么家欣

(天津市和平區(qū)新華職工大學(xué)，天津 300070)

近年來隨著國家對職業(yè)教育領(lǐng)域的投入與注重不斷加大，優(yōu)秀人才引入的同時(shí)，趨于成熟的教學(xué)理念，多樣性的教學(xué)方式也逐步走進(jìn)了學(xué)生日常的學(xué)習(xí)中。支撐這些的將是對教育環(huán)境上的不斷提升，這其中包括軟件和硬件，我們通常注重應(yīng)用的軟件往往是基于硬件的基礎(chǔ)。針對學(xué)校自身的環(huán)境及條件，基于高職學(xué)生的特點(diǎn)，合理配置構(gòu)建符合高職院校特色的教學(xué)環(huán)境----智慧教室，是一名合格的實(shí)驗(yàn)室教師的職責(zé)。

一、高職院校建設(shè)智慧教室的意義

基于智慧教室模式下的課堂形式從引進(jìn)到發(fā)展，已經(jīng)成為眾多院校提升教學(xué)環(huán)境提高教學(xué)質(zhì)量的標(biāo)志?！爸腔劢淌摇睆暮暧^上看是一種學(xué)習(xí)場所，在微觀上它主要是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、多媒體技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、通信技術(shù)、傳感射頻識(shí)別技術(shù)等來裝備教室，改善學(xué)習(xí)環(huán)境配置，提升學(xué)習(xí)氛圍，培養(yǎng)適應(yīng)信息時(shí)代人才的一種教學(xué)環(huán)境。智慧教室它體現(xiàn)在智能上，集多技術(shù)功能為一體，隨著科技的成熟與發(fā)展，智能的程度會(huì)越來越完善。

(一)符合高職院校教育教學(xué)的特點(diǎn)

高等職業(yè)院校突出的是較高層次和職業(yè)緊密的關(guān)系。職業(yè)院校承擔(dān)的教學(xué)任務(wù)廣，開設(shè)的課程具有職業(yè)性，多樣性，隨著社會(huì)需求變化快的特點(diǎn)。同時(shí)也要具備一定的社會(huì)職能，服務(wù)于社區(qū)人員和老年人。學(xué)員和教師的流動(dòng)性大，相對于時(shí)間上的安排也較于松散，不固定性強(qiáng)。設(shè)計(jì)的課程難度雖然較于一般本科院校較低，但涉獵寬泛，涵蓋有學(xué)歷教育，職業(yè)教育，崗位培訓(xùn)，興趣培訓(xùn)等多種形式，因此實(shí)現(xiàn)的模式也是多樣的。智慧教師的智能課堂式授課，遠(yuǎn)程教學(xué)，分組交流，視頻回放，實(shí)景再現(xiàn)等功能可以在教學(xué)中提升教學(xué)質(zhì)量，加強(qiáng)教師和學(xué)員的契合度。

(二)匹配高職院校學(xué)員及師資的現(xiàn)狀

高等職業(yè)院校的學(xué)員組成相對復(fù)雜，學(xué)歷學(xué)員具有一定的學(xué)習(xí)意愿，既希望更高層次的提升，又要以就業(yè)為依托，適合理論和實(shí)際操作相互并存的教學(xué)方式。職業(yè)培訓(xùn)的學(xué)生目標(biāo)明確，但由于學(xué)員自身層次良莠不齊，年齡跨度大，接受知識(shí)的水平和渠道有著顯著的差異。面向社會(huì)的興趣班的培訓(xùn)，學(xué)員對課堂自由度的要求高，節(jié)奏放緩，需要重復(fù)的環(huán)節(jié)增多。不同類型的學(xué)員需要不同的氛圍，智慧教室能夠充分發(fā)揮其多變的功能，迎合各類學(xué)生的需求。

