甘啟宏 楊柳青 余淇 崔亞強(qiáng)
摘? ?要:隨著高校教育教學(xué)改革的深入推進(jìn),智慧教學(xué)環(huán)境重構(gòu)日益成為高校研究和實(shí)踐的重要課題。國家標(biāo)準(zhǔn)《智慧校園總體框架》中對(duì)智慧教學(xué)環(huán)境給出了明確定義,要滿足智慧教學(xué)環(huán)境功能要求,繼續(xù)采用傳統(tǒng)多媒體系統(tǒng)架構(gòu)模式,勢(shì)必導(dǎo)致教室技術(shù)裝備系統(tǒng)越來越龐大復(fù)雜,運(yùn)維難度和故障率必然呈幾何級(jí)數(shù)增加。該研究從2015年起持續(xù)關(guān)注教學(xué)技術(shù)裝備的發(fā)展,通過深入思考與研究,提出了模塊化一體式智慧教室終端設(shè)計(jì)理念,并通過實(shí)踐應(yīng)用取得了較好的使用體驗(yàn)。文章對(duì)模塊化一體式智慧教室終端的探索與實(shí)踐進(jìn)行了總結(jié),以期為智慧教學(xué)環(huán)境下智能教學(xué)裝備的研究提供借鑒。
關(guān)鍵詞:智慧教學(xué)環(huán)境;教學(xué)多媒體系統(tǒng);模塊化;一體機(jī)
中圖分類號(hào):G40-057 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):1673-8454(2021)11-0076-04
國務(wù)院印發(fā)的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》提出建立以學(xué)習(xí)者為中心的教育環(huán)境[1]。教育部印發(fā)的《教育信息化2.0行動(dòng)計(jì)劃》明確要求開展以學(xué)習(xí)者為中心的智能化教學(xué)支持環(huán)境建設(shè)[2]?!吨腔坌@總體框架》對(duì)智慧教學(xué)環(huán)境給出了明確定義——集智能化感知、智能化控制、智能化管理、智能化互動(dòng)反饋、智能化數(shù)據(jù)分析、智能化視窗等功能于一體的用以支持教學(xué)、科研活動(dòng)的現(xiàn)實(shí)空間環(huán)境或虛擬空間環(huán)境[3]。在智慧教育背景下,要以教育教學(xué)改革理念為導(dǎo)向,推進(jìn)智能技術(shù)與教學(xué)融合創(chuàng)新。各高校紛紛結(jié)合校本特色,積極構(gòu)建新型教學(xué)環(huán)境[4]。在此過程中,業(yè)界基本上還是按照傳統(tǒng)教學(xué)多媒體系統(tǒng)的構(gòu)建方式,即通過外接線路將各個(gè)設(shè)備連接成一個(gè)系統(tǒng)的方式,來構(gòu)建教室技術(shù)裝備系統(tǒng)。隨著智慧教學(xué)環(huán)境建設(shè)的深入推進(jìn),對(duì)教室技術(shù)裝備系統(tǒng)的功能需求越來越復(fù)雜,已完全超出了傳統(tǒng)教學(xué)多媒體系統(tǒng)所能承載的功能,必須創(chuàng)新教室技術(shù)裝備系統(tǒng)的構(gòu)建模式,才能更好地適應(yīng)智慧教學(xué)環(huán)境的需求。
一、智慧教學(xué)環(huán)境建設(shè)的主要內(nèi)容
課堂是教學(xué)的主要陣地,只有進(jìn)行課堂革命,教育才能真正革新[5]。課堂革命需要以環(huán)境變革為支撐。我校從2013年底開始持續(xù)推進(jìn)智慧教學(xué)環(huán)境建設(shè),截至2020年9月,已分批、分期完成500余間教室改造,主要建設(shè)內(nèi)容如下:
1.多類型互動(dòng)教室
