教学环节的质量，提高教学水平的关键。现行的教学过程中，传统的讲解环节、疑问确认环节、提问互动环节、课堂小测试环节存在诸多问题，已经不适应现代化教学的需要。随着信息技术的发展，新的教育技术手段不断涌现，教学模式也在不断发生变化，逐渐从单纯的知识传授向素质培养方面转变，从教师的宣讲向教与学的互动方面转变，从固定模式教学环境到移动可便携模式教学环境方向转变，从单一学生独立思考与完成模式向单人独立思考和小组合作协同模式方向转变。因此，智慧课堂作为一种新型的教育形式和现代化教学手段，综合解决教育教学过程当中遇到的问题，增强师生互动能力，从而提升综合教学质量。智慧课堂正是在这种趋势下逐渐融入到现代化课堂教训环境中并推广应用。1.3特点
智慧教室系统整合教学过程的课前、课中、课后、课外各环节，使用多种硬件平台，通过网络互联，将教师端与学生端、教师资源与学生资源，教育云资源等多种平台连接起来实现无差别实时全方位的互动教学模式。与传统教学模式相比，智慧教室的教学模式改变包括如下内容，如下图。
智慧课堂系统的特点
升级传统教学，促进教师整合资源和教学能力，提高学生知识应用能力、自主创新思考能力、探究学习合作协同能力。
无线多屏互动技术，学习与分享同步，权限控制、跨平台多点交互。情景创设与活动工具，助力教师针对性制定更高效的交互课堂。小组合作协同模式与即时反馈融合，快速呈现结果。
个人学习空间满足进阶式教学。多种教学互动场景与功能推动探究式教学模式、启发式教学模式、讨论式教学模式等创新型教学理念的研究与实现，并同时支持多种教学终端。
课堂反馈更及时。智慧课堂允许学生和教师在开课前掌握预习情况，并在课堂上导入课前作业进行讲评，老师主持与指导学生进行教学活动，通过课堂及时反馈系统生成质量报告。
教学环境自动感知。能够自动测评系统环境，与教学互动数据进行融合，生成课堂数据。
2.系统设计2.1系统架构
智慧教室是依托硬件系统、应用软件系统和资源平台整合构建的新型课堂交互教学系统。如下图所示：
2.2设计原则
智慧教室系统设计整体上遵循以下的原则进行规划。
统一性：整个系统采用硬件、软件和资源平台构建，统一的用户界面，免除用户分散独立使用各功能模块的烦恼。
先进性：以互联网技术为核心，以先进、成熟的技术支持课堂教学数据、语音、视频等多媒体交互应用。
实用性：系统设计符合国际相关标准和技术规范，设计简洁、操作方便。充分利用各种资源，使用户实现各种功能。
稳定性：系统产品和技术经过实际应用，充分考虑系统在程序运行时的
应变能力和容错能力，具有极高的稳定性和可靠性。
兼容性：支持Windows、Andriod、IOS等各种操作系统终端,包括不同操作系统的终端混合使用。
扩充性：系统架构设计合理，考虑对于未来的发展，设计充分考虑今后扩展的要求。包括与其它应用系统之间的互联以及系统的扩容能力等，在满足现有系统互联的前提下，能够很好的适应未来信息系统增长的需要。
安全性：在系统软设计与建设中，充分考虑系统的安全，包括数据安全、网络安全，传输安全，管理安全等。
2.3设计目标
智慧教室实现课前教师备课学生预习、课中互动教学、课后反馈与作业辅导三大功能，完美解决了同步交互、设备无缝对接交互的关键问题，为老师和学生提供了一种高效的“教”与“学”模式。系统为实现“移动和全交互的课堂”和学生随时随地碎片化学习提供了全面支撑。本系统设计目标是为用户提供一套完整的交互课堂解决方案。
将传统教室改造成支持师生全交互参与的智慧教室。
建设智慧教学平台，为学生课前预习、课后作业辅导提供支持。实现学生自主学习、充分享受优质资源最佳的主动学习环境。
全面提升学校的软硬件的信息化环境并构建整合统一的系统。通过大数据提供决策支持。
开放的优质教育资源为教师提供服务。
