基于智慧教室的融合式教学支持平台研究——以“中南大学”为例
The following article is from 现代教育技术杂志 Author 文灿 李中旗 等
本文由《现代教育技术》授权发布
作者：文灿 李中旗 刘浩 文朝阳
摘要
经过多年的发展，国内高校已经建成了大量的智慧教室，如何充分利用智慧教室的新型基础设施、融合各类平台的教学资源和教学工具、灵活运用信息技术来支持教学过程、提高教学效果，已成为高校面临的现实问题。针对这些问题，文章首先分析了基于智慧教室的融合式教学支持平台的发展历程、现存问题，随后设计了基于智慧教室的融合式教学支持平台框架，最后以中南大学建设的融合式教学支持平台为例，介绍了该平台的应用成效并分析其构建经验。文章通过对智慧教室中各类平台的创新融合，提出了构建融合式教学支持平台的具体方案，以期推动线上线下教学融合发展，支持融合式教学高质量发展。
关键词：智慧教室；教学支持；智能管理；融合式教学；网络空间
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基于智慧教室的融合式教学支持平台的发展和问题
基于智慧教室的融合式教学支持平台研究——以“中南大学”为例
智慧教室为师生提供了实用、便捷的功能，为教师智慧教学创造了条件，改善了学校的教学环境与条件，也为开展智慧教育提供了可能[6]。智慧教室不仅是基于物联网技术的信息与多媒体设备管理控制系统的静态学习空间，更是教学资源共享、教学情境互动、教学过程监控、教学数据分析、教学行为引导的动态学习大环境，高校需要依托多媒体教室和智慧教室的已有建设基础，建设物理空间和网络空间相融合的新型智慧教室，构建泛在化、感知化、一体化、智能化的新型教学支持平台[7]，推动线上线下教学融合发展，支持教学高质量开展。本研究认为，教学支持平台是指支持教学的硬件设施和软件系统的总称，它关系到教学的质量和效率。经过多年的发展，全国各高校都建设了智慧教室，并开发了越来越多的智慧教室功能，建设了各种类型的教学支持平台，实现了教室的部分智慧化；但在此过程中，基于智慧教室的融合式教学支持平台的发展也存在一定的问题。
1.发展进程
在从多媒体教室向智慧教室发展的过程中，新的信息技术不断被引入，教学支持平台包含的软硬件不断增加，教学支持平台发展大致经历了以下四个阶段：
①传统式教学支持阶段。多媒体教室建设初期，教室只有计算机、功放、音响、投影机等硬件设备，教学支持平台主要提供教学所需的硬件设备，平台数据的记录依赖人工完成。
②集中式教学支持阶段。随着高校多媒体集中控制建设和标准化考场建设的推进，高校多媒体教室相继增加了网络中控、IP电话、摄像头等硬件设备，并配套提供管理软件，实现了教室多媒体设备和少量监控设备的集中管理，教学支持平台的部分数据可以通过系统自动记录。
③智能式教学支持阶段。随着智慧教室的建设逐步完善，教室中智能化基础设施的种类和数量急剧增加，配套教室智能化功能的各种软硬件系统应运而生。智慧教室中开始引入可管理网络交换机、无线网络等系统，实现了教室中各类设备的集中统一管理[8]；引入高清常态化录播、云存储等系统，实现了教学支持的可视化；引入网络教学平台，实现了智慧教室从物理空间到网络空间的延伸；引入分数据中心、全闪存储等系统，实现了与教学相关的结构化数据和非结构化数据的高速存取。
④融合式教学支持阶段。后疫情时代，高校使用智慧教室开展了大规模的线上教学[9][10]，推动了线上线下教学的深度融合发展。融合式教学要求教学支持平台支持教学过程的时空扩展，建设物理空间和网络空间相融合的新型智慧教室。推动不同设备、不同系统、不同平台融合发展，构建互联互通、应用齐备、协同服务的融合式教学支持平台，已成为当前高校信息化部门必须面对的现实任务。
2.存在的问题
为了实现智慧教室日益增长的功能需求，高校建设了大量的应用系统，构建了各自的教学支持平台。然而，大部分高校在构建基于智慧教室的融合式教学支持平台的过程中会遇到如下问题：
