武警警官学院智慧教室项目方案建议书


2019-5-15          来源:文文教育


1.1 项目背景


为深入贯彻习近平新时代中国特色社会主义思想和习近平强军思想,建设一流武警部队院校,培养造就能够担当强军重任的优秀军事人才,依据中央军委《军队院校、科研机构、训练机构调整改革实施方案》《全军军事训练“十三五”规划》和《武警部队建设发展“十三五”规划》等相关政策规定,结合武警部队规模结构和力量编成改革实际,撰写此方案。


党的十九大,擘画建设强大军队的宏伟蓝图,明确国防和军队现代化“两个阶段”和新的“三步走”发展战略,为军队现代化建设指明了前行方向。军队院校教育是军队现代化建设的重要内容,承载着为建设世界一流军队培养优秀军事人才的重任,必须紧跟国家和军队现代化建设进程,为推进强军伟业提供有力支撑。


随着信息化技术在教育领域的不断深化,人工智能(AI)、云计算、大数据、物联网等技术已经成为教育变革的主要技术推动力量,传统的多媒体课堂及其装备已经无法再满足当前教育发展的需求,借助新兴技术构建智慧教室必将成为未来智慧教育的核心组成部分和应对诸多复杂挑战、实现可持续发展的关键。


1.2 院校背景


武警院校在教育信息化建设方面显著落后于地方大学的信息化建设水平。智慧教室作为教育信息化建设的核心组成部分,也存在较大的差距。以警官学院目前建设的情况分析,学院只是解决了教室的多媒体设备的常规管控和课程录制,解决教室设备的集中管理和校本资源的建设问题,如何扩展和提高现有系统的应用价值,改善校本资源建设效率和利用率都需要针对现有系统进行重新的规划设计。


院校承担着提高武警部队军事职业教育水平的重担责任,如何借助信息化手段改善教学水平,提高教学效率成为当前学院在教育信息化规划中亟需解决的问题。本期项目规划的智慧教室的建设方案,是基于各院校以往教育信息化建设和应用的经验以及对未来智慧教室的应用需求,提出的适合武警院校整体应用的整体解决方案。


1.3 现状分析


目前各院校的教室基本属于传统的多媒体教室,随着教育信息化的不断发展,传统多媒体教室作为一种课堂形态越来越不适应当前教学工作的需要。以警官学院为例,在过去几年的信息化建设过程中解决了68间教室的多媒体设备的管理和课堂教学过程的采集录制,提高了教室多媒体设备的管理效率和构建了学校的校本资源的建设手段,随着应用的不断深入,系统也暴露出很多缺陷,提高教室的智能化管控水平,改善校本资源建设和利用的效率,丰富课堂教学的应用价值,才能满足学院更好地为教学中心工作和军事职业教育服务的目标。建设更为智能化的、交互化的智慧教室可解决目前存在的问题。


传统多媒体教室、多功能教室、录播教室等类型教室的建设,都极大的丰富了教学手段,促进了教学方法的能力提升;但存在的问题也是显而易见的,主要表现在如下几点:


一、多媒体设备集成度不高


过多的系统建设,加重了教员教学的工作负担;信息化孤岛现象严重,各个系统分别独立,管理维护不方便;重复采购利用率低的服务,造成资源浪费。


二、交互教学的手段较少


缺少对创新教学模式的支撑,没有结合已有和新技术提升数字教育资源服务水平和能力。


三、教与学资源体系分散


录播教室或者多媒体教室产生了海量的教学资源,资源的管理和维护成为学院的负担;目前对资源的应用还停留在最原始的视频回放,资源利用率低下。


四、难以提升教学质量


对教学的评价缺乏客观的数据支撑,教学评价还停留在以结果为主要评价目标,缺少过程性评价手段;无法为教员的个人专业成长提供反馈,无法为提高教员综合学科能力、职业成长提供智能分析手段和机制;无法为学员的个性化成长提供认知、引导和辅助服务。


五、教室及设备的维护管理困难


学院内众多的教室与管理力量之间的不匹配、多媒体设备数量与规格的混乱造成故障无法及时解决的问题、教学课程的安排与教室的开放不能够相衔接的问题等。


1.4 需求分析


一、加强优质教学资源开发与利用的需要


院校针对精品课堂、优质教学课件仍然存在采用专用的录播室来完成录制工作,一方面存在专业录播室造价高、数量少、课件录播时交互少、录播环境不贴合教学场景等问题,所起到的教学效果有限;另一方面这些优质教学资源也缺乏一个规范的、统一的存储、管理和利用机制,不利于校内教学推广,学员也没有便捷的手段能够在课下共享、学习这些资源。智慧教室的设计很好的解决了这些问题,针对精品课程,能够利用先进的设备进行任意教室的全方位的、高清自动录播,也可以通过智能化的设备实现轻量化的录播,无论是精品课程还是普通课程都支持这些灵活的录播方式。此外,智慧教室的云资源中心,提供了一个易于分类、存储和共享的资源交互和管理服务体系,无论教员、学员还是管理人员,只要在网络环境中,都可以共享这些优质的教学资源;同时支持对“一师一优课,一课一名师”活动的建设机制。


二、教室集中管理和设备维护


对教室的管理,不仅体现在教室的日常使用上,还包括教室内设备的管理和维护、教室使用的计划和安排等。目前存在的主要问题是学院内众多的教室与管理力量之间的不匹配、多媒体设备数量与规格的混乱造成故障无法及时解决的问题、教学课程的安排与教室的开放不能够相衔接的问题等等。要解决这些问题,需要实现多个教室的联动化、远程可视化管理和控制,实现教室与教学计划(电子课表)的融合。智慧教室的建设,能够从根本上解决多媒体教室日常管理、使用、维护过程中存在的一系列问题,以新技术手段实现教室的可视化、远程化、智能化、联动化运行管理。


三、改进教学方法、提高教学效果的需要


信息技术发展带来了世界范围的信息互联、信息平等,大数据带来的人工智能、物联网等都对现代教育模式提出了巨大挑战,如何将最新的技术应用到教育教学的实际应用中,将信息技术与教育教学应用进行深度融合,是现阶段各高校亟待解决的问题。


