智慧教室建設(shè)：理念、策略與瓶頸分析

陳君濤　馬艷花　展金梅　林嵐

摘要：智慧教育時(shí)代，如何通過(guò)教室科技及空間設(shè)計(jì)的輔助，使得以學(xué)生為主體的教學(xué)設(shè)計(jì)與學(xué)習(xí)活動(dòng)，能夠更加普遍的應(yīng)用于教室，從而深化學(xué)習(xí)，是國(guó)內(nèi)外高校這幾年一直在持續(xù)探討的議題。探討近年來(lái)各高等院校設(shè)計(jì)智慧教室相關(guān)的教學(xué)理念，支持主動(dòng)學(xué)習(xí)策略的教室功能設(shè)計(jì)、推動(dòng)現(xiàn)狀、實(shí)施策略與可能遇到的問(wèn)題，從而擬定智慧教室推行策略，配合更加彈性多元的課程教學(xué)模式，對(duì)師生日常的教學(xué)活動(dòng)等相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄、分析，為培養(yǎng)學(xué)生全面發(fā)展、提升教師的教學(xué)水平提供技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：智慧時(shí)代；智慧教室；主動(dòng)學(xué)習(xí)；策略分析

一、智慧教室相關(guān)設(shè)計(jì)理念

本研究收集智慧教室、主動(dòng)學(xué)習(xí)教室、SCALE-UP（Student Centered Active Learning Environment with Upside-Down Pedagogies）與TEAL（Technology Enabled Active Learning）等四類與智慧教室相關(guān)的教室類型定義與建設(shè)內(nèi)容，雖然名稱各有不同，但其目的則不外乎為了提倡以學(xué)生為主體的學(xué)習(xí)方式[1]，分述如下：

（一）智慧教室

《國(guó)家發(fā)展改革委辦公廳 工業(yè)和信息化部辦公廳關(guān)于組織實(shí)施2020年新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)工程（寬帶網(wǎng)絡(luò)和5G領(lǐng)域）的通知》明確要求建設(shè)5G＋智慧教育應(yīng)用示范。提出“基于5G、VR/AR、4K/8K超高清視頻等技術(shù)，打造百校千課萬(wàn)人優(yōu)秀案例，探索5G在遠(yuǎn)程教育、智慧課堂/教室、校園安全等場(chǎng)景下應(yīng)用，重點(diǎn)開展5G+高清遠(yuǎn)程互動(dòng)教學(xué)、AR/VR沉浸式教學(xué)、全息課堂、遠(yuǎn)程督導(dǎo)、高清視頻安防監(jiān)控等業(yè)務(wù)[2]。”

智慧教室是教學(xué)改革的實(shí)踐主戰(zhàn)場(chǎng)，是教育信息化，智慧化的核心場(chǎng)景[3]。在5G時(shí)代，探索和建設(shè)深度融合5G技術(shù)的智慧教室，對(duì)于推進(jìn)教育的智能化和創(chuàng)新融合具有重大的意義。智慧教室是一種科技強(qiáng)化的教室，強(qiáng)化教與學(xué)，整合學(xué)習(xí)科技包括計(jì)算機(jī)、特制軟件、學(xué)員的互動(dòng)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)、聲音以及視覺(jué)技術(shù)。為提供科技實(shí)現(xiàn)教學(xué)多元化，運(yùn)用多樣技術(shù)，通過(guò)智慧教室的情境管理，老師在教學(xué)上能擁有更多元的運(yùn)用，協(xié)助教師創(chuàng)造新的教學(xué)模式，使學(xué)生能更深入?yún)⑴c教學(xué)活動(dòng)。整合各項(xiàng)信息設(shè)備，通過(guò)完善的網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)，并運(yùn)用各種數(shù)字化教材、學(xué)習(xí)資源及教學(xué)方法，提供一個(gè)教學(xué)更有效率、學(xué)習(xí)更有成效、城鄉(xiāng)沒(méi)有落差、對(duì)地球更友善且能培養(yǎng)學(xué)生更高層次能力（例如：?jiǎn)栴}解決、創(chuàng)意思考、共創(chuàng)智慧等）的動(dòng)態(tài)學(xué)習(xí)環(huán)境[4-5]。