①教学设备的智能统一管理问题。主要表现为智慧教室设备和系统后台管理分散，没有实现基于智慧校园的集中统一管理。原有智慧教室的建设没有统一规划、系统分散采购，不同类型的系统被各自单独管理。随着智慧教室功能的增加，有越来越多的设备和系统后台服务器。因此，全校各系统的教室设备和系统后台服务器的一体化、智能化管理成为亟待解决的问题。
②教学全过程管理服务问题。主要表现为智慧教室没有和教务系统、一卡通系统等相关系统联动，无法实现基于教务安排和智慧物联的教学全过程管理服务。
③教学大数据支持精准化、个性化教学问题。主要表现为智慧教室没有建设基础数据库，不能将全校智慧教学大数据集中统一收集，导致智慧教室数据分散在各个系统后台中，分散的教学数据无法有力支持个性化教学。
可见，高校需要根据教学需求，将智慧教室中建设的大量应用系统不断融合，以提高融合式教学支持平台的有用性，实现融合式教学支持平台的最大效能。
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融合式教学支持平台的构建
基于智慧教室的融合式教学支持平台研究——以“中南大学”为例
针对目前融合式教学支持平台存在的问题，中南大学于2014年开始探索“智慧教室”功能和建设方案，经过多年努力，实现了智慧教室中多媒体教学设备和智能化基础设施的协同发展，逐步建成了中南大学特色的融合式教学支持平台，并取得了一定的效果。中南大学融合式教学支持平台有机融合物理空间和网络空间，实现两者相互承接、相互关联、相互助力，支撑打造智慧教室的智能化、可视化、精准化、智慧化教育支持服务体系[11]。中南大学按照“安全工作常态化，常规工作规范化，重点工作精细化，特色工作品牌化”的工作策略，设计了基于智慧教室的融合式教学支持平台框架，如图1所示。
图1 基于智慧教室的融合式教学支持平台框架
中南大学融合式教学支持平台构建以智慧教室为节点，围绕信息化教学开展建设，按照“教室设备智能管理、教学过程时空拓展、教育管理数据支持”的理念，借助服务器超融合架构和智慧教室全光专网，利用智慧教室软硬件设备设施，进行教学资源的集散和教学数据的分析，实现教室设备的智能化管理，极大地丰富了教学手段和学习资源，并对教学过程的数据进行智能分析，及时调整教育教学及管理的手段和内容。中南大学已经完成了全校区480间教室的智慧化建设，建成了“设备智能化管理平台”“可视化教学支持平台”“学习行为信息化平台”三个相互交融、数据共享的系统，初步构建了一个教学资源共享、教学情景互动、教学过程监控、教学数据分析、教学行为引导的动态学习大环境。
1.教室设备智能管理
借助设备智能化管理平台，中南大学实现了公共教室各种设备的统一监控和管理，使教室设备由零散的个体融合成一个有机的整体，从而提高了教室设备的管理效率，加强了师生上课的服务保障。平台主要包括如下功能：
①数据采集。设备智能化管理平台连接着两个主要的数据源：相关管理系统的静态数据和教室终端设备实时采集的动态数据。其中，静态数据主要包括教务管理系统的教学安排、资产管理系统的资产情况、一卡通系统的师生信息、物业管理等部门的相关信息；动态数据主要包括教室设备的运行情况、教室内人员的情况（密度、数量、身份等）、实时温度、设备异动情况等信息。通过对静态数据和动态数据进行采集、分析，可以实现设备的自动控制。
②系统控制。服务器自动分析采集到的各类数据，通过设备智能化管理平台对教室设备进行控制和状态调整。目前，中南大学设备智能化管理平台主要包括投影机、摄像头、计算机、中控、交换机、电子班牌等17个子系统，可实现教室设备按课表自动开关、教室设备故障报警、投影机高温及灯泡低亮度预警、设备异常异动及缺失报警、教学过程自动录播等功能。
③行为引导。设备智能化管理平台在数据分析完成后进行自动控制和信息推送，可以大量减少设备管理人员的常规手动操作，引导维护人员提前安排维修和排除故障；系统对设备运行数据进行统计和分析，可以准确地显示教室设备部署方案及设备品牌型号的使用效果，为设备的日常管理、升级改造、方案优化等工作提供详细的使用数据。同时，系统可以读取课表信息，实时统计自习教室的空座率，通过自习教室空座率查询APP自动向学生推送自习教室；在现有自习教室达到一定上座率后，系统自动递次开放自习教室的灯光和空调，新开放的自习教室同步推送至手机APP。由此，设备智能化管理平台自动引导人流，提高了教室的使用率，同时也节约了能源。