我校將所有教室傳統(tǒng)固定桌椅改為可移動(dòng)、可拼接的活動(dòng)桌椅或可旋轉(zhuǎn)固定桌椅。充分考慮到師生視聽和互動(dòng)需求,改變傳統(tǒng)教室單調(diào)的“一機(jī)(電腦)、一投影、一支麥(教師擴(kuò)音設(shè)備)”教學(xué)多媒體系統(tǒng)配置模式,打造成配備人機(jī)交互式顯示設(shè)備(觸摸顯示屏+投影或觸摸一體機(jī))、智能教學(xué)擴(kuò)聲系統(tǒng)、互動(dòng)系統(tǒng)(教學(xué)互動(dòng)系統(tǒng)、多屏多視窗互動(dòng)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)互動(dòng)系統(tǒng)、教學(xué)錄播與遠(yuǎn)程互動(dòng)系統(tǒng)全部或部分覆蓋)的多類型互動(dòng)教室。師生根據(jù)教學(xué)需要,實(shí)現(xiàn)了多種教學(xué)形態(tài)的轉(zhuǎn)換,較大程度地滿足了師生互動(dòng)、生生互動(dòng)、資源互動(dòng)的教學(xué)需要[6]。
2.教學(xué)互動(dòng)系統(tǒng)
2016年起,在課堂表決器規(guī)模應(yīng)用助力教學(xué)改革的基礎(chǔ)上,我校全面部署教學(xué)互動(dòng)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)課前、課中、課后的師生教學(xué)全過程互動(dòng)。2019年,移動(dòng)教學(xué)功能上線,實(shí)現(xiàn)課堂互動(dòng)教學(xué)與個(gè)性化教學(xué)、個(gè)性化學(xué)習(xí)的深度融合,并嘗試通過教學(xué)大數(shù)據(jù)分析,對(duì)教學(xué)全過程進(jìn)行診斷,為教師改進(jìn)教學(xué)提供參考。同時(shí)對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、學(xué)習(xí)過程和學(xué)習(xí)成效等進(jìn)行分析,為學(xué)生提供個(gè)性化學(xué)習(xí)方案。教學(xué)互動(dòng)系統(tǒng)成為我校教學(xué)改革的重要支撐平臺(tái)[7]。
3.教學(xué)錄播與遠(yuǎn)程互動(dòng)系統(tǒng)
教學(xué)錄播與遠(yuǎn)程互動(dòng)系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了課堂教學(xué)資源的積累,為自主學(xué)習(xí)和課程建設(shè)提供資源服務(wù),同時(shí)為校際間、國際間的教學(xué)資源共建共享提供支持。在疫情期間更是很好地支持了線上教學(xué)和線下線上同步教學(xué)。
4.智能化教學(xué)擴(kuò)聲系統(tǒng)
教學(xué)擴(kuò)聲是課堂教學(xué)的重要組成部分。教室聲音處理既要實(shí)現(xiàn)教師“講好”、學(xué)生“聽好”,也要實(shí)現(xiàn)學(xué)生“講好”、教師“聽好”。通過廣泛對(duì)比和深入研究,我校于2014年引入吊麥擴(kuò)聲,師生無需手持或佩戴麥克風(fēng)便可大面積有效拾音擴(kuò)音,能更好地控制聲音合理響度,實(shí)現(xiàn)聲像一致性,既解決了傳統(tǒng)擴(kuò)音方式難以支持師生交流的難題,還避免了傳統(tǒng)麥克風(fēng)接觸使用可能帶來的健康問題,而且管理維護(hù)簡(jiǎn)單[8]。
5.智能教室服務(wù)管理系統(tǒng)
智能教室服務(wù)管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了設(shè)備控制自動(dòng)化、環(huán)境調(diào)節(jié)智能化和保障服務(wù)及時(shí)化[9]。其主要功能包括:①跨校區(qū)遠(yuǎn)程集中控制;②根據(jù)課表自動(dòng)完成教室設(shè)備的開、關(guān)等控制;③根據(jù)狀態(tài)變化的感知對(duì)燈光、空調(diào)、窗簾等進(jìn)行智能調(diào)節(jié);④通過數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)或語音助手智能設(shè)置設(shè)備狀態(tài);⑤自動(dòng)監(jiān)測(cè)教室設(shè)備運(yùn)行狀況,及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障和隱患;⑥通過遠(yuǎn)程接管服務(wù)提供便捷高效的教學(xué)保障。
