高校智慧教學環境建設研究與實踐

文｜陸冷飛 唐偉方

教學環境是教學活動開展的場所，新時期構建基于人工智能、大數據、物聯網等最新技術的智慧教學環境已成為時代發展和教育教學改革的內在需求。文章構建了高校智慧教學環境建設模型，包括智慧教室、智慧實驗室以及與其配套的統一的智慧教學云平臺的功能設計，以中國藥科大學智慧教學云平臺支撐下的多類型智慧教學環境建設為例，給出了該模型的具體實踐方案。

一、引言

高校進行人才培養模式改革，以推進課堂教學革命為著力點，而構建新型教學環境是實現教與學方式變革的基礎，智慧教學環境是信息技術發展的必然結果，對教與學有著革命性影響。《教育信息化2.0 行動計劃》提出構建一體化的“互聯網+教育”大平臺,大力推進智能教育，開展以學習者為中心的智能化教學支持環境建設，利用智能技術加快推動人才培養模式、教學方法改革，探索泛在、靈活、智能的教育教學新環境建設與應用模式?！督逃筷P于加快建設高水平本科教育全面提高人才培養能力的意見》強調要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，推動形成“互聯網+高等教育”新形態。未來是新興技術與教育教學深度融合創新的變革時代，各國高等教育正面臨巨大的挑戰與變革壓力，疫情更是加速了這些趨勢的到來。因此，構建新型智慧教學環境是時代發展和教育改革的內在需求，是高等教育領域實現新技術與教育高度融合，促進智慧教育實現的有力支撐。

二、建設總體架構設計

智慧教學環境應該以先進的教學理念為指導，緊跟時代要求，以學生為中心，圍繞支持學生的學為主體來進行設計。從空間環境設計、技術環境設計等方面構建和諧統一的整體設計方案，以支持學校教學模式改革，實現學習空間的智能化、可重構性和無限延伸性。智慧教學環境建設總體框架設計如圖所示。

圖 智慧教學環境建設架構

基礎層。基礎層分兩部分。第一部分為教室、實驗室等教學環境中的硬件設施，包括物理環境的裝修、活動桌椅、傳感器設施、攝像頭等；第二部分為網絡及服務器部分，包括教學專網、服務器集群等?；A層是智慧教學環境建設的基礎工程，能確保教學環境舒適、空間靈活組合、教學活動順暢開展、全過程數據自動記錄可靠與安全。

服務層。服務層主要是基于基礎設施利用云計算、大數據，視頻結構化技術、學習分析技術、行為分析技術等數據挖掘技術為應用層的智慧教室、智慧實驗室、智慧評價、智慧管理等提供支撐和綜合技術服務。

應用層。依托基礎層、服務層建設智慧教學環境相關的各類應用系統，包括智慧教室、智慧實驗室、綜合智慧教學云平臺等。應用層是智慧教學環境建設的核心，該層具體負責智慧教學相關的全部功能的實現，實現統一的教學資源、活動、評價、管理等數據的采集、分析與呈現，以及各項管理流程的信息化。

終端層。終端層是指用戶（教師、學生、督導、領導等）層面使用的多類型終端，包括電腦、手機、平板等，是用戶與智慧教學環境進行交互的關鍵一環，其友好性決定了智慧教學環境的人性化與用戶黏性。

三、建設實踐

中國藥科大學智慧教學環境建設最早起步于2012年的教室可視化錄播系統建設，實現了所有教室的全自動視頻直錄播，屬于國內建設起步較早的高校之一。隨著信息技術的發展及智慧教室建設的興起，根據智慧教室建設的新理念、國內外高校建設的成功經驗，結合教學及管理實際需求，學校于2017年開始第一期的智慧教室改造，共建成23間智慧教室，2019年第二期建成31間智慧教室，同年智慧實驗室一期建成25間，2022年第三期建成37間智慧教室，并以智慧教室、智慧實驗室為載體，開發建設了一體化的智慧教學云平臺。

（一）智慧教室

智慧教室是以現代教育思想為指導，以新一代信息技術為支撐，對教室空間進行整體設計，集多屏顯示、智能管控、直錄播、協作互動等功能為一體，對教學過程的各種信息與情境進行感知、記錄、分析，支持多種教與學的新型課堂教學環境，它是物理環境與網絡虛擬環境高度融合應用于課堂教學的場所，是現代化軟硬件技術的合理應用及其與教學深度融合應用的綜合體；通過桌椅重組、線上線下結合等形式實現學習空間的靈活重構與無限延伸；通過先進智能設備與數據挖掘算法實現教與學活動的全自動感知、記錄、分析和決策；實現了人、技術、資源和環境的高度耦合，是智慧教學開展的主要場地和載體。中國藥科大學打造了多種類型智慧教室。

