摘" 要：为实现气象干部培训设备现代化、课堂精品化、师资高效化、培训策略信息化，通过创新教学方式，推进教学进程，实现新形式的信息化教学，建设5G+智慧教室显得十分必要。文章阐述了气象干部智慧教室建设的设计原则以及建设的架构和功能应用模块，建设出了符合气象干部教学实际需求的高效率、现代化的教学环境，使智慧教室更好地为课堂教学服务，提升课堂教学效果，推动了气象干部教育培训信息化的发展。
关键词：智慧教室；物联网；设计原则；系统构成
中图分类号：TN929.5；TP39" 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2024）12-0183-05
Design and Application of Meteorological + 5G Smart Classroom Based on
the Internet of Things
WANG Yongfeng， SHEN Yaoxin， XIAN Xiaolong， WANG Yiran， LIANG Xinhang
（China Meteorological Administration Training Center， Beijing" 100081， China）
Abstract： In order to achieve modernization of meteorological cadre training equipment， high-quality classrooms， efficient teaching staff， and training strategy information， it is necessary to promote teaching processes and achieve new forms of information-based teaching through innovating teaching methods， and build a 5G+ smart classroom. The paper elaborates on the design principles， architecture， and functional application modules of the construction of a smart classroom for meteorological cadres. It has built an efficient and modern teaching environment that meets the actual needs of meteorological cadre teaching， making the smart classroom better serve classroom teaching， improving classroom teaching effectiveness， and promoting the development of information in meteorological cadre education and training.
Keywords： smart classroom; Internet of Things; design principle; system composition
0" 引" 言
党的二十大报告指出“推进教育数字化，建设全民终身学习的学习型社会、学习型大国”，为新时代教育数字化发展指明了方向[1]，智慧教育已成为全球教育变革发展的必然趋势。近年来，为适应数字中国建设新形势，加快推进干部教育培训数字化建设，全国各地都在充分运用云计算、大数据、虚拟现实、人工智能等新兴信息技术，推进信息化教学服务平台建设和应用，推动特色鲜明的以自主、合作、探究为主要特征的教学方式变革[2]，促进教育形态从教学结构（以教为主）向学习结构（以学为主）的转变。
在国务院印发的《气象高质量发展纲要（2022—2035年）》中，明确指出要加强气象教育培训体系和能力建设，要推动气象人才队伍转型发展和素质提升[3]。干部培训如何推动教育方式转型，教师主动适应变革，积极开展适应信息化、人工智能等新技术变革的教育教学，这样才能加强气象教育培训体系和能力建设，全面推进新时期气象培训教师队伍建设改革，这是气象培训事业发展的重大目标任务，是新时代赋予我们积极推进信息化建设和教育融合创新与发展的重要契机。建设智慧学习环境是气象培训实现教与学模式转变的关键，是教育现代信息化发展的必然结果，对教与学有着革命性的影响。智慧教室，作为智慧学习环境，其功能和形态虽有不同，即使国内外学者对其认识也存在差异，但受教育信息化发展的趋势影响，必然成为数字化教室发展到一定阶段的产物，也成为教育技术领域关注的焦点，以及教学环境创新和教学模式改革的重要标志[4]。