6.課堂教學(xué)智能督導(dǎo)系統(tǒng)
在智能督導(dǎo)系統(tǒng)部署前,課堂教學(xué)督導(dǎo)工作部分環(huán)節(jié),如師生考勤、前排就坐率、學(xué)習(xí)投入度等,需要人工查看督導(dǎo)視頻,進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并手工撰寫督導(dǎo)報(bào)告,工作效率較低,準(zhǔn)確度也不高。智能督導(dǎo)系統(tǒng)完全替代了以上人工督導(dǎo)工作,并自動(dòng)生成督導(dǎo)報(bào)告,不僅大大提高了督導(dǎo)效率和準(zhǔn)確率,還為進(jìn)一步進(jìn)行課堂教學(xué)分析和評(píng)價(jià)提供數(shù)據(jù)支持。
7.電子信息牌系統(tǒng)
電子信息牌系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)發(fā)布教室信息,如教室名稱、課程安排、課堂實(shí)時(shí)狀況、實(shí)時(shí)天氣、實(shí)時(shí)新聞、學(xué)校情況、學(xué)術(shù)通知等,并通過人臉識(shí)別、刷卡識(shí)別功能與智能教室服務(wù)管理系統(tǒng)對(duì)接,實(shí)現(xiàn)門禁管理、電子考勤、環(huán)境及教學(xué)設(shè)備管理等功能。
8.公共休讀空間
公共休讀空間建設(shè)是指將教學(xué)樓過道、走廊和大廳等公共空間利用起來,配備白板、桌椅、無線網(wǎng)絡(luò)、觸摸一體機(jī)等適宜學(xué)習(xí)交流的設(shè)施設(shè)備,打造溫馨、人性化的互動(dòng)交流學(xué)習(xí)空間。教學(xué)樓公共空間的建設(shè),不僅方便師生隨時(shí)隨地交流討論,進(jìn)行思維碰撞,而且對(duì)整個(gè)教學(xué)樓學(xué)習(xí)氛圍的營(yíng)造和提升也起到了重要作用。
9.數(shù)據(jù)交換共享平臺(tái)
數(shù)據(jù)交換共享平臺(tái)為線上線下教學(xué)環(huán)境相關(guān)系統(tǒng)提供統(tǒng)一數(shù)據(jù)支撐服務(wù)。通過基礎(chǔ)應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口的開發(fā),將已經(jīng)建成的教務(wù)系統(tǒng)、教學(xué)平臺(tái)、教學(xué)互動(dòng)系統(tǒng)、資源平臺(tái)、智能教室服務(wù)管理系統(tǒng)、課堂教學(xué)智能督導(dǎo)系統(tǒng)等數(shù)據(jù)匯聚到數(shù)據(jù)交換共享平臺(tái),實(shí)現(xiàn)這些系統(tǒng)原始數(shù)據(jù)在不同系統(tǒng)間的共享、交換。數(shù)據(jù)交換共享平臺(tái)的建設(shè),能夠讓不同系統(tǒng)的數(shù)據(jù)需求得到“一站式”解決。
在前期的智慧教學(xué)環(huán)境建設(shè)過程中,教室技術(shù)裝備仍然是在傳統(tǒng)教學(xué)多媒體系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,采用線路連接、控制系統(tǒng)設(shè)置多個(gè)模式進(jìn)行調(diào)度控制,或是多個(gè)控制系統(tǒng)疊加,甚至是個(gè)別功能設(shè)備游離在控制系統(tǒng)之外的方式進(jìn)行教室教學(xué)系統(tǒng)的構(gòu)建,系統(tǒng)越來越龐大復(fù)雜,故障率也呈幾何級(jí)數(shù)增長(zhǎng),極大增加了管理運(yùn)維難度,也影響了師生的使用體驗(yàn)。
