高校智慧教室的建設理念、模式與應用展望*——以華中師范大學為例

賀占魁 黃 濤

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高校智慧教室的建設理念、模式與應用展望*——以華中師范大學為例

賀占魁1黃 濤2[通訊作者]

（1．華中師范大學 實驗室與設備管理處，湖北武漢 430079； 2．華中師范大學 信息管理學院，湖北武漢 430079）

在落實“互聯網+教育”戰略、深化教育教學改革的背景下，建設智慧教室是高校創新教學環境、提升人才培養質量的必然選擇。為此，文章介紹了國內外高校智慧教室的建設實踐，總結了存在的問題。在此基礎上，文章以華中師范大學為例，遵循智慧教室建設的八個設計理念，提出了“物理空間、資源空間、交互空間相互融合，多維度數據一體化采集與應用”三位一體的智慧教室建設模式，并從技術深度應用、學習空間再造、教學改革創新等角度對智慧教室的未來應用進行了展望，以期為高校智慧教室建設和智慧教育發展提供借鑒。

智慧教室；建設模式；物理空間；資源空間；交互空間；多維度數據

近年來，智慧教室的相關研究逐漸興起。在學術文獻中，對這種新型的教學環境多以“Smart Classroom”、“Intelligent Classroom”、“Classroom of Future”以及“智慧教室”、“未來教室”進行表述[1]。黃榮懷等[2]認為，在傳感技術、網絡技術、富媒體技術及人工智能技術充分發展的信息時代，教室環境應是一種“能優化教學內容呈現、便利學習資源獲取、促進課堂交互開展，具有情境感知和環境管理功能的新型教室”，這種教室被稱為“智慧教室”。

課堂教學是學生接受系統教育最重要的一環。借助先進的信息技術，構建利于交流、協作和共享，且利于學生主動學習和個性化學習的智慧教室，是高校落實“互聯網+教育”戰略，深化教育教學改革，提升人才培養質量的必然選擇[3]。《教育信息化十年發展規劃（2011-2020年）》更是強調“推進信息技術與教學融合，建設智能化教學環境”[4]，明確將智能化教學環境建設和研究作為高等教育教學改革系統工程的重要組成部分。可見，智慧教室已經成為信息技術與教育教學深度融合的前沿陣地。

一 高校智慧教室的建設實踐與問題

1 國內外高校智慧教室的建設實踐

在智慧教室的建設實踐方面，國外高校較早開始了探索和創新。如美國麻省理工學院的“技術支持的主動學習”（Technology Enabled Active Learning，TEAL）計劃將教室和實驗室相結合，強調動手實踐、彼此合作、高度互動，將網絡教學系統、3D視覺仿真圖形、實驗動態仿真、個人實時回饋系統等融入教學環境當中；北卡羅萊納州立大學的SCALE-UP項目通過創設一個能夠鼓勵學生與伙伴、教師進行協作的學習環境，引導學生開展探究學習和體驗學習，幫助學生進行反思與分享；而愛荷華大學的“轉換、交互、學習、參與”（Transform, Interact, Learn, Engage，TILE）項目建成了“主動學習教室”，旨在實現教師和學生之間的角色轉換，加強師生在教學活動中的交互，提高學生的參與度，并鼓勵、支持學生的合作學習和主動學習。此外，新加坡南洋理工大學的教學大樓“The Hive”將創新學習與可持續性建筑設計相結合，創建出一種融教學設施、學習空間、社交場所于一體的環境；新加坡國立教育學院利用遠程切入、實時互動和4D技術，將實驗活動、體感與學習內容融為一體；澳大利亞迪肯大學等高校的“改造大學學習空間”（Retrofitting University Learning Spaces，RULS）項目對正式和非正式學習空間加以改造，用以支持主動學習、協作學習和同伴教學。

國內高校在開展智慧教室研究的同時，也注重其應用。如北京中醫藥大學利用新建教學樓開展了大規模智能化建設，注重教室環境中信息的實時交互和課堂教學資源的自動生成；北京工業大學利用不同類型設備、桌椅和配套設施的組合，探索了多樣化的課堂組織形式；江南大學制定了集大數據分析、云存儲與管理、智能化設備設施于一體的智慧教室建設規劃，建成了傳統講授型和互動探究型兩類智慧教室；第二軍醫大學的沉浸式教室利用移動推車實現遠程互動，預設了11種屏顯模式，方便一鍵切換；北京師范大學成立了未來學習體驗中心，設計了包含互動討論、互動教學案例、分組互動學習、教師教育實訓、國際遠程協作、移動學習、未來學習探索實習以及錄播控制室等8種不同功能定位的智慧教室[5][6][7]。

