高校智慧外語實驗室建設與應用

王瑞姝，王勃然，毛建瑞

（東北大學外國語學院，沈陽 110819）

0 引言

隨著物聯網、云計算、大數據、人工智能等信息技術的發展，實驗室建設和發展迎來新變化、新機遇。2018年，教育部發布“新高教40 條”，明確提出“打造適應學生自主學習、自主管理、自主服務需求的智慧課堂、智慧實驗室、智慧校園。大力推動互聯網、大數據、人工智能、虛擬現實等現代技術在教學和管理中的應用［1］”。推進新興信息技術與實驗教學過程與實驗室管理的深度融合，建設智慧化、物聯化、可交叉的智慧實驗室，充分聚合科技、教育、人才、資源等要素，實現智慧教學、智慧管理的賦能［2］，是高校全面提升人才培養質量的必然選擇。

智慧外語實驗室是高校外語實驗教學的重要載體。建設智慧外語實驗室能有效破除傳統語音室功能障礙，推動外語實驗教學理念和教學模式的創新變革，實現實驗教學、實驗室管理智能智慧化，為提升外語專業人才培養能力提供有力支撐。

1 高校智慧外語實驗室建設現狀

1.1 智慧外語實驗室內涵分析

隨著信息技術與實驗室建設的融合應用，催生了智慧實驗室新形態，推動了實驗教學改革，但智慧外語實驗室的建設研究仍處于探索起步階段，與之相關聯的研究文獻相對較少。通過梳理相關文獻發現，對智慧外語實驗室的研究多集中于“探索建設”這一環節，即從技術或環境層面構建智慧外語實驗室架構，其中，較為典型的是，認為智慧外語實驗室是智慧教室與數字語言實驗室的融合，建設智慧外語實驗室要從“智慧教室”的概念出發，結合數字語言實驗室的特點進行構建，如周永勝等［3］借鑒智慧教室“SMART”模型，從內容呈現、環境管理等維度，論述智慧語言實驗室建設思路及典型系統架構；常偉［4］結合“資源獲取”這一智慧教室特征，從“搭建智慧語言實驗室數據獲取模式”的基本原理出發，討論了智慧語言實驗室的建設實施方案。部分學者也從其他角度進行了研究，如黎秋艷等［5］提出教、學、管、考一體化建設理念，依托校園云網絡環境，構建綜合軟件平臺，實現智慧外語教學、智慧自主學習等一體化建設目標。

綜合研究文獻認為，智慧外語實驗室是利用物聯網和云計算、人工智能、虛擬現實等信息技術，構建的集智能、安全、高效、開放等優勢于一體的新型實驗環境［6］，是為外語實驗教學提供智慧環境支撐的現實空間和虛擬空間的總和。本文在構建一體化智慧外語環境基礎上，以學校建設實踐為例，進行延伸研究，設計循環優化的外語實驗教學模式，并分析實驗室運行效果，實現實驗室對實驗教學的良好支撐和應用。

1.2 外語實驗室建設存在的問題

因外語實驗室屬于偏文科類實驗室，其與新興信息技術的關聯和融合相對偏弱，實驗室建設仍存在一些亟待解決的問題。①缺乏頂層設計，沒有對智慧外語實驗室建設進行系統性思考和規劃，建設中存在“缺一補一”“突擊”式發展問題，導致出現利用效果不佳等情況；②功能相對欠缺，訓練模式仍停留在進行簡單的視聽說練習，教學理念、模式及方法不適應信息技術的快速發展，且無法監測學生學習效果；③實驗室仍以獨立的計算機運行為主，不同課程需安裝不同的實驗教學軟件，各系統融合度不高，相互之間獲取數據不暢，日常運行維護相對繁雜；④多數高校的外語專業智慧化教學配套設備設施仍相對滯后，未構建有效的信息反饋與交流平臺［6］，教師與學生的溝通互動受阻，一定程度上影響了實驗教學效果的持續提升。綜上，隨著信息技術的飛速發展，高校外語實驗室建設在信息化建設中取得了一定成效，但技術及功能層面仍存在一定滯后，與新時代教學要求不相適應，不能有效地支撐智慧化的教與學。因此，架構智慧外語實驗室，創建新型實驗教學環境，以此支撐智慧實驗教學已成為必然選擇。