二、教學(xué)多媒體系統(tǒng)的現(xiàn)狀
20 世紀(jì) 80 年代,多媒體教學(xué)就已經(jīng)出現(xiàn)在我國,以幻燈、錄音、錄像、電視、電影等形式綜合運(yùn)用于課堂教學(xué)[10]。這種教室當(dāng)時(shí)又稱為電化教室,電化教室的建設(shè)、管理和應(yīng)用對(duì)管理者和教師都有著較專業(yè)的要求。之后,隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展和普及,以計(jì)算機(jī)為核心的教學(xué)多媒體系統(tǒng)逐步取代了以往的電化教學(xué)系統(tǒng),為多媒體教室的普及提供了可能[11]。發(fā)展到現(xiàn)在,教學(xué)多媒體系統(tǒng)一般包括核心處理系統(tǒng)和外接系統(tǒng)兩大部分。核心處理系統(tǒng)包括中央控制終端、網(wǎng)絡(luò)、電源、計(jì)算機(jī)、音頻處理器、視頻矩陣等基礎(chǔ)功能設(shè)備,以及環(huán)境智能控制、錄播與遠(yuǎn)程互動(dòng)、信息發(fā)布等拓展功能設(shè)備。外接系統(tǒng)主要包括音視頻輸入和輸出設(shè)備,通過將這些設(shè)備線路集成并與各軟件系統(tǒng)互聯(lián)互通,構(gòu)成一個(gè)有機(jī)的整體,為師生教學(xué)提供支持。在實(shí)際應(yīng)用中,因線路連接問題導(dǎo)致故障多發(fā)且故障排除難度高、耗時(shí)長(zhǎng)。如圖1、2所示,最常見的具備基本教學(xué)輔助功能的多媒體系統(tǒng)已經(jīng)如此復(fù)雜,一旦出現(xiàn)故障,排查及修復(fù)難度可想而知。根據(jù)筆者多年的建設(shè)和運(yùn)維經(jīng)驗(yàn),在傳統(tǒng)教學(xué)多媒體系統(tǒng)的故障中,有50%以上源自于線路連接故障,故障排除平均耗時(shí)10~15分鐘,更換單個(gè)設(shè)備平均耗時(shí)5~10分鐘,而要更換中控系統(tǒng)終端,則至少需要耗時(shí)15分鐘以上,如果再加入更多設(shè)備,集成難度及運(yùn)維難度將更大。以上問題給管理者帶來很大挑戰(zhàn)與困擾,也嚴(yán)重影響著教學(xué)保障水平。
近年來,出現(xiàn)了一體式教學(xué)多媒體系統(tǒng)終端。該終端采用一體式機(jī)柜設(shè)計(jì),設(shè)備集成了中央控制終端、計(jì)算機(jī)功能、音視頻矩陣、廣播功能、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、功放等,只需外接音視頻輸入和輸出設(shè)備即可投入使用,大大減少了線路連接問題導(dǎo)致的故障。該終端在處理某些功能故障時(shí),依然會(huì)耗時(shí)較多且更換難度比傳統(tǒng)系統(tǒng)更高,同時(shí),擴(kuò)展性和兼容性差等問題也會(huì)嚴(yán)重影響其大面積推廣應(yīng)用。
三、模塊化一體式智慧教室終端思路的提出和實(shí)踐
1.模塊化一體式智慧教室終端的設(shè)計(jì)
通過長(zhǎng)期建設(shè)和管理多媒體系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)積累,從2016年起,筆者開始思考將教室教學(xué)多媒體系統(tǒng)的核心設(shè)備進(jìn)行模塊化一體式設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)原理如圖3所示。