基于高職院校學(xué)員的多類別，適應(yīng)各專業(yè)門類的教師也呈現(xiàn)出細(xì)分多元化的趨勢。既有可以輕松適應(yīng)電教環(huán)境的教師，也有專業(yè)能力強(qiáng)，但缺乏縱深計(jì)算機(jī)知識(shí)的教師。如何讓我們的智慧教室根據(jù)教師的要求，完成符合教學(xué)目標(biāo)的綜合性任務(wù)，鄙棄權(quán)威式的教學(xué)，在傳統(tǒng)的課堂式教授的環(huán)境下，讓情景式教學(xué)，參與式教學(xué)，個(gè)性化教學(xué)，啟發(fā)式教學(xué)，遠(yuǎn)程教學(xué)等多種教學(xué)形式相融合，是我們建立智慧教室需要完成的目標(biāo)。

(三)節(jié)省高職院校場地和資金

相較于普通院校，政府對于高職職業(yè)院校投入的比例相對較少，在有限的投資和場地上，要從成本核算上節(jié)約，建立符合職業(yè)院校特點(diǎn)的智慧教室，讓資源得到充分的發(fā)揮和利用。在教室的安排上，需要多學(xué)科共用，功能設(shè)置上符合不同層次學(xué)員和教師，在單一的場景內(nèi)發(fā)揮盡可能多的職能，讓師生學(xué)校社會(huì)共同受益。

(四)建立智慧教室的功能價(jià)值

1.構(gòu)建“智慧教室”，為學(xué)習(xí)者提供合作學(xué)習(xí)、自主學(xué)習(xí)、學(xué)生社群、資源共享等硬件支撐環(huán)境，完成教育信息化的拓展和落地。

2.通過輸入學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，分析與預(yù)測，為教師提供教學(xué)數(shù)據(jù)依據(jù)、為學(xué)生提供學(xué)習(xí)依據(jù)、為教育管理者提供決策依據(jù)。

3.為教育教學(xué)模式的創(chuàng)新提供信息化保障，通過構(gòu)建“智慧的學(xué)習(xí)環(huán)境”為翻轉(zhuǎn)課堂、智能推送、情景再現(xiàn)等職能應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

4.通過智慧教室的模塊化管理，把繁復(fù)的行為變成簡單化的操作，加大可行性的范圍，擴(kuò)大使用人群，讓更多人受益。

二、高職院校智慧教室的功能結(jié)構(gòu)

(一)平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)原理

平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)由四部分組成，如圖所示：

圖1 平臺(tái)架構(gòu)示意圖

系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)采用模塊化開發(fā)、組建式部署的基于門戶的多層軟件體系架構(gòu)。主要可分為應(yīng)用展現(xiàn)層，服務(wù)組，存儲(chǔ)層，基礎(chǔ)層。

1.展現(xiàn)層。該層次為用戶接口，通過應(yīng)用組件對外直接發(fā)布以及通過統(tǒng)一門戶展現(xiàn)的方式作為b/s架構(gòu)的應(yīng)用提供用戶界面。同時(shí)，系統(tǒng)將以對外發(fā)布移動(dòng)終端的服務(wù)接口為基于移動(dòng)終端的c/s架構(gòu)應(yīng)用提供服務(wù)。為提高系統(tǒng)的延展性和可擴(kuò)充性，系統(tǒng)采用了分布式的部署方式：

圖2 展現(xiàn)層部署示意圖

如圖所示，在展現(xiàn)層，系統(tǒng)采用基于Nginx/Apache的反向代理技術(shù)實(shí)現(xiàn)服務(wù)器的集群部署。移動(dòng)終端和PC端瀏覽器不直接訪問應(yīng)用容器，而是通過在多個(gè)應(yīng)用容器前架設(shè)反向代理服務(wù)器。這樣一來可以在用戶不可知的情況下，根據(jù)需求任意擴(kuò)充應(yīng)用容器的數(shù)量以滿足不斷增長的用戶數(shù)的要求。

