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方案概述
行业现状及需求分析
教育数字化的本质是重构教育生态，是用新一代信息通信技术推动传统教学与育人模式的变革。通过对传统教室空间的数字化改造，建设新型智慧教室与智慧学习空间，帮助院校构建下一代的融合式教学环境，从以教师为中心的教学模式向以学生为中心的学习模式转变，促进教学对象、教学内容、教学活动、教学工具、教学空间等教育教学全环节、全要素的有机融合。
依托国产芯片、鸿蒙操作系统等自主可控的智慧大屏，搭载自主研发的智慧教学互动系统，为老师提供方便的应用“入口”，同时依靠良好书写体验、音视频硬编解码、极清投屏等技术等，构建智慧教室的最终输出环节，实现教学体验和视觉感受的双重升级。将教室内的课堂互动系统与各类智慧教育平台进行连接，提供线上线下一体化的学习体验，为师生提供耳目一新的教学体验。此外，通过整合边缘计算节点和智能摄像头，支持常态化录播、督导、无感考勤等业务，还可以提供音视频识别AI能力，支持知识点提取、视频切片等创新应用，方便学生学习，让教学内容得以回归。
移动互联网、大数据、云计算、5G、虚拟仿真等新技术正在迅速推动全球范围内教学理念、教学方法、学习环境和教师与学生行为模式的深刻变革。当下，教育培训的改革已从内容供给的改革（在线课程）、教与学模式的改革、评价模式的改革以及课堂环节的改变（智慧教室建设）等几个方面全面铺开。课堂是教育的主战场，是人才培养的主渠道，目前的“课堂教学”环节却面临着诸多问题：
- 课堂讲授多辅以黑板板书或PPT，讲授方式和演示效果相对单一；
- 课堂教学偏向教师单向传授，老师无法实时掌握学生学习情况；
- 传统的点名、问答等课堂活动，学生参与度较低，且费时费力，互动效果不佳；
- 课堂教与学难以量化考核，无法开展教学过程性评价；
- 无法高效地组织开展小组研讨、PBL等高阶课堂教学模式；
因此需要通过建设智慧教室，通过教学内容展示系统，课堂互动系统，物联管控系统，常态化录播系统，设备/环境管理系统的建设，改善教学手段与方法，实现线上教学空间和物理教学空间、课堂教学和课堂外教学环节的一体化。
方案架构
依托智慧教室的建设，为学校构建下一代数字学习环境，促进教学对象、教学内容、教学活动、教学工具、教学空间有机融合。
通过深度融合的软硬件集成，用一个应用满足教学一体化、管理一体化的需求，满足多场景教学的实际使用。依靠高清4K屏、收扩音系统，升级本地学生视听学习体验的同时让远端学生也都能看得清、听得清。通过多屏互动能力提升学生小组协作、深度学习的能力，帮助老师开展创新教学模式。依靠常态化录播能力实现课堂的常态化录制、资源库建设、AI课情分析，辅助教师教学。通过智能物联管控能力帮助管理者减轻教室设备管理运维的压力，通过数据采集及分析能力实现教学过程的全监控，保障教学质量。
智慧教室解决方案整体业务架构如下图所示：
智慧教室解决方案部署架构如下图所示：
部署架构说明：
- 使用华为云CDN，用与加速全站资源访问，比如教师课件、视频、图片等
- 使用华为云VPC，用于生产环境与外界隔离
- 使用漏洞扫描VSS及态势感知SA，用于保证代码和服务的安全性
- 使用云监控服务CES，用于实时监控线上服务器和服务的状态
- 使用弹性云主机，用于各服务模块的部署
- 使用分布式缓存服务（Redis，Memcache），用于用户token数据，题库、课件等热点数据的存储
- 使用分布式文档数据库（Mongdb），用于自动保存考试答题记录，课件学习记录
- 使用云数据库RDS，用于存储系统业务数据
- 使用对象存储OBS，用于存储视频、文档、图片等资源
- 使用云备份CBR，用于对重要的磁盘、数据库数据定期备份
系统组成
根据教学及教室条件的不同，可建设常态化录播智慧教室及研讨互动智慧教室。
- 常态化录播教室可通过教室内的摄像头及边缘存储设备，无需导播台及人工操作，按照课表设置即可自动实现对课堂教学过程的常态化记录。通过高清直录播的形式，既可以通过对课堂实况的录制帮助学校累积教学示范资源，也能帮助督导在线远程巡课，降低巡课督导的人力物力投入。同时，通过AI能力的接入，可为采集后的视频提供视频自动匹配字幕、知识点标注、课堂参与度分析等服务。
图3 常态录播智慧教室
- 研讨型智慧教室侧重于教师与学生之间、学生与学生之间的研讨互动，更专注于对分组教学的模式的支持。通过多屏互动系统可组织小组讨论、组间分享、教师点评对比等分组教学活动。研讨互动型智慧教室适用于专业课小班互动课堂、翻转课堂、案例教学等场景，专注PBL、TBL等创新分组教学方式的落地支持。研讨型智慧教室具有布局灵活、互动型强等特点。
图4 研讨互动智慧教室
智慧教室结合不同的空间建设类型，涵盖如下子系统模块：
- 录播巡课及资源点播系统：实现常课堂授课过程的常态化录制和积累，在录制的同时支持教学督导员及管理者在线实时巡课、历史巡课，并对课堂进行评价；
- AI录播视频智能分析系统：依托边缘计算节点实现无感考勤、知识点提取、视频语音转字幕、自动切片等多种AI能力；
- 智慧课堂互动系统：提供师生投屏、讨论、点名等多种互动教学工具，开展不同授课形式的课堂教学；
- 多屏互动系统：提供小组广播，对比、展示等分组研讨能力，实现多种教学模式；
- 远程互动教学系统：校内、校外、跨区跨境远程连线上课，满足师生不能到校的授课需求；
- 智慧物联管控系统：集中控制教室内空调、灯光、窗帘等，实现预订、远程运维、巡检；
- 智慧教学数据分析系统：通过全量教学数据采集，按学校、院系、课程、课堂等进行教学数据分析，并通过多维度的数据分析提供教师画像及学生画像，进行准确教学管理及评价；
- 融合式教学支持平台系统：支持与三方资源及教学工具的对接，通过一体化平台支持教学资源累积、教学模式创新、教学跨时空连接、教室统一运维、教学数据统一管理；
- 智慧显示系统：包括依据教室大小选择LED显示屏、86寸智慧屏、头显屏等不同组合模式；
- 装修系统：依据学校和学科特色，设计视觉观感，灵活组合的可移动桌椅等。
应用场景
智慧教室的建设可为高职教院校提供线上教学虚拟空间及线下物理教学空间的一体化教学环境建设，具体包含常态化录播系统、多屏互动系统、远程互动系统、智慧课堂系统、物联管控系统、智慧教学数据分析系统、智慧物联管控系统、融合式教学教学支持平台、智慧显示系统、音视频系统。可满足的高职教课堂互动教学、远程教学、分组教学、课堂常态录播、督导在线巡课、教学分析评价、教室物联管控等场景需求。
方案优势
融合性：充分体现教学环境与先进教学理念、教学模式、现代教育技术、学习科学的融合；
前瞻性：保证技术的先进性，包括但不限于物联网、人工智能、大数据等各种先进的技术；充分体现技术与先进教育理念的融合，技术赋能教育并为教育的实际需要服务；
整体性：软硬件基础环境一体化设计与建设；服务于教师开展新教学模式的教学实验，有利于师资队伍整体教学能力提升；教学全过程数据化、影像化有利于学校时事掌控和管理教学。
