智慧教室建設與混合教學應用探索*——以浙江大學的“智云課堂”為例

柴惠芳 楊玉輝 董 榕 張紫徽 李 萌 沈麗燕

智慧教室建設與混合教學應用探索*——以浙江大學的“智云課堂”為例

柴惠芳 楊玉輝[通訊作者]董 榕 張紫徽 李 萌 沈麗燕

（浙江大學 信息技術中心，浙江杭州 310027）

當前教育形態正在悄然發生變化，線上、線下融合互補的混合教學成為高校教學的核心需求，迫切需要升級智慧教室支撐混合教學的開展。基于此，文章首先梳理了混合教學與智慧教室的關系。隨后，文章在分析“后疫情時代”混合教學新特征的基礎上，設計了由基礎設施層、數據支撐層、應用層、決策層組成的智慧教室框架，分別對應智慧教室的教室環境、數據中心、教學支撐體系和教育大腦四個部分。最后，文章以浙江大學的“智云課堂”為例進行了實踐應用，并從教學的空間、時間、方式、評價、分析等維度介紹了“智云課堂”的混合應用效果。將智慧教室建設與混合教學應用相結合，可有效提升混合教學效果、優化學生多樣化學習體驗、提高學校整體教學效率，且相關實踐可為高校智慧教室的建設與升級提供借鑒。

混合教學；智慧教室；線上線下教學；教育大腦；“智云課堂”

2020年突如其來的新冠肺炎疫情，給全球教育帶來了前所未有的挑戰。隨著在線教育的深入，逐漸暴露出教學效果滿意度低、持續使用意愿低[1]、師生信息素養低、教學方法有待改進等諸多問題[2]，尤其是教學空間發展不均衡嚴重影響了教學效果的整體提升[3]，使在線教學陷入“淺層學習”困局[4]。然而，線下教學的真實情景體驗、文化價值交流、易于管理和服務等優勢正是在線教學所欠缺的特征[5]。因此，線上、線下融合互補的混合教學成為了教育變革趨勢，這使得當前教育形態正在悄然發生變化。在此背景下，如何依托互聯網、大數據和人工智能的優勢升級智慧教室，以便捷、高效、精準地支撐混合教學的開展并助力教育改革，成為了當前教育技術研究迫切需要解決的重點問題。

一 混合教學與智慧教室

1 混合教學的發展

混合教學是指依托信息化手段，實現面對面教學和在線教學的有機融合，從而達到學習目標的最優化[6][7][8][9]。混合教學是隨著“互聯網+”教育應用的深入普及而逐漸形成的概念，在不同的階段具有不同的特征[10]。混合教學不僅包括教學空間的混合，還包括教學時間的混合、教學模式的混合和教學評價的混合[11]。國內早期混合教學研究側重于對教學模式、教學時間的混合探索，主要體現為依托網絡學習資源、網絡教學平臺開展自學和面授、同步與異步的混合研究。隨著在線開放課程的普及，以MOOC、SPOC為代表的在線學習與課堂教學走向融合，從教學的時間、空間、模式和評價等多個維度掀起了混合教學探索的熱潮，使混合教學呈現出信息化、數字化、智能化趨勢。由于傳統教室難以滿足混合教學的發展需要，智慧教室應運而生。

2 智慧教室支撐混合教學

在混合教學應用的推動下，國內高校進行了較多的智慧教室實踐研究。例如，上海交通大學從支持多種混合教學模式的角度出發，建設了包括智控物理環境、活動空間布局、云課程平臺、Clicker答題器、云錄播等功能的智慧教室[12]；四川大學從支持環境混合、教學方法混合、教學模式混合等角度出發，打造了靈活多變、多屏研討、多視窗互動、遠程互動、網絡互動、專用研討等多類型智慧教室[13]；西安交通大學從教學模式混合的角度出發，建設了包括智控物理環境、活動空間布局、云錄播、電子考勤、電子班牌、教務督導等功能的智慧教室[14]；北京語言大學從支持教學模式混合的角度出發，建設了包括智控物理環境、活動空間布局、多屏演示、互動教學、智能門禁、電子班牌、課堂錄播、云桌面等功能的智慧教室。