（二）主動(dòng)學(xué)習(xí)教室

建立一個(gè)大型的主動(dòng)學(xué)習(xí)空間，由不同領(lǐng)域?qū)＜宜龀龅呢暙I(xiàn)，如教室室內(nèi)設(shè)計(jì)師、建筑師、專家、以及教學(xué)教導(dǎo)，針對(duì)如何通過(guò)實(shí)體的學(xué)習(xí)空間設(shè)計(jì)與學(xué)習(xí)科技的輔助，改善傳統(tǒng)教室在教學(xué)上的困難而提出設(shè)計(jì)構(gòu)想。

主動(dòng)學(xué)習(xí)教室的設(shè)計(jì)，是以學(xué)習(xí)者為中心，富含學(xué)習(xí)科技理念的教室，這種教室包含了學(xué)生討論桌椅，設(shè)計(jì)用來(lái)實(shí)踐主動(dòng)學(xué)習(xí)策略。每張桌子都配置平面顯示器以及麥克風(fēng)，以呈現(xiàn)學(xué)生的階段性學(xué)習(xí)成果；同時(shí)也設(shè)置了供教師使用的設(shè)備操控中心，提供教學(xué)者呈現(xiàn)數(shù)字化教材或特定學(xué)習(xí)小組的學(xué)習(xí)成果供其他學(xué)生觀摩。

（三）以學(xué)生為主體結(jié)合翻轉(zhuǎn)課程的主動(dòng)學(xué)習(xí)環(huán)境

建立創(chuàng)新的教學(xué)環(huán)境，促使并提倡學(xué)生與老師之間的互動(dòng)。教室的設(shè)計(jì)著眼于大量學(xué)生（100人以上）的群組學(xué)習(xí)。教室的學(xué)習(xí)空間包含一臺(tái)可上網(wǎng)的計(jì)算機(jī)、學(xué)生端大圓桌、投影幕以及墻面上的大白板，此類教室能改善學(xué)生在學(xué)習(xí)課程過(guò)程中的問(wèn)題解決能力、課程核心概念的理解能力和改善學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度等。

（四）科技輔助主動(dòng)學(xué)習(xí)

在模擬、視覺(jué)化、桌面實(shí)驗(yàn)、網(wǎng)站作業(yè)指派以及個(gè)性化學(xué)習(xí)反饋系統(tǒng)中應(yīng)用多媒體軟件，可以提升學(xué)習(xí)成效。在桌椅的配置方面，亦采組合桌形式，講師桌置于教室中央，以拉近講師與每位學(xué)生之間的距離，強(qiáng)化互動(dòng)，創(chuàng)造教室內(nèi)更多的黃金學(xué)習(xí)區(qū)域。

綜上所述，ALC、SCALE-UP、TEAL等支持主動(dòng)學(xué)習(xí)策略的智慧教室，其與一般多媒體教室相較，強(qiáng)化功能與其支持的教學(xué)活動(dòng)如下：

1.課堂講授。投影熒幕搭配電子白板與玻璃白板功能，方便示范授課內(nèi)容之演練過(guò)程；例如公式推導(dǎo)、簡(jiǎn)報(bào)重點(diǎn)標(biāo)記等功能。

2.腦力激蕩。學(xué)習(xí)小組通過(guò)計(jì)算機(jī)或行動(dòng)工具，將討論過(guò)程以有線或無(wú)線訊號(hào)共享于液晶電視及玻璃白板，借此讓各學(xué)習(xí)小組比對(duì)液晶電視上顯示的授課內(nèi)容，并在玻璃白板上寫出推演及應(yīng)用等，支持學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)。

3.學(xué)習(xí)成果分享。每組輪流利用無(wú)線共享設(shè)備呈現(xiàn)腦力激蕩的成果后，再由老師點(diǎn)評(píng)與指導(dǎo)，讓學(xué)生可彼此比較各小組經(jīng)過(guò)歸納、分析、模擬指定學(xué)習(xí)單元內(nèi)容后之學(xué)習(xí)成果。

4.直播、錄像與同步視訊。讓請(qǐng)假或需課后學(xué)習(xí)的同學(xué)，也能實(shí)時(shí)或課后上網(wǎng)觀看教學(xué)過(guò)程的錄像；教師也可以在智慧教室上課的同時(shí)，選擇將課堂上的講授實(shí)況公布于網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)之上，這樣可不受限于實(shí)體教室座位數(shù)的限制。

二、智慧教室建設(shè)策略研究

（一）整體方案架構(gòu)

