智慧教室的設計與其對教學的影響探究

李海勝 姚存治 劉開茗 王艷萍

0 背景

智慧教室是一種智慧學習環(huán)境，更是智慧教育的時代體現(xiàn)。智慧教室的“智慧性”涉及教學內(nèi)容的優(yōu)化呈現(xiàn)、學習資源的便利獲取、課堂教學的深度互動、情境感知與檢測、教室布局與電氣管理等多個方面，可概括為內(nèi)容呈現(xiàn)、環(huán)境管理、資源獲取、及時互動、情境感知等五個維度[1]。

智慧教室充分利用現(xiàn)代技術(shù)手段，在輔助教學的同時也在潛移默化地改變著教育教學方式。從投影儀、PPT，到現(xiàn)在的智慧終端、電子白板反映的正是教學設施隨信息技術(shù)的進步不斷地升級換代。與此同時，教學方式的改變也對教學設施與環(huán)境提出了更高的要求，即教學設施與環(huán)境能夠支撐靈活多樣的教學設計，能夠充分展現(xiàn)多樣的教學資源，能夠便捷地開展師生互動，能夠隨時記錄學習過程。最終教學設施與環(huán)境的改變，潤物細無聲地促進教學理念的改變。

智慧教室建設的核心與重點是如何更加有效地輔助教育教學，而非設備先進性的展現(xiàn)。目前，國內(nèi)智慧教室的研究主要集中于智慧教室的設計和建造，更多地關注技術(shù)水平的先進性與功能的多樣性[2]。很大程度忽視了智慧教室的適用性與實用性，造成了智慧教室建設成本居高不下的問題，此外智慧教室應用成效還處于初期探索階段。

1 智慧教室建設理念與設計思路

1．1 設計理念

1.1.1 以專業(yè)、課程需求為導向

高等職業(yè)院校（以下簡稱高職院校）不同專業(yè)對智慧教室的功能需求也不盡相同。以物聯(lián)網(wǎng)應用技術(shù)專業(yè)為例，該專業(yè)注重物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應用開發(fā)，對智慧教室的需求著重于專業(yè)知識與智慧教室環(huán)境相結(jié)合。智慧教室在具備內(nèi)容呈現(xiàn)、師生互動、資源獲取的同時，應更多偏重環(huán)境管理與情境感知方面，將專業(yè)知識真實地呈現(xiàn)在學生面前，這更有利于教師專業(yè)教學與學生專業(yè)學習。一些基礎課程如《高等數(shù)學》，課程內(nèi)容偏重理論知識與邏輯推導。任課老師開發(fā)了立體化教材，學生通過手機APP 掃描二維碼即可查看視頻講解。這種形式一方面將抽象內(nèi)容形象化、具體化；另一方面改變教學方式，以在線資源為支撐開辟學生線上、線下學習的方式。此類課程更多地要求智慧教室資源獲取的便捷性，對智慧教室網(wǎng)絡環(huán)境有較高要求，智慧教室應當滿足學生對教學資源的大開發(fā)與高通量訪問需求。

1.1.2 與智慧校園建設相互融合

智慧校園、智慧教室系統(tǒng)相互“隔離”。一些高職院校存在有線網(wǎng)絡老化、無線網(wǎng)絡建設滯后與校園訪問潮汐困境（在短時間內(nèi)，學生集中訪問網(wǎng)絡資源，如學生網(wǎng)上選課，給服務器造成了巨大的壓力，而其他時間并無較大的訪問量）等現(xiàn)象，這在一定程度上制約了智慧校園功能的發(fā)揮同時也降低了智慧教室的能效。

調(diào)查顯示，大量智慧教室建設方案涵蓋智慧教室五個維度，系統(tǒng)內(nèi)部存儲了大量教學資源。但上述資源僅服務于智慧教室，脫離智慧教室卻無法發(fā)揮作用。這就造成智慧教室系統(tǒng)與應用的“系統(tǒng)”孤島，無形中降低了其應用效能。