然而，現有的智慧教室實踐研究大多側重于教室空間的靈活布局、物理環境的智能控制、教學資源的云平臺建設和教學過程的云錄播體系建設[15]。而在新冠肺炎疫情期間，也暴露出了當前智慧教室缺乏支持線上線下、隨時隨地、同步異步學習的雙向互動能力，缺乏支撐增強教學過程沉浸性、交互性和趣味性的深度應用能力，缺乏支撐全面記錄教學過程、自學過程、討論過程等數據以進行教學綜合評價的能力，尤其是缺乏真正的“智能”，無法滿足當前混合教學開展的需求[16][17]。隨著新冠肺炎疫情的持續發生，混合教學被賦予了更高的要求，即構建全方位、全場景、全過程的無縫學習環境，創設多維、零時差的學習服務，促進精準、開放、共享的智慧化學習[18][19]，這就迫切需要升級智慧教室來支撐當前混合教學的開展。

二 智慧教室的設計

1 “后疫情時代”混合教學新特征分析

疫情時期大范圍的師生分離與教學分離，有效推進了學校智慧教育的建設步伐，新一代智慧教學體系已經形成，為“后疫情時代”多樣化的教學模式探索打下了堅實的基礎。

①教學空間的混合。當前新冠肺炎疫情防控和遠程教學的發展趨勢要求課堂教學的實施不再局限于在線教學平臺和傳統教室，而是將在線教學平臺與傳統教室相融合，借助直播、視頻會議等支持師生以授課教室為節點，與分布在其他教室、不同地區和國家的學生同時上課，并實現所有空間中師生課堂教學的雙向溝通、交流、討論與互動，確保線上、線下“實質等效”。這種線上線下教學空間的混合模式，助推混合教學在知識規模、傳播范圍和傳播速度等方面都超越了以往任何時候，使教學變得更加便捷。

②教學時間的混合。當前，隨著在線課程在課堂教學中的深入應用，教學時間不再被簡單地劃分為課前、課中、課后——學生可以提前自學教師設計的在線課程，完成學習任務；也可以在同步課堂中跟隨教師的授課節奏，完成自己的學習任務；還可以借助視頻錄播、電子筆記等信息技術手段，異步觀看教師的課堂教學視頻和其他同學的筆記，并結合在線課程完成學習任務。這種線上線下、隨時隨地的學習方式打破了傳統的固定時間授課模式，實現了教學時間的混合，從而為學生提供了更加個性化的學習時間。

③教學方式的混合。當前，隨著師生信息素養的大幅提升，傳統課堂的教學方式正在發生改變。隨著信息技術支持下的在線教學互動走入教室，虛擬化的VR、AR交互場景和數字化的簽到、搶答、提問、分享、討論、測驗、反饋等功能與傳統的講授型、討論型、研討型、協作型、探索型教學方式相融合，促使課堂朝著多模態的混合教學方向發展。這種線上、線下相結合的教學混合方式不僅豐富了課堂的趣味性、互動性，還記錄了課堂教學的全過程數據，為精準地進行智能化學習分析和科學地調整教學計劃、進而提升教學效果提供了依據。

④教學評價的混合。當前，隨著線上、線下教學的逐步融合，以期末考試為主要評價對象的總結性教學評價方式正在發生改變——在教學過程中，課堂表現、教學互動、作業測試、小組討論等過程性學習行為的評價日益受到重視；自我評價、小組評價、學生互評與教師評價相結合，形成了混合式評價；同時，以動態化的學習過程為代表的過程性評價與以期末考試為代表的總結性評價逐步走向融合。可以說，重構教學評價已經成為當前教育教學變革的重要任務之一，更加公平、合理的教學評價方式正在形成。

⑤教學分析的混合。當前，隨著人工智能技術不斷深入教學應用，混合教學由淺層學習逐步走向高階的深度學習。在用戶畫像、知識圖譜、智能決策、智能推薦等智能技術的支持下，基于大數據的智能化實時學情分析由理論走進現實，而教學、學情的分析也由傳統的依賴教師的人工分析轉變為智能學習分析輔助人工分析。這種人工和智能相混合的教學分析方式，有利于教師更加客觀、科學地調整教學計劃，并幫助教學管理者做出合理的教學決策，從而助力混合教學向精準化教學方向發展。