2 存在的問題

智慧教室最顯著的特點就是充分利用先進的信息技術，強調高度的交互性和人性化的設計，以此帶動教學模式的變革與創新。目前智慧教室的建設雖然取得了一定成效，但也存在著一些不容忽視的問題：

①便捷性不足。相較于傳統教室，智慧教室蘊含的功能更為豐富，但用戶能否運用自如還是個問題。在實際應用當中，不同專業、年齡的師生的信息技術能力參差不齊，如果不能將智慧教室的諸多新功能進行充分的整合和優化，設計出便捷、友好的使用流程和操作界面，用戶就難以理解和掌握，智慧教室的特色和優勢也就無從發揮。

②融合度不高。智慧教室的整體解決方案涉及眾多廠家的不同軟件系統和硬件設備，如云教學平臺、教務管理系統、自動錄播系統、課堂交互系統、用戶智能終端和自帶設備等。不同平臺、系統和終端各司其職，互相未能充分融合和有效對接的情況普遍存在，因而在備課、上課、教務管理、教學評價等環節，用戶需經常在不同系統中反復切換，且數據獲取不暢。

③穩定性不強。智慧教室許多新功能的背后，是市場檢驗尚不充分的新技術和新產品。大量新型設備、設施的調試是否充分，軟件系統的整合和優化是否科學，信息安全管理與防范是否嚴密，技術保障和運維是否到位等問題，直接關系到智慧教室能否穩定運行——任一環節出現問題，都會破壞教學進程，影響教學效果。

④智慧性不夠。內在的“智慧”如何充分體現，是智慧教室在發展進程中貫穿始終的問題。而就目前的情況來看，依托智慧教室及其所產生的教育大數據的相關教學研究不夠深入，教學理念、模式與方法的更新還跟不上信息技術快速發展的步伐，相應的教學工具、數據分析和處理軟件以及相關的技術標準也還較為缺乏，致使個性化學習、差異化教學難以高效實施。

借鑒國內外高校智慧教室的建設實踐經驗，針對智慧教室中存在的問題，本研究以華中師范大學為例，探析了高校智慧教室的建設理念和建設模式，并對其未來應用進行了展望。

二 高校智慧教室的建設理念

1 建設基礎

華中師范大學（下文簡稱“學校”）將教育信息化列為學校發展戰略，貫徹以教育信息化帶動教育現代化的總體思路，依托教育大數據應用技術國家工程實驗室和國家數字化學習工程技術研究中心，進行了“互聯網+”背景下信息化和教育教學的雙向深度融合，全面推行“以學生為中心，以學為主、問題導向、任務驅動”的研究型教學和學習方式。學校自行開發建設了云課堂平臺，每位教師都在該平臺上擁有個人網絡教學空間。截止2017年9月，該平臺已經完成了800余門必修課的數字化建設，引進了220余門境內外高校優質專業課和通識教育網絡課。該平臺推行講授與研討結合、線上與線下一體的混合式教學模式，2016-2017學年的混合課堂占比已超過20%。在此背景下，學校急需建設“以學生學習為中心”的智慧教室，以適應開展信息化環境下新型翻轉式教學和研究型教學活動的需要，進一步帶動教育理念、教育教學模式、課程形態、學生評價、教師發展等內在因素的變革，重構教學生態。

2 設計理念

在智慧教室的建設過程中，學校將國內外先進、成熟的教育信息化研究成果和信息技術手段與本校教學的實際需求相結合，從八個方面提出了智慧教室建設的設計理念——

①教學創新：以建構主義、情境認知理論等為指導，在教學過程方面，能夠全面覆蓋課前、課中、課后各環節；在教學模式方面，支持教學活動各相關主體之間的良好互動，并支持教學流程的重組與模式創新。

②資源豐富：提供多元化的數字資源，支持對不同學科資源的便捷利用，實現個性化推送和資源共享；提供豐富、智能的學科專用工具，增進學生對學科內容的深度認知加工。

③教研一體：為教學過程分析、教育監測評估和教育智能決策等提供數據支撐；提供平臺和接口，便于教師開展相關的研究工作。

④虛實融合：在空間、資源、數據、教學活動等方面，物理課堂（智慧教室）與虛擬課堂（云課堂平臺）融為一體，實現無縫對接。

⑤技術先進：根據人才培養需求，綜合運用物聯網、云計算、大數據、移動互聯網、虛擬現實等先進技術手段，促進學生學習，提升教學效果。

⑥管理智能：實現教室布局管理、教學教務管理、數據與資源管理、設備管理、教學環境與安全管理、網絡管理的智能化。

⑦類型多樣：充分考慮不同學科、課程、課型的教學需求，設計類型多樣的智慧教室。

⑧環境友好：在空間布局、裝備放置、選材材質、色彩搭配等方面，力求美觀舒適；在人機交互方面，力求簡單、自然、友好，為學生提供高效的信息獲取渠道，構建一個和諧、平等，能促進師生、生生交流的教學環境。