智慧教室的建设,通过引入大数据、人工智能、物联网等技术,通过人工智能与传统录播技术的结合,运用机器学习算法将教学资源结构化,实现自动化的课堂行为数据分析,能够在稀疏的教育大数据中过滤、挖掘各类隐含的教育信息和规律,帮助我们理解学员个人学习成长的构建过程,探索学员个体的学习演化规律,揭示教育事件在特定时空呈现的特性,解决教育资源集中管理和深度应用的难题。有效地将最新信息技术的发展与教学研究的过程和需求统一起来,最终实现有效地提高教员素质、改进教员教学行为、全面提高武警院校教学质量的目标。


智慧教室整合了先进的人工智能、大数据、物联网、云计算等技术,是一套自动化、智能化、集控化、可视化的应用系统。系统可以同时对多个教室的教学活动过程进行录制、直播和点播;可以对教室的设备进行集控式和可视化的管理;通过互动教学系统实现远程的教学互动;通过大数据采集、分析,借助人工智能技术实现课堂师生教学行为和教学内容的智能分析,为日常教学和教研提供所需的数据服务,另外智能分析的师生数据可以与课堂测评和考试系统数据关联,针对学员的学习情况提出更加准确的指导建议。


建设理念:以教室为端点,以教学工作为中心,以技术为手段,以交互服务为目标,以平台应用为服务,建设创新形态的可持续发展的教学环境体系,适应当前和未来武警院校教学改革和人才培养计划的发展需要。


1.5 建设目标


智慧教室的建设目标:将分散建设管理应用的各种教学资源、管理平台、评估系统、学习软件集成到统一的一个平台上,将优质资源和先进技术充分整合,构建先进、高效、实用的创新形态的教室,以创新的教学资源管理体系,促进教育内容、教学手段和方法现代化,加强优质教学资源开发与应用,加强网络教学资源体系建设,提高师生应用信息技术水平,更新教学观念,改进教学方法,提高教学效果,为教、管、评、学提供方便快捷的服务。


为武警院校建立高效的、可视化、智能化的全面覆盖教室设备与教学管理、教学资源的智慧教室解决方案。最终实现多媒体综合管理、课程集中录制、教室间互动教学、教学评估、教学督导、网络学习等功能,提高教学环境、教育多元化管理。具体建设内容如下:


一、建立智能录播子系统,构建校本资源建设机制


二、建立可视化集控管理子系统,实现对教室多媒体设备的远程智能化管理


三、建立教学互动子系统,实现院校及校区间的不同教室的远程教学互动


四、建立基于大数据的课堂评测子系统,实现教学行为及内容的智能分析


五、建立教学资源管理与应用平台,实现校本资源的制作、管理和应用,为教学和教研提供服务


2.1 设计原则


以信息化与教育教学资源深度融合为指导思想,贯穿‘高度实用、整合设备和资源、以人为本’的设计原则,将在实用性、综合管理、人性化的角度设计智慧教室的建设方案,以新的设计高度,引领智慧教室的建设步调。促使教员成长、有价值的教学资源沉淀、学员高效利用资源开启创新性自主的学习新模式。


2.2 系统整体架构图


智慧教室的总体架构分为感知层、网络层、服务层和应用层四层架构体系,其中感知层部分主要包含智慧教室的基础硬件,整个平台及系统运行所需的硬件,包括录播工作站、网络中控、图像分析工作站、摄像机、拾音设备等。这些设备是组建智慧教室的核心硬件。网络层主要是智慧教室感知层设备正常应用所需要的网络环境,正常在武警院校主要是IPV4、IPV6,网络等,满足各种设备的联网。服务层采用校园私有云架构进行设计,主要包括基础设施层,主要包含智慧教室各种应用系统的软硬件运行环境,主要包括校园私有云计算和云存储环境,另外包括智慧教室正常运行的云桌面等应用环境;平台层主要包括,智慧教室的各种应用系统等产生的各种教学资源、教学数据及系统服务;软件服务层主要包括:各种应用系统为教员、学员、教学管理着、教研人员提供的各种教学服务,主要包括资源的共建共享服务、可视化集控管理服务及课堂教学过程的AI分析服务。平台支持PC、笔记本等传统接入设备,全面支持泛在学习和移动教研,提高系统的粘性和可用性。



智慧教室整体架构设计


2.3 系统组成


智慧教室由7个子系统组成,分别为智能录播子系统、网络中控子系统、可视化集控管理子系统、教学互动子系统、基于大数据的课堂评测子系统、资源管理与应用平台、云桌面系统。



智慧教室整体拓扑设计


3.1 智能录播子系统


3.1.1 系统概述


智慧教室集成智能录播子系统,构成具有广泛应用、支持网络的广播、直播、存储、后期编辑等多种功能专业录制系统。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、一师一优课录制、师生课后课堂回顾、大规模公开课实况直播、扩展班级互动教学等功能。


智能录播子系统须支持广播级画质,每路视频图像分辨率高达1080p。多种模式录制,支持电影模式、资源模式、电影+资源模式。支持台标、字幕、特效、画中画,云台控制等功能。可显示当前的录像状态、系统模式、磁盘空间信息、视频源是否启用等信息。内嵌跟踪系统,采用空间网格和智能定位技术,针对教员、学员及教学大屏信号进行智能切换,实现教学过程的智能录制,跟踪模式包含:自动跟踪、手动跟踪、自动跟踪手动切换三种状态。导播直播,支持在课堂录播的同时进行本地或远程的导播控制,支持在录制同时进行网络直播。



录播主机功能设计


3.1.2 系统组成



智能录播子系统建设示意图


智能录播子系统主要包含录播主机、高清摄像机、话筒等,跟踪模块可以采用软件跟踪亦可采用硬件跟踪,可根据需要灵活选择。针对系统的核心部件,录播主机、高清摄像机此处做技术参数要求。


实现课堂录播、AI、互动及智能环境控制的一体化设计,实现系统的高度集成;


支持教员全景、教员特写、学员全景、学员特写及教学大屏信号的采集、导播、录制、直播等,支持1080P30的录制及直播;


