智慧教室建设方案

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智慧教室建设方案1.系统介绍………………………………………………………11.1智慧课堂的背景……………………………………………31.2智慧教室主要用途…………………………………………32.智慧教室实验平台方案…………………………………………32.1光载无线交换机及其分布式天线系统……………………42.2物联网工程平台服务器……………………………………43.智慧教室系统设计方案…………………………………………43.1教学系统……………………………………………………53.2LED显示系统………………………………………………53.3人员考勤系统………………………………………………63.4资产管理系统………………………………………………63.5灯光控制系统………………………………………………63.6空调控制系统………………………………………………53.7门窗监视系统………………………………………………73.8通风换气系统………………………………………………73.9视频监控系统………………………………………………74.智慧课堂的课堂模式……………………………………………74.1教师模式……………………………………………………74.1.1课前备课………………………………………………74.1.2课堂授课………………………………………………8 4.1.3课后作业试题分析……………………………………84.2学生模式……………………………………………………84.2.1课前预习………………………………………………84.2.2课堂上课………………………………………………94.2.3课后复习………………………………………………94.2.4家长参与………………………………………………95.智慧课堂资源共享..……………………………………………95.1普及型录播教室…………………………………………95.1.1配置录播教室…………………………………………95.1.2云录播教室系统………..……………………………105.2云录播教室设计方案…………..…………………………105.2.1云录播教室技术要求…………..……………………115.2.2应用场景……………………..………………………115.3录像资源共享……………………..………………………115.3.1教学录像………………………..……………………115.3.2校内外远程听课………………..……………………125.3.3网络互动学习……………………..…………………125.3.4专业课和实验课教学…………..……………………12 1.系统概述1.1智慧教室建设背景　　在学校，课堂教学环节是学生接受系统教育最重要的一环，做好教学互动环节，是掌握好教学环节的质量，提高教学水平的关键。现行的教学过程中，传统的签到环节、疑问确认环节、提问互动环节、课堂小测试环节存在诸多问题。签到过程中，使用纸张签到，效率低且存在代签现象，结果不便于教师统计;提问互动环节和课堂小测试的环节中，教师给出简单选择后，学生举手或者口头回答，不能获得准确的统计数据，教师只能根据大体情况来判断是否进行教学，没有准确的数据，更不能考虑后期的数据挖掘和数据统计工作。传统的教学方式已经不适应现代化教学的需要，基于物联网技术集智慧教学、人员考勤、资产管理、环境智慧调节、视频监控及远程控制于一体的新型现代化智慧教室系统在逐步的推广运用。智慧教室作为一种新型的教育形式和现代化教学手段，给教育行业带来了新的机遇。1.2智慧教室主要用途　　智慧教室设备能够体现物联网的三个层次(应用层、网络层、感知层)，运用传感器、射频识别(RFID)等技术，使信息传感设备实时感知任何需要的信息，按照约定的协议，通过可能的网络(如基于WIFI的无线局域网、移动通信、电信网等)接入方式，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，实现物与物、物与人的泛在链接，实现对物品的智慧化识别、跟踪、监控和管理。