2.業(yè)務(wù)層、服務(wù)層、支撐層。該層次為平臺(tái)的業(yè)務(wù)核心，負(fù)責(zé)完成系統(tǒng)中各個(gè)組件以及系統(tǒng)與外部系統(tǒng)之間的業(yè)務(wù)邏輯。首先，支撐層提供例如資源管理、接入規(guī)范、緩存、任務(wù)等各類基礎(chǔ)技術(shù)機(jī)制與實(shí)現(xiàn)，為整個(gè)平臺(tái)業(yè)務(wù)的建設(shè)、系統(tǒng)的接入等提供通用的、一體化的技術(shù)解決方案。其次，在支撐層的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)抽象出了各個(gè)業(yè)務(wù)模塊公用的認(rèn)證、用戶、日志、文件等通用業(yè)務(wù)組件，不但為各個(gè)模塊提供了通用的業(yè)務(wù)功能，也為后期持續(xù)建設(shè)以及外部系統(tǒng)的接入提供了相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。建立在支撐層和通用業(yè)務(wù)組件的基礎(chǔ)上，業(yè)務(wù)層和服務(wù)層用于完成具體的業(yè)務(wù)功能。這部分的建設(shè)使用了通用業(yè)務(wù)接口的相關(guān)功能，以及系統(tǒng)提供的服務(wù)管理和交互的機(jī)制完成自身的建設(shè)和模塊之間的協(xié)作，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步抽象并實(shí)現(xiàn)個(gè)人中心、消息通知、統(tǒng)計(jì)等匯總類功能。與此同時(shí)，在整個(gè)軟件核心體系的建設(shè)中，平臺(tái)也通過后臺(tái)管理模塊以及接入運(yùn)維、部署配置等工作達(dá)到完成元信息管理、后臺(tái)資源管理、靈活部署的目標(biāo)。該部分的建設(shè)基于SOA的體系，采用模塊化開發(fā)、組件式部署的方式，因此可支持非常靈活的部署方式：

圖3 核心層部署示意圖

如上圖所示，系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段的模塊、組件等邏輯單元，也可以被建設(shè)成為物理隔離的不同部署單元，之間通過WebService或RPC進(jìn)行通訊。一方面，不同類型的節(jié)點(diǎn)可以獨(dú)立為不同部署節(jié)點(diǎn)，例如業(yè)務(wù)組件、通用業(yè)務(wù)組件、通用功能組件等?？梢宰尣煌臉I(yè)務(wù)模塊根據(jù)其使用特征進(jìn)行有針對性地優(yōu)化與維護(hù)，充分利用服務(wù)器的資源；另一方面，在同類節(jié)點(diǎn)(尤其體現(xiàn)為業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn))中，其無狀態(tài)的特征決定可以對任意節(jié)點(diǎn)進(jìn)行多份復(fù)制，以分擔(dān)業(yè)務(wù)層的負(fù)載以及避免單點(diǎn)失效，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的健壯性和實(shí)用性。

3.存儲(chǔ)層。該層次負(fù)責(zé)通過異構(gòu)的存儲(chǔ)技術(shù)，針對不同的目標(biāo)對系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行各種形式的存儲(chǔ)和服務(wù)接口。平臺(tái)將用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫完成結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)，采用磁盤存儲(chǔ)非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)(附件、視頻等)，并利用索引和緩存實(shí)現(xiàn)對結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的格式調(diào)整和優(yōu)化用以提高系統(tǒng)的性能。

4.基礎(chǔ)層。該層次為平臺(tái)運(yùn)行的物理環(huán)境，包括硬件設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境等，依據(jù)系統(tǒng)情況，使用區(qū)域信息化建設(shè)的機(jī)房和云服務(wù)實(shí)現(xiàn)該層的建設(shè)與管理。

(二)平臺(tái)的主要技術(shù)

項(xiàng)目建設(shè)應(yīng)采用以下主要技術(shù)和軟件：

1.系統(tǒng)采用MVC模式組織系統(tǒng)對外提供服務(wù)的資源。MVC的工作方式如下：

圖4 MVC模式下交互過程示意圖

上圖顯示了在MVC模式下，用戶和系統(tǒng)前端之間的交互過程。MVC模式(即Module-View-Controller模式)是一種非常經(jīng)典的軟件架構(gòu)方法，它對業(yè)務(wù)邏輯、數(shù)據(jù)和界面顯示這三者進(jìn)行了剝離和合理組織，使得系統(tǒng)的構(gòu)架愈加明晰和易于維護(hù)。

系統(tǒng)中主要以高效靈活的SpringMVC框架結(jié)合J2EE中的Servlet、JSP等技術(shù)完成該層次建設(shè)。

2.前端展現(xiàn)：前端將采用HTML + CSS的方式完成基于B/S架構(gòu)的內(nèi)容和展現(xiàn)。在前端展現(xiàn)的過程中，還將大量使用Ajax異步交互技術(shù)大幅提高用戶體驗(yàn)。