支持POC供电,实现摄像机的供电、视频信号及控制信号通过一根线进行传输,减少了录播教室的布线;


内置AI模块,实现对课堂中师生教学行为及内容的自动分析,生成教学数据,辅助日常教学。


3.1.3 系统功能



录播系统界面


(1)课堂录制


系统通过高清摄像机、话筒等采集设备,记录教员授课情况,录播主机可接入4路POC高清摄像机和教室计算机视频信号,分别完成对教员区域、对学员区域、特写区域等全场景上课情况的记录,教学的实况录制保存为视频文件,包括1路电影模式+5路资源模式的多个视频文件,录制的内容可以包括教员、学员、教员全景、学员全景以及电脑屏幕等信号。


(2)实时直播


系统可通过网络将现场的课堂实录进行实时直播,用户以浏览器配合即可实时观看直播课程。在直播进行中,可以切换直播模式;选择直播画面做全屏播放,切换主辅画面。


(3)导播管理


在导播页面可以实现对云台的灵活控制,可以进行模式切换和主辅画面视频的切换。


(4)系统设置


系统设置可以设置时间、设置编码具体参数、设置云台参数等信息;云台设置主要是用来控制摄像机,可设置云台的波特率、地址位等参数;系统管理可添加用户、修改密码、修改权限、删除用户,并设置用户权限。


3.2 网络中控子系统


3.2.1 系统概述


网络中控子系统是智慧教室的重要组成部分,借助网络中控子系统并结合可视化集控管理子系统,通过与音视频采集系统、网络系统联动,从而实现对智慧教室内多媒体教学设备管理控制智能化、教员授课过程智能化、教学资源管理分配智能化;达到提高教学设备使用效率、延长设备使用寿命、优化教员授课环境、提高教学质量、整个校园更加节能环保的目的。


3.2.2 系统组成


网络中控子系统的主要由嵌入式网络中控主机、读卡器、控制面板等组成。嵌入式网络中控主机可接入教室内的教学PC、投影机、幕布、教学大屏、门锁、多媒体讲台行程开关、空调、实物展台等多媒体教学设备,通过刷卡或者手动按键的方式实现设备的开启、关闭,通过控制面板实现信号的切换、幕布的升降、音量的调节等。读卡器支持ID、M1及CPU等多种类型的卡片,方便教员刷卡开关教室内多媒体设备。控制面板安装在讲台,方便教员手动一键开启或关闭教室内多媒体设备,可针对投影机、幕布、音箱及话筒音量大小进行独立管理。



网络中控子系统建设示意图


3.2.3 系统功能


借助嵌入式网络中控主机可实现单个教室内部多媒体设备的集中管理,嵌入式网络中控主机接入到可视化集控管理子系统后,可通过PC终端设备实现全校所有教室内多媒体设备远程集中管控。


接口:


1) 具备2路VGA信号输入,2路HDMI信号输入,1路VGA信号输出并具有掉线检测,1路HDMI信号输出;


2) 具备4路左右声道音频信号输入,1路左右声道音频环出,1路MIC输入,1路Line In,1路4欧/16W左右声道功放输出,1路语音对讲输入,1路语音对讲输出;


3) 具备1路串口用于连接控制面板,RS232电平,1路串口用于连接读卡器,RS232电平;1路串口用于连接投影机,RS232电平;1路串口预留,RS232电平;1路console调试串口,RS232电平;


4) 数字量输入、输出,具备2路无极性输入,2路带电输入,2路无极性输出,2路带电输出;


5) 具备1路开关量输出;


6) 具备1路红外输出;


7) 具备两路USB2.0接口;


3.3 可视化集控管理子系统


3.3.1 系统概述


可视化集控管理子系统是智慧教室的远程管理平台,通过该系统可实现录播子系统、网络中控子系统、教室智能环境子系统及教室内多媒体设备的远程集中管控,方便管理人员在校园内基于PC终端设备针对所有教室进行集中管理。


3.3.2 系统组成


可视化集控管理子系统是一套软件平台,安装部署在linux服务器环境下,通过客户端实现对智慧教室的远程集中管控。



可视化集控管理子系统建设示意图


3.3.3 系统功能


(1)设备状态监看


通过系统可实现对所有教室状态、设备状态的远程监看,从而保证设备的正常运行,提升课程效果。



(2)远程控制


系统采用最先进的网络技术,配合控制室端管理平台,运用TCP/IP协议实现网络控制。可远程控制教室投影机延时开关机,幕布、教学电脑、中控主机等设备的开关;可远程控制电子讲台电子锁的打开、关闭;可远程对教室端输入信号进行切换,控制投影机等设备的显示;可远程管理接入的录播主机、网络中控、监控IPCamera、教学PC、网络PDU等设备。真正实现“远在千里,控在指间”。



导播控制



设备控制



远程协助


(3)人员IC卡管理


系统可实行非接触式IC卡管理,即可通过教员持有的射频卡(校园一卡通)作为教员身份识别的一种方式,根据授权情况判断教员是否有权打开电子讲台使用多媒体教室的设备。


系统平台通过与教务管理系统的整合,将电子锁与校园一卡通系统连接起来,在实现课表开关设备的同时,也对授课老教员持有的IC卡进行管理,以保障在校园网或服务器出故障时能正常开启操作台。


(4)可视化远程导播控制


管理员通过系统获取教室内智能录播子系统和监控IPCamera的实时RTSP数据流,查看教室各路镜头画面,播放教室声音;方便管理员进行导播控制,调节云台控制、电影输出控制、中控控制等;同时可以将教室任务信息显示及教室环境信息显示展示给管理员。



导播控制


(5)课表管理


学校的教学任务主要是围绕课程表开展的,智慧教室也就是在课程表的指导下使用和管理,对此系统须具备先进的课表管理功能,根据上课时间自动打开或关闭指定教室设备,并生成管理日志,免去了网管老师奔波于教室间的麻烦。方案提供了向排课系统兼容的接口,可以将排课系统生成的课程表导入系统,并且,基于此课程表可以实现系统的自动开关机。