2.教学过程时空拓展
智慧教室区别于普通多媒体教室的一大特点，在于其打破了教学过程中教师面对学生的时空限制，而中南大学可视化教学支持平台正是以信息化教学为核心，以课程为单位，突出教学评价和教学管理，通过信息化手段，将课堂教学过程完整地呈现在线上学习平台，并依托线上学习平台的强大功能，为教学过程打破时空的限制提供了丰富的教学手段。此外，可视化教学支持平台还设置教学督导和学生随堂微评功能，将评教评学融入教学全过程，实现新型教学质量的督导和教学过程的指导。平台主要包括如下功能：
①线上线下融通。在教师现场授课的同时，自动生成课堂教学实况录像，完整地记录教师授课的全过程，包括教师讲授的过程、使用的多媒体教学课件、现场学生的反馈等。通过教务系统的课表信息，自动将线下授课的音视频资料导入在线学习平台，针对每一门线下课程在线上形成同步的教学资源，为学生复习、线上交流、难点解析、知识拓展等提供线上平台。
②教学过程监控。可视化教学支持平台使用的终端包括监控机房、远端PC、手机、平板等。在不对现场教学产生任何影响的情况下，教务管理人员可通过身边的智能终端随时随地查看任意智慧教室的现场教学情况，教学督导可在任意时段回看年轻教师的授课过程，学工管理人员可随时随地了解学生的听课、考试、自习等情况，辅导员和班导师可随时调阅个别问题学生的学习视频、了解其学习状态。
③远程教学功能。在视频会议室的基础上，教师在智慧教室授课，学生利用个人终端在线直播学习，师生进行远程双向交流，实现“高山深井”进教室、“工厂车间”进教室、“病房手术”进教室。
3.教学管理数据支持
学习行为信息化平台采集智慧教室的学生课堂学习、网上学习和学生日常行为的数据进行分类统计分析，形成支持教学管理和学生管理决策的科学、准确的核心数据[12]，并将其提供给相关教学、学生工作管理部门。平台主要包括如下功能：
①学习行为统计。联通智慧教室分数据中心和教务系统并进行对接，以统计每天每节课的学生到课人数和到课率。将采集到的数据按每位教师、每门课程进行统计和分析，可将每位教师授课的受欢迎程度、学生对每门课程的重视程度与投入情况以数字的方式提供给学校教务管理部门，作为教务部门有针对性地提高年轻教师教学水平、优化培养方案的重要依据；将不同类别、不同群体学生的课堂出勤情况提供给学校的学生管理部门，作为学生工作有针对性地加强学风班风建设的重要依据。
②行为异常预警。采集学生在智慧教室、学生寝室、学生食堂等主要学习生活场所的行为信息，并进行行为数据分析，将异常行为数据提供给相关的管理部门。
③教室使用统计。分时段采集教室上课和自习学生人数，并进行统计分析，为下一阶段的教室资源分配、周边设备使用、安全力量配备等提供依据；采集特定时段的教室内学生人数，实时将数据传送给相关单位，及时调整工作内容。
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融合式教学支持平台的应用成效和经验
基于智慧教室的融合式教学支持平台研究——以“中南大学”为例
中南大学将智慧教室现有的各类设备、系统和平台进行深度融合，构建融合式教学支持平台，并将该平台应用于教学设备管理、远程教育教学、课堂督学督导、学习与行为异常预警等各个方面，有效促进了教学方法、教学手段、课程开发、教学管理、教学评价、学习方式等的不断优化，为教学管理和学生管理提供了新的渠道和手段。
1.融合式教学支持平台的应用成效
①实现了教学设备的智能和统一管理，提高了设备的利用率和可用性。截止到2021年12月，中南大学融合式教学支持平台共管理智能设备约6900多台，分布在全校4个校区，覆盖480多间公共教室。平台充分利用中南大学原有智慧教室基础设施中的全光纤网络资源和服务器资源，实现了智慧教室的统一管理与数据融合。通过对设备使用情况和运行状态的数据进行采集，可以在一个界面上了解数千台不同类型智能设备的使用情况并获得统计报表，有针对性地进行设备维护和保障，降低了日常运维的技术门槛和设备使用的故障率；通过平台的故障巡检和预警，及时发现设备故障并“提前”处理，提高了日常运维的工作效率，大大降低了使用者对设备故障维修的感知，营造了良好的公共教学环境。