同时，智慧教室还能满足学校物联网技术专业开设的物联网导论、传感器原理及应用、无线传感器网络及应用、RFID技术及应用、物联网工程及应用、物联网标准与中间件技术、物联网应用系统设计等课程的实践实训教学需要，并为学生或教师的物联网技术应用项目开发提供平台。　　使学生通过智慧教室实验平台，能掌握物联网技术基础理论、物理信息系统标识与感知、计算机网络理论与技术和数据分析与信息处理技术等知识，具备通信技术、网络技术、传感技术等信息领域宽广专业知识，具备一定的工程应用系统的开发、实践能力和科学研究能力。2智慧教室实验平台方案 　　智慧教室以物联网工程信息平台为基础，以光载无线交换机为核心，构建WiFi无线局域网，覆盖智慧教室，加上教室的有线网络交换机、网络路由器，从而建立融合有线网络、无线局域网的物联网关键部分——网络层，各种传感器件通过标准模块WiFi设备服务器(串口通信RS232转WiFi无线网络)无线接入物联网工程信息平台，构成全面涵盖物联网三个层次的一个统一的物联网工程实验平台。同时，其它内置WiFi模块的各种手持设备(笔记本电脑、手机等)也能无线接入该实验平台，成为物联网实验设备的一部分;师生教学、科研实践开发的其它感知模块，通过与标准的WiFi设备服务器连接，也能轻易接入该实验平台，完成测试、验证。2.1光载无线交换机及其分布式天线系统　　光载无线交换机及其配套设备远端射频单元为广州飞瑞敖电子科技有限公司的核心产品，用于实现WiFi无线射频信号的远距离、大范围的光纤分布，是物联网无线网络分布的主要分布方式。　　光载无线交换机安装在智慧教室的网络机柜里，与原本有线布线的网络交换机连接，接入学校计算机网络。光载无线交换机内置2个WiFi接入点(AP)(所有网络协议处理、基带数据处理、射频信号处理都集中在光载无线交换机内)，通过模拟光纤链路将WiFi射频信号分布到智慧教室内，完成智慧教室的WiFi无线覆盖，将实验设备和各类WiFi终端接入统一的WiFi无线局域网，构成整体物联网工程平台。2.2物联网工程实验平台服务器　　为实现物联网工程实验平台的统一管理、实验室实验设备等管控、以及开展功能复杂的综合设计和科研项目，在智慧教室的网络机柜里配置一台服务器。　　该服务器安装系统软件，及物联网工程实验的服务器端软件，提供本地、或远程访问服务，并实施对物联网实验的监控和设备管理。3、智慧教室系统设计方案述　　智慧教室基于光载无线交换机为核心，建成一个综合型的物联网共享平台，所有的设备系统均可以通过标准模块WiFi设备服务器无线接入物联网工程信息平台，通过服务器的系统软件统一管理前端系统设备;同时，我们提供教室智慧系统的设计原理图，开放足够多的端口和丰富、完善的接口函数以及二次开发包，为教师、学生提供了一个开放的环境平台去学习和研究。下图1是智慧教室拓扑图： 　　图1智慧教室总体框图　　该实验室建成一个综合型的物联网应用场景，用于学生进行创新实验研究，以及教师开展科学研究。首先通过读取人员考勤系统中数据来判断教室内是否有人员，如果教室内无人，则教室内所有系统处于关闭状态;反之，则处于工作状态。智慧教室包括以下几个系统：3.1教学系统　　教学系统由内置电子白板功能的触控投影机一体机、功放、音箱、无线麦克、拾音器、问答器和配套控制软件构成。　　使用内置电子白板功能的触控投影机代替传统的黑板教学，实现无尘教学，保护师生的健康，可在投影画面上可以操作电脑，在每个桌位上配置问答器，实现师生交互式课堂教学。3.2LED显示系统　　LED显示系统由LED面板拼接而成，安装在教室黑板顶部，用于显示正在上课的课程名称、专业班级、任课教师、到课率、和教室内各传感器采集的环境数据(室内温湿度、光照度、二氧化碳浓度等)。 3.3人员考勤系统　　人员考勤系统由RFID考勤机、考勤卡和配套控制软件构成。　　在教室前后门各安装一个RFID考勤机，采用RFID标签(校园一卡通)对学生进行考勤统计，对进入教室的人员进行身份识别，对合法用户进行考勤统计，对非法用户进行告警。同时可通过WiFi无线覆盖，在远程对考勤情况的监控，统计以及存档打印等。3.4资产管理系统　　资产管理系统由特高频RFID读卡器、纸质标签、抗金属标签和配套控制软件构成。　　在教室前后门各安装一个特高频读卡器，对教室内的实验仪器、设备等资产(贴有RFID标签，标签上存储有设备的详细信息)进行出入教室的监控与管理，对未授权用户把教室内资产带出教室进行告警，方便设备管理人员对教室设备的统一管理。