近年来，干部学院在气象业务类培训的教室、实习实训平台建设、干部类培训的研讨互动教室、培训保障能力等方面有所改善，但是随着近年来培训需求的逐年增加，特别是干部管理类培训教学设施和教学环境与新形势下的要求差距日益显现，无论教学设施、教学环境配置远不能满足现代干部管理类培训的需求，重要教学手段像互动分组研讨、情景模拟、分级演练等培训形式由于相应的教学环境支撑不足而受限制。同时虽然拥有很多现代化教学设备，但是智慧学习环境还没有构建起来，各个智能化设备的“单打独斗”，大部分教室还不能实现课件的按照电子课表智慧录播；不能够实现自动考勤、课堂行为的采集与大数据分析，为教学提供大量的分析数据信息。这使得智慧教学仍然浮于表面，在运用智慧教育的思路创新教学、高效教学方面，没有发挥出重要作用。
随着5G网络建设全面展开，5G技术推动了物联网的加速发展，也为智慧教室的建设提供了有利环境，干部学院规划设计了基于5G+气象教育培训的智慧教室。通过智慧教室的设计应用，为干部学院教学设备智能化、教学系统精品化、教师团队培养高效化、教学策略网络化提供了保障，让智慧教室更好地为课堂教学服务，创新了教学方式，推进教学进程，实现新形式的信息化教学[5]，智慧教室也成为促进气象教育培训教学发展的新理念、新模式、新趋势的重要抓手。
1" 基于物联网的5G+智慧教室建设的原则
干部学院智慧教室的建设主要包括5个方面的原则：
1）实用性与易使用性。智慧教室的建设要满足老师教学与教研的基本需求，为未来数字化教学培训的发展提供有力支撑和强大动力；同时在操作上高度融合易用，一键飞屏，一键广播，全信号源自由圈点批注。
2）先进性与前瞻性。智慧教室的设计要在整合现有软硬件资源的基础上，整体规划，适度超前，尽可能地采用最先进的创新技术。
3）可靠性与安全性。要选择成熟且稳定的软硬件系统以及网络系统，保障智慧教室运行的稳定、可靠与安全。
4）兼容性与拓展性。考虑到智慧教室系统未来的可拓展性，系统的软硬件设备应具有较高的可扩展性和较强的兼容性。
5）维护的远程化与智能化。智慧教室不仅包含各类音视频网络设备，还包含网络化远程管理。支持网络化远程管理是智慧教室的最基本的要求，能够远程管理视频录制设备、声音设备以及物联网设备、网络设备，还能够管理电子班牌等多种类型的设备。通过一体化的管理平台对所有的设备进行管理、监测、记录，统计与分析教室内设备的运行数据用来预判故障，提前干预，这是目前智慧教室管理的主流模式。这种智慧教室的管理模式，变被动管理为主动管理，不仅能够实现使用、运行的智能化，也能够实现管理维护的智能化[6]。
2" 基于物联网的智慧教室的架构与设计
干部学院智慧教室的建设以支撑新型教学模式为核心，借助互动研讨教学软件、AI督导智能分析软件、无线投屏等信息技术，将教学资源、教学服务、教学数据融为一体，实现与教学模式的深度融合，打造创新教学空间，全面支持与推动混合式学习、研讨型课堂间等新型教学模式，同时以学生为主体、以能力培养为目标，采集教学数据，全面服务于教学[7]。
2.1" 总体架构
结合干部学院的实际需求以及目前智慧教室的新设备、新技术，智慧教室的体系架构分为系统用户层、教学应用层、平台支撑层与基础设施层，如图1所示。
2.1.1" 系统用户层
领导、教师、学员、教务、教保等教学管理人员都能够利用手机、平板、电脑等各种终端，随时随地对智慧教室中的各种教学资源进行访问，包括课表查看、直播观看、录制回看、教室实况巡视、教室设备管控、远程系统维护、过程打点评价等。
2.1.2" 教学应用层
智慧教室应用系统包括视音频采集系统、显示系统、全场景运维系统、多媒体教学互动系统、AI教学督导系统、教学资源管理系统、智慧环境系统、考勤系统等，这些系统通过学院一体化平台单点登录，实现远程管控智慧教室设备、系统及设备异常预警、一码报修等。
2.1.3" 平台支持层
通过课堂教学课前、课中、课后全流程采集、计算、存储产生的各类数据，构建多维度大数据体系，为学院教学改革及人才培养质量提供数据支撑服务，保障智慧教室教学应用工作的顺利进行，确保数据安全性。
2.1.4" 基础设施层
基础设施层包括服务器、网络等基础设施。该层是智慧教室的基础，为智慧教室提供基本的网络通信以及安全保障，实现各类数据的可靠安全的高质量传输。同时也包括空调、换气扇、电源、多媒体设备、电动窗帘、摄像头、Wi-Fi、智能读卡器等教学管理设备[8]，通过这些基础设备，实现对智慧教室内的窗帘、温度、湿度、光照强度、灯光亮度、安防等的智能感知控制。
2.2" 物联系统架构设计
基于物联网技术的智能系统由教室端和服务器端两部分组成，如图2所示。教室端提供音视频信号切换、电源管理、环境设备控制等；服务器端则提供用户集中控制和管理等功能。
2.3" 功能模块设计
智慧教室是实现探究式教学模式的主要环境载体，通常集合了如自动录播系统、课堂教学分析系统、环境智能控制、远程互动教学、交互讨论系统等多种子系统[9]。这些系统帮助学习者和教师突破固有思维，重构教学方法，实现新场景融合设计、将智慧内容与教学深度结合。
2.3.1" 自动录播系统
智慧教室集成课堂教学录直播系统，构成支持全自动导播录制、网络直播、存储等多种功能的专业录制系统。其目的是让每间教室实现常态化教学场景录制、丰富校本视频课程资源、实现师生课后课堂回顾、进行大规模公开课实况直播、扩展校区间班级互动教学等功能。