三 高校智慧教室“三位一體”的建設模式

遵循智慧教室建設的八個設計理念，華中師范大學利用24間傳統教室，分兩期開展了實驗性建設，構建了“物理空間、資源空間、交互空間相互融合，多維度數據一體化采集與應用”三位一體的建設模式，力求打造一個信息技術與教育教學深度融合的示范中心。

1 物理空間建設

①多樣化的空間環境：智慧教室基于學校現有的傳統教室進行改造，其空間結構、南北朝向、面積各有不同。為滿足各種正式、非正式教學要求和不同學科專業的學習需要，在整體設計充分體現科技化、信息化、人性化的原則下，智慧教室通過多樣化的空間布局和靈活多變的桌椅組合，打造了通用型、學科專用型、研究型等多種類型，營造出簡潔時尚、功能豐富、輕松友好的學習環境，其建設實景如圖1所示。

圖1 華中師范大學智慧教室的建設實景

②智能化的教學設施：根據教學和教研需求，智慧教室配備先進的教學設備設施，如具備強大電子白板功能的大尺寸多點觸控液晶屏，不僅提供常見的繪圖工具，而且針對任何文檔教師都可進行批注講解，實現了隨處可寫、隨處可畫；高性能的音視頻矩陣能構建出清晰、流暢、舒適的視音頻環境；一體化自動錄播設備能智能識別教師行為和學生行為，根據預設的跟蹤分析邏輯觸發跟蹤信號，自動進行場景切換，生成教學視頻資源；人臉識別系統用于課堂點名、學生個體學習狀態及行為分析；視覺分析系統則對課堂學習人數、課堂抬頭率、教師移動和板書行為等進行識別，生成課堂行為數據分析報告并予以可視化呈現。

③基于物聯網的環境管理：對教室環境進行實時監測，根據狀態數據智能控制相應的設備，以改善教室環境，營造舒適的學習氛圍。如通過自動控制空調、加濕器、除濕機、空氣凈化器、照明設備、窗簾等調節教室的溫濕度和光照度，改善空氣質量（如降低PM2.5、二氧化碳的含量）等。同時，配備控制面板及APP，根據不同教學場景的需求預設環境與教學設備的運行狀態，進行組合聯動控制，一鍵開啟特定教學模式（如講授模式、觀影模式、小組討論模式、自定義模式等）所需的設備，構建適宜的學習環境；遠程集中監控所有教室，并提供教室環境和設備使用報告。

2 資源空間建設

①云端結合的教學平臺：將智慧教室作為云課堂平臺的物理端，與云課堂平臺實現對接。教師在云課堂平臺上不斷建設、積累、更新課程相關的學習資源，并在課程空間中分享給學生，教師和學生在教室物理端也可方便地獲取豐富的學科工具和教學資源，實現物理課堂與虛擬課堂的有機結合。智慧教室教學系統直接通過云課堂平臺自動獲取用戶的基礎信息、課程信息，并將行為記錄等信息與之關聯。用戶可通過移動端APP應用，進行消息推送、視頻點播、在線測試等。

②備課授課一體化：備課授課一體化系統能整合多種教學資源，提供常見課件設計模板，快速生成課件，以思維導圖方式組織課堂教學活動。教師于課前通過備課系統完成的課件會自動導入云課堂平臺，學生可隨時隨地獲取相應的資源進行預習、上課、完成作業和測驗等。

③基于課堂場景自動生成教學資源：課堂場景自動生成系統能夠真實記錄課堂場景，完整還原教師講解、課件播放、學生聽課、答疑、討論等各個環節的教學情況。生成的高清音視頻課件經教師審核后，可上傳到云課堂平臺，供學生在線查看、復習，實現教學資源的不斷豐富和充分共享。該系統還提供實時對外直播功能，經授權的其他學習者可遠程同步聽課。

3 交互空間建設

①課堂教學智能交互：通過大尺寸多點觸控液晶屏、專屬平板和自帶設備等，可靈活組織課堂形式，進行師生、生生之間的全方位互動，如學生終端控制、文件發送、隨堂測試、手寫板書、主客觀題互動、圖像互動、即時討論、小組互動等。除直接操作觸控液晶屏外，教師還可利用課堂助手，進行屏幕同步控制、課堂交互控制、課件展示控制和資源實時推送等。