2 智慧外語實驗室的架構設計

2.1 建設思路

（1）堅持整體性設計、一體化建設。現代系統理論認為，系統是由若干要素以一定結構形式聯結構成具有某種功能的有機整體，研究問題時，要從整體上認識系統，從分析系統的組成和協調要素關系上使系統達到最優狀態［7］。系統論啟示，將實驗室建設視為一個系統，做好頂層設計，在滿足“教-學-練-創-考-評”等多功能需求基礎上，進行系統規劃、一體化設計，注重環境系統，硬件、軟件系統等各要素間的協調與配合，實現智慧外語實驗室建設及實施最優化；各系統選用要在符合相關技術標準基礎上，有針對性地選擇兼容性、擴展性良好的系統，實現互聯互通，同時為未來功能擴展留有余地［8］。

（2）堅持舒適性原則，構建智慧空間環境。舒適化是人性化服務的具體體現。智慧外語實驗室建設要充分考慮舒適化要求，進一步優化基礎裝修環境，如在墻面設計、燈光、吸音等方面進行細致考量；增強布局的靈活性，結合教學實際，配置可移動桌椅，靈活組合多邊形、圓形、U形等多種形式布局［9］，為師生營造健康、美觀、舒適的教學及實驗環境，使他們能夠更好地參與智慧教與學。

（3）堅持“實用適用”原則，構建智慧系統平臺。智慧軟件系統建設是智慧外語實驗室建設的主要方面，是賦能智慧實驗教學的關鍵要素。應考慮外語實驗教學全過程對智慧軟件平臺需求的實用適用性，通過建設教學平臺、輔助教學平臺等，搭載各類教學軟件，拓展音視頻教學資源，為教師創造智慧教學軟環境，為學生創造體驗式、情境化的聽說訓練環境，保障學生能實時聽、看、讀外語教學資源，激發主動學習興趣，提升學習效率，更好地理解和應用語言。

2.2 智慧外語實驗室建設模型及架構

充分利用物聯網、大數據、人工智能、云網絡等技術，構建集資源、軟件、硬件于一體的“云端-軟件端-硬件端”層級架構體系［10］，實現外語實驗室信息化語言教學、協作式教學、自主學習等多種功能，滿足智慧化教學需求。智慧外語實驗室建設架構主要由智慧化硬件設備、智慧化軟件平臺、云平臺、一室多用的物理空間、信息共享的虛擬空間組成，如圖1 所示。

圖1 “三端兩間”智慧外語實驗室模型及架構

（1）智慧化硬件設備。智慧化硬件設備是智慧外語實驗室建設的基礎，通過一體化設計智慧型媒體呈現設備、學習情境捕捉設備和環境感知調節設備，形成以智慧錄播設備、智慧監測設備、智慧終端設備為主的硬件設備體系，為語言學習活動提供舒適和諧的環境。智慧化硬件設備布局如圖2 所示。

圖2 智慧化硬件設備布局圖

（2）智慧化軟件平臺。在智慧化硬件設備的基礎上，應用人工智能技術，一體化設計軟件系統，建設集輔助、專業化教學、自主學習為一體的軟件平臺，實現涵蓋課前、課中、課后實驗教學全過程的智慧化，為實現教學功能多樣化、資源獲取及共享智慧化、及時互動智慧化提供重要支撐。

（3）云平臺。在云網絡技術的支撐下，教師通過遠程同步課堂，將屏幕分享給其他學校或邀請其他學校加入課堂，實現優質教學資源共享，并通過課堂直播進行線上教學，豐富教學模式，學生通過課堂點播、家庭網絡課堂可隨時隨地進行自主學習，最大化利用教學資源，切實提升外語水平。

（4）一室多用的物理空間。進一步優化現有外語實驗室基礎裝修和空間布局，配置可靈活組合的八角桌，根據需要對桌椅進行拆分、拼接、移動，開展講授輔導、小組討論、互動教學等，增強空間的靈活性，增強與智慧化軟件、云平臺的協作配合，可實現語言實驗室、云網絡教室、協作式教學室、仿真實訓室等多種功能，滿足不同教學形式需求。