智慧教室的整體架構(gòu)采用云邊端架構(gòu)。基于云邊端協(xié)同架構(gòu)，通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)把教室里的一切與云端連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)線上線下融合智慧教學(xué)，支持隨時(shí)隨地的教和學(xué)，精細(xì)化的管理和評(píng)價(jià)，通過(guò)數(shù)據(jù)的創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)教學(xué)過(guò)程全面掌握并輔助智慧教學(xué)。

教師端通過(guò)各類智能終端完成教學(xué)內(nèi)容展示、互動(dòng)教學(xué)，以及教學(xué)過(guò)程數(shù)據(jù)采集（音視頻，課件，板書等）。除教學(xué)設(shè)備外，教室端還需要能良好的支持教師和學(xué)生的自帶終端包括PC端、PAD、手機(jī)，例如無(wú)線投屏，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接入等。

在云端提供面向教師、學(xué)生、管理者的各類教學(xué)應(yīng)用，應(yīng)用覆蓋課前、課中和課后全過(guò)程和教、學(xué)、管、評(píng)全維度。基于華為云（Welink）打造遠(yuǎn)程互動(dòng)教學(xué)平臺(tái)。同時(shí)構(gòu)建學(xué)校教育視頻管理和分析云平臺(tái)，支撐各類教學(xué)活動(dòng)，實(shí)現(xiàn)教學(xué)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，將教學(xué)內(nèi)容和過(guò)程全量數(shù)據(jù)提取轉(zhuǎn)變成數(shù)字化，通過(guò)大數(shù)據(jù)分析輔助教學(xué)提升。結(jié)合華為強(qiáng)大的AI能力，實(shí)現(xiàn)將非結(jié)構(gòu)化的課堂音視頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成結(jié)構(gòu)化的知識(shí)數(shù)據(jù)，最大化釋放數(shù)據(jù)價(jià)值[6-7]。

（二）黃金學(xué)習(xí)區(qū)域的重構(gòu)與拓展

Park（2014）的研究呈現(xiàn)傳統(tǒng)教室的黃金區(qū)域及陰影區(qū)域，圖1的“黃金區(qū)域”（1B、2B）及“準(zhǔn)黃金區(qū)域”（2A、3B、2C）相較于教室的其他區(qū)域，較容易獲得學(xué)生的青睞（74.8%，15.9%），其原因?yàn)椋海?）比較有機(jī)會(huì)獲得與授課教師之間的眼神交流及互動(dòng)；（2）對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間保持注意力的集中以及學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)而言，是比較優(yōu)越的位置；（3）在觀看教室前方投影及白板時(shí)，具有較佳的視野，而不會(huì)因遭到其他同學(xué)打擾而分心。

基于以上考量，為了避免產(chǎn)生過(guò)多容易形成學(xué)習(xí)障礙與干擾的教室座位陰影區(qū)域，智慧教室的設(shè)計(jì)，以增加“黃金區(qū)域”及“準(zhǔn)黃金區(qū)域”，同時(shí)減少“陰影區(qū)域”的學(xué)生座位數(shù)為首要考量，從而強(qiáng)化老師與學(xué)生之間眼神與言語(yǔ)的雙向交流，以及教材顯示區(qū)與學(xué)生之間的知識(shí)傳遞。

（三）智慧教室三種架構(gòu)部署

整體方案圍繞三個(gè)核心打造智慧教室技術(shù)體系：

（1）以WeLink+智慧屏為核心，構(gòu)建教學(xué)應(yīng)用入口，支持遠(yuǎn)程互動(dòng)教學(xué)和本地多屏互動(dòng)，分組互動(dòng)教學(xué)。

（2）以微云為核心，構(gòu)建錄播/巡課/督導(dǎo)，AI 視頻應(yīng)用（無(wú)感考勤、課情分析）。

（3）以中控為核心，構(gòu)建教室設(shè)備/環(huán)境的統(tǒng)一管控入口。

1.標(biāo)準(zhǔn)型智慧教室

中小型智慧教室，用于日常講授型；包含內(nèi)容展示系統(tǒng)，拾音擴(kuò)音系統(tǒng)，遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)，常態(tài)化錄播系統(tǒng)，設(shè)備/環(huán)境管理系統(tǒng)，空間物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。支持不同校區(qū)或者教室實(shí)時(shí)互動(dòng)，支持老師、學(xué)生在家或異地通過(guò)手機(jī)、PAD、PC遠(yuǎn)程接入，滿足疫情或其他情況下，師生無(wú)法到教室的情況下教學(xué)。

