基于智慧教室的教學模式設計研究

胡旺 楊成

(江蘇師范大學，江蘇徐州，221116）

隨著信息化社會的不斷推進，智慧教育的浪潮正全面襲來，傳統(tǒng)的教學模式已漸漸跟不上時代的發(fā)展。教育信息化推動智慧教育的發(fā)展，智慧教育的成熟進而推動教育現(xiàn)代化。智慧教育并不是新生的概念，本文所涉及的智慧教育是從信息化發(fā)展的角度談及的，屬于新研究范疇，主要是指基于云計算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、學習分析技術等前沿技術，構建智慧學習環(huán)境，運用創(chuàng)新智慧教學方法，促進學習者的智慧學習，實現(xiàn)個性化、創(chuàng)造性的教與學過程。智慧教室作為智慧教育內(nèi)容中的一個關鍵要素，對教育教學將產(chǎn)生重要影響。通過研究，提出智慧教室環(huán)境下的新型教學模式，符合智慧教育的發(fā)展以及技術創(chuàng)新對教育教學領域研究突破的必然要求，對智慧教育研究具有重要的現(xiàn)實意義和實踐應用價值。

一、傳統(tǒng)教學模式及其問題

（一）以教為主的教學模式及其問題

以教為主的教學模式主要包括掌握學習教學模式、程序教學模式、信息加工教學模式等，以教為主的教學模式注重教師在教學中的主導作用，利于教師對課堂的管理和控制，其缺點是教師管得過死、過多，限制了學生的創(chuàng)造性思維，不利于學生的個性化學習與思維碰撞。即使將智慧教室應用于傳統(tǒng)的以教為主的教學模式之中，也只是對技術的簡單應用，反而在現(xiàn)代化的信息環(huán)境下，大量的教學信息融入進來，更多的資源供給，造成學生認識能力下降、學習動力不足，成為毫無創(chuàng)造性的被動接收者，既浪費了高額的信息環(huán)境資源，又達不到最優(yōu)的教學效果。

（二）以學為主的教學模式及其問題

以學為主的教學模式主要包括發(fā)現(xiàn)學習模式、支架式教學模式、拋錨式教學模式等。以學為主的教學模式其核心是發(fā)揮學生學習主動性、積極性和創(chuàng)造性。然而這種教學模式忽視了教師的主導作用，學生花費大量的時間進行摸索，效率低下，成績不突出。

無論是以教為主的教學模式還是以學為主的教學模式，都割裂了教師與學生的互動關系。在教育的過程中，師生是統(tǒng)一的，離開教師或離開學生都不是真正意義的教育，更談不上智慧教育。因此將智慧教室應用于教學實踐，實現(xiàn)真正的智慧教育，需要探索一種新的教學模式。

二、智慧教室及其功能

（一）智慧教室的概念

黃榮懷認為，在傳感技術、網(wǎng)絡技術、富媒體技術及人工智能技術充分發(fā)展的信息時代，教室環(huán)境應是一種優(yōu)化教學內(nèi)容呈現(xiàn)、便利學習資源獲取、促進課堂交互開展、具有情境感知和環(huán)管理功能的新型教室[1]。將智慧教室的資源應用于教育教學，是時代發(fā)展的趨勢，其教學效果顯而易見。

（二）智慧教室的構成

與傳統(tǒng)教室不同，智慧教室作為智慧環(huán)境體系的一類，是支持智慧教育的智能化空間和必要條件，通過互聯(lián)網(wǎng)、云計算、學習分析、數(shù)據(jù)挖掘、物聯(lián)網(wǎng)等手段將物理感知、網(wǎng)絡感知和社會感知三個方面無縫連接，形成智能化的教與學一體環(huán)境體系，其構成要素包括教育活動的主體、教育活動的空間與教育活動的條件[2]，如圖1所示。

1.教育活動的主體

教育活動的主體包括教學者、學習者和管理者。教學者即在智慧教室中進行教學活動的教師及助教等輔助教學人員；學習者是在智慧教室中進行學習活動的主體；管理者即對智慧教室進行監(jiān)控、維護、管理的服務性人員。