为学校发展积累丰富的教育教学资源，形成学校优质资源和特色资源。促进教学信息化建设的进程，统一优质教学资源的标准，提升教育信息化水平，从而推进义务教育均衡发展，提高教育质量。
利用各种教学资源，激发学生的学习兴趣，培养学生的自主学习能力和团结合作能力。
3.云学习平台3.1云学习平台
在线开放课程平台建设主要由在线学习中心平台、个性化用户平台、课堂学
习平台和智能化绩效评估管理平台组成。
其中，在线学习中心平台遵循国家标准，建立校内在线开放课程建设与应用的中心平台，为学校构造能够满足教学资源建设长期持续发展的应用框架，实现支撑平台的集中化。
在线学习中心平台建设总体思路主要包括以下模块：3.1.1在线开放课程子系统
（1）设定课程元数据，包含课程名称、所属专业、课程属性、学时等。系统提供多套课程模板，供教师选课时选择。
（2）课程建设涵盖在线开放课程MOOC和SPOC的建设理念。可以将教学内容和教学活动有机的组织在一起，课程负责人可按一定逻辑组织课程结构，可以直接调用该专业知识技能树中的全部或部分结构。
（3）课程结构树通过可扩展目录树管理。课程内容组织框架具体为：章（项目），节（任务），知识点。
（4）课程内容组建时，支持添加以下内容：
素材或组件：能够调用资源库的素材，并能正常播放。
富文本：在线文档编辑器,主要用于让用户在网站上获得所见即所得编辑效果.它能够处理有格式的文本，还可以显示字体、颜色、链接、嵌入的图像,视频等。
测试：教师可以为本知识点添加一组客观测试题，评测学生针对该知识点的掌握程度。
讨论：教师可以为本知识点添加一个讨论话题，供学生针对该知识点进行在线文字、语音、视频讨论，或发布文件。
作业：布置主观试题的作业，可上传视频附件并直接播放。
学习评价：支持进行小组自评、互评、教师评价、外部评价的打分及统计汇总，形成本知识点的综合测评成绩。
（5）课程负责人可以添加常见题目，形成题库。（6）按照专业、课程、名称进行检索。（7）提供课程点击次数、学习人数。
3.1.2成绩管理子系统
（1）教师可以布置作业，设置开始、截至日期，作业的分值、所属课程、章节、适用班级。查看在题目作业中，学校教师、助教可录入或导入试题，并可利用题库中的试题组卷测试或安排学生自测。可以选择要布置的班级对象。
（2）学生能及时查看到教师发布的作业。提供在线作业的方式。作业完成后，能查看作业的答案、批阅情况以及成绩。
（3）可进行试题库建设，或进行试题库的批量导入。3.1.3学习行为管理子系统
（1）系统记录学习者从登录平台开始的所有操作及页面停留时间、登陆次数、登陆时长、浏览地址信息等数据。
（2）学习者可查看自己的学习状态，可查看自己已经学习和尚未学习的内容。用可视化的方式呈现学习轨迹。查看个人成绩统计。包括资源、作业、讨论等学习情况等，并生成得分。学生可以查看自己的学习记录，包括登录次数、在线时长、学习进度、讨论参与情况、作业和考试完成情况等，可以导出功能个人学习统计数据。
3.1.4智能化绩效评估管理平台
教学数据中心模块。基于分布式存储技术、云计算技术、大数据分析技术实现，实现上层各业务系统之间的数据共享、数据交换，提供统一账户、数据维护、数据备份、数据安全等管理功能。
终身学习账号模块。学生必须先在学习平台进行账号注册，开启个人学分银行系统，同时与学习空间个人中心对接，学生可在个人中心查询个人学分档案。学生在教学云平台中学习的课程会转换为学分在个人中心累计，最终完成学分的累计及转换。
多维数据分析模块。通过数据建模组件和可视化报告编辑组件，实现对教学数据中心的多维分析。
主要功能描述：
（1）通过数据建模：构建专业分析框架，对专业建设进行量化考核。
（2）数据分析：根据模型，利用大数据工具，进行专业分析。能够对用户情况进行数据建模并进行深度分析，包括用户类型、用户分布等信息。