圖1 智慧教室框架

2 智慧教室的設計

在分析“后疫情時代”混合教學新特征的基礎上，結合智慧教室理論與實踐的相關研究成果，本研究設計了智慧教室框架，如圖1所示。該框架主要分為基礎設施層、數據支撐層、應用層和決策層，分別對應智慧教室的教室環境、數據中心、教學支撐體系和教育大腦四個部分。

（1）基礎設施層

基礎設施層對應智慧教室的教室環境部分，包括教室基礎設施、多媒體基礎設施和云服務基礎設施三個模塊，為數據中心、教學支撐體系和教育大腦的運行提供底層的硬件基礎環境：①教室基礎設施主要包括桌椅空間布局、燈光照明設施、通風空調設施、供電配電設施等，為開展教學提供最基本的空間環境；同時，也可根據實際需求增加其他智能化的物理環境控制設施等。②多媒體基礎設施包括電子白板/投影、無線投屏、VR/AR設備、直錄播/視頻會議、麥克風/音響等，為智慧教室中在線教學、課堂教學、遠程教學、VR教學等多種教學模式的呈現與互動提供基礎支撐。③云服務基礎設施包括服務器設備、存儲設備、網絡監考設備、網絡通訊設備、終端設備等，為智慧教室各類教學軟件的運行提供硬件支撐。

（2）數據支撐層

數據支撐層對應智慧教室的數據中心部分，包括兩個模塊：①元數據，是指應用層和決策層在支撐教育教學開展過程中產生的管理、用戶、資源、教學、學習、評價、決策等所有數據。數據支撐層與應用層之間建立數據流專用通道，通過應用層的數據中臺系統，為應用層和決策層的所有應用提供統一的元數據服務，從而實現教學數據應用與管理的系統化、規范化。②基礎支持系統，包括云服務、安全防護、中間件和數據庫等系統，為應用層和決策層的各類教育應用軟件提供穩定、可靠的運行環境。

（3）應用層

應用層對應智慧教室的教學支撐體系部分，包括數據中臺系統和教學支持系統兩個模塊。其中，數據中臺系統作為智慧教室的“橋梁中樞”，通過標準化接口與所有的應用軟件聯通，實現了教學數據的采集、存儲、查詢和流轉，為應用層和決策層提供數據支撐。依托數據中臺系統的“數據立交橋”作用，教學支持系統中的各類教學應用形成了一套完整的教學組織、實施和評價的混合教學體系。而在教學支持系統中，中控系統可以為各類教學的實施提供展示平臺；教務管理平臺可以向其他應用系統提供教學管理和組織數據；直錄播平臺、視頻會議系統和同聲傳譯系統的組合，不僅能夠滿足互動課堂的遠程教學需求，還能夠通過回放點播和同聲傳譯筆記，滿足不同時間段、不同國家學生的異步自主學習需求；在線教學平臺、課堂互動APP和VR/AR展示平臺的組合，能夠支撐講授型、討論型、研討型、協作型、探索型等多種教學方式在課堂教學中的融合應用，數字化的課堂互動不僅為課堂提供了身臨其境的VR/AR交互場景，增加了課堂的趣味性、互動性，還記錄了課堂教學的全過程數據，為綜合性的教學評價與學習分析提供了依據；而在線教學平臺、課堂互動APP、在線考試平臺和監控系統的組合，從教、學兩個維度為全過程的綜合性教學評價提供了支撐。可以說，教學支持系統不僅滿足了當前教學時間、空間和方式的混合需求，還滿足了教學評價的混合需求。

（4）決策層

決策層對應智慧教室的教育大腦部分，包括智能分析系統和精準混合教學兩個模塊。其中，智能分析系統提供師生畫像、知識圖譜、學習分析、智能推薦、智能決策等功能。教育大腦利用數據中臺，從應用層獲取混合教學管理、用戶、資源、教學和評價的全過程數據；同時，利用智能分析系統各功能的優化組合，幫助教師實時了解學情，精準掌握教學痛點、難點，從而及時調整教學計劃與策略；幫助學生及時了解自身知識和能力的不足，精準制定個性化學習路徑；幫助教學管理者及時了解學校教情、學情，精準制定學校培養計劃。教育大腦有效推進學校精準混合教學的實施，支撐混合教學模式下多種教學形態（如遠程教學、在線教學、課堂教學、仿真教學、個性化學習等）朝著精準化和智能化的方向發展。