基礎(chǔ)教學(xué)功能包括：內(nèi)容展示、拾音擴(kuò)音、教學(xué)設(shè)備管控、遠(yuǎn)程互動(dòng)教學(xué)、常態(tài)化錄播、分組互動(dòng)教學(xué)、直播教學(xué)、視頻會(huì)議、門禁、班牌、教學(xué)環(huán)境管控等；基礎(chǔ)教學(xué)環(huán)境改造：教室空間設(shè)計(jì)和聲場(chǎng)處理（墻面、地面、天花、燈光改造）、教室家具（講授/互動(dòng)靈活轉(zhuǎn)換型教學(xué)座椅，講臺(tái)等）。

2.綜合型智慧教室

教室學(xué)生座位人數(shù)較多的智慧教室，用于日常教學(xué)+小型學(xué)術(shù)報(bào)告；包含內(nèi)容展示系統(tǒng)，拾音擴(kuò)音系統(tǒng)，遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)，常態(tài)化精品錄播系統(tǒng)，設(shè)備/環(huán)境管理系統(tǒng)，空間物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。

基礎(chǔ)教學(xué)功能包括：內(nèi)容展示、拾音擴(kuò)音、教學(xué)設(shè)備管控、遠(yuǎn)程互動(dòng)教學(xué)、常態(tài)化精品錄播、直播教學(xué)、視頻會(huì)議、門禁、班牌、教學(xué)環(huán)境管控等；基礎(chǔ)教學(xué)環(huán)境改造：教室空間設(shè)計(jì)和聲場(chǎng)處理（墻面、地面、天花、燈光改造）、教室家具（講授型座椅，講臺(tái)等）滿足遠(yuǎn)程互動(dòng)教學(xué)、討論教學(xué)、常規(guī)授課、學(xué)術(shù)報(bào)告、演講等教學(xué)活動(dòng)及模式的顯示、擴(kuò)聲功能。

3.研討型智慧教室

在多屏互動(dòng)型智慧教室中，學(xué)生通過(guò)隨意的移動(dòng)座椅，可以組成不同的互動(dòng)模式，比如大家圍成一圈或一字型，形成共同的分享模式，或者組成4人，6人，8人這種不定數(shù)量小組，快速進(jìn)入小組討論的學(xué)習(xí)場(chǎng)景，從而達(dá)到理想的互動(dòng)分享效果。

多屏互動(dòng)型智慧教室主要適用于討論教學(xué)、常規(guī)授課、學(xué)術(shù)報(bào)告、演講等教學(xué)活動(dòng)及標(biāo)準(zhǔn)化考場(chǎng)模式。對(duì)多屏互動(dòng)型智慧教室的主要功能需求為交互討論和多媒體教學(xué)。它是智慧教室的基本型，在此基礎(chǔ)上可拓展為其他應(yīng)用功能的智慧教室。包含內(nèi)容展示系統(tǒng)，拾音擴(kuò)音系統(tǒng)，遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)，常態(tài)化錄播系統(tǒng)，設(shè)備/環(huán)境管理系統(tǒng)，空間物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，投屏&多屏互動(dòng)系統(tǒng)。

（四）簡(jiǎn)化操作流程的教學(xué)設(shè)備控制系統(tǒng)

智慧教學(xué)環(huán)境管理控制中心是教學(xué)環(huán)境及裝備的管控中樞，是全校教學(xué)環(huán)境（教室、會(huì)議室、廳堂等綜合應(yīng)用環(huán)境）數(shù)據(jù)信息的匯聚和智能化管控的平臺(tái)。智慧教學(xué)環(huán)境管理控制中心的建設(shè)目標(biāo)是通過(guò)軟硬件相結(jié)合和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，將所有教室多媒體裝備系統(tǒng)的運(yùn)行、控制、管理信息數(shù)據(jù)整合集成到管理控制中心機(jī)房，形成一體化的智慧教學(xué)管理控制平臺(tái)。通過(guò)基于網(wǎng)絡(luò)的智能采集、智能分析、智能管控和智能視窗，使教學(xué)環(huán)境實(shí)現(xiàn)本地管理控制和遠(yuǎn)程管理控制相結(jié)合，并能實(shí)時(shí)建立和更新設(shè)備檔案、運(yùn)行檔案、環(huán)境日志等。