2.系統(tǒng)環(huán)境因素

這部分主要包括教學系統(tǒng)、燈光控制系統(tǒng)、溫濕度調(diào)節(jié)系統(tǒng)、自動考勤系統(tǒng)和視頻監(jiān)控系統(tǒng)等。其中教學系統(tǒng)是應用教學活動最重要的系統(tǒng)；智能燈光控制系統(tǒng)、溫濕度自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)為學習者提供最環(huán)保、最舒適、最智能的學習環(huán)境；自動考勤系統(tǒng)解決了傳統(tǒng)考勤難的問題，通過攝像頭刷臉智能識別進出人員信息；視頻監(jiān)控系統(tǒng)保障教學活動的全程安全、可靠進行。

3.教育活動的條件

在智慧教室環(huán)境下進行教育活動，需要更嚴格的要求，豐富而個性化的線上線下資源、服務教學活動的各種智能終端與基于物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)的云平臺、提供個性化、創(chuàng)造性學習環(huán)境的優(yōu)質(zhì)服務體系等為智慧教學活動創(chuàng)造了必要條件。

圖1 智慧教室環(huán)境構成

（三）智慧教室的功能

智慧教室環(huán)境下，傳統(tǒng)學習模式正在向創(chuàng)新能力培養(yǎng)模式轉(zhuǎn)變。智慧教室作為智慧環(huán)境的具體形式，豐富了智慧教育的內(nèi)涵和實踐領域的應用，為推動智慧教學發(fā)展提供了基礎。

1.個性化教學功能

智慧教室環(huán)境下，教師能夠針對學生的個性化差異創(chuàng)建新的學習課程，以保障學生找到適合自己的學習方法，教師根據(jù)每個學生的性格量身設置學習課程[3]。這種個性化教學模式不僅適用于教師一對一的課堂教學，同樣適用于遠程教學。對于遠程同步學習的班級而言，他們同樣可以根據(jù)自己的個性需求進行遠程課程學習，通過平板電腦，學習教師遠程傳送的教學課程，并進行遠程交互，答疑解惑。

2.多工具教學功能

智慧教室能夠提供多種教學工具以方便教師教學，利用多種呈現(xiàn)技術，豐富教學內(nèi)容。在學習上能激發(fā)學生的學習興趣，促進學生開展體驗學習；在交互過程中，教師、學生可采用自然的交互手段與內(nèi)容進行交互，同時實現(xiàn)多維化交互方式[4]。

3.即時互動功能

課堂教學中，教師通過高清智能交互電視呈現(xiàn)出教學內(nèi)容，當涉及到學生共同討論、疑難解答、評價練習等內(nèi)容時，學生可通過平板電腦，進入在線交互系統(tǒng)，即時將自己的觀點呈現(xiàn)于交互電視上。同時可分享到全班每位學生的平板電腦上，實現(xiàn)線上線下的混合學習。

4.教育數(shù)據(jù)分析功能

利用智慧教室進行教學的過程中，通過信息收集將學生課堂學習產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息集中起來，利用學習分析技術進行數(shù)據(jù)挖掘、教育數(shù)據(jù)分析、整合學生的學習信息，歸納出異同點，發(fā)現(xiàn)學生的學習取向與學習需求，對未來的學習取向提供數(shù)據(jù)支持。

三、基于智慧教室的教學模式及其特點

（一）基于智慧教室的教學模式

教學模式是指在一定教學思想或教學理論指導下建立起來的較為穩(wěn)定的教學活動結(jié)構框架和活動程序[5]。而基于智慧教室的教學模式則是指在智慧教室環(huán)境下，以智慧教育的理論指導，通過智慧學習方法充分發(fā)揮學習者的主動性和創(chuàng)造性，學習者利用各種終端可自由選擇資源、工具和服務，形成師生互動、個性教學、智慧創(chuàng)造的一體化智慧教學模式。

（二）基于智慧教室的教學模式的特點

1.強交互

與傳統(tǒng)教室中教師主導的教學模式不同，基于智慧教室的教學模式具有很強的交互性。智慧教室學習資源的內(nèi)容以小組學習終端為主呈現(xiàn)，包括小組成員就某一問題進行在線討論和結(jié)果評價。教學內(nèi)容同時呈現(xiàn)在教室的多屏上，實現(xiàn)多屏互動。各屏均具有觸控功能，其中教師可開放前排智能交互電視的教師端與學生共享，實現(xiàn)與學生的平板電腦即時深層交互，學生可以將自己的想法直接在線分享，進行解答或者輔助等工作，極大地幫助師生進行無縫展示交流。