三 智慧教室的實踐與應用

1 智慧教室的建設實踐

考慮“后疫情時代”混合教學新特征，遵循充分利舊、集約化的原則，浙江大學于2020年5～8月先后對400余間多媒體教室及其軟硬件設施進行升級改造，最終建成了“智云課堂”，實現了智慧教室框架的落地。

具體來說，“智云課堂”在以下方面進行了重點建設：①在基礎設施層，全部教室都配備超短焦投影、直錄播/視頻會議、麥克風/音響、監控等設備，其中30余間配備了活動的桌椅、無線投屏、多塊電子白板和VR/AR顯示等設備。②在數據支撐層，引進飛天（Apsara）專有云系統與阿里云建立互聯網專線，建成了“浙大—阿里混合云”，為智慧教室的軟件應用提供強有力的云服務支撐，并滿足數據支撐層大規模數據流通的需求。③在應用層，建立了數據中臺系統，通過標準化數據接口集成教務系統、“學在浙大”教學平臺、“浙大釘”APP、“課程云”直錄播平臺、智能筆記系統、釘釘、AR展示系統、監控系統、成績系統等教學應用，形成了支撐混合教學組織、實施和評價的完整體系。④在決策層，通過智能標簽技術建立課程知識圖譜系統，根據學習數據的學生畫像結果為學生推送學習內容；同時，面向學校管理層，建設教育數據大屏系統，實時、動態地呈現全校的教學與學情，并產生教學分析內容，為教學決策制定提供支撐。

2 智慧教室的應用成效

（1）教學空間混合應用

“智云課堂”的建設，解決了新冠肺炎疫情期間浙江大學校內課堂教學與校外遠程教學在空間上相混合的授課難題。在國際教育學院，只有少數學生返校，大部分學生分布在不同的國家和地區。教師通過“智云課堂”對返校學生進行在線授課、開展互動，同時通過視頻會議和直錄播設備將現場授課場景實時呈現給遠程學生并與其遠程互動，實現了“見屏如見面”的課堂效果，其校內外遠程課堂教學的相關場景如圖2所示。

在浙江大學校內，一些熱門課程如薛龍春的“中國書法史”、翁愷的“Python程序設計”等選課人數為200～1000人不等，傳統教室難以承受，而“智云課堂”可解決選課人滿為患的問題。借助視頻會議、直錄播系統、“學在浙大”教學平臺和“浙大釘”APP，通過視頻語音手段進行講解、展示、簽到、搶答、提問、隨堂測驗等課堂互動，“智云課堂”實現了1位教師主講、多個線上課堂同時參與的跨班課堂互動教學，其相關場景如圖3所示。

圖2 校內外遠程課堂教學場景

圖3 跨班課堂互動教學場景

（2）教學時間混合應用

“智云課堂”的“學在浙大”教學平臺建有各學科在線課程1.8萬余門次，已基本覆蓋全校所有課程，選課學生可以自由安排時間進行課程自學；分布在全球各地的學生也可以跟隨在校師生的課堂進度，借助釘釘視頻會議、直錄播系統和“浙大釘”APP進行實時的同步課堂教學。而“智云課堂”中的“課程云”平臺通過釘釘視頻會議和直錄播系統實時錄制課堂視頻，不僅為師生提供了高清的教學視頻，還為國際化的教學和學術交流提供了同聲傳譯、師生可編輯智能筆記和課堂教學熱詞等服務，學生可以隨時觀看“課程云”中的課堂教學視頻、學習筆記和教學熱詞，進行課堂教學的異步學習，如圖4所示。這種隨時隨地、同步異步的教學時間混合方式，既滿足了當前浙江大學的教學實施需求，又解決了跨時區的國際化異步授課難題。

圖4 同步（左）、異步（右）觀看“課程云”直錄播課程

（3）教學方式混合應用

在“智云課堂”中，浙江大學光電科學與工程學院的林遠芳老師借助“學在浙大”教學平臺進行班級分組，通過傳統的講授型教學混合小組學習開展了“物理光學實驗”課程；電氣工程學院的姚纓英老師借助“浙大釘”APP的簽到、提問、搶答和隨堂測驗等功能進行數字化課堂互動教學，并借助“學在浙大”教學平臺開展在線討論，通過互動型與研討型教學交叉混合的方式開展了“電路與模擬電子技術”課程；教育學院的李艷老師、人文學院的叢杭青老師等分別在“茶文化”“工程倫理導論”課程中進行了講授型教學，同時借助AR眼鏡輔助學生開展虛實融合的探究型學習，如圖5所示。這種教學方式的混合應用，不僅豐富了單一教學方式的實施路徑，而且增強了教學過程的互動性和趣味性，受到了學生的青睞。