1．高端多屏研討型

通過高端的裝修環境和信息化設備營造能滿足多個小組同時研討、展示的探究式教學環境。它配備8塊互動展示屏幕（含教師屏2塊，學生屏6塊）、可靈活變形的梯形活動桌椅、智能燈光窗簾控制、吸音墻面、互動課堂軟件、智慧電子板書系統、無線投屏系統等。集中授課時能清晰看到教學內容，分組研討時各組學生能夠單獨演示并同步多個屏幕，可實現無感知考勤、分組合作學習、雙屏對比教學、電子無線板書、課堂互動、學生評教等。

2．演講報告廳型

為中小型學術報告、活動演講等教學活動提供一個高端舒適的場所。它配備一塊大型的LED高清大屏幕、演講式講臺、主席臺、電子白板、智能燈光控制、吸音墻面、高級音響系統、高級折疊桌椅、無線投屏系統等?？蓪崿F大屏幕高清展示、多終端無線投屏、智能書寫顯示、互動教學等，適合學術報告、演講、觀摩等多種應用模式。

3．學術交流型

該類型教室改變了常規的講臺在教室前方的布局，將講臺從教師前方轉移到長邊一側，以講臺為圓心，采用環形座位的布局設計，配備高端實木固定弧形桌及活動椅子，吸音墻面裝修、三塊大屏幕智能一體機、演講講臺等。該教室的設計目標是為了拉近教師與學生之間的直線距離，通過座位布局使每排學生到教師的距離相等，有利于師生開展自由的學術交流和互動。

4．微課制作室

為全校教師提供一個全自動錄制微課視頻的場所，配備廣播級攝像機、自動摳像設備、虛擬場景系統及智能燈光環境、提詞器、互動大屏，多屏監控顯示，教師面對攝像頭能夠觀察自己講課的儀態儀表，講課效果等。集老師自主練習講課、微課制作于一體，具有智能感知、3D虛擬場景、虛擬摳像等功能，能輕松制作高質量的三維虛擬微課視頻，同時還可在線網絡直播。

5．靈活多變PBL型

打破傳統的固定桌椅布局，更換成可移動、拼接的活動桌椅，適應不同規模下的智慧教學。配備智能一體機大屏幕、互動教學平臺、教室前后均配備玻璃白板供板書，教室墻面、桌椅色彩風格搭配多種多樣，以滿足不同學科各種類型的PBL、研討式、探究式等教學模式需要。

（二）智慧實驗室

智慧實驗室是以物聯網技術為核心，實現實驗室的智能化、安全化、可視化管理，資源的互聯，人員的互動協作，以及開放實驗室的設備、教學、科研資源的高度信息共享。根據學校實驗教學實際，結合視頻、大數據技術，實現實驗教學的演示、記錄，傳輸，互動和過程性評價，為教師、學生、管理人員提供統一的信息化硬件環境及軟件平臺。

1．高清示教

受實驗室空間限制，教學時容納觀摩人數有限，教師往往需要分組給學生多次重復演示。通過在講臺、實驗臺安裝高清攝像頭及顯示屏幕，實現教師的演示操作高清直播與錄制，學生可在實驗桌前實時觀摩，課后觀看錄制視頻回顧學習。學生操作也可直播和錄制，教師可將任何實驗組的操作投到大屏進行講解和點評，課后學生上傳實驗報告，教師進行批改時查看學生操作視頻，做到實驗報告與現場操作同時展現，使實驗過程性評價更加直觀和合理。所有教師的教學演示視頻以及學生的實驗現場視頻均存儲在云錄播資源平臺，作為教與學評價的依據。同時還配備有智慧板書、交互大屏、互動教學、過程性評教等設備和平臺，實現智慧實驗教學。

2．實驗室管理

對接教務實驗課表，將實驗項目、學生分組進行編排，實現實驗教學管理過程全信息化。藥學實驗室的特殊性，對實驗室安全及儀器設備管理的要求更高，通過建設專用網絡，配備門禁系統、RFID、實驗設備控制系統、防護對講等實現實驗室門禁、各類設備、大型儀器的一體化智能管理，以及實驗設備設施使用的時間與過程數據的采集等，同時配備監控探頭、溫度、濕度、消防、空氣質量智能傳感器，實時監控實驗室的設備、環境狀況，出現異?？杉磿r報警。

（三）智慧教學云平臺

智慧教學環境建設的核心任務之一是基于智慧教室、智慧實驗室等硬件環境建立適應學校教學實際的統一的智慧教學云平臺，該平臺是將最新信息技術、硬件設施與課堂教學深度融合的關鍵，是開展智慧教學的線上主要陣地。智慧教學云平臺的目標是為高校教師、學生、質量監督者、教學管理者四種角色提供人性化的教學與管理服務；為課程教學中的課前、課中、課后、結課分析四個階段提供全過程的流程支持、數據記錄與統計分析；為教學實現教學資源共享、教師與學生的科學評價、師生良性互動、學生精準學業幫扶四種功能。包含以下幾個子平臺。