3.5灯光控制系统　　灯光控制系统由灯光控制器、光照传感器、人体传感器、窗帘控制系统和配套控制软件构成。　　首先通过人体传感器来判断教室内对应位置是否有人，此位置无人，则灯光控制系统及窗帘控制系统处于关闭状态;反之，处于工作状态。　　1：窗帘控制系统：通过采集安装在窗户的光照传感器数据，根据软件预设门限值，以窗帘自动开、关来实现教室内光照强度的补偿;　　2：灯光控制系统：采集安装在教室内的光照传感器数据，通过分析数据，根据软件预设值，来控制教室内灯光的自动开启与关闭，并可调节灯光的亮度，实现室内灯光的智能控制与节能减排。3.6空调控制系统　　空调控制系统由中央空调电源控制器、温湿度传感器和配套控制软件构成。　　通过温湿度传感器监测室内温度，通过分析数据，根据软件预设值，当室内温湿度高于最高门限值时自动开启空调。当室内温湿度低于最底门限值时自动关闭空调，实现室内温湿度的自动控制。 3.7门窗监视系统　　门窗监视系统由窗户门磁模块及配套软件组成。　　窗户门磁模块用于检测门和窗户的开关状态，并将状态信息及时上传至服务器。同时设置敏感时段，实施对窗户的自动监视和报警。3.8通风换气系统　　通风换气系统由抽风机、CO2传感器和配套监控软件构成。　　通过CO2传感器监测室内的CO2浓度，通过分析数据，根据软件预设值，当室内CO2浓度高于软件门限值时自动开启抽风机来进行换气，通过补充室外空气来降低室内CO2的浓度。3.9视频监控系统　　视频监控系统由WiFi无线摄像头和配套监控软件构成。　　视频监控可为安防系统、资产出入库、人员出入情况提供查询依据。在教室前后门口各安装一个WiFi无线摄像头监控人员出入和资产的出入库情况，在教室内安装一个WiFi无线摄像头监控教室内部实时情况，所采集的影像经由远端射频单元传送至终端管理电脑，提供实时的监控数据.4.智慧课堂的课堂模式4.1教师模式4.1.1课前备课智慧课堂系统为老师提供了方便灵活的课程设计功能，协助老师实现翻转教学，上课前老师将要上的课程按章节制作成预习课程和讲课课程，预习课程用于学生课前预习使用（系统会根据设定的上课时间提前自动发送到学生空间），讲课课程用于老师上课使用；预习课程和讲课课程的设计非常灵活，老师可以根据需要将文本资料、讲课视频、课前练习题等按任意顺序编排到课程里面去。 4.1.2课堂授课课堂上老师根据学生的预习情况以及在线提问情况先做相关知识点的讲解，然后进入集体答题环节，老师通过网络空间在电子白板（任意显示设施均可）上打开上课课程，调出包含本课知识点的测试题，学生们通过智能卡或是pad集体答题，对错情况直接在白板上显示，老师根据对错统计数决定是否需要讲解，如此循环；课堂上学生们的答题情况将自动保存到分析统计系统。同时智慧课堂提供了利用智能卡或是pad进行抢答和随机抽取答题的功能，代替了传统的举手回答，进一步增强了课堂的趣味性。4.1.3课后作业/试题分析智慧课堂系统为老师提供了个人试题库功能，老师可以按章节将自己认为好的试题在线编辑保存到自己个人试题库中，系统为老师提供按照课程章节的自动组卷功能，形成老师个人试卷库，用于学生的在线测试或是家庭作业。智慧课堂系统为老师提供了强大的教学分析系统，提供按时间和按章节两大纬度做答题统计，按时间段的统计让老师可以随时查看某个班级乃至某个学生具体一个时间段的答题正确率，便于老师了解学生阶段性的学习情况；按章节统计可以让老师准确的了解某个章节学生的整体掌握情况以及个人的掌握情况。4.2学生模式4.2.1课前预习智慧课堂系统为学生提供了课程预习模块，学生可以查看各科老师推送的预习课程并完成课程中的练习题，对错情况实时显示，并配有试题解析，帮助学生自学，在预习的过程中学生可以随时针对该预习课程中不懂的问题进行在线提问，问题将汇总到相关老师处，老师在线解答的问题将以消息提示的方式及时通知提问的学生。同时按章节保留本学期学生的预习课程和老师的讲课课程。4.2.2课堂上课智慧课堂系统为学生提供了课中互动答题功能，课堂上学生通过智能卡集体答题（同时提供iPad方式），答题结果实时显示，老师根据答题整体正确率决定是否需要讲解，学生知识点的掌握情况一目了然，实现了集体参与。