本研究把每個(gè)功能設(shè)備設(shè)計(jì)成一個(gè)模塊,一體式終端機(jī)柜背板上設(shè)計(jì)若干連接器及各種輸入輸出端口,每個(gè)模塊從機(jī)柜前面插入機(jī)柜背板相應(yīng)的連接器上。筆記本電腦、投影、音箱等外接設(shè)備接入輸入輸出端口。該設(shè)計(jì)既避免了傳統(tǒng)線路集成模式下頻繁出現(xiàn)的線路故障,又可實(shí)現(xiàn)快速更換故障模塊,還可根據(jù)需要隨時(shí)增加或減少教室功能模塊。
本研究將各軟件模塊在同一個(gè)路由器網(wǎng)段下采用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行無縫對(duì)接,一體化終端的軟件模塊構(gòu)成如表1所示。功能軟件模塊采用嵌入式軟件和Windows系統(tǒng),根據(jù)用戶需要進(jìn)行選配,配合相應(yīng)的硬件模塊,實(shí)現(xiàn)各種不同類型的智慧教學(xué)環(huán)境建設(shè)。管理維護(hù)軟件是智慧教學(xué)環(huán)境的后臺(tái)軟件,對(duì)智慧教學(xué)環(huán)境的軟硬件和教學(xué)資源進(jìn)行智能化管控。
2.模塊化一體式智慧教室終端的建設(shè)實(shí)踐
模塊化一體式智慧教室終端思路提出后,得到了相關(guān)企業(yè)的積極響應(yīng)。該終端從2019年開始在我校智慧教學(xué)環(huán)境升級(jí)改造中規(guī)模應(yīng)用,目前已完成一百余間教室部署。圖4為采用模塊化一體式智慧教室終端的機(jī)柜,其線路簡(jiǎn)潔整齊、功能模塊集成化。在實(shí)際使用中,設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)得到了充分體現(xiàn)。
(1)各功能模塊在同一路由器網(wǎng)段下,使得采用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行無縫對(duì)接更容易。智慧教室各硬件和軟件模塊能夠很好地相互協(xié)調(diào)配合,產(chǎn)生良好的用戶體驗(yàn)。例如,教師在電子屏上書寫時(shí),系統(tǒng)能自動(dòng)檢測(cè)到書寫的動(dòng)作,如果教師沒有打開多視窗軟件,中控系統(tǒng)會(huì)控制視頻矩陣把書寫屏內(nèi)容顯示在顯示設(shè)備上,如果教師打開了多視窗軟件,則多視窗軟件會(huì)自動(dòng)把采集到的書寫屏內(nèi)容展示到顯示設(shè)備上。
(2)每個(gè)功能模塊在終端上的“插拔”設(shè)計(jì)十分簡(jiǎn)潔,更換故障模塊時(shí)簡(jiǎn)單地“一拔一插”即可完成,維護(hù)簡(jiǎn)單快捷,極大地減少了故障排除對(duì)教學(xué)時(shí)間的占用,降低了管理者故障排除及修復(fù)的難度。
(3)該終端采用一體式設(shè)計(jì)、模塊化安裝的方法,既基本杜絕線路連接導(dǎo)致的系統(tǒng)故障,又方便學(xué)校根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求分步采購相關(guān)模塊,還可在不同教室間方便快捷地進(jìn)行功能增減,在很大程度上提升了建設(shè)效益。
四、需要注意的幾個(gè)問題
要完全發(fā)揮模塊化一體式智慧教室終端的設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì),使其成為主流應(yīng)用模式,軟硬件設(shè)計(jì)必須遵循一定的設(shè)計(jì)規(guī)范。筆者通過不斷思考和實(shí)際應(yīng)用,對(duì)模塊化一體式智慧教室終端的設(shè)計(jì)提出以下建議:
1.模塊的卡槽和輸入輸出接口要在不同方向
模塊卡槽在一體機(jī)背板內(nèi)側(cè)面,外接輸入輸出接口在一體機(jī)背板外側(cè)面,所有模塊從一體機(jī)的前面插拔,一體機(jī)所有外接的輸入輸出線路都從后面連接一體機(jī)。更換功能模塊時(shí)則不需插拔外接線路,更換外接線路時(shí)也無需插拔功能模塊。
