智慧教学平台和虚拟现实子系统的研究

（一）智慧教室平台架构

智慧教室的平台构架由设备层、门户层、应用层、服务层、数据层、基础层、网络层7个部分组成。

1.设备层

智慧教室支持多种设备接入用于设备连接。设备主要包括电子白板、电子黑板、笔记本电脑、平板电脑、网络摄像头、打印机、手机、监视器等一系列智慧教室的设备。另外，还包含智慧教室的周边辅助设备，如充电柜、网络设备、备用电源等。

2.门户层

教育云服务网站，通过统一的登录服务，可以支持用户在电子书、手机、电脑等终端登录，登录后可享受多种服务，并在门户网站上集合教育资源管理、家校联络管理、学校教学管理、账号服务管理等多种相关功能的入口。

3.应用层

综合智慧教室的主要功能，按照模块化、独立化的原则进行设计，主要包括远程教育系统、互动教学系统、教育应用商店、教室智能控制、教学质量评估系统、云书城、教师线上备课系统及智能阅卷系统。

4.服务层

提供支撑应用层操作的相关基础服务，包括数据挖掘服务、身份认证服务、数据库服务、多媒体点播直播服务、全文检索服务及文件服务。

5.数据层

智慧教室平台拥有多数据库的支撑，保证了平台数据的庞大性、可靠性、稳健性及账号数据的安全性，主要包含用户数据库、教学系统数据库、资源数据库及评价系统数据库。

6.基础层

基础云服务包括存储服务、服务器服务、网络连接服务。支撑智慧教室平台系统的基础设施可以在云环境下稳定工作。

7.网络层

智慧教室平台所依赖的基础网络包含平台所涉及的网络，有4G网络、3G网络、2G网络、无线网络、有线网络等。

（二）智慧教室系统功能组成

智慧教室一般由内容呈现系统、学习资源系统、教学交互系统、环境感知系统、实时记录系统、在线测试和评价系统及身份感知与识别系统组成。这些系统共用教室内的信息资源和各种软硬件资源，在完成各自功能的同时，彼此相互联动与协调。

1.内容呈现系统

内容呈现系统是智慧教室的重要部分，也是开展课堂教学的基础。设计良好的内容呈现系统可以提高教学内容的传递效果。内容呈现系统包括交互演示子系统、虚拟现实子系统，通常由黑板、投影仪、电视、交互式电子白板（双板）、移动终端、电子书包、虚拟设备、无限机顶盒、扩音设备等组成，其基本功能如下：

（1）呈现教师的演示文稿、教学软件、操作过程等。

（2）呈现学生移动终端或者电子书包上的内容、作品以及操作过程等。

（3）呈现教师与学习资源互动内容。

（4）呈现教师与学生互动内容。

（5）呈现学生与学习资源互动内容。

（6）实现虚拟教学环境，模拟出现实物理环境不容易实现的虚拟教学环境。

（7）实现对室内视觉、听觉呈现相关软硬件的管理。

（8）呈现语言扩声和音乐扩声。

交互演示子系统由移动终端、电子书包、交互式电子白板、黑板构成。根据需求，呈现教师上课教学内容，教师可以与云端教学资源实时交互，学生利用电子书包上课，也可以与云端学习资源实时交互。而且，交互演示子系统可以根据需求实时呈现教师与学生、学生与学生、小组与小组的交互内容，提高教学效率。交互演示子系统代表着智慧教室的教学信息呈现能力。(www.xing528.com)

虚拟现实子系统旨在借助虚拟设备，实现物理环境与虚拟环境的无缝融合，让学生体验虚拟出的不同学习环境，避免资源浪费。利用虚拟现实子系统可以更方便的实施情境教学，进行混合教学。

虚拟现实子系统又包括相互关联、协同工作的视觉呈现子系统和听觉呈现子系统。视觉呈现子系统由各种无线终端（信号源）、无线机顶盒（转换传输设备）、投影仪和电视机（显示设备）构成。无线终端通过局域网将画面发送给无线机顶盒（Apple TV、小米盒子等设备），无线机顶盒连接到显示设备，实现显示功能。听觉呈现子系统可以实现教学过程中的语言扩声和音乐扩声。语言扩声主要用于教室内拾音、放大和扬声，一般采用以前置扬声器为中心的音响系统。音乐扩声主要用来播放音乐、歌曲等内容，采用双声道、立体声形式，有的采用多声道和环绕形式，多以低阻抗的方式与扬声器配接。

2.学习资源系统

学习资源系统主要是指学习资源存储、分发系统。学习资源系统将开发的资源放置在云端，师生可在上课过程中实时同步课程资源，并保存教学过程中的生成性资源。此外，对于课堂教学过程，学习资源系统可实时录制并存储到云端。学习资源系统通常由电子书包、课堂教学资源、学习过程记录、云服务平台等构成，可实现以下功能：上传教师开发的教学资源，同步学生终端的学习资源，录制师生上课过程，存储教学过程。

学习资源存储、分发系统的主要功能是由教师将开发的数字化资源和教学过程中的生成性资源上传到云服务平台。学生也可以将自己开发和找到的学习资源上传到云服务平台，分享给其他同学。