智慧教室應用數(shù)據(jù)無法融合到智慧校園當中用于學習分析。智慧教室應用與教務系統(tǒng)、學生信息管理系統(tǒng)等系統(tǒng)隔離，智慧教室采集的學習數(shù)據(jù)無法融入智慧校園業(yè)務系統(tǒng)當中，這給智慧教室效能的發(fā)揮帶來了負面影響。二者相互融合才能將教師教學數(shù)據(jù)、學生學習數(shù)據(jù)融合在一起，然后采用大數(shù)據(jù)等技術(shù)手段對教師教學過程、學生學習過程，線上教學資源的使用情況進行分析、評價，為教學質(zhì)量的提升提供依據(jù)。1.1.3 突破教室空間“限制”打造智慧學習環(huán)境

智慧教室的定義明確指出“智慧教室是一種智慧學習環(huán)境”而非教室當中的智慧環(huán)境。目前智慧教室的建設主要集中于智慧“教室”的建設，而非智慧“環(huán)境”的建設，這給智慧教室的建設帶上了一個無形的“枷鎖”。這也形成了目前千篇一律的智慧“教室”的建設模式。

依據(jù)目前線上教學、反轉(zhuǎn)課堂等教學模式，綜合智慧教室與智慧校園建設相互融合的原則，大力建設校園有線無線網(wǎng)絡，開放教務系統(tǒng)信息，采用大數(shù)據(jù)、人工智能等先進技術(shù)，打造校園內(nèi)無處不在的學習環(huán)境，將校園建設成為一個智慧教室（智慧環(huán)境），從而打破智慧教室建設的局限。

1.1.4 空間環(huán)境“多姿多彩”

傳統(tǒng)教室在布局上對空間進行一分為二的劃分，這種設計便于教室后部的學生看到教師與黑板，從空間的角度提升了教師教授知識的權(quán)威性，提升課堂教學的效率。但是這也拉遠了教師與學生之間的距離，使學生產(chǎn)生畏懼心理，阻滯學生與教師之間的互動，不利于課堂教學。此外，傳統(tǒng)教室在色彩搭配上千篇一律的采用白色。白色莊重、典雅，適用于大型教室，但應用于小型教室上則有顯單板缺乏靈動。

智慧教室在設計上應摒棄一分為二的布局、一成不變的白色，應當基于教室用途、面積，設置多樣的布局，運用多種色彩，營造更加舒適的學習環(huán)境。

1.2 建設分類

1.2.1 通用型智慧教室

通用型智慧教室注重內(nèi)容優(yōu)化呈現(xiàn)、學習資源的便利獲取、課堂教學的深度互動等通用需求功能的實現(xiàn)，主要面向注重內(nèi)容呈現(xiàn)、學習資源的便利獲取、課堂教學的深度互動等方面的課程或?qū)I(yè)使用，由此通用型智慧教室具備相對統(tǒng)一的技術(shù)標準。上述課程與專業(yè)較少涉及專業(yè)相關技術(shù)設備與設施，無須在智慧教室中展示專業(yè)技術(shù)設備，而更多地要求在課堂教學過程中在線資源的獲取與展示、學生學習過程數(shù)據(jù)的采集等。基于通用型智慧教室的定位，通用型智慧教室的主要支撐課程為公共基礎課程、專業(yè)基礎課程等，如大學英語、思想政治教育、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)等。通用型智慧教室主要包含多屏教學系統(tǒng)、課堂在線交互系統(tǒng)、人工智能課堂評價系統(tǒng)等。

1.2.2 專業(yè)型智慧教室

專業(yè)型智慧教室在具備通用型智慧教室全部功能的同時，還部署了專業(yè)教學所需的設備與設施，主要面向?qū)I(yè)技術(shù)課程使用。課堂教學需要智慧教室打造一個專業(yè)技術(shù)應用的真實環(huán)境，以此來滿足專業(yè)技術(shù)學習需求?；趯I(yè)型智慧教室的功能定位，專業(yè)型智慧教室的主要使用課程為專業(yè)基礎課程、專業(yè)核心課程等。因各類專業(yè)功能需求的不同，在設計建設專業(yè)型智慧教室時，須注重考慮相關專業(yè)技術(shù)知識的應用，由此專業(yè)型智慧教室沒有統(tǒng)一的技術(shù)標準。