2.靈活性

在智慧教室環(huán)境下，教師不再是單一的傳授式教學，而是采用多種教學手段，利用信息技術，通過在線平臺，靈活多樣地進行教學活動。學生的可移動桌椅能夠根據(jù)教學要求智能移動、組合，便于形成新的小組進行協(xié)作學習。教學活動的靈活性既體現(xiàn)在教學場景移動、組合的靈活性上，又體現(xiàn)在教學要素、教學方式的靈活多變上。智慧教室背景下的教學方式突破傳統(tǒng)的講授式、教師主導式，更多采用問答式、情景式、協(xié)作式等多種線上線下結(jié)合、融合性與智慧式的教學方式。而教材的變化更是體現(xiàn)了教學要素的靈活性，從傳統(tǒng)的紙本教材到完全的電子教材、網(wǎng)絡教材，使內(nèi)容更豐富、學習更便捷。

3.沉浸性

虛擬現(xiàn)實、虛擬仿真技術在教學中的廣泛應用，為教學活動提供了更加真實、更具立體化的教學過程。學習者利用體感設備進行虛擬場景實踐，感受在虛擬環(huán)境下的真實體驗。在傳統(tǒng)遠程學習中，其情感的缺失往往限制了學習者的學習效果和情境體驗。然而在智慧教室環(huán)境中，虛擬現(xiàn)實技術的成熟運用大大彌補了傳統(tǒng)遠程學習中情感缺失的這一弊端。沉浸性作為虛擬現(xiàn)實技術的主要特征，能夠極大地促進遠程學習者真實體驗教學場景與情感交流。

四、基于智慧教室的教學模式設計

2015年地平線報告給出的諸如物聯(lián)網(wǎng)、云計算、增強現(xiàn)實、可穿戴技術、3D視頻、學習分析、語義應用等前沿技術為智慧教室的構建提供了技術保障和軟硬件支持，使信息化、智慧化的教學模式變革成為可能。基于智慧教室環(huán)境探討新型教學模式，主要從個人學習模式和協(xié)作學習模式兩個方面，設計出智慧型教學模式框架（見圖2），以期解決傳統(tǒng)教學模式的學習弊端，達到最優(yōu)的智慧教學效果。具體的教學流程如下：

（一）云端存儲、智慧推送

智慧教室通過情境感知、數(shù)據(jù)挖掘、學習分析等技術，能夠提前預知學習者潛在的學習需求，利用云計算記錄網(wǎng)絡平臺中產(chǎn)生的大量過程數(shù)據(jù)，并在云端存儲。通過數(shù)據(jù)挖掘技術對云端數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)分析，根據(jù)每個學習者的學習階段和學習進度，為其制定個性化的學習方案，按需推送最優(yōu)的學習資源和學習建議，從而節(jié)約學習者盲目查找資料的時間，達到最有效的學習[6]。

圖2 基于智慧教室的教學模式框架

（二）提出問題、創(chuàng)設情境

教師通過對云端資源的數(shù)據(jù)分析，提出問題，布置學習任務，利用虛擬仿真、增強現(xiàn)實、全息技術、可穿戴設備等技術手段對問題進行情境創(chuàng)設，使學習者能夠體驗最真實的學習場景與身臨其境的學習氛圍。另外，在進行遠程教學過程中，也避免了教師和學習環(huán)境分隔的尷尬處境。

（三）個人學習模式

在智慧教室環(huán)境下，利用學習分析技術、大數(shù)據(jù)對學習者個人能力、學習進度及學習階段等進行分析、評價，形成個性化的智慧個人學習空間，促進學習者進行個人學習[7]。

1.自助式個人學習模式

該模式是指學習者在學習過程中根據(jù)個性偏好，自助選擇學習資源、工具和服務，具有個性化、自主化、自助化等特征。學習者獲取學習資源如同在“資源超市”中獲取豐富的“物品”一樣，具有極強的自助性，可以按需采購學習“物品”，獲取個性化的資源；教師如同“導購”，為學習者提供學習引導和咨詢服務，幫助學習者快速、準確地獲取所需資源[8]。

2.探究式個人學習模式

該模式打破了傳統(tǒng)的靜態(tài)、文本形式的探究式學習，通過虛擬仿真技術創(chuàng)設學習場景，利用3D打印、全息投影將探究內(nèi)容形成可視化場景，呈現(xiàn)立體化、動態(tài)化和虛擬化的仿真場景。通過思維導圖等工具支持學習者進行個性化思維探究，教師與學生利用在線思維導圖進行即時溝通，并對學生在探究過程中所遇到的難題進行遠程指導。