（5）信息共享的虛擬空間。智慧外語實驗室通過智慧化硬件設備、智慧化軟件、云平臺將實驗教學全過程數據進行采集、整合、存儲、分析［11］，通過標準的數據接口將信息共享給有需要的部門，實現信息數據統一管理、資源與服務按需分配。

3 智慧外語實驗室建設實施

3.1 智慧化硬件設備

智慧外語實驗室的硬件設備包括智慧主機、攝像頭、移動黑板等智慧錄播設備，溫濕度、光照、煙感等智慧監測設備，以及電腦、顯示屏、耳機等智慧終端設備，經一體化設計形成整體硬件設備系統，為智慧實驗環境建設提供硬件支撐。

（1）智慧錄播設備。為充分保留課堂實境，保障錄播畫面內容與教師講課內容相匹配，智慧錄播設備利用AI識別技術，通過攝像頭自動采集板書、電腦畫面、教師全景、教師特寫、學生全景及學生特寫等6 路視頻，并取3 個畫面合成專業化精品課堂畫面，形成錄播視頻，豐富網絡學習資源。

（2）智慧監測設備。舒適的學習環境可以讓學生身心愉悅，全身心投入學習，提升學習效率［5］。智慧實驗室在硬件布置時，將基礎環境監測作為一個重要考慮因素，安裝了燈光控制器、溫濕度監測儀、光照儀、新風面板等監測傳感設備［12］，實現自動獲取實驗室的實時狀態，通過中央控制系統對環境進行調控，使環境舒適利于學習。

（3）智慧終端設備。通過建設電腦、耳機等固定終端設備，手機、平板電腦等移動終端設備，保障用戶可隨時隨地登錄智慧實驗室系統，進行教學活動和移動端聽課、自主學習、教室預約等學習活動。在此基礎上，增加課堂交互設計，配置6 塊小組討論的電腦大屏，通過靈活組合桌椅，實現多屏多終端全向互動，豐富教學模式。

3.2 智慧化軟件平臺

（1）輔助教學平臺。輔助教學平臺是利用人工智能識別技術和多媒體手段，搭建的主要針對課前、課中兩個階段的輔助教學平臺，可實現對學生預習情況數據精準掌握，便于開展精準教學，還可實現對教學形式的擴展，激發學生興趣，提高教學質量。①課前預習軟件。課前預習既可以幫助學生找出薄弱點，又可以為教師講課重點提供重要支撐。學生通過提前熟悉課件，對課件涉及的知識點進行重難點標注、跟讀、復聽、口語發音、聽寫等訓練，找出重點、難點的知識點，上課有針對性聽講；教師根據軟件自動統計的課件標注情況和訓練結果，課上針對學生預習情況重點教學，有效提高課堂質量。②多媒體輔助教學軟件。在硬件設備建設時，安裝了多樣化的多媒體設備，在此基礎上搭建多媒體輔助教學軟件，可以最大化利用多媒體設備，豐富課堂形式，增加師生互動，提升教學效果。多媒體輔助教學軟件功能見表1。

表1 多媒體輔助教學軟件功能

（2）教學軟件平臺。教學軟件平臺是智慧實驗室架構的核心軟件平臺，涵蓋了各種教學資源、各個教學要素和教學環節［13］，為多元化教學模式提供智慧化教學手段、協作互動工具和專業化教學軟件，保障教學過程整體優化，高效達成課程目標。①智能化教學軟件。智能化教學軟件是幫助教師解決傳統教學中的難點問題，實現精準教學的重要軟件［14］，通過利用人工智能識別技術，可以使教師擺脫對電子教材的依賴，上傳任意形式課件［15］，自動識別知識點，還可以進行聽、說、讀、寫等多種形式的訓練測試，自動分析訓練測試結果，使教學過程更加智慧化，具體功能見表2。②協作式教學軟件。轉變傳統教學模式，采用“大班上課，小班教學”的模式，通過協作式教學軟件，可將學生分為若干小組進行命題寫作、仿寫、翻譯，寫作過程中學生可以語音、文字交流，寫作結果可以小組互評、系統智能評測，使學生充分參與到教學過程中，由被動輸入轉為主動輸出，提升學習積極性和學習質量。③口譯教學軟件。為提高學生的口譯水平，培養符合社會需求的專業人才，軟件系統專門配置了口譯教學軟件，具有豐富的資源庫、高度仿真的現實環境以及多種訓練模式。緊跟時事熱點，利用多媒體網絡手段，建立系統的實時更新的口譯教學資料庫，豐富教學內容［15］；利用異步傳輸技術，保障音視頻高清晰、高保真，通過模擬干擾音、變速設置，高度模擬現實環境；通過影子訓練、短期記憶訓練等多種訓練模式，提升學生同聲傳譯、交替傳譯等核心專業技能。