3.資源管理：資源管理是系統(tǒng)內(nèi)部操控的重要環(huán)節(jié)，將系統(tǒng)內(nèi)部的資源接口、服務(wù)接口進(jìn)行統(tǒng)一的管理并加工，使其能為系統(tǒng)內(nèi)部以及外部系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)接口的同時(shí)，完成全局統(tǒng)一的事務(wù)管理、日志管理等重要工作。平臺(tái)中使用Spring框架完成系統(tǒng)的AOP和IOC功能。

4.遠(yuǎn)程調(diào)用技術(shù)：由于系統(tǒng)采用模塊化開發(fā)，并需要與外部系統(tǒng)對接，因此存在大量遠(yuǎn)程調(diào)用工作。由于平臺(tái)內(nèi)部統(tǒng)一采用Java語言建立，因此在內(nèi)部模塊或系統(tǒng)之間的交互將采用基于Java的RPC技術(shù)(RMI、Thrift等)。對于外部系統(tǒng)，為增加系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，在可對外提供Java接口的同時(shí)，還將采用發(fā)布WebService接口的方式對外提供跨平臺(tái)、跨語言的標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)。

5.數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和檢索：系統(tǒng)中存在大量結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)采用SQL Server或Oracle數(shù)據(jù)庫等作為存儲(chǔ)介質(zhì)，在教育領(lǐng)域中應(yīng)用非常廣泛，其中型數(shù)據(jù)庫的定位已被證明為足以支撐各類教育信息化的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的要求。對應(yīng)的數(shù)據(jù)訪問規(guī)范依據(jù)J2EE規(guī)范提供的JDBC技術(shù)。在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)上，為進(jìn)一步提升系統(tǒng)性能，系統(tǒng)采用了與消息機(jī)制的索引、緩存等數(shù)據(jù)快速檢索技術(shù)。

圖5 平臺(tái)檢索示意圖

上圖表示平臺(tái)選擇建立索引的基本方案，即采用異步消息或同步機(jī)制在生產(chǎn)數(shù)據(jù)的過程中建立索引或緩存，并確保索引或緩存的可靠性。在數(shù)據(jù)檢索的過程中，可通過直接緩存命中取代查詢數(shù)據(jù)庫的方式，大幅提高系統(tǒng)的并發(fā)和傳輸量。

6.應(yīng)用服務(wù)器：平臺(tái)需要依據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行靈活的部署方式，平臺(tái)采用Tomcat應(yīng)用服務(wù)器作為平臺(tái)各個(gè)部分程序的運(yùn)行容器。如有需要也將采用Apache和Tomcat集群的方式提高系統(tǒng)的伸縮性和高可用性。

7.用戶接口：為適應(yīng)各類需求、豐富應(yīng)用場景，系統(tǒng)將提供差異類型的用戶接口。首先系統(tǒng)提供基于HTML、CSS、Flash等前端與基于瀏覽器的客戶端技術(shù)實(shí)現(xiàn)所有B/S架構(gòu)的應(yīng)用。此外，通過為安卓/IOS等操作平臺(tái)建設(shè)應(yīng)用的形式完成基于移動(dòng)終端的C/S架構(gòu)的應(yīng)用。

8.安全技術(shù)：采用SSL，HTTPS等技術(shù)實(shí)現(xiàn)對敏感的通訊和請求的內(nèi)容加密，采用DES算法對消息內(nèi)容中敏感字段加密，利用MD5算法對密碼等個(gè)人信息加密，以完成系統(tǒng)的安全可靠，來保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?/p>

9.其他技術(shù)或工具：平臺(tái)將使用各類技術(shù)、產(chǎn)品或方案完成平臺(tái)各個(gè)階段的相關(guān)工作。例如eclipse(開發(fā)IDE)、Power Designer(設(shè)計(jì)工具)、SVN(版本控制工具)、Dream Weaver(前端設(shè)計(jì)IDE)、J Console(運(yùn)行環(huán)境監(jiān)控)等。

三、智慧教室構(gòu)建的功能及特點(diǎn)