利用智能卡和iPad进行的抢答题功能和随机抽取学生答题功能增强了学生上课的趣味性和参与性。 4.2.3课后复习智慧课堂系统为学生提供了习题模块，按年级、学科、章节保留学生预习以及课堂上做过的习题，方便学生二次查看，同时支持错题自测功能，可以方便的将做过的习题加入错题本，用于学生自己复习自测使用。4.2.4家长参与智慧课堂平衡了老师和家长对学生的教育义务，一直以来父母问的最多的是孩子课堂上的表现，看来很好回答的问题，老师回答起来却很纠结，没有一个量化指标，该讲的都讲了，孩子不学是谁的问题。智慧课堂为家长提供了反应学生预习情况和上课情况的分析系统，家长可以随时通过web页面和手机客户端通过答题统计数据了解孩子在家的预习情况和上课答题表现情况。按学科章节提供学生每天答题情况的统计数据，方便家长实时了解孩子每天的学习。灵活的按时间段统计功能，方便家长了解学生某个阶段各个学科的学习情况。现在家长和老师站在了统一线上，共同思考如何为孩子创造一个好的学习环境，如果引导监督孩子学习。5智慧课堂资源共享5.1普及型录播教室简易型录播教室的主要用途是网络教学和录制视频公开课，用于教育资源共享，满足更多学习者的求知需求，要求录播的重点是老师传授的知识。简易型高清录播教室定位于教学应用，以学习者获取教学内容为目的，录播常态化课堂教学。简易型高清录播教室采用基于嵌入式全集成架构的新一代录播设备，体积150mmx100mmx45mm，单机独立录播，每间教室造价仅需几万元。移动使用，可以多个教室共用一套设备，用最少的投入惠及更多的师生。简易型录播设备需采用FLV格式录播，单机使用即可进行互联网远程教学。简易型高清录播教室采用国际视频标准，从摄像、视频采集到网络传输、终端显示全程支持1080P录播，实现真正的高清录播教室。采用高清摄像符合教育部视频课技术要求，1080P高清动态影像拍摄具有更广的可视区域，更高的图像清晰度，在70平米教室单机全景拍摄即可满足细节表现的需要，等效多台标清摄像机拍摄效果，可以把老师的讲课、板书、投影显示同步拍摄。用于远程教学大屏幕显示，画面像蓝光DVD一样清晰。5.1.1教室配置简易型录播教室的录播设备包括高清录播摄像机和高清录播服务器，每间教室只需配置这二种设备，需要几路配置几路。可以采用移动方式使用，也可以固定安装，在普及化使用中，可以采用固定安装+ 移动补充方式，即可提高集中管理效率，又可提高设备利用率。高清录播摄像机用于教师图像和学生图像的录像和直播；高清录播服务器与计算机连接，用于多媒体演示和讲解的录像和直播；与高清DV连接，用于实验课、技能课操作演示的录播。每个录播设备独立工作，占用一个IP地址，通过有线、无线方式联网。教学的本质是传播知识，要求录播设备能够对课堂教学内容进行完整的录像和直播。课堂教学内容包括三部分：老师的讲解，老师的板书和多媒体演示，老师和学生的问答。面对大中小学不同的教学方式和各种课程类型的教学需求，采用单一的录播模式很难满足学校的需要。简易型录播教室采用单机独立录播，多机组合的方式对常态化教学内容进行录播。多路视频独立录像，可以完整录制教学内容，作为教学资源保存。多路视频同步直播，可以完整传输教学内容。多路视频同步收看、自主切换，符合学生自主学习的需要。这种方式的优势就是可以根据学校的教学需求对录播教室进行灵活配置，需要什么配置什么。在配置黑板+投影机的教室，录制精品视频公开课和网络互动教学，采用教师近景、学生全景、VGA视频三路视频录播。教师活动区域较大的课程，增加一路教室前区全景录播，实验课、技能课增加一路专业演示录播。简易型录播教室的录播设备携带方便，操作简单，可在课堂教学、学术研讨、专家讲座等各种场合使用，可以教师自主使用，也可以管理人员远程控制使用。5.1.2专业型录播教室根据当前和未来的教学发展需要，云录播系统是将课程录制存储、资源管理共享以及课件直播点播等技术与网络技术相融合的具有强大监控管理能力的辅助教学应用系统。通过网络把多个教学点的教学视频场景和授课计算机画面以标准的流媒体编解码技术进行实时采集压缩、集中存储及监控管理。在先进的产品和技术帮助下，最终实现使终端简化成一个单纯的输入输出，减少终端处理负担，使优秀的教师、课程、资源、知识得到充分的展示、记录、管理、分享。以专业化、国际化、特色化、易扩展为标准提供一个集技术、信息、应用于一体的教学平台。