圖5 “工程倫理導論”課程進行AR探究性學習的教室場景（左）與AR場景（右）

（4）教學評價混合應用

在“智云課堂”中，“學在浙大”教學平臺和“浙大釘”APP記錄了師生教學的過程性數據，學生的課堂簽到、提問、搶答、隨堂測驗、討論、作業等學習行為被教師賦予了不同的過程性評價分值。在浙江大學于2020～2021秋冬學期開設的2612門本科生課程中，53.33%的院系、51.38%的課程和54.11%的教師使用“浙大釘”APP開展課堂互動，并通過“學在浙大”教學平臺自動記錄學生的過程性學習數據與學習評價成績。在學期結束時，這些過程性的學習評價成績與期末在線考試成績按照一定的權重自動混合后換算為學生的最終綜合評價成績，學生普遍認為這種混合的教學評價方式比傳統的“一考定輸贏”方式更加科學、合理。

（5）教學分析混合應用

本研究以浙江大學教學名師蘇德礦教授通過“智云課堂”開設的“微積分”課程為例，來進行知識圖譜建設與個性化智能資源推送的探索。“智云課堂”將“微積分”課程涉及的所有教學知識點通過智能標簽與微視頻、課件等資源建立多級拓撲關系，形成了“微積分”課程知識圖譜，如圖6所示。同時，“智云課堂”利用學生畫像技術對過程性學習數據進行分析，通過機器學習方式迭代出學生學習的難點、弱點，從而利用智能標簽為學生推薦個性化學習資源。

圖6 “微積分”課程知識圖譜

此外，“智云課堂”還可以通過數據決策大屏實時調取全校師生的混合教學數據，自動進行校級課程、院系課程的多層級學習分析并予以可視化的動態呈現，既便于教師實時掌控學情，也有助于教務處制定科學的教學規劃，如圖7所示。

圖7 數據決策大屏

四 結語

智慧教室的理論與實踐探索是一個動態過程，它隨著新技術的創新應用、當前教學的實際需求和未來教育的發展趨勢而不斷迭代。為了滿足當前混合教學的迫切需求、探索未來智能教學的發展，浙江大學改造教室環境，打造數據中心、教學支撐體系和教育大腦，建成了體系化的智慧教室——“智云課堂”，其實踐應用表明：在教學空間方面，“智云課堂”能夠支持雙向互動的遠程教學，解決了大規模選課教室容量不足的問題，實現了“見屏如見面”的教學效果；在教學時間方面，“智云課堂”能夠支撐遠程同步課堂教學、在線課程與錄播課程的異步自學，而同步、異步的混合方式解決了跨時區的國際化授課難題，滿足了隨時隨地的學習需求；在教學方式方面，“智云課堂”利用數字化手段支持講授型、研討型、AR探究型等教學方式的混合應用，增強了教學過程的互動性和趣味性；在教學評價方面，“智云課堂”實現了過程性評價與總結性評價相結合的綜合教學評價，使教學評價更加科學、合理；在教學分析方面，“智云課堂”進行了知識圖譜和數據決策大屏的應用探索，有助于學生進行個性化學習、教師了解學情并及時調整教學策略、管理者制定科學的教學決策。為進一步提升混合教學效果，應對大數據情境下的精準教學、智慧教學和個性化學習等創新教學帶來的挑戰，教育大腦的深度實踐應用將成為“智云課堂”后續研究的重點。

參考文獻

[1]覃紅霞,李政,周建華.不同學科在線教學滿意度及持續使用意愿——基于技術接受模型（TAM）的實證分析[J].教育研究,2020,(11):91-103.

[2]楊天嘯,雷靜.在線教育的理論基礎與發展趨勢[J].教育研究,2020,(8):30-35.

[3]黃音,毛莉莎,張小帆,等.基于數字孿生講臺的在線沉浸式教學體系分析與流程設計[J].遠程教育雜志,2021,(1):51-62.