(一)智慧教室構(gòu)建的功能

1.智慧教室通過遠(yuǎn)程互動(dòng)把虛擬媒介與現(xiàn)實(shí)的信息相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)更多層次的互動(dòng)，課堂中錄制的視頻，優(yōu)秀的教學(xué)資料得以保存，互聯(lián)網(wǎng)中有用的資源得以上傳，從而實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)教育資源的共建共享。使得課堂更精彩，更具吸引力。

2.基于平臺(tái)可視化模塊的操作，實(shí)現(xiàn)搭建自主學(xué)習(xí)環(huán)境。

3.基于VR技術(shù)實(shí)景再現(xiàn)功能，實(shí)現(xiàn)人與職業(yè)環(huán)境的交融，提高意識(shí)的感知度，達(dá)到教學(xué)與實(shí)際應(yīng)用的快速接軌。

4.應(yīng)用先進(jìn)的設(shè)備，高效的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的最大存儲(chǔ)化，接口的可調(diào)式性和豐富性，更人性化操作。

(二)智慧教室平臺(tái)構(gòu)建的特點(diǎn)

開放性：方便的融合第三方軟件系統(tǒng)，提供開放的接口服務(wù)，使其他應(yīng)用系統(tǒng)可以迅速接入，并向平臺(tái)內(nèi)的用戶提供第三方軟件服務(wù)。

可行性：簡化軟件平臺(tái)和合理配置硬件設(shè)備，突出易操作功能，融合多樣性，創(chuàng)造出區(qū)域內(nèi)普遍應(yīng)用的良好條件。

創(chuàng)新性：為改進(jìn)教學(xué)模式，提升課堂互動(dòng)教學(xué)，設(shè)計(jì)最佳的可操作應(yīng)用平臺(tái)。從根本上改變教學(xué)理念，突出信息化教學(xué)手段，在教學(xué)中潛移默化融入更多知識(shí)信息。

實(shí)用性：教學(xué)平臺(tái)符合國際相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范，操作界面簡潔、操作方便。能非常便利的調(diào)用各種類型的教學(xué)資源，實(shí)現(xiàn)師生各種功能需求的操作。

穩(wěn)定性：通過大范圍的技術(shù)性實(shí)測和集中多用戶操作檢驗(yàn)，平臺(tái)和終端多用戶的網(wǎng)絡(luò)傳輸性能良好，設(shè)備運(yùn)行性能平穩(wěn)。

擴(kuò)充性：架構(gòu)設(shè)計(jì)充分考慮系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展性和容量的增加?？剂康轿磥硇掠脩舻脑黾?，和新功能的開設(shè)，在保證基礎(chǔ)功能的同時(shí)，可根據(jù)實(shí)際情況優(yōu)化更新平臺(tái)。

安全性：從設(shè)計(jì)與建設(shè)之初提高安全意識(shí)，充分考慮信息、數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)、傳輸?shù)雀黝惏踩珕栴}。具備研判、預(yù)警、自動(dòng)分類，提示刪除等多項(xiàng)功能。

高職院校智慧教室的設(shè)計(jì)構(gòu)建，功能突出簡便易操作，可融合，適應(yīng)性強(qiáng)。通過智慧教室的建設(shè)實(shí)施，實(shí)現(xiàn)搭建自主學(xué)習(xí)環(huán)境，遠(yuǎn)程互動(dòng)，錄播優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源，實(shí)踐和虛擬信息相結(jié)合，區(qū)域內(nèi)資源的共享共建等多功能用途。把計(jì)算機(jī)技術(shù)、多媒體技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、通信技術(shù)、傳感射頻識(shí)別技術(shù)等多種技術(shù)整合共建，在簡單的模塊操作上運(yùn)行復(fù)雜的功能，通過可視化的按鍵，更易理解的影像，形成這個(gè)活躍互動(dòng)的智慧教室是符合現(xiàn)代快節(jié)奏生活，適合學(xué)生學(xué)習(xí)和教師教學(xué)的一種新型的教育形式和現(xiàn)代化教學(xué)手段。在未來通過不斷的完善、發(fā)展、創(chuàng)新，它將成為一種必然趨勢，成為我國教育信息化進(jìn)程的重要組成部分。