教学过程录播系统是生成性资源录入的主要辅助系统，主要是在现在学校流行的录播系统上增加记录学生学习轨迹与教师教学轨迹的功能。

3.教学交互系统

教学交互系统是课堂教学过程中师生、生生交互的支持系统。该系统支持课堂讲授、协作学习以及学生自主探究等多种学习方式，对于实施形成性评价具有重要价值。课堂交互系统通常由各种学习终端、云服务平台组成，可实现师生、生生的互动，小组讨论和学习，学生个人的探究，学习过程、学习评价的记录。

4.环境感知系统

环境感知系统的使用有利于为学生营造一个健康、舒适的学习环境。该系统通常由温度传感器、气体成分传感器、压力传感器、光纤传感器组成。其基本功能如下：感知室内温度，当温度超过预设范围时发出警报，并启动温控设备；感知室内气体成分，当气体成分超过预设范围时发出警报，并启动新风设备；感知学生坐姿，当学生坐姿出现问题时，给予震动或声音提示；感知室内光线，当光线过强或过弱时，开启窗帘或照明设备。

（1）气候监控系统

气候监控系统由三部分组成：室外气象站、室内空气感知系统和空气调节系统。室外气象站可测量风向、风速、温度、湿度等常规气象要素，并将需要气象信息及时传送到教室内的空气感知系统，由其决定是否发出警报、调节窗帘控制进光量或启动空气调节系统。空气调节系统一般由进风、空气过滤、空气热湿处理、空气的输送和分配、冷热源等部分组成。

（2）气味监控系统

气味监控系统能够对教室内的一氧化碳、二氧化氮、苯、氨气、烟雾等有毒气体和物质进行探测，其核心设备有感烟式传感器、感温式传感器、感光式传感器。

（3）照明监控系统

在智慧教室中，照明监控系统有两个任务。一是环境照度控制，即根据日照情况自动调整窗帘和室内灯光的开关。二是照明节能控制，将教室划分为若干区域，安装6—8个光传感器，可以根据不同区域的光线的强弱，自助开关该区域的灯光，从而达到节能的目的；也可利用光电、红外传感器检测室内的人员活动情况，一旦人员离开教室，就会自动关闭灯光，达到节能的目的。

以上智能环境感知系统（又称为环境控制系统）主要基于RFID等的物联网技术对课堂内的光、电、声、温根据学习者学习的需要进行控制，根据课堂外的光照条件调节照明，根据季节气候的不同调节温度，根据课堂内的声场环境调节声音系统等。

5.实时记录系统

实时记录系统主要是在现在学校流行的录播系统上增加记录学生学习轨迹与教师教学轨迹的功能。教师可对教学视频进行分析，反思教学过程，撰写反思日志。实时记录系统可为教师教学决策和学生自主学习提供参考和有效的数据支持。

6.在线测试和评价系统

在线测试和评价系统主要包括教师可以利用即时反馈系统在教学的过程中随机出题进行意见征集和应答反馈，以收集学生对某一具体内容和问题的观点或掌握情况，反馈结果可以及时呈现，便于教师及时调整自己的教学内容或过程。学生也可以利用同步标记系统对教师讲课时的声音大小及语速进行反馈，在教师的教学终端上会即时显示学生对教师讲课声音大小和语速快慢的评价，教师可以根据学生的整体评价意见进行及时的调整，以保证教学的最佳效果。

另外，在课程学习开始前和课程学习结束时，可以利用在线测试和评价系统对学生的预习情况和本堂课程的学习情况进行测试，测试结果通过学习支持系统的后台运算，可以及时地提供测试分析结果。预习测试可以帮助教师了解学生的预习情况，从而确定自己的教学起点；学习结束时的测试可以帮助教师了解学生课堂学习完成时的学习目标达成情况，对出现的问题可以采取及时的教学补救措施。

7.身份感知与识别系统

智慧教室中利用射频识别、人体识别系统等传感装置可以按约定的协议，对教室里师生的出入情况进行记录，把各种设备连接起来并进行信息交换，实现智能化识别和感知。

（三）智慧教室建设标准

当前，我国并未出台智慧教室的建设标准，国外关于智慧教室建设的规范可以为我国标准的制定提供参考。

2009年，美国国家教育技术董事协会和美国Title董事协会联合撰写了《A Resource Guide Identifying Technology Tools for Schools》（《学校技术工具资源指南》）。该指南针对学校的技术结构、教室构成（计算设备、硬件和内容、课件和创造力工具）、在线协作和交流工具及在线编辑工具描述智慧教室内计算机的配置方式、硬件资源、软件资源、师生教学用的工具软件及注意事项。美国制订了《LACCD AV Smart Classroom Information Technology Standards》（《洛杉矶社区学院学区视音频智慧教室信息技术标准》）。该标准介绍了视音频智慧教室的一般要求、智慧教室里的新兴技术、视音频设计的注意事项、视音频学习空间的划分、可使用的技术、教师的专业发展与培训等的标准框架，提出了教室物理环境评价标准、教室信息化设备标准、视音频组件和系统的最低性能和标准、智慧教室应用指导。这些标准和指南的提出，对智慧教室的硬件建设和软件设计以及智慧教室规范研究具有重要参考价值。然而，这些标准只是提供了描述性的粗略标准框架，没有与标准相对应的具体指标项和评估报告范例。