3.創(chuàng)客式個人學習模式

創(chuàng)客是一類將創(chuàng)意作為自己核心能力的人。可視化設計及3D打印的成熟使“創(chuàng)客”學習成為可能。每個學習者都是創(chuàng)客，都能夠利用智慧環(huán)境進行個性化的創(chuàng)造性學習。該模式要求學習者大膽突破“舒適區(qū)”，敢于嘗試不同風格、不同領域的學習內(nèi)容，培養(yǎng)學生的發(fā)散思維、逆向思維、批判性思維和創(chuàng)造能力[9]。學習者在理論知識的探究學習基礎上，運用3D打印技術制作出各種創(chuàng)意產(chǎn)品，而虛擬仿真技術可提供學習者進行多次、反復虛擬場景的嘗試設計，并最終形成自己最滿意的創(chuàng)意產(chǎn)品。通過創(chuàng)客式個人學習，學習者不僅可以輕松地獲取理論知識，還能夠真實體驗并親自制作產(chǎn)品，極大地增強了學習者的實踐技能和創(chuàng)造力。

（四）協(xié)作學習模式

1.數(shù)據(jù)收集、智慧前測

利用云計算、大數(shù)據(jù)、學習分析等技術手段對學習者進行測評，收集學習者的學習內(nèi)容、學習風格、學習過程等個人信息[10]，進行學習趨勢分析及學習能力診斷，為智能分組提供依據(jù)。

2.感知需求、智慧分組

通過對學習者的前測，將學生信息存儲在云空間中。云空間存儲了學習者的學習信息，通過感知學習者的學習需求，根據(jù)學習者的個性特征、學習風格以及學習偏好等進行智慧分組[11]。這種智慧分組突破了傳統(tǒng)協(xié)作學習中的簡單分組或計算機的隨機分組。在傳統(tǒng)的分組中，盡管教師可以根據(jù)學生的學習能力和成績情況進行較為均衡的分組，然而在遠程學習過程中，即便是這樣的基于成績的傳統(tǒng)分組也很難做到，教師無法準確獲知遠程學習者的學習能力和成績情況。但是在智慧教室的學習環(huán)境中，教師能夠通過智慧教室的智能技術對遠程學習者進行需求感知，并快速進行智慧分組。更加合理、科學、有效的分組是進行高效協(xié)作學習的關鍵。

3.開展合作、小組互評

組內(nèi)各成員首先闡述自己的見解，對學習內(nèi)容進行目標定位。云學習平臺將所有成員的觀點進行數(shù)據(jù)整合，進而深入智能分析并自動形成與大多數(shù)成員觀點接近的學習目標，最終成員進行協(xié)商確定明確的學習目標。接著，對每位學習者進行需求感知和數(shù)據(jù)挖掘，結(jié)合組內(nèi)討論形成統(tǒng)一的學習任務和學習計劃。云平臺將記錄下所有學習的過程并進行實時監(jiān)控和動態(tài)調(diào)整。與傳統(tǒng)分工不同的是，智慧分工更多在于盡顯每位成員的最大化能力，依據(jù)每位成員的學習能力、學習風格、個性特征和學習需求進行分工。成員可以通過即時思維導圖等工具與教師和其他學習者進行在線交流和學習，以解決出現(xiàn)的問題，教師通過交互電視將遠程學習者的問題進行呈現(xiàn)，并與學生一起同步探討，學生通過平板等移動設備與教師進行即時交互，以獲取最有效的學習建議。最后各組共享學習成果，集體互評，每位學習者都能參與其中，進行自我評價、同伴互評和集體評價，教師進行總結(jié)與反饋，最后云平臺也將根據(jù)學習者的學習情況給出量化結(jié)果。

（五）反饋評價

1.診斷性評價

教師通過云計算、數(shù)據(jù)挖掘和情境感知獲取學習者的學習信息。在課程開始或在教學過程中需要的時候?qū)W習者進行時時診斷，確定學習者的學習準備程度，并設計出可以滿足不同層次、不同水平和不同學習風格的學生所需的教學方案，為學生設置最有益的教學程序。