2.建議采用路由器加多口交換機(jī)的局域網(wǎng)組建模式
各功能模塊在同一路由器網(wǎng)段下,只需對(duì)一間教室分配一個(gè)IP地址,教室其它所有功能模塊的網(wǎng)絡(luò)采用端口映射方式,使一體機(jī)后臺(tái)管理和維護(hù)軟件的配置復(fù)雜度大大降低,同時(shí)也降低了學(xué)校網(wǎng)絡(luò)資源管理的難度。
3.注意參數(shù)配置信息的集中保存
終端中有很多參數(shù)配置信息,如IP地址、映射端口設(shè)置、音量設(shè)置和錄播視頻推流地址等信息。如果把所有參數(shù)配置信息都保存在一個(gè)獨(dú)立的存儲(chǔ)模塊上,建議將該獨(dú)立存儲(chǔ)模塊作為中控模塊的即插即用子模塊,在更換其他功能模塊時(shí)無需重新進(jìn)行參數(shù)配置。即使更換中控模塊也可以保留即插即用的存儲(chǔ)模塊,這樣能夠有效降低維護(hù)難度。為了防止存儲(chǔ)模塊的損壞,建議每臺(tái)終端再做一個(gè)備份的參數(shù)存儲(chǔ)模塊,這樣能更有效地保證設(shè)備維護(hù)的簡(jiǎn)單快捷,而其造價(jià)很低,基本不會(huì)影響整個(gè)一體機(jī)的成本。
4各功能模塊獨(dú)立供電
各功能模塊獨(dú)立供電,中控系統(tǒng)能單獨(dú)控制每一個(gè)功能模塊電源的通斷。某個(gè)功能模塊出故障,中控系統(tǒng)能自動(dòng)截?cái)喙收夏K的供電,有效地保證了其他功能模塊正常使用。
5.良好的通風(fēng)設(shè)計(jì)
由于一體機(jī)包含多個(gè)功能模塊,會(huì)產(chǎn)生大量熱量,如果沒有良好的通風(fēng)設(shè)計(jì),將對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響。建議在一體機(jī)內(nèi)安裝溫度傳感器,溫度高于臨界溫度應(yīng)具有自動(dòng)告警功能,并擁有根據(jù)溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的能力。
6.模塊故障自動(dòng)檢測(cè)告警功能
如果功能模塊出現(xiàn)故障,系統(tǒng)能自動(dòng)檢測(cè)相應(yīng)故障模塊,在自動(dòng)截?cái)喙收夏K供電的同時(shí)上報(bào)故障告警信息,變被動(dòng)維護(hù)為主動(dòng),把對(duì)教學(xué)的影響降到最低。
7.穩(wěn)定可靠的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)批量軟件升級(jí)
軟件更新是保證智慧教學(xué)環(huán)境建設(shè)先進(jìn)性的必要保障。必須具有穩(wěn)定可靠的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)批量軟件升級(jí)功能,才能使系統(tǒng)維護(hù)更簡(jiǎn)單可靠。
五、結(jié)語
教學(xué)多媒體系統(tǒng)是現(xiàn)代教學(xué)重要的支撐系統(tǒng)。長(zhǎng)期以來,讓教學(xué)多媒體系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定可靠性、使用便捷性、功能擴(kuò)展性,一直是學(xué)校教育技術(shù)部門和企業(yè)界努力的目標(biāo)。模塊化一體式智慧教室終端的出現(xiàn),使師生的信息化教學(xué)體驗(yàn)得到明顯提升。隨著業(yè)界的不斷關(guān)注,模塊化一體式智慧教室終端必將成為未來教學(xué)多媒體系統(tǒng)的主流裝備。
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(編輯:王曉明)