②实现了线上和线下融合式教学，促进了物理空间与网络空间一体化。融合式教学支持平台为全校6万多名师生配置账号，构建了一个处处能学、时时可学的泛在学习环境，实现了正式学习与非正式学习的融合，是一个有效支持个性化、适应性学习的智能化学习支持环境；同时，该平台集“教、学、评、管、考”于一体，使教师、学生、督导、教务、学工通过教学过程、督导评价、教务管理、各类考试等行为数据的流动，产生相互关联与互动，形成了螺旋式上升的闭环监控体系。平台上的教学课表数据和师生信息完整、安全，且平台能够实时、全面、客观地记录教学过程，每学期自动录制课程44万课时，为在线教学和教学管理提供服务，协助教师开展精准教学，帮助学生进行个性化学习，具有安全性、易用性、高可靠、高并发等特点[13]。自2020年新冠肺炎疫情爆发以来，平台的日总访问量最高值达150万人次，中南大学师生通过该平台完成了学生返校前的远程教育教学，确保了相关教学工作的顺利开展。
③实现了不同系统数据的融合和集中存储，为教学提供了及时、精准、个性化的数据。原有教务信息、一卡通信息、学工信息、设备信息等数据分散在不同的信息系统中，彼此关联度低，缺乏较好的呈现方式，而现在智慧教室分数据中心对这些数据进行了统一的收集与规整。平台使用智慧教室作为节点，基于行政班、教学班、学院、教室等维度，利用HTML5、微信、一卡通、电子班牌等技术手段，实现了学生学习行为数据收集、智慧教室的课表展示、学习行为信息原始数据的统计展示。信息与网络中心积极配合学生工作部、本科生院、研究生院等职能部门，面向全体师生推广、应用融合式教学支持平台，实现了学生通过系统签到，每日的签到最大访问量超过7万人次。学工部门（辅导员）通过平台实现课堂行为线上全过程管理，教务部门（教师）通过系统改变原有的上课点名模式，既加强了教学纪律，也提高了教学效率、切实提升了课堂质量。
2.构建融合式教学支持平台的经验
①实现传统多媒体教学设备、智能化基础设施的互相补充和共同发展。智慧教室建设在充分满足原有传统多媒体教学需求的同时，也需要不断适应信息化教学的新需求，通过设备的智能管理，实现多媒体教学设备、智能化基础设施的互相补充和共同发展。
②细分各项具体工作，采取不同的工作策略。使用流程化制度对大量且繁重的信息化教学、实验室开放工作进行规范，使教学设备和系统能够持续并安全地保障融合式教学支持平台的运行，不断满足广大师生信息化教学需求。
③建立多部门、多技术协同联动机制，共同实现智慧教室大数据的融合和可视化。信息化部门、教务部门、学工部门、资产与实验管理部门、后勤物业部门、保卫部门等多个部门都会对智慧教室的基础功能和数据使用提出要求，所以要强化一体化系统的理念，多部门协同完成智慧教室的建设。例如，建设高度共享的数据库，统筹推进技术融合、数据融合，实现跨部门、跨校区、跨系统、跨业务的智慧教室大数据库建设。
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结语
基于智慧教室的融合式教学支持平台研究——以“中南大学”为例
本研究通过分析基于智慧教室的融合式教学支持平台存在的问题，提出了基于智慧教室的融合式教学支持平台框架，并以中南大学建设的融合式教学支持平台为例，介绍了该平台的应用成效并总结了构建经验，可为国内同类大学建设教学支持平台提供借鉴。随着教育新型基础设施建设的推进，未来融合式教学支持平台还需加强对教学数据的挖掘和分析，不断完善数据智能的融合式教学支持体系，深入应用物联网、5G、人工智能、大数据、云计算等新一代信息技术，为教育教学改革提供有力支持，满足师生的融合式教学需求。
参考文献：
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