（3）素材分析。可以按照媒体类型、版权分布、应用类型等进行分析。（4）课程分析。构建课程分析框架，通过对课程资源建设、互动、评价等多个维度对课程进行量化考核。
（5）题库分析。可以按照题目分布、使用分布、做题分布等多个维度进行分析。可以按照访问设备、时间段、访问时间等进行数据建模并进行数据分析。深度分析资源应用、课堂互动等数据，并进行分类统计。
（6）可以按照课程、教师等维度进行备课、作业批改、答疑、考试评阅等教学行为的分析。
（7）根据课堂的互动指标体系，构建课堂分析框架，对课堂进行量化考核。
4.标准智慧教室4.1课堂描述
标准智慧教室主要用于“传递-接受”式教学模式，该教室主要用于支持以讲授为主的课堂教学。它有以下影响：
标准智慧教室对教师的影响
（1）提高教学效益，使教学的计划性更强。
教师不仅用智慧学习平台，同时智慧学习平台也是教师备课的好帮手。教师可以把整个教学过程储存在自己的文件夹中，成为自己教学的电子档案和课程资源，成为教师今后授课、总结和反思等促进教师专业发展的资源基础。（2）老师角色改变，由讲授者变为引导者
传统的教学活动以老师为中心，老师通过讲授把知识传达或者灌输给学生，智慧课堂就很好的解决了传统教学的弊端，以学生为中心，让学生参与到课堂中，激发了学生的学习意向，增强了学习效果。智慧课堂对学生学习的影响
（1）能提高学生的注意力和理解力。
相对于传统的黑板教学，交互式智能触摸屏的视觉效果，比如色彩、隐藏、动画等多种教学功能，能够极大地吸引学生的注意力，并利用多元智能理论，帮助学生更好地理解和掌握知识。尤其是学习一些比较抽象的知识和概念时，交互
式智能触摸屏为学生提供了多种分析和解决问题的方法和思路。（2）能提高学生的记忆力和学习效率
研究表明，图像记忆法是目前记忆效果最好的一种方法，而在智慧课堂中，老师要经常运用智能辅助工具把抽象的知识点用图像的形式呈现，并让学生参与到课堂中来，大大提高了学生对知识点的记忆力，也提高了学生的学习效率
（3）便于学生复习以往的知识内容并促进学生掌握新知识。
由于交互式智能触摸屏可以记录教师以往授课内容和过程（包括学生的学习过程），有利于学生巩固和回忆旧知识及概念，从而促进学生学习和掌握新知识。
（4）有利于调动学生在课堂上主动学习的积极性和参与性。
有研究表明，交互式教学更强调学生的参与和师生、生生的互动，使原来课堂教学中学生不注意听讲、做小动作、随意说话等现象大大减少，提高了学生的学习质量、学习动力和学习自信心。
（5）学生角色由被动接受变成主动探索
传统的教学模式学生扮演接受者的角色，被动接受老师的授课，而智慧课堂以学生的参与和体验为主，枯燥的知识也通过活动变得鲜活起来，启发学生主动探索，调动起学生的积极性4.2课堂构成
智慧教室是基于新一代信息技术，无缝融合物理空间与虚拟空间，实现以学习者为中心的新型教学环境。其构成包括智能服务、智慧课堂、交互技术、内容呈现、物联集控、基础环境六个部分。
1.智能服务
智能微服务组件是智慧教室的核心组件之一。负责智慧教室的运算、存储、网络收发等一系列功能。通过智能微服务组件，快速构建教室内的“无线局域网”，从而将各种移动设备互联互通，支持安卓、苹果、windows等多操作系统。并且，在学校无互联网的条件下，保证教室内的各种交互畅通，节省大量互联网资源的占用；当连接互联网时，可以实现教室的跨越空间的信息传输。本组件广泛适合各类网络环境下的教室应用。智能微服务组件提供的存储功能，教师可以方便直接地将当堂课程进行本地化存储，学生可以随时随地的重复学习。同时，依据需要，对内容进行审核可以将内容手动或自动上传到智慧学习平台。2.智慧课堂
教师可以将课前准备的各种资源随时导入课堂教学，并可以开展教学，实现教学互动：签到、测验、讨论、课堂表现、头脑风暴、提问、评价等。