[4]本刊編輯部.2020中國教育研究前沿與熱點問題年度報告[J].教育研究,2021,(3):26-40.

[5][18]祝智庭,胡姣.技術賦能后疫情教育創變:線上線下融合教學新樣態[J].開放教育研究,2021,(1):13-23.

[6]何克抗.從Blending Learning看教育技術理論的新發展(上)[J].電化教育研究,2004,(3):1-6.

[7]王亞軍,胡東.基于學習者畫像的教師混合學習模式設計與實踐[J].四川師范大學學報(社會科版),2021,(4):132-138.

[8]馬婧,周倩.國際混合學習領域熱點主題與前沿趨勢研究——基于科學知識圖譜方法的實證分析[J].華東師范大學學報(教育科學版),2019,(4):116-128.

[9]孫曼麗.國外大學混合學習教學模式述評[J].福建師范大學學報(哲學社會科學版),2015,(3):153-160、172.

[10]唐松林,段皎暉,羅碧瓊.混合教學的生命意象及其營造[J].開放教育研究,2019,(5):49-56、98.

[11][17]張錦,杜尚榮.混合式教學的內涵、價值訴求及實施路徑[J].教學與管理,2020,(9):11-13.

[12]胡沛然,王宜之.智慧學習環境的設計、構建和管理研究——以上海交通大學“智慧教室”為例[J].實驗室研究與探索,2018,(7):286-290.

[13]崔亞強,甘啟宏,王春艷.高校智慧教學環境的建設和運行機制思考——以四川大學為例[J].現代教育技術,2020,(3):95-100.

[14]劉宸,李國棟,張哲,等.高校智慧教室的構建與研究——以西安交通大學為例[J].現代教育技術,2018,(10):70-75.

[15]姜叢雯,傅樹京.我國智慧課堂研究現狀述評[J].教學與管理,2020,(6):1-4.

[16]李康康,趙鑫碩,陳琳.我國智慧教室的現狀及發展[J].現代教育技術,2016,(7):25-30.

[19]穆肅,王雅楠,韓蓉.線上線下融合教學設計的特點、方法與原則[J].開放教育研究,2021,(5):63-72.

Exploration of Smart Classroom Construction and Blended Teaching Application——Taking the “Smart Cloud Classroom” of Zhejiang University as an Example

CHAI Hui-fang YANG Yu-hui[Corresponding Author] DONG Rong ZHANG Zi-hui LI Meng SHEN Li-yan

(Information Technology Center, Zhejiang University, Hangzhou, Zhejiang, China 310027)

Abstract: At present, the current form of education is changing quietly. The blended teaching that integrates and complements online and offline has become the core requirement of college teaching, and there is an urgent need to upgrade smart classrooms to support the development of blending teaching. Based on this, this paper firstly sorted out the relationship between blended teaching and smart classroom. Subsequently, based on the analysis of the new characteristics of blending teaching in the “post epidemic era”, this paper designed a smart classroom framework including infrastructure layer, data support layer, application layer and decision-making layer, corresponding to the four parts of the classroom environment, data center, teaching support system and education brain in the smart classroom. Finally, this paper took the “Smart Cloud Classroom” in Zhejiang University as an example to apply in practice. In addition, the blending teaching application result of the “Smart Cloud Classroom” was introduced from the dimensions of teaching space, time, method, and analysis. Combining the smart classroom construction with the blended teaching application could effectively improve the teaching effect of blended teaching, optimize students’ diversified learning experience, and improve the university’s overall teaching efficiency, and relevant practice could provide reference for the construction and upgrading of smart classrooms in colleges and universities.

Keywords: blended teaching; smart classroom; offline and online teaching; education brain; “Smart Cloud Classroom”

【中圖分類號】G40-057

【文獻標識碼】A

【論文編號】1009—8097（2022）05—0110—09

【DOI】10.3969/j.issn.1009-8097.2022.05.013

*基金項目：本文受2021年教育部產學合作協同育人項目“基于‘KCPS’理論，以‘智云課堂’為基礎的新一代智慧型教學支撐體系構建”（項目編號：202102368002）資助。

作者簡介：柴惠芳，實驗師，碩士，研究方向為教學空間設計，郵箱為chaihf@zju.edu.cn。

收稿日期：2021年9月9日

編輯：小米