2.形成性評價

教師與學生通過云平臺和即時思維導圖工具進行時時互動，對學生的學習過程進行指導和評價，以發(fā)現(xiàn)每個學習者的潛質(zhì)，強化改進學習者的學習。在整個教學過程中，不管學習者采用個人學習模式還是協(xié)作學習模式，教師總是穿插其間，發(fā)現(xiàn)學習者的學習需要，指導學習者更加有效地學習。

3.總結(jié)性評價

課程結(jié)束時教師需要對學習者做出總結(jié)和評價，在傳統(tǒng)的教學模式下，教師的總結(jié)性評價往往僅以學生的學習成績來呈現(xiàn)，評價簡單且不能全面真實反映學習者的學習情況。在基于智慧教室的教學過程中，通過大數(shù)據(jù)和學習分析技術，對學習者的學習狀況能夠進行可視化的、量化的分析，教師的評價更具真實性和全面性。

（六）課后拓展

每節(jié)課結(jié)束前，智能環(huán)境的感知系統(tǒng)能夠根據(jù)本節(jié)課學習者的學習情況，智慧推送符合學習者個性特征的學習資源，幫助學習者進行課后學習，拓展探究。

此外，基于智慧教室的教學模式設計需要注意兩個問題：

一是教師的能力塑造問題。在基于智慧教室的遠程教學過程中，教師可能教授本班學生并同步遠程教學，因此相當于是教師同步教學兩個班級甚至更多。學生數(shù)量多，而且既有本地又有遠程，這就要求教師具有很強的教學能力和過硬的專業(yè)知識，能夠熟練利用好前沿技術手段。因此在進行同步遠程教學時務必篩選一流的教師，否則學習效果將大打折扣。

二是智慧教室的構建問題。當前國內(nèi)外對智慧教室的說法不一，對智慧教室的構建也相對較少。國內(nèi)研究比較完善的有清華大學的智能教室，其目標就是增強更具真實感的遠程教學環(huán)境。另外，我國黃榮懷教授提出了智慧教室“SMART”概念模型，鐘曉流等學者提出智慧教室的“iSMART”系統(tǒng)模型。而國外主要有加拿大McGill大學的智慧教室項目與DELL智慧教室等。盡管智慧教室具有可獲取、可感知、可評價、可管理和強交互等特征，對于促進學生創(chuàng)新能力的提高以及變革信息時代學與教方式具有重要意義[12]，但智慧教室建設對技術的要求十分嚴格，對軟硬件設施都有極高的要求，造價也比較高，因此大規(guī)模的建設比較困難。

五、基于智慧教室教學模式構建的意義

（一）有利于實現(xiàn)對傳統(tǒng)教學模式的變革

基于智慧教室的教學模式是在教育信息化發(fā)展到高水平、高層次階段的應用實踐，其人性化的環(huán)境感知與智能技術的成熟運用在很大程度上能夠解決傳統(tǒng)教學中出現(xiàn)的眾多問題和傳統(tǒng)學習中無法做到的事情。在“互聯(lián)網(wǎng)+”時代，智慧教育已經(jīng)成為當前教育發(fā)展的新方向，建設智慧教室，發(fā)展智慧教學是大勢所趨，必將變革傳統(tǒng)的教育模式。基于智慧教室的遠程學習從在線學習的角度解決了傳統(tǒng)遠程學習中“教”與“學”在時間和地理上的錯位問題，彌補了學習者情感缺乏的心理障礙，呈現(xiàn)出未來遠程學習的新方向。

(二)有利于實現(xiàn)即時、深度交互

基于智慧教室的教學模式深化了智慧教育的內(nèi)涵，不僅實現(xiàn)技術的創(chuàng)新，還是理念和模式的創(chuàng)新。它能夠?qū)崿F(xiàn)師生間的深度交互和即時交互，突破了傳統(tǒng)教學中交互難的問題，對學生主體地位的充分發(fā)揮提供了有力的保障。

（三）可創(chuàng)設多情景的智慧教學，催生教學新模式

教師通過智慧教室中前沿技術的分析與應用獲得數(shù)據(jù)反饋與分析，從而制定與學習者學習習慣、學習內(nèi)容、學習目標相符合的學習服務優(yōu)化方案，能大大節(jié)約學習者的時間，減少教師和學生的工作量，提高學習效果[13]。在教學活動中，體感交互、可穿戴設備的應用、虛擬場景演練等多種情景教學為新型教學模式注入了新的活力，未來的教學模式必將呈現(xiàn)融合性、創(chuàng)造性與智慧性的發(fā)展趨勢。

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