课程表开关机包含有很多策略,首先是根据课程表判断是否开关机;需要开机那就根据预设的开机策略对相关设备分别执行开启,这些开机策略包括需要开启的时间、需要开启的设备等等。钢制讲台、投影机、PC机按照特有的策略进行开机,其他设备可以在电源时序管理器(可选配件)的统一控制下顺序加电开机。



课表功能


(6)音视频广播管理


管理人员可通过广播模块在指定不时间针对指定的教室进行广播,广播的范围可以是具体的一个教室,也可以是某几个教室,同时也可以为同的教室播放不同的广播。广播的类型须支持语音、字幕、文件、实时直播画面的广播,满足学校不同类型资源的广播需求。



校园广播界面


(7)报警管理


系统能够有效的监控智慧教室内各个设备的使用情况,对发生故障的设备及时进行报警,便于管理人员迅速判断和处理问题。同时提供相关的安防接口,配置必要的安防设备,可实现门磁开关式、双鉴探测式、暗线保护等各种安防监控,实现对教室端各种贵重设备的数字安防保护。


主控中心或者教学值班室的监控主机上均可提供安防报警地图,报警信息经网络能立即传送达主控中心和值班室,借助报警地图软件,能马上听到报警提示音,并在控制界面上看到报警班级、报警类型,可充分实现对教室端设备的防盗、防破坏保护。


当非法闯入者闯过探测器,直接剪断投影机的线缆时,也可触发报警。探测器、门禁迅速将报警信号回传至主控中心,主控中心的安防监控系统反映该报警点的具体位置,并发出声光提示信号。



报警信息


(8)课堂画面巡视


管理员可选择单个教室进行巡视,获取教室画面和声音;支持创建轮巡分组,按分组轮巡各教室画面。



在线督导巡视



在线巡考


监看设备的分布情况,如查看中控、录课、智慧教室在各单位的分布,同时提供导出功能;查看设备的使用情况,平台可收集中控、录播、智慧教室设备的录制、直播、开关机统计信息,同时提供导出功能,使管理员的巡视工作更加人性化。


(9)设备日志监看


值班人员或管理员可通过平台反馈的日志信息,更直观的了解设备的使用情况,平台可接收中控报警信息,并记录报警日志;收集中控开关机日志,生成中控使用统计;收集中控刷卡日志,生成中控考勤统计;收集E10的刷卡日志信息,生成E10的使用日志和刷卡(考勤)日志。


3.4 教学互动子系统


3.4.1 系统概述


教学互动子系统指的是利用网上同步上课的方式,实现武警系统内不同院校,院校的不同校区同上一节课,共享优质教育资源,提高教学质量,包括授课和互动两种课堂模式。教员借助教学互动子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。


此外,在解决点对点的教学应用问题之外,教学互动子系统须提供完整的互动课堂应用体系,体系贯穿课前备课、课中互动、课后统计的整个流程,从而为学校充分挖掘互动课堂使用价值提供了有力的武器。


3.4.2 系统组成


当互动课堂形成一定规模后,整个授课过程将不再是简单地点对点的互动,而应是一套完整的系统,除了普通的主讲教室、听讲教室建设之外,还应注重统筹的管理和应用,以及互动课程的再利用等。


在互动课堂开展的过程中,共有两个部分参与其中,一是主讲教室、二是听讲教室、两者之间可以直接组建互动课堂。



互动教室示意图


智能录播子系统的录播主机内置互动课堂软件,建设智慧教室的院校或校区可以直接组建互动课堂,无需建设其他设备(图像采集、声音采集及扩音设备可借助智慧教室内的智能录播子系统的设备)。


3.4.3系统功能


(1)课堂互动


通过该系统可将主讲教室与听讲教室形成一个整体,实现相互之间的实时互动,听讲教室可实时收听收看主讲教室的教员、PPT的声音和画面,主讲教室可收听听讲教室学员的声音观看学员的画面。上课过程主讲教室和听讲教室可相互提问和解答,实现了真正的“面对面“互动答疑。


其中主讲教室看到的是听讲教室学员的画面,听讲教室看到的是主讲教室的电影模式画面。



互动界面效果图


(2)在线直播


课程进行期间我们可以在平台上观看到正在进行直播的互动教学课程,对课程直播的观看不影响课程的正常进行,观看的过程中,在线人员可进行文字的讨论,便于各项教研活动的开展。



在线直播


3.5 基于大数据的课堂评测子系统


3.5.1 系统概述


系统采用弗兰德斯课堂分析法、OCR技术与人工智能技术相结合,通过建立数据分析模型实现对课堂中各种教学行为和教学内容进行自动分析,自动形成课堂教学行为和教学内容的分析数据,为师生的日常教学提供智能化的教学辅助,为教员教学方法的改进提供客观真实的数据参考。


系统通过建立的教学行为模型对教员讲授、教员板书、教员巡视、师生互动、学员应答、生生互动、举手、听讲、读写等10余类教学行为进行自动分析,生成课堂教学报告。教员可以依据系统生成的教学切片视频和教学行为数据进行教学反思,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。


针对教学内容分析,系统通过OCR技术,可以对教员教案的讲述重点进行智能挖掘,自动识别课堂讲述内容。系统可挂载题库,依据系统自动识别的课堂内容,系统可以直接关联题库,为教员的日常教学提供更多的教学辅助,满足教员能有更多的时间进行教学质量的改进。



系统示意图


3.5.2 系统组成



系统组成示意图


系统由“2台摄像机+内置AI分析系统的录播主机”构成,摄像机完成教员及学员画面的拍摄,由AI分析系统完成课堂教学行为和教学内容的分析。


系统的分析终端可以是独立的设备(图形分析工作站,方便已建录播系统的教室进行升级改造),亦可以内置到智能录播子系统的录播主机中实现一体化设计,系统亦可借助智能录播子系统的摄像机,无需建设单独视频采集设备。