表2 智能化教學軟件功能

（3）自主學習平臺。自主學習平臺擁有豐富的網絡資源庫和過關訓練軟件，可以讓不同外語水平的學生利用課余時間進行自主學習，提升外語能力，也可以讓教師隨時掌握學生學習情況，對學生進行精準輔導。①自主學習軟件。學生利用自主時間進行學習是提升自身外語水平的一種重要手段，可以充分發揮自身主觀能動性。自主學習軟件搭建含課件、音頻、視頻等資料的資源庫，配置聽力、閱讀、寫作等過關訓練，學生根據自身學習需要自由選取相關資料、進行相應等級的訓練，切實提升薄弱環節，提高學生外語水平。②自習輔導軟件。教師通過自習輔導軟件可以精準的掌握每個學生自主學習的具體情況和班級的總體情況，如表3 所示。

表3 自習輔導軟件功能

4 智慧外語實驗室應用與效果分析

4.1 智慧外語實驗室建設與應用情況

近年來，我校外語實驗室按照系統規劃、一體設計、分步推進的總體思路，以建設滿足外語實驗教學需求的“智能化、開放性、可擴展”的智慧實驗室為目標，在原語音室基礎上，采用軟、硬件相融合的模塊化設計理念，目前已基本構建了以智慧空間及智慧硬件設備為基礎，以教學軟件平臺為核心，涵蓋智慧輔學、自主學習等平臺的一體化實驗教學環境，承擔了通用、專用外語實驗教學，實踐訓練等多方面工作，發揮了至關重要的作用。

4.2 循環優化的智慧實驗教學模式設計

依托智慧外語實驗室，以理工科實驗的教學形式，以各個實驗項目為基本單元，打破以教師為中心的教學方式，通過語言實驗的形式為學生創造情境化的外語實驗教學環境，構建了“課前學情分析—實驗設計—課中情境構建—實驗實施—課后綜合評價—教學反饋—導學內容再設計”的循環優化的智慧實驗教學模式（見圖3），實現了學生由“填鴨式”向主動學習的轉變。

圖3 循環優化的智慧實驗教學流程

（1）課前準備階段。教師根據學生實際準備預習素材。以英語聽說實驗項目為例，課前教師對上課學生的整體英語水平進行分析，并根據考察結果、教學目標及聽說任務，選取、準備試聽練習素材，提前上傳至教學軟件平臺；學生進行課前預習，發現問題，為課堂上完成聽說任務做好準備。課前準備階段，教師應進行實驗教學設計，以餐廳點餐情景模擬實驗項目為例，讓學生熟練使用餐廳選擇、服務員、就餐者的常用對話句式等，同時明確評價標準，做好語言實驗具體實施的各環節準備工作。對于已多次開展的實驗項目，還應根據上次實驗結果的教學反饋和教學要求進一步優化實驗內容。

（2）課堂教學階段。教師將視聽說等方面教學內容進行剖析，在實驗平臺導入實驗項目，講解實驗任務要求，進行典型案例演示，為學生創造真實語言情境。學生從語言實驗平臺獲取聽說訓練任務，根據實驗要求開展聽說綜合技能訓練，完成語言實驗過程，并將實驗腳本、實驗要求的音視頻錄像文件提交至教學平臺。教師可結合課堂示例，依托智能終端設備及輔助教學平臺引導學生在語言訓練中保持與同學、老師之間的合作、互動與交流，使學生在互動交流中深入思考、把握聽說要點、習得經驗。