2.3.2" AI课堂教学分析
AI课堂教学分析系统利用基于人工智能技术的人脸识别、表情识别、语音识别、行为识别，通过建立课堂分析模型实现对课堂中各种教学行为和教学内容的自动分析，可以生成教员讲授、教员板书、教员巡视、师生互动等9类教学行为进行自动分析，生成课堂教学报告，教学巡视如图3所示。教员可以依据系统生成的课堂报告进行教学反思，改进教学方法，提升教学技能。系统自动生成学员的学习行为数据，方便教员针对学员的学习方法进行指导改进。同时，系统可扩展支持教员、学员的无感考勤，简化考勤人工操作，提升系统体验和考勤的精确度。
2.3.3" 远程互动教学系统
在线互动教学系统是利用网上同步上课的方式，通过直播功能，教师和学生可在线完成授课、学习、讨论、提问等教学互动，实现学院多校区同上一节课，共享优质教育资源，包括授课和互动两种课堂模式。软件系统内置到课堂教学录直播系统的智课终端中，无须建立独立的硬件设备，最大化减少智慧教室的硬件设备。教师借助在线互动课堂系统可以采用点对点模式、一点对多点模式带领远程教室同时上课，实现1 v N的远程互动教学。
2.3.4" 研讨互动教学系统
在探究式学习场景中，学员分成若干小组，根据教员布置的项目或主题展开研讨，通过小组内的交流合作完成学习任务，最后教员对小组成果进行分享、讲解和对比，达到提升学员自主创新能力、交流协作能力的目的。智慧教学系统提供教学大屏、分组中屏、移动终端之间的智能交互功能，如图4所示，可以实时完成各个设备之间的内容呈现，实现教员与学员，学员与学员之间的互动交流、协作学习、合作分享，从而使探究式教学更加便捷、高效。
2.3.5" 智慧班牌系统
智慧班牌系统主要包括前端智慧班牌和后端班牌信息发布系统。主要功能包括教室管理、课表管理、信息发布管理、实时播报、流媒体展示、考试管理、考勤管理、教室预约、报修管理、人脸识别登录、门禁等。提供横竖版多种样式；支持断网脱机时包括视频、图片、课表、学员信息全部功能在脱机下运行，脱机时保证刷卡考勤及抓拍数据的完整性，联网自动上传。
2.3.6" 多媒体网络中控系统
多媒体网络中控系统是智慧教室的重要组成部分，借助网络中控系统以及可视化集控管理系统，通过与音视频采集系统、网络系统、投影等多媒体设备的联动，实现设备的一键开启、关闭、信号切换、幕布升降、音量调节等，从而实现教员授课过程智能化、教学资源管理分配智能化以及多媒体教学设备管理控制智能化，如图5所示。
2.3.7" 智慧环境系统
智慧环境系统对智慧教室内物理环境实时全方位监控，对教室内光线、温度、湿度、空气质量等实时监测；通过策略设置，自动调节教室内物理环境，将环境因素对课堂的影响和对学员人体的伤害降到最低。
2.3.8" 课程管理系统
课程资源管理平台以智慧教室录播系统录制的课堂教学课程为基础，提供课程管理、资源分类、在线浏览、资源统计等功能。支持在线创建作业、考试等学习任务，同时可在线批改作业、考试。智慧教室录制的课程资源可以自动或手动上传平台，平台亦支持师生个人资源的上传、审核、管理与发布，实现个人资源的分享。系统提供API接口可以对接学院数据中心。
2.3.9" AI督导系统
教学督导是教育督导一种特殊的形式，是运用科学的方法和手段对教学工作进行监督、检查、评价和指导[10]，通过发现问题、诊断原因、提出办法、实施改进等步骤，最终实现提升学校课程质量和人才培养质量。AI督导系统借助智慧教室的AI录播系统录制的课程，实时直播的课程及课堂教学行为分析数据进行在线评课、诊断，为教师的教学改进提供指导建议。
2.3.10" 在线学习系统
在线学习系统提供课程资源管理、布置学习任务、数据统计与分析等功能，如图6所示。打通课堂教学前、中、后的教学全环节，教师可通过平台进行课前备课、发布任务、课中互动数据自动收集、分析，课后布置作业、互动交流等功能，学生可通过平台选择感兴趣的视音频课程，通过点播方式进行在线学习、互动交流等，并生成课堂报告，支持知识点标注、资源检索、文字互动等功能。
2.3.11" 可视化集控管理平台
可视化集控管理平台是提供统一认证、统一数据、统一权限的智慧教室的远程管理平台，通过该系统可实现课堂教学常态化录播系统、智能教学中控系统、教学督导管理系统等的远程集中可视化管理，包括监控设备数据、监看设备状态、远程控制设备、远程导播可视化、巡视课堂画面等。
3" 结" 论
干部学院智慧教室的设计及建设是以服务教学为核心，具体分析与考虑教室空间布局与教学方面的实际需求，提供教室智能中控、课堂互动教学、教学过程督导、音视频录播、数据分析与可视化平台等功能，通过智慧教学环境、智慧教学模式、智慧教学评估三个维度进行的一体化构建。总之，依托物联网、人工智能、云计算、大数据等新一代信息技术，智慧教室服务气象培训的智慧教学，有利于提升学员学习体验，提高教学效果，以教育信息化全面推动干部培训的教育现代化。
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作者简介：王永锋（1969—），男，汉族，山西吕梁人，高级工程师，本科，研究方向：多媒体技术。