3.5.3 系统功能


(1)多维成长平台


多维成长平台展示本校的资源和数据分析。资源展示可以根据不同学科及教研活动进行综合展示,资源内可以含有视频和课件等,也可以有教研产生的活动成果报告。


数据分析部分,自动展示学校内的课堂分析数据情况,可以设置校内数据展示指标。提供校内资源分析对比的功能,教学管理者可以选择校内多节课进行分析数据和视频对比。


1)教员界面



教员界面


教员可以通过成长平台查看自己班级内学员整体情况及个体的课堂行为情况;课堂教学行为包括AI分析系统能自动识别的教员和学员行为,如:讲授、板书、听讲、师生互动等多种行为。


课程结束后,即可自动生成该教员的课堂观察分析报告,该报告支持在线预览和导出,为教研点评提供客观数据。



教员可查看每节课的课堂实录、并且可根据不同的教学行为进行智能打点切片,可自动定位到课堂实录的特定时刻,方便进行快速回顾教学环节。



教员可查看每节课的教与学课堂行为的占比,以便教员能客观了解自己的教学过程的分布情况,方便进行即时化的教学反思。



基于结构化的课堂观察方法,自动进行S-T分析,分析每节课的教学模式。如:授课型、练习型、对话型、混合型。



教员可以查看自己所在班级,所授课程中的学员个体课堂行为分布情况。



支持按照时间维度,教员可查看全班学员和个体学员的课堂注意力趋势数据,以便调整自己的课堂节奏和教学进度。



基于管理员构建的课堂内学员的人脸识别模型,可进行增量人脸模型训练,可有针对的提高学员人脸识别的精度。


2)教学管理者界面



教学管理者界面


教学管理者可参看各科教员的课堂观察分析报告,该报告支持在线预览和导出,为教研点评提供客观数据;教学管理者可参看各科教员的课堂实录、教学模式、S-T行为分析、课堂教学行为占比、课堂注意力趋势情况;教学管理者可以任选两位教员的授课情况进行同课异构对比,可以查看两位教员的授课过程中的行为数据,S-T和授课类型的对比分析,从而对教员教学方式提供有价值的改进建议。



对比分析


3)管理员界面



管理员界面


管理员通过批量导入的方式,实现师生用户信息的导入导出;管理员依据平台提供教学行为分析类型进行筛选,平台即可依据选择的行为分析类型进行对应分析数据的统计与呈现;持管理员构建课堂内学员的人脸识别模型,并可针对构建的模型进行增强训练提高学员人脸识别的精度;平台可通过导入课表实现课堂教学分析的自动开启与停止。


3.6 教学资源管理与应用平台


3.6.1 系统概述


教学资源管理与应用平台是智慧教室产生的音视频资源的集中管理平台,平台亦可针对师生的本地资源进行管理,实现与教学相关联的音视频、文档、图片等非结构化数据的集中管理与应用。智慧教室的录播录播子系统、教学互动子系统生成的课程资源及实时采集的录播流可以自动回传到教学资源管理与应用平台,可以满足课程资源的集中管理;可以满足师生课程资源的点播、直播、测评、互动交流等在线学习应用;可以满足教研人员基于平台发起教研评比活动,实现优质课程的在线评比;可以开展课堂直播,满足不在课堂的师生可以通过网络观看到课堂实时教学情况;可以满足教学管理者查看任意一间智慧教室的授课场景,实现教学督导。平台提供移动端应用,满足IOS和Android系统用户通过移动终端访问平台,在校园内随时随地进行课程学习。



系统首页


3.6.2 系统组成


教学资源管理与应用平台是一套软件系统,主要包含资源管理、课程学习、教研评比、课堂直播、教学督导等应用,并可扩展移动端应用。系统支持多服务器部署,可依据学校的实际应用规模灵活调整服务器数量。



3.6.3 系统功能


平台涵盖了海量教育教学资源系统、教学管理系统、高效教学管理系统等功能子系统,充分满足学校教育信息化建设各个方面的需求。平台集“视频点直播”、“优质资源共享中心”、“教学教研”为一体,支持多级平台建设,真正做到优质资源共建共享。依托智慧教育云平台,能有效实现“校校有门户和平台,门户与平台一体化”、“班班有授课与录播系统,授课与录播系统一体化”、“人人有个人空间与移动应用,个人空间与移动应用一体化”,从而实现“学校个性化管理平台”、“校际资源共享平台”、“个人学习和成长空间”的建设,为学员、教员、学员首长、教育管理部门及其他教育工作从业人员提供学习、互动、教学、教育管理、教研等领域的信息化服务,真正做到教学模式多样化、教学资源共享化、教育管理数字化、家校互动即时化。


(1)基础支撑平台


基于云计算技术、互联网技术的校园综合应用平台,以服务教员、学员及管理人员为主,是一个以云计算为中心,以用户为中心,建设信息化资源共享的智慧教育基础支撑平台,实现对整个系统平台的资源系统、教育管理系统、高效教学系统进行管理,为系统提供统一的数据集成、应用集成、内容聚合和基础服务支撑,避免信息孤岛。


建设统一用户管理平台,实现集中、统一的实名制用户认证和权限管理机制,实现安全、高效的用户身份和权限管理,实现用户信息的统一管理,降低管理人员的重复登记和管理工作量,实现统一登录与功能服务的统一配置。


建设统一数据交换平台,统一规划、统一数据模型,打通不同应用系统间的“信息孤岛”,实现系统之间的数据交换和互操。


建设第三方厂商的录播设备接入,实现统一平台进行多录播设备的整合,且可以实现区域资源的汇聚存储。平台通过云服务器录像技术实现直播后资源的自动上传,无须人工手动操作,为用户提供了极大的便利。


建设统一资源云存储平台。以云存储的方式统一存储平台中的所有资源,包括课程视频、教案等,实现资源文件的共享和重复利用。


建设流媒体服务和管理平台。利用服务器集群技术为整个智慧教育云提供视点播、直播、流媒体教学、自动转码服务等音视频流媒体服务,支持PC、手机、平板等多种终端。


(2)教育教学资源系统


对于智能录播子系统产生的录播资源,平台提供录播主机资源管理、资源库资源管理、发布资源管理等多种管理方式。


录播主机资源管理:管理员通过FTP获取设备上已有录像资源的列表及信息,进行查看上传状态、删除、修改等操作,并可发起手动上传,将录播机资源选择性或批量上传到平台资源库。