②1+N形式互動：1+N形式是指“1間主課堂，N間輔課堂”。主課堂和輔課堂之間的教學內容、音視頻流暢互動，可實現多課堂同上一節課或異地同上一節課，并可邀請課堂外專家通過互聯網接入課堂。1+N形式互動提供了基于互聯網思維的移動授課和師生互動的課堂形態，支持多形態的課堂教學，為以學生為中心的“翻轉課堂”、“研討課堂”提供了適宜的移動教學環境。

③云平臺虛擬社區交互：在線上虛擬學習社區空間——云平臺虛擬社區中，學生以課程班級為單位，查詢課程信息和資源，通過發帖或即時聊天的方式與課程成員交流、互動，在線提交課內外作業并得到教師的及時批改與反饋。通過云平臺虛擬社區，學生可以在學習過程中隨時隨地提出問題，教師和其他學生都可以有針對性地進行解答，從而產生良好的學習氛圍，實現學習資源的合理配置和學生之間的思維碰撞[8]。

4 多維度數據一體化采集與應用

①系統整合與數據交換：為加強物理空間、資源空間、交互空間的一體化建設，構建面向個體和整體的教育教學全景視圖，學校組織技術力量自行開展系統集成，開發數據接口，將已建成的云課堂平臺、教務管理系統與新建智慧教室的錄播系統、備授課系統、交互系統、電子班牌等進行無縫對接，以實現各種教學信息、學習資源、使用數據等在系統間的流轉順暢，如教務管理系統發布的排課信息、通知公告等實時推送至各教室電子班牌，錄播系統生成的視頻資源自動上傳至云課堂平臺的教師教學空間。在智慧教室的一體化架構下，用戶的各種教學和學習需求得以“一站式”解決。

②數據采集、挖掘與學習分析：應用眼動儀、人臉識別、動作捕捉、視覺分析、物聯網監測等新技術和新設備，對教師和學生在線上、線下多環境，課前、課中、課后全階段的教與學行為數據，智慧教室環境監測數據，教學儀器設備運行使用數據進行伴隨式、全景化自動采集，生成智慧教室教學運行的大數據，并進行用戶畫像和用戶行為分析，為教學管理、教學指導、教育監測評估和智能決策等提供支持。如實時獲取學生的學習狀態信息，形成應對策略，適當調整教學內容和教學節奏；基于整體和個體的學習過程統計分析，梳理學生的知識結構，尋找學習盲點，設計個性化學習方案；對教學全流程數據進行深入挖掘，形成用戶的個人數據中心，進行教學的智能診斷和資源的定向推送等。

四 高校智慧教室的應用展望

智慧教室的建設理念和建設模式并非一成不變，而是一個動態發展、不斷完善的過程。信息技術的不斷進步、智慧學習空間的連通和拓展、智慧學習環境下教學改革的不斷深入，都將為智慧教室的應用與發展注入勃勃生機。

1 從技術應用到技術引領

智慧是智慧教室的生命力之所在，而推動智慧升華的是技術的發展、創新與融合。《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010-2020年）》指出：“信息技術對教育發展具有革命性影響，必須予以高度重視。”[9]當前的智慧教室建設以需求為導向，是通過引入先進、適用的信息技術，來解決傳統教室無法解決的問題。而當技術發展到一定階段，就能引領教育教學改革創新。如人工智能在計算機視覺、智能語音技術、自然語言處理等方面的不斷發展，將有助于進一步深入理解學生的學習特征和思維模式，判斷學生的實時狀態、感受和情緒變化，從而為教師有針對性地改變學習路徑、調整學習進度、加強學習關懷提供參考。教育大數據的深度應用就是通過對學生學習背景和過程相關的各種數據測量、收集和分析，精細刻畫學生特點、洞察學生學習風格和學習需求、引導學生學習過程、診斷學生學習結果，從而提供個性化的學習支持[10]。

2 從智慧教室到智慧學習空間

智慧教室作為信息化背景下“施教之室”的新的發展形式，強調的是教與學環境的“智慧”屬性，而智慧學習空間有著更為豐富的內涵——學習空間的概念意味著學習并不局限于教室等傳統的教學空間，而是可以發生在任意物理場所和各種網絡空間，因此從“智慧教室”到“智慧學習空間”代表著課堂邊界的逐漸模糊、學習資源的有效拓展、物理學習空間和虛擬學習空間的全面銜接[11]。在云端一體化的智慧學習空間架構下，智慧教室、智慧實驗室、智慧圖書館等實體學習空間和MOOC平臺、虛擬仿真實驗平臺、教學管理平臺、網絡學習社區等虛擬學習空間將融合打通，從而為教師教學和學生學習提供系統化的支持與服務。