以醫(yī)學類專業(yè)為例，討論其對智慧教室的需求。護理、呼吸治療技術(shù)、助產(chǎn)等醫(yī)學專業(yè)要求學習人體結(jié)構(gòu)與功能、醫(yī)學免疫與病原生物等專業(yè)課程。而如何讓學生便捷地觀察、學習人體形態(tài)結(jié)構(gòu)一直是醫(yī)學專業(yè)的教學難題。虛擬現(xiàn)實技術(shù)（Virtual Reality 簡稱VR）應用之前，只能讓學生觀看各種人體標本、模型、圖示。VR技術(shù)為醫(yī)學教育帶來了一種全新的技術(shù)手段。借助VR構(gòu)建各種人體器官、系統(tǒng)的三維模型，學生可通過手機、VR 頭盔、電腦等途徑多角度觀察學習人體結(jié)構(gòu)。VR 系統(tǒng)還支持模擬解剖，并且對學生的操作給予反應，如血管破裂血液流出等，相比傳統(tǒng)的尸體解剖，VR方式成本低且沒有時間、場地的限制[3]。

由此可見，醫(yī)學類專業(yè)對智慧教室的要求偏重于虛擬現(xiàn)實設備以及虛擬現(xiàn)實教學系統(tǒng)的部署與應用。

1.2.3 智慧教育點

智慧教育點是在校園網(wǎng)絡、應用的支撐下，采用虛擬現(xiàn)實等新技術(shù)在室外打造的“智慧教室”，突破場地的空間限制，將智慧教室的建設從“教室”擴展到操場、花園、會堂等場所。在這些場所，各類移動終端、學習平臺均可訪問在線資源，接入各類學習平臺，實現(xiàn)隨時隨地的個性化線上線下學習。智慧教育點的建設打破了場地對智慧教室的限制，將智慧教室的建設從室內(nèi)擴展到室外，形成了智慧教室新的建設模式。

隨著網(wǎng)絡課程資源建設，在線資源種類、數(shù)量、體積逐步增多變大并且新冠肺炎疫情期間直播、錄播課程大范圍使用，在線教育對網(wǎng)絡資源（網(wǎng)絡速度與網(wǎng)絡帶寬）的要求越來越高，采用商業(yè)網(wǎng)絡模式無法滿足要求。此外，部分智慧校園與智慧教室的系統(tǒng)與應用在校園網(wǎng)外部無法訪問，這給智慧教育點在線資源的獲取以及學生學習數(shù)據(jù)采集造成了障礙。由此，智慧教育點的網(wǎng)絡環(huán)境優(yōu)先采用自建、免費使用模式。

2 智慧教室對教學模式的影響

智慧教室建設的目的即是利用先進的信息化技術(shù)、設備與設施，為教學活動的實施提供更多的便利與手段，輔助提升教學質(zhì)量。智慧教室配備的教學設備是為教學服務的，應為師生提供盡可能多的選擇，不能一味追求科技含量而忽略此最本質(zhì)的功能。隨著新技術(shù)的應用智慧教室給現(xiàn)有教學方式帶來了以下影響。

2.1 資源獲取、內(nèi)容呈現(xiàn)更直觀

智慧教室最重要的基礎部分是高速、大帶寬的無線網(wǎng)絡。教學過程中教師讓學生下載教學資源；獲取資源后，教師學生手中的各類終端才能發(fā)揮應有的作用。多種資源的使用，將課本抽象、復雜的知識通過多樣的形式表現(xiàn)出來，降低學生理解難度，提升學生學習效率。此外，有了網(wǎng)絡的支撐，各種設備、系統(tǒng)、應用才能被訪問，學習過程數(shù)據(jù)才能被采集。