智慧课堂采用微信+PPT的解决方案，更加贴近教师的日常应用，便捷而高效。
智慧课堂由课堂管理、课堂互动、课堂教学、现场演示等组件组成。课堂管理组件是一款提供用户身份管理、设备管理、考勤管理的系统，身份管理结合教学云平台为教师、学生提供唯一的身份ID，实现账号的统一管理统一登录；考勤管理借助网络将考勤设备同教学云平台结合，考勤数据上传到教学平台，支持实时查询、生成考勤报告。课堂互动组件是一款通过教师端与学生端的连接，可实现课堂连接、分组互动、课堂举手、电子抢答、实时反馈、通知与警告、软件更新等功能。课堂教学组件，以终端模式支持多种设备、系统下接入教学云平台，将平台上的虚拟班级同现实班级结合，提供随时随地教学过程管理和在线学习的应用服务，同时将课堂产生的数据实现同步到平台，为教学数据中心提供基础数据。
（1）备课，教师可以编制PPT，调取学习平台资源，快速完成备课。（2）分组管理，教师可以自动分组和人工分组。对于自动分组，教师可以设置分组条件，系统根据签到学生情况，自动完成分组。对于人工分组，教师可以指定各学生组成员。
（3）身份管理，结合教学云平台为教师、学生提供唯一的身份ID，实现账号的统一管理统一登录。
（4）上课，教师可以通过PC或者移动设备完成课堂互动操作。（5）抢答问题，学生可以通过摇动手机或者抢答按钮进行抢答。
（6）回答问题，教师通过手机或者PPT发布试题，教师通过摇一摇手机发布。被摇中学生在“回答问题”图标上给出信息，学生进行回答。
（7）学生提问，教师在讲授课程的过程中学生可以随时发言提问，教师可以根据学生的发言情况重新讲授或者为学生答疑。
（8）课堂讨论，根据签到信息可以生成微信群，学生在讨论过程中，可以发送文字、图片、视频、语音等信息。
（9）任务学习，支持任务驱动教学法教学模式，实现互动。
（10）学习评价，学生端全体学生一起对其“评*”或者“打分”，系统将得分记录在被评对象的账户下。
（11）下课，教师点击下课，完成本次课程。系统将相关数据自动汇总。学生也以主动退出课堂。
（12）课堂授课，教师打开PPT，可以扫码自动识别身份信息，开启上课模式。
（13）展示空间，学生可以将作业发布至共享空间，作业格式包括图片、视频、语音、文本、超链接等。
（14）教学日志，教师就能查看习题、试卷、预习数据等所有教学数据。（15）课堂数据，查看本堂课所有数据，包括：课堂人数、学生数据、习题数据、课件数据、教学互动数据等。
（16）课堂回顾，教师可以查看课堂所有互动的数据。
另外针对学生学习，为学生学习量身定做具有即时通讯功能的学习工具。在实现课堂互动的同时，还可集成了丰富的富媒体交互式电子教材，将音频、视频、交互试题、三维模型、三维交互集成到学习系统中，使得教学难点变得通俗易懂，课堂更加有趣和生动。
3.智能交互技术
基于摄像设备开展学习行为的动态分析，通过图像识别技术，实现对学习者的学习过程动态跟踪，进而分析课堂的教学效果，做出科学的教学决策。本模块可以实时分析听课、睡觉、低头等学习行为，为教师提供学情数据。
根据具体情况可以引入VR技术。VR虚拟现实技术能够为学生提供生动、逼真的学习环境，如了解人体模型、机械训练、建筑施工等，可以提供广泛的虚拟体验，从而加速和巩固学生学习知识的过程。4.内容呈现技术支持组件
为教室配备一个或者多个大屏幕显示设备，并实现平板或者手机与大屏的投影。支持多路无线投屏功能。
5.物联网集控
采用物联网技术，实现教室物理环境的动态监测，本组件是基于低功耗多跳自组网的工业级无线智能传感器，整个智能传感器包括温度传感、湿度传感、气体传感、水分传感、光照传感等常用传感指标。
6.基础环境
实现基础环境的改造，包括桌椅、功放、供电、班牌等。
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