1．課程中心

課程中心是學校線上課程資源建設的集中展示門戶。該平臺提供課程資源建設后臺及學校課程建設展示門戶，為學校MOOC、SPOC、精品共享課、金課等提供對外展示平臺。平臺提供以學科門類、開設專業、課程群、開課單位等分類、搜索方式，每門課程的門戶與云課堂平臺打通，可匯聚展示該門課程在每學期的教學班級實際教學過程與成果情況。

2．云課堂平臺

云課堂平臺是師生開展日常課堂教學活動的互動工具，與課程中心的區別在于，它是利用課程中心的資源進行具體教學實施與應用層面的平臺，而課程平臺是課程資源建設及展示的平臺。該平臺以學期為單位，按課表中的教學班進行組織教學活動。該平臺的功能貫穿課堂教學課前、課中、課后、結課分析的全過程，課前任課教師布置預習任務、資料發布、疑難解答、學情分析；課中師生之間進行實時互動、合作學習、研究性學習等；課后進行課后作業、個性化輔導、測試、學習調查等；結課分析是系統根據該課程教學過程中師生的活動記錄，結合學生期末考試成績，對整門課程進行教學質量分析，形成該門課程學期教學質量報告。該平臺采集的教學過程性數據是教學大數據的主要來源，也是金課評價的重要數據支撐。

3．云錄播資源平臺

云錄播資源平臺是通過建設教學專網，為教室（含實驗室）安裝攝像頭、錄播中控、藍牙擴聲等相關設備，實現每個教室（實驗室）的直播和錄播功能，每個教室分別含三路視頻（教師、學生、電腦）。該平臺直接與教務課表實時對接，對教學活動進行全程直播與錄制，因疫情不能返校學生在線同步學習，管理部門（校領導、教務處、校督導、同行專家）可通過網絡觀看教學直播、評價等。同時通過AI技術，實現教室前排就座率、到課率等的分析和統計，并支持對優質課堂教學視頻進行處理，轉入課程中心，或轉入云課堂平臺作為學生重修的課程資源。

4．評價中心

評價中心分為兩大部分，一部分為教師教學評價，實現各主體（督導、領導、同行、學生、教師）的評教，支持指標分類設定，各主體可通過電腦端、手機端進行評價打分。重點支持課堂教學過程性評教，根據管理部門設置的指標及評教頻率，系統按課表上課周次自動向學生發起評教活動，老師也可對學生發送評教問卷；另一部分為學生學習評價，主要是匯集云課堂平臺中課堂教學活動采集的學習過程數據進行挖掘分析，得出分析報告及學生學習成果，同時學生的學習成果也作為教師教學質量和教學能力評價的重要客觀依據。

5．管理服務中心

管理服務中心提供常用查詢、教室及實驗室設施維護等服務。包括電子班牌提供上課信息；查詢終端提供教室占用情況；教學駕駛艙提供實時課程教學數據統計與圖表化展示；教師培訓提供項目、課程發布、預約、學分統計、培訓總結等；學業支持提供學業分級預警，記錄預警措施，分析預警學生的發展變化等，為學業輔導課程、個性化咨詢等提供發布、預約和管理的渠道；設備與運維保障模塊為智慧教室內的設備管理部門提供故障自動預警并記錄、報修及管理等功能。

四、展望

中國藥科大學開展的智慧教學環境建設實踐為各高校提供了參考，今后學校將在以往建設經驗以及教學應用反饋的基礎上繼續開展智慧教室、智慧實驗室、智慧教學云平臺的建設。智慧教學環境是高校一流課程建設過程中進行智慧教學改革的關鍵基礎設施，推動高等教育新理念落地，實現新技術、新平臺支撐下的新課堂教學，為學校探究式教學、案例教學、翻轉課堂、合作學習等教學模式改革提供了軟硬件環境的支撐，是一流課程實現的重要保障。然而智慧教學環境只是為信息技術與課堂教學深度融合、實現教學質量提高提供了技術支持，在智慧教學環境里上課，不一定就實現了智慧教學。各高校要重視智慧教學環境的建設，更應重視智慧教學環境的教學應用，未來，高校教師如何利用智慧教學環境來進行新的教學模式的改革；如何切實提高學生培養目標的達成度；如何利用智慧教學云平臺中沉淀的數據進行大數據挖掘，為教師教學、學生的個性化學習、學校的智慧教學管理、人才培養方案的改革提供有力的數據與決策支持等，將成為高校智慧教學環境應用研究的重要方向。