云录播系统方案是综合教室视频和屏幕的双重监控、课件的远程录制和集中管理、课堂内容的实时直播功能于一体的整体性方案，主要以集控式录制为核心，同时添加直播和老师跟踪功能，以更具完整的一体化形式展现给用户。设计上遵循统一的标准，汇集了大量的先进科技。主要优势还在于使一体化教学新网络可以从容面对未来的需求变化。通过使用该系统，用户只需极少的资金和人力投入，就可以大面积进行网络课程资源建设，达到优质教育资源共享、提升课堂教学水平的目的。为学校的教学管理等工作提供现代化的工具，在有效控制成本与费用的同时极大的提高工作效率，成为学校信息化建设的重要组成部分。5.2专业录播教室设计方案云录播系统的建设重点以常态化多媒体课堂教学为中心，构建“数字化录播教学资源”平台，建成集多媒体教学、课程录制、课堂直播、课程资源管理于一体的教育教学应用系统。从而有效提高服务工作效率，通过网络扩大教学服务管理范围，提升学校录播教室运行管理的工作质量，强化对课堂教学的服务和管理。还有利于教育局精确掌握区域教育资源的分布情况、了解教育资源的状况、特点特色，长项和短板。为教育资源均衡配置、提高教学质量、解决教育公平提供决策支持服务，实现教育资源的精准管理。 5.2.1专业录播教室技术要求l支持多种移动设备，如IOS（iPad、iPhone）、Android等，进行课件点播、点评，移动学习。l支持多种浏览器，如：IE、Google、Safari、火狐等，无需额外安装任何插件，即可进行课件的直播、点播。l听课系统与教学课程表相关联，无需人工干预，按课表设定的课程时间，自动完成课程的录制。用户登录后，在主界面显示正在上课的课程，直接选课、听讲。l具有视频监控功能，显示所有教室信息及教室状态，校领导可在控制中心集中在线巡查，对教学活动进行远程指挥。l为了满足每个客户的需求，设置个性化综合管理，集用户权限管理（学生、教师等）、课程管理、编辑管理、部门管理、资源管理、评教评学功能于一体。l仿真跟踪采用特有的图像分析技术，根据目标特征进行检测，识别到目标物体的位置，并对该物体进行跟踪。l基于各大视频网站的Flash编码压缩技术，用户无需下载任何客户端软件、插件，用IE浏览器即可直接收看视频，数据压缩比例高，数据小，传输速度快。5.2.2应用场景录播教室以其专业性，可用于不同场景的教学活动中。5.3录像资源共享5.3.1教学录像在录播教室上课，可以录制4种形式课件：PPT讲解课件、老师教学课件、多流资源模式课件、电影模式课件。lPPT讲解课件包含了绝大部分教学信息，符合自学习惯，以往自学就是看书，现在看PPT，听讲解，效果更好。PPT讲解课件无需编辑即可作为课件直接上课使用，供学生在线点播，下载学习。l老师教学课件上课时学生看到、听到的主要信息是老师的板书、演示、讲解和学生的问答。老师教学课件把教室前面范围内的板书、演示、老师讲解完整拍摄下来，符合课堂学习视觉习惯，学生看课件时的感觉和在教室上课时的感觉一样。 l多流模式课件多流同步录像、完整保存教学资料，多流回放，自主切换画面，适合学生学习。l电影模式课件符合老师评审，交流和制作精品视频公开课的要求。老师课后自选自编，采用无损剪辑方式制作，可以根据需要进行多次编辑。5.3.2校内/外远程听课老师在主讲教室讲课，用录播设备直播，听课教室通过观看大屏幕同步上课，可充分利用教师资源，惠及更多学生。主讲教室录播设备接入校园网，设定上课时间，即可自动直播教师画面、学生画面、计算机多媒体演示画面和老师讲解、学生问答。每个教室可以作为主讲教室，也可以作为听课教室。多个听课教室可以同时收看同一主讲教室授课。多个主讲教室可以同时向各自的听课教室直播。5.3.3网络互动教学网络互动教学是将物理上分离的教室虚拟成一间大教室，每一位上课的学生都可以通过实时的音视频与教师进行问答。5.3.4专业技能/实验课教学专业技能课、实验课是课堂教学的重要组成部分，老师做演示教学，由于视野小，只有少数学生看的清楚。在摄像机前演示，在大屏幕上显示，可以让全班学生看清每一个操作细节。把老师上课的演示同步录像，用于日后教学和学生复习，可以充分利用教师资源，节约大量演示费用。课堂上让学生动手实践，进行录像，互相交流，可以培养学生扎实的操作技能和综合的实践能力。