智慧教室最直觀、最醒目的部分是智慧教室四周的多個顯示屏幕。在教學過程中，教師在線獲取教學資源，并在多個顯示屏幕上同步顯示或分屏顯示，充分發(fā)揮各種類型資源的優(yōu)勢，解決了普通教室后排學生因各種因素看不到、看不清黑板的問題。

2.2 師生交互更便捷

課堂師生交互讓教師即時掌握學生學習狀況，并即時調(diào)整教授進度與難度。傳統(tǒng)課堂教學，師生交互以提問、小測驗居多，覆蓋面小，教師無法全面、準確地掌握學生學習狀況。在智慧教室環(huán)境支撐下，各類教學軟件、終端支持開展各類師生交互，包括一鍵簽到、搶答、投票等。各類交互活動經(jīng)系統(tǒng)后臺處理后，即時將結(jié)果傳遞給教師；教師對學生參與情況進行評判后，評判結(jié)果反饋給學生端，學生可即時查看。師生交互平臺的使用，促進師生交互由傳統(tǒng)一對一的“你問我答”向智能多元轉(zhuǎn)變，提升學生的課堂參與度。師生交互數(shù)據(jù)是學生學習數(shù)據(jù)的重要組成部分，師生交互的便捷更是有利于學習過程數(shù)據(jù)的采集。

2.3 學習過程記錄與分析

移動互聯(lián)時代，學生通過各種在線學習平臺進行學習。學習平臺主動記錄學生的學習過程，這些數(shù)據(jù)反映了學生的學習狀態(tài)和學習進度。學習分析源于商業(yè)智能和網(wǎng)站分析，是用戶數(shù)據(jù)分析在教育領域的應用，指的是對教育領域的“大數(shù)據(jù)”處理和分析[4]。學習分析通過對學生在線學習行為數(shù)據(jù)的分析，以倒溯方式考察影響行為產(chǎn)生動機和需求等因素，以及行為背后所隱藏的學習目的、學生個性特征、學習環(huán)境等元素，最終目的是優(yōu)化學生的學習過程以及學習行為發(fā)生的環(huán)境[5]。在智慧教室框架下，融合教務、考勤、在線學習記錄等數(shù)據(jù)，對學習過程畫像，針對學生學習特征，差異性地推送學習資源，從而實現(xiàn)個性化、智能化學習。

3 結(jié)語

智慧教室是教育教學與信息化技術(shù)深度融合的產(chǎn)物，為教師轉(zhuǎn)變教學理念，更新教學模式提供了便利。基于高職院校實際，提出以專業(yè)、課程需求為導向，與智慧校園建設相互融合，突破教室空間“限制”打造智慧學習環(huán)境，空間環(huán)境“多姿多彩”的智慧教室設計理念?；诟呗氃盒Ｕn堂教學實際需要將智慧教室的類型分為通用型智慧教室、專業(yè)型智慧教室、智慧教育點，優(yōu)化智慧教室的建設布局，提升智慧教室建設的效能。基于智慧教室的應用，總結(jié)提出智慧教室對教學模式的積極影響：資源獲取、內(nèi)容呈現(xiàn)更直觀、師生交互更便捷、學習過程記錄與分析。

信息技術(shù)的進步促進教室建設融入先進的技術(shù)，新技術(shù)新設備解決了傳統(tǒng)教學環(huán)境與模式存在的問題，促使教師不斷更新、轉(zhuǎn)變教學理念，改進教學方法，創(chuàng)新教學模式。與此同時，教師教育教學理念的改變，教學模式的創(chuàng)新對教學軟硬件設施提出了更高的要求，不斷促使信息技術(shù)的進一步創(chuàng)新升級。二者相互促進，相互影響，不斷改善課堂教學生態(tài)。智慧教室的建設與應用將會進一步成為未來智慧教育發(fā)展的新趨勢和常態(tài)。