资源库资源管理:所有录播设备上传的资源进行统一存储到资源库,管理员可以对资源库里的视频课程文件统一进行管理分配。


发布资源管理:可以对务器上的录播资源进行管理和发布,发布后的资源,经过审核后可以显示到教育平台供广大师生点播、学习。同时提供资源回收机制,支持资源回收站功能,避免资源的误删除。


同时支持用户上传优质音视频资源及相应教材教案至教学平台,共享优质资源例如word文档、教学PPT、精美图片、优质教学视频。



1)课程中心



课程中心用于统一管理、展示区本优秀课例资源。课程中心支持:


教育资源云存储。支持大规模资源云管理,支持分布式云存储。


资源分类。支持普通课程、精品课程、专题、微课程四种类型的课程。


资源发布与审核。支持用户设置审核开关,可设置教员资源发布免审核,支持课时后资源提交后自动发布。


资源展示。支持学科、学段、状态的编目方式对资源进行管理。支持资源按照发布时间、课程热度、评分高低三种方式排序,同时提供“今日更新”、“最新课时发布”、“周点播排行”三种快捷展示区。



支持课程资源的播放观看。同时支持查看本课程的课程介绍、课程大纲、教学计划。观看课程教学视频的同时,可以查看本课程的教学目录,支持课程讨论、在线笔记,支持对课程教学视频进行评分。



资源搜索。支持多种搜索条件进行组合搜索,同时也支持用户可通过课程名称、主讲人、学科快速搜索资源。


资源应用:


1) 资源收藏和下载:用户可以把喜欢的视频收藏到个人空间,可把资源下载到本地硬盘。


2) 资源讨论:用户可以对资源进行主观讨论,并支持问题求助。


3) 在线笔记:用户观看视频的同时可在线做笔记。


4) 视频打分:用户在点播观看的视频可以通过系统提供的评分表进行在线评分。



2)优质资源推送和审核


教员可以向上级推送一些优质资源,并可查看上级审核状态,或取消推送。资源经管理员审核通过后,可展示在共享资源页面。


管理员对教员推送上来的资源进行审核,在管理员空间可显示待审核状态的资源,并支持单个审核和批量审核。



3)课程直播


随着教育信息化逐步完善,直播课堂也越来越受到教育者的好评,但是缺乏评价、反馈、反思的课堂直播仅仅是传送视频,对提升教员专业发展、更好开展协作教研作用不明显。平台直播通过交互、评价、反馈三大机制克服上述弊端、把传统视频直播转变为有教育行业特色的直播课堂。


教员可以通过设备推送直播申请,待管理员审核通过后,便可以进行课堂的直播,同时也可以通过课表直接关联直播课堂。


其他教员和学员可以在直播门户查看到直播课堂的安排,直播门户展示当前正在进行的直播或已计划的课表直播;提供分类筛选和关键字查询;观看直播,并同时可记录笔记、分享、评论、评审。


可以记录教室每个设备的最近直播信息,每次设备开始直播时更新平台的直播信息,可查看历史直播信息记录。


(3)高效教学系统之个人空间服务


个人空间服务支持消息服务、资源服务、教研应用集成。师生可通过特定的实名用户账号登陆云平台,根据不同的权限设置进行操作。教员可进行课程添加、课程录制、管理录制视频、发表微课、参与各种评比活动等功能操作;学员可利用个人空间进行针对性对课程视频进行收藏、点评、下载等操作,推进网络学习空间人人通。



个人信息服务


个人空间支持对个人基础信息的管理,包括:个人资料的编辑、更换上传头像、重置密码等。



消息服务


个人空间提供消息发送和接收服务。教员视频上传成功或失败、是否通过管理员审核、本人视频被点播或被评价信息、教研活动邀请等,都通过消息服务发送给教员,通过敏捷的消息反馈机制激励教员积极参与到资源建设和教研活动中。



资源服务



资源上传。用户可将文件上传到个人空间,可上传的文件包括视频、文档、图片等类型,视频在上传的过程中自动转码为MP4格式,文档自动转码为百度文库式无需下载在线预览的格式。


资源管理。用户可对个人资源进行浏览/播放、删除、编辑。对于视频资源,用户点击可以播放,并支持暂停、播放、停止和音量控制。对于文档资源,用户可进行在线预览,无需下载。


课程学习记录。用户学习课程的记录在个人空间查询,实时了解学习进度,掌握学习状况。



教研活动记录。用户可以查看参与过的教研活动。



知识点和教学环节视频索引。支持教员为视频资源添加知识点和教学环节的索引,方便点播者使用。


资源收藏和分享。平台中所有公开的资源都可以收藏并保存到个人空间,便于用户收集对自己有用的参考和学习资料。资源分享。支持个人空间的资源分享,并提供在线讨论、交流。


(4)高效教学系统之教学教研



教学教研系统支持举办网上教研活动,提供从活动策划、评比标准选定到网络邀请参赛人员和评比专家团全方位的在线活动流程,教员将课程录像提交到活动主页,专家在线为参选视频评选,成绩和排名实时显示在活动主页,并把最终结果公示在活动主页和参与人员的个人空间。


教研活动展示


展示管理员已创建的教研活动,提供报名、作品展示、评审、管理、活动统计等支持。教员通过了解活动的详情,确认是否参与到活动中,参与后可以将自己优秀的教学视频进行投稿,由专家进行评审选拔。



教研活动管理


提供管理员对教研活动的创建、修改、删除等操作。


数据统计


对参加活动评选的优秀课程,通过专业的评审团队,按照自定义的评审量表进行打分。


教研活动支持:


活动首页。活动用户可在优质课评选首页浏览活动列表,查看活动流程,观摩正在进行中的活动,查看往期活动。



专家评比。组织管理者在活动中添加专家,专家在个人空间可浏览自己需要评选的活动和课程,并且上报课程进行在线打分、评估。评估工作不受地理位置限制,任何接入网络的地点都可进行网络评估。