3 從環境創新到教育教學全面改革

智慧教室是信息技術的載體，是教學環境的創新，但絕不是經費投入的競賽和信息技術應用的比拼。能否卓有成效地使用、是否提升了學習效果和教學質量，才是衡量智慧教室建設成效的關鍵。隨著應用的不斷深入，智慧教室的價值將從影響教學模式、內容、方法的淺層變革，逐漸發展為影響理念、文化的深層變革，進而加速學校變革、推動教育系統重構。在可預見的將來，圍繞智慧教室的建設和應用，強調主體性、個性化的深度學習，注重以人為本、開放多元、全面發展的教育理念將進一步得到彰顯；隨著數字化教學資源所占比例日趨擴大，逐步從教學內容的輔助部分變為主體，以信息化為支撐的探究式、討論式、參與式教學和混合式學習等更適合智慧教室的新型教學方法也將進一步得到普及[12][13]。

[1]張亞珍,張寶輝,韓云霞.國內外智慧教室研究評論及展望[J].開放教育研究,2014,(1):81-91.

[2]黃榮懷,胡永斌,楊俊鋒,等.智慧教室的概念及特征[J].開放教育研究,2012,(2):22-27.

[3]何克抗.智慧教室+課堂教學結構變革——實現教育信息化宏偉目標的根本途徑[J].教育研究,2015,(11):76-81、90.

[4]教育部.教育部關于印發《教育信息化十年發展規劃(2011-2020年)》的通知[OL].

[5]宋暢,劉月,陳悅,等.未來學習空間應用效果評價——以北京師范大學未來學習體驗中心為例[J].開放教育研究,2015,(6):39-52.

[6]史寶虹.互聯網+時代高校智慧教室架構設計與實現[J].華中師范大學學報(自然科學版),2017,(S1):91-95.

[7]閻堅,桂勁松.基于物聯網技術的智慧教室設計與實現[J].中國電化教育,2016,(12):83-86.

[8]王鶄,楊倬.基于云課堂的混合式教學模式設計——以華師云課堂為例[J].中國電化教育,2017,(4):85-89、102.

[9]教育部.國家中長期教育改革和發展規劃綱要(2010-2020年)[OL].

[10]楊宗凱,楊浩,吳砥.論信息技術與當代教育的深度融合[J].教育研究,2014,(3):88-95.

[11]許亞鋒,尹晗,張際平.學習空間:概念內涵、研究現狀與實踐進展[J].現代遠程教育研究,2015,(3):82-94、112.

[12]胡永斌,黃榮懷.智慧學習環境的學習體驗:定義、要素與量表開發[J].電化教育研究,2016,(12):67-73.

[13]胡小勇,朱龍.智慧學習環境中的創造力培養實證研究[J].中國電化教育,2017,(6):11-16.

The Construction Idea, Model and Implementation Prospect of Smart Classroom in Universities——Taking Central China Normal University as an Example

HE Zhan-kui1HUANG Tao2[Corresponding Author]

Under the background of implementing “Internet + education” strategy and deepening the educational and teaching reform, the construction of smart classrooms is an inevitable choice for universities to innovate teaching environment and improve the quality of talent cultivation. Therefore, this paper introduced the construction practice of smart classroom at home and abroad, and further summarized the existing problems. Based on this, taking the Central China Normal University as an example and following the eight design ideas of smart classroom construction, this paper put forward a triune construction model of smart classroom with “the mutual integration of physical space, resource space and interactive space, the integrated acquisition and application of multidimensional data”. In addition, the future application of smart classrrom was prospected from the perspectives of the deep application of technology, the reconstruction of learning space, the reform and innovation of teaching, expecting to provide reference for the construction and development of smart classroom in universities.

smart classroom; construction model; physical space; resource space; interactive space; multidimensional data

G40-057

A

1009—8097（2018）11—0054—07

10.3969/j.issn.1009-8097.2018.11.008

本文為全國高校實驗室工作研究會學術研究計劃項目“互聯網+實驗室管理流程再造研究與實踐”（項目編號：SY2015Z038）的階段性研究成果。

賀占魁，處長，五級職員，碩士，研究方向為高等教育管理，郵箱為hzk@mail.ccnu.edu.cn。

2018年3月30日

編輯：小米