1.結(jié)合主動(dòng)學(xué)習(xí)策略的教學(xué)設(shè)備操作模式：在智慧教室中的顯示設(shè)備，除了用來(lái)顯示教師的授課教材之外，也可以呈現(xiàn)學(xué)習(xí)小組的討論過(guò)程及階段性的學(xué)習(xí)成果，因此，智慧教室內(nèi)的控制系統(tǒng)必須支持教學(xué)內(nèi)容及學(xué)習(xí)成果的彈性切換。

2.結(jié)合教室預(yù)約系統(tǒng)的生物特征辨識(shí)門禁系統(tǒng)：將臉型辨識(shí)系統(tǒng)與教室預(yù)約系統(tǒng)結(jié)合，可節(jié)省管理教室的人力成本。

3.其他教學(xué)設(shè)備操控自動(dòng)化的建設(shè)與設(shè)計(jì)考量：

（1）可追蹤教室內(nèi)說(shuō)話者的追焦攝影機(jī)：用以同時(shí)追蹤教師與學(xué)生，作為網(wǎng)絡(luò)直播、錄影或視訊會(huì)議的重要元件。

（2）可自動(dòng)偵測(cè)輸入訊號(hào)源的影音輸入端子：可依據(jù)教師自備計(jì)算機(jī)或行動(dòng)載具所內(nèi)建的HDMI、VGA等訊號(hào)源，一旦接線妥當(dāng)后，系統(tǒng)即可自動(dòng)偵測(cè)并于顯示設(shè)備上呈現(xiàn)輸入信號(hào)。

（3）可升降的教師講桌：每位教師的身高不盡相同，透過(guò)可升降的講桌，可配合教師的身高，發(fā)揮其應(yīng)有的效能，講桌上配置麥克風(fēng)、設(shè)備控制系統(tǒng)面板與顯示器等設(shè)備，以有線信號(hào)傳輸為主，避免信號(hào)干擾的問(wèn)題。

（4）可遠(yuǎn)端監(jiān)控與操作教室教學(xué)設(shè)備的控制系統(tǒng)：透過(guò)遠(yuǎn)端監(jiān)控與操作，可提升設(shè)備操作的維護(hù)效率及人力；同時(shí)，可適度運(yùn)用各設(shè)備商提供之控制系統(tǒng)程序接入界面API，掌握并開發(fā)更高度自動(dòng)化的設(shè)備自動(dòng)控制流程。

三、結(jié)語(yǔ)

智慧教育時(shí)代的開啟，智慧教育逐步嵌入到教室環(huán)境建設(shè)之中，作為其重要組成部分的智慧教室也成為各類學(xué)校關(guān)注的重要內(nèi)容。本文基于智慧教室的設(shè)計(jì)理念，探討了智慧教室的設(shè)計(jì)策略，圍繞“WeLink+智慧屏”“微云”和“中控”三個(gè)核心打造智慧教室技術(shù)體系，推動(dòng)了智慧教育技術(shù)與教學(xué)環(huán)境建設(shè)深度融合，推動(dòng)了智慧教學(xué)環(huán)境結(jié)構(gòu)性的改變，推動(dòng)了智慧教室環(huán)境下教學(xué)模式的變革，充分融入主動(dòng)學(xué)習(xí)教室、以學(xué)生為主體結(jié)合翻轉(zhuǎn)課程的主動(dòng)學(xué)習(xí)環(huán)境和科技輔助主動(dòng)學(xué)習(xí)等設(shè)計(jì)理念，突出學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性，提升學(xué)習(xí)成效，為教育信息化改革提供有益借鑒和實(shí)踐探索參考。H

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基金項(xiàng)目：本文系1.2022 年度海南省高等學(xué)校教育教學(xué)改革研究重點(diǎn)項(xiàng)目“5G+ 虛擬仿真協(xié)同共享教學(xué)改革研究與實(shí)踐（HnjgZD2022-59）”；2.2022年瓊臺(tái)師范學(xué)院校級(jí)教育教學(xué)改革研究資助項(xiàng)目“智慧教育背景下師范生信息化教學(xué)能力培育要素及路徑研究（QTjg2022-20）”階段性研究成果