投票评比。除了通过量表打分的方式可以实现优质课评比,系统还提供管理员可以将发起优课评选活动时,可以将活动设定为投票模式,参加评选的课程可以投票,根据投票结果排名显示。同时支持指定老师参与教研活动。



评审量表。系统支持自定义评审量表,另外平台会自动生成评课清单。



评价反馈。评选过程和评选结果通过消息系统反馈参赛人员、专家和活动组织者。如有专家对教员上报课做过评分,评分内容和结果会实时通过消息系统反馈到被评价教员的个人空间。


结果反馈。教研活动最终结果以两种形式反馈,一在所有参加活动人员个人空间以消息的方式传送,二是在活动主页中的评选结果中公布获奖信息和名次排名。


首页展示。首页集中展示历次评选活动。



(5)教学管理系统



教学管理系统包括:平台设置、系统设置、课表设置、教研活动管理、课程中心管理、教研评审等。


预约录课



用户可根据自身需求进行课程的预约。


发布课程



制作优课



支持资源视频的合成、视频编辑,支持对优课添加片头片尾。


平台设置


支持平台基础信息的修改,如:名称、logo等等,支持平台邮箱设置、数据字典设置。


课表管理


支持用户建立及修改学期、教学节次方案,支持导入课表、新建课表



教研活动管理



支持管理员对教研活动的新建、评审量表设置修改,平台可指定相关人员对教研活动进行督导,平台会根据评课情况自动形成评课清单及统计出评课数据。



3.7 云桌面


3.7.1系统概述


云桌面建设的总体目标是在不影响原有网络结构和正常教学业务的前提下,从虚拟安全、桌面管理、行为控制等多个角度构建一套完整的校园桌面云平台,实现对多媒体教室的全面安全加固,提高桌面环境的系统问题解决效率,降低桌面环境使用的电力及数据维护成本,加强教室管理人员的运维效率及桌面日常管理能力,加固桌面环境安全防护,进一步提升院校业务应用的管理支撑能力。


3.7.2系统组成


云桌面系统主要包括主管理服务器(物理架构中可和资源服务器共用服务器)、资源服务器、安全访问网关(物理架构中可和资源服务器共用服务器)、SAN存储、云桌面管理子系统、虚拟化资源池管理子系统。



云桌面逻辑架构


3.7.3系统功能


(1)云桌面管理子系统


云桌面管理子系统为管理员提供云桌面业务管理功能,为用户提供云桌面接入使用功能,主要包括组织管理、用户管理、角色管理、权限管理、访问控制策略管理、桌面管理、资源管理、日志与审计管理、系统管理等功能。



云桌面管理子系统功能


1)用户桌面


用户桌面功能主要为普通用户提供连接我的桌面(专属桌面)、公共桌面(桌面池)、维护个人信息、密码设置等功能。


2)桌面资源监控


对云桌面虚拟机所在资源池的整体运行情况进行监视,包括资源池的数量,源池的名称及用途,资源池纳管的服务器数,资源池中已创建的桌面虚拟机数,资源池可分配的CPU数(核)、内存容量(GB)、存储容量(GB),资源池中已分配给用户的桌面虚拟机数,云桌面虚拟机用户连接数等。


云桌面桌面运行过程中,系统管理员应监控以下主要资源状态:CPU分配状态、内存分配状态、存储使用状态、云桌面运行状态、桌面模板管理。


在云桌面系统中,在创建桌面虚拟机之前,一般需要预先制作虚拟机模板,在通过模板快速克隆创建新的云桌面虚拟机。虚拟机模板在底层虚拟化资源池中进行创建和维护,通过桌面模板管理功能从资源池中提取相关的模板资源进行使用。


3)云桌面管理


云桌面管理功能可以完成云桌面从创建、分配、管理、使用、销毁的全生命周期管理,以及对用户的桌面授权等管理操作。


系统管理员可根据桌面连接池、用户、部门、连接状态、资源池、虚拟模板、分配状态和运行状态进行单项过滤查询或是组合过滤查询。


4)云桌面分配


云桌面分配功能可以为用户新建专属云桌面,或者为用户重新分配已预先创建的专属云桌面或桌面连接池等。


5)组织机构管理


组织机构管理功能对系统中的所有部门信息进行管理,包括浏览、新增、删除、查询、编辑等功能。


6)用户管理


用户管理功能对系统中的所有用户信息进行管理,包括浏览、查询、添加、删除用户信息、修改用户密码、对用户授权等功能。


7)角色管理


角色管理功能对系统中的所有角色信息进行管理,包括浏览、新增、编辑、删除角色对象,为角色分配权限对象等功能。


8)日志管理


日志管理功能主要供管理员查询系统日志。日志列表属性包括用户账号、级别、操作、页面、操作描述、执行时间等。


(2)虚拟化资源池管理子管理


虚拟化资源池管理具体包括资源池管理、宿主机管理、虚拟机管理、软件镜像管理、网络管理、存储管理、资源调度管理、系统管理等功能模块,功能架构设计如下图所示。



1)资源池管理


资源池管理功能可以对多个资源池进行管理,包括浏览、新建、删除、监视、配置资源池。


2)宿主机管理


宿主机(物理机)管理功能可以浏览、查看详细(包括物理机的CPU、内存、磁盘、网卡及物理机上运行的虚拟机列表信息)、维护模式管理、认证管理、启动/停止/删除物理机、监视物理机的实时运行状态等。


理机对象基本属性包括物理机名称、物理机状态、CPU核数、可用内存容量、本地可用磁盘容量、认证状态等。


系统可以查看该物理机详细配置信息,包括物理机的CPU核数、内存容量、磁盘容量、网卡及物理机上运行的虚拟机列表信息,以及物理机所属于的资源池信息等,并可以启动物理机、停止物理机、监视物理机实时运行状态、查看物理机的属性信息等。


3)虚拟机管理


虚拟机管理功能可以对虚拟机对象进行管理,包括以下功能分类:虚拟机对象查询、虚拟机基本控制、虚拟机在线安装、虚拟机备份、虚拟机快照、虚拟机迁移、虚拟机复制、虚拟机外设、虚拟机配置、虚拟机共享盘。