（3）評價與反饋階段。學生完成聽說訓練任務后，在教學平臺提交實驗內容，并對實驗內容進行客觀自評，之后其他同學、教師對該實驗內容進行評價。教學平臺分析、權衡后給出綜合評價結果；之后教師通過系統查詢所有學生的綜合評價結果，以及課后學生自學情況，依此衡量實驗教學設計是否合理，實驗項目訓練是否有效等教學情況，并將這些反饋信息迭代到下次的教學設計中，調整設計思路及項目內容，實現實驗教學全過程的循環優化，促進實驗教學效果的“螺旋式”提升［16］。

4.3 智慧外語實驗室應用效果分析

為檢驗智慧外語實驗室運行效果，選取大二、大三英語專業的10 個實驗項目，采取專家評審、問卷調查、訪談等形式對實驗室進行應用實踐分析。

（1）專家評價。邀請7 名專家（其中，外語專業教師3 人、本科教學督導員2 人，實驗人員1 人、信網辦信息技術專家1 人）對智慧外語實驗環境、智慧教學平臺及各類實驗教學軟件進行評價。外語專業教師、本科教學督導員及實驗人員采取跟蹤聽課形式，重點考察教師教學、師生互動、系統運行、學生使用等情況；信息技術專家通過聽取建設情況匯報、試用信息系統等，重點對智慧教學系統及各類軟件進行評價，填寫“智慧外語實驗室專家評價表”。評價表采用李克特5級量表法，非常同意、同意、不確定、不同意、非常不同意分別計5、4、3、2、1 分。專家評價結果見表4。專家對智慧外語實驗室整體評價為：①對整體實驗環境給予充分肯定，認為一體化建設的實驗教學環境，具備安全及可延展性，能夠滿足教學實驗、學生訓練等多種教學活動需要；②對于軟件系統的可操作性，專家認為智慧教學平臺、教學軟件等均選取具備頂尖技術的同一廠家系列產品，系統間運行流暢，功能兼容性好；③對實驗過程及效果評價，通過教學實驗平臺，教師能精確掌握和診斷學生的學習動態，反思、及時調整教學行為，師生、生生間互動性更強，實驗教學效果顯著提升。

表4 專家對智慧外語實驗室評價結果

（2）學生評價。向外國語學院大二、大三兩個年級共174 名學生發放了“智慧外語實驗室應用評價及滿意度調查問卷”，并與部分學生面對面訪談，內容涉及空間滿意度、軟件系統使用、學習效果［17］等方面，回收問卷160 份。調查結果顯示，超96%學生認為智慧外語實驗室環境協調，空間體驗感良好，對智慧實驗空間滿意度較高；軟件系統使用方面，超95%學生對軟件系統的使用整體評價較高，認為智慧實驗平臺及各類專業軟件很實用，且銜接流暢，操作簡單；學生學習效果方面，超93%學生認為實驗教學情境創設更加逼真，課堂互動性更強，自主學習及聽說訓練針對性更強，學習積極性更高，能夠取得更好的學習效果。學生訪談結論也顯示，相較于傳統語音室，智慧外語實驗室更能滿足全過程、多樣化、自主化的教學需求，學生能更好地參與課堂教學任務，關注自身不足，更易于外語知識的獲取及技能提升。學生調查問卷統計結果見表5。

表5 智慧外語實驗室應用評價及滿意度調查問卷

5 結語

智慧外語實驗室作為一種新形態，既是技術的升級換代，更重要的是為智慧教學、智慧實驗提供了智慧空間及載體，優化了實驗教學的流程、體系和方式，加強了外語技能訓練、促進了自主學習。我校將物聯網、云計算、大數據和人工智能等信息技術與實驗教學有機融合，探索并架構了智慧外語實驗室，構建了智慧化外語實驗教學及智能化管理環境，并依托設計智慧實驗教學模式，使課堂實驗更具針對性，教學效果明顯提升。智慧外語實驗室建設是一項長期的系統工程，未來，我校將隨著外語學科發展、人才培養需求的變化以及技術的發展，進一步拓展、完善語言實驗室建設，深入探索如何更有效支撐實驗教學質量提升，以智慧環境及管理賦能智慧實驗教學，切實促進外語專業復合型創新人才的培養。