虚拟机对象基本属性包括虚拟机名称、所属资源池、存储位置、虚拟机状态、宿主机、运行模式、CPU核数、内存大小等。


4)镜像管理


软件镜像是指遵循ISO 9660国际标准格式,从CD-ROM/DVD-ROM制作的光盘映像ISO文件或者将硬盘上的文件制作成的ISO文件。镜像ISO文件可以被虚拟机的虚拟光驱直接挂载,用于引导虚拟机启动安装操作系统或在虚拟机操作系统中安装相关应用软件。


镜像管理功能可以对需要在虚拟机安装的各类软件ISO镜像文件进行管理,包括浏览、上传、新增、修改、删除软件镜像文件。


镜像对象基本属性包括镜像名称、镜像对应的位数(X86/X86-64)、镜像类型、镜像所对应的操作系统类型等。


5)网络管理


虚拟化平台系统网络可分为物理交换网络和虚拟交换网络。 虚拟交换网络是指由虚拟交换机、虚拟网卡设备、VLAN等构成的交换网络,虚拟交换网络是构建在物理交换网络(如应用网)上层的逻辑网络,虚拟交换网络可以实现对虚拟机进行网络隔离、安全分组管理。通过VSIP管理控制台的“网络管理”功能项可以对系统所有虚拟交换机对象进行维护。


网络管理功能可以对分布式虚拟交换机进行管理,包括浏览、新建、修改、删除、端口组维护、查看属性等,提供对VLAN、虚拟机网络安全策略(混杂模式、IP/MAC绑定等)、虚拟机流量控制策略管理。


6)存储管理


虚拟化平台系统存储可分为SAN存储和分布式存储,在本次项目中主要涉及的是SAN存储管理。


SAN存储管理功能可以对存储进行管理,包括发现、纳管、同步、忽略、挂载、卸载、销毁。


7)模板管理


虚拟机模板是由硬件配置文件、虚拟磁盘和客户操作系统配置文件组成的资源文件。模板提供标准化硬件和软件配置,可用于创建多个使用这些配置的新虚拟机。


模板管理功能可以对虚拟机模板进行管理,包括浏览模板列表、查看模板详细信息、克隆虚拟机、快速复制虚拟机、模板导入、模板库初始化、模板检查等功能。


8)资源调度管理


资源调度管理模块包括任务执行监控、任务调度管理、服务器心跳线管理、任务队列管理等功能。


9)资源调度


系统支持经济运行调度:云桌面虚拟机运行计划或者整体负载较小的情况下,将云桌面虚拟机集中迁移到小部分物理机上,并将空闲出来的物理机进行休眠或关机,从而降低整个虚拟化基础架构所需的能耗。


系统支持负载均衡调度:当部分物理机工作负载过高时,将这些物理机上运行的云桌面虚拟机迁移到其他负载较低的物理机上,使整个虚拟化基础架构的工作负载保持基本平均分布。


系统支持关联调度:将已建立关联的云桌面虚拟机组从一台物理机同时在线迁移到另一台物理机。云桌面虚拟机反关联调度是指将已建立反关联的虚拟机组同时在线迁移,且所有虚拟机迁移前后均不在同一台物理机中。该策略可用于同一台服务器中相同VLAN虚拟机网络数据交互不被监控的情况。可将相同VLAN虚拟机设置为反关联调度虚拟机。


系统支持云桌面虚拟机高可用调度:当运行云桌面虚拟机的物理机发生故障时,无需人工干预,在数分钟内自动将该物理机上运行虚拟机恢复到其它可用的物理机上。

系统支持云桌面虚拟机在线迁移调度:将正在运行的虚拟机从当前的物理机移动到其它物理机,迁移过程中虚拟机中应用程序的对外服务不中断。


3.8 原有系统利旧


目前警官学院已经建设了68间带有自动录播功能的常态化录播教室,系统需要针对现有建设的网络中控系统和录播系统进行升级改造,由于原有的录播教室仅仅只具备课堂录播的功能,可在原有录播教室的基础上增加一台智能分析工作站,搭配原有的录播系统实现课堂教学过程的分析评测。


4. 系统优势


4.1 人工智能、大数据与教育教学的深度融合


依据教学过程中,师生行为的记录,基于大数据的分析,自动输出智能诊断分析报告,为教员提供自我反思、学员实现个性化的学习。通过对课堂教学行为的录制,依据课堂大数据的智能分析,让教研员对教员的评价更加客观,让教研活动的开展有据可依。课堂资源不只是单纯的录像,要有细分的教学属性,包括课堂教学行为,课堂教学内容等。


自动评价:采用人工智能技术,对课堂教学行为进行自动分析。包含10余种教学行为,涵盖教员行为和学员行为。


4.2 常态化教研促进教员专业成长


聚焦云技术、音视频技术、人工智能技术与教育的双向融合,推进学校教研信息化整体规划。建设统一的教研机制,通过人工智能技术与音视频技术的深度应用,实现教研常态化,教研实证化。


全面推进教育音视频技术真正融合于教研工作的各个环节,通过网络音视频技术打破传统教研时间和空间的限制,最终实现常态化教研环境。


4.3 校本资源的大数据的积累


教学录播系统产生的是视频类非结构化数据,这类数据存储在文件系统中,而不是数据库中,这样就导致视频中有用的信息无法直接被检索和利用。本期智慧教室建设以录播为核心,人工智能为切入点,让校本资源逐步从视频转移大数据表现上。通过对录播教室产生的各种资源和数据进行集中管理、分析、处理,生成精品教学资源和客观准确的教学数据,为教员教学技能的改进及学校教学质量的提升提供更多的信息化技术支撑。


4.4 更高的兼容性、多样性互动方式


交互应用多样化。多间教室可进行互动课堂,实现录播教室之间远程互动授课、视频会议等多种应用模式;将区域内所有录播教室整合入区录播系统应用云平台,且能与其余学校录播教室进行良好互动。即使录播并不是我公司的产品,但也可以由我们的设备进行接管。同时只需要增加少量设备也可以完成智能视频分析等功能。


对录播资源的有效应用,录制的视频可以满足精品课程、微格教学、远程教育、公开课、优质课评比等各种应用。