新時代高校智慧教室的構建探究

徐宏凱， 謝 潔， 成希飛， 牛金志， 吳能表

（西南大學a.教務處；b.植物保護學院，重慶 400715）

0 引 言

習近平總書記在全國教育大會上提出“形成更高水平的人才培養體系”的要求［1］。懷進鵬部長在教育部重點工作推進會上指出“要強化改革創新，完整、準確、全面貫徹新發展理念，調整優化教育結構，改革創新育人方式，堅持把教師隊伍建設作為基礎工作，優化高校科研管理和服務保障，擴大教育對外開放”。為此，各高校積極探索“以學生為中心”的個性化學習、泛在學習，促使課堂教學由單向式講授向新形態的研討式、混合式轉變的有效路徑。在此進程中，傳統的多媒體教室已不能滿足新形態教學的需求［2］。2019 年中共中央、國務院印發的“中國教育現代化2035”提出要加快信息化時代教育變革，利用現代技術推動人才培養模式改革。因此，如何利用信息技術打造支撐新形態教學的智慧教室，成為高校教育工作者、信息技術研究人員關注的重點。近年來，研究人員提出智慧教室的定義［3-5］。但目前，智慧教室的定義和功能仍然言人人殊。構建智慧教室時學校沒有可直接參照的對象，加之市場上的智慧教室產品功能呈現同質化趨勢，廠商依據產品的功能主導學校建設方案。再者，學校調研能力、對新形態教學需求的分析能力及產品鑒別選型能力不足，直接導致建設時面臨“建設什么樣的智慧教室”“怎樣建設智慧教室”2 個問題，建成的智慧教室功能點和教學實際需求適切性不足，對新形態的教學場景支撐效能不高。智慧教室的定義和功能雖未形成統一標準，但其構建路徑應有可循之法。在調研設備、平臺和已建案例基礎上，總結學校基于教學場景分析下的演示型集控教室升級經驗，進一步剖析新形態的教學需求，按照“教學場景分析-建設內涵凝練-支撐功能聚類-建設功能對標選型”的邏輯先后關系，探索智慧教室建設的有效途徑。

1 現狀分析：產品功能同質化和建設方案產品功能導向趨勢呈現

1.1 產品功能呈現同質化趨勢

調研市場智慧教室成品，結果顯示目前廠商提供的建設方案、所定義的智慧教室常常基于其產品本身的特性。例如物聯網廠商將部署了物聯網的教室稱為智慧教室；顯示一體機廠商將部署了搭載互動平臺一體機的教室稱為智慧教室；錄播設備廠商將部署了搭載管理軟件的錄播設備的教室稱為智慧教室。無論是物聯網、多屏協作，還是錄播等設備廠商，其產品及所體現的功能皆呈現同質化趨勢。同類產品進一步細化比較發現，其功能雖逐漸趨同，但其硬件設備的配置、性能，軟件平臺的設計卻有差異。例如：智慧中控設備就有筆記本與臺式機視頻信號的自適應功能產品和需要手動切換信號的產品；投屏設備就有需要安裝APP（Application）、微信小程序實現投屏和直接使用移動終端內嵌的投屏模塊實現投屏的產品。這些產品細分的差異將導致使用人的體驗各異，以及運維人員的運維成本投入度不同。

1.2 建設方案呈現產品功能導向趨勢

調研已建成智慧教室較有代表性的文史類、理工類、藝術類、農學類等10 所不同類別的高校。將其建設的主要功能進行聚類和統計。10 所高校建設的智慧教室功能項主要包含“教師講臺改造”“學生活動課桌椅改造”“移動終端無障礙接入”“墻面輔助書寫”“智慧班牌”“教室外擴展空間改造”“物聯網”“主、輔屏互動投屏”“拾音擴聲設備”“課堂互動設備（平臺）”“錄播設備”“課堂督導系統”“網絡改造”“桌面可視化集控”“設備集控運維平臺”“學生機桌面虛擬化”等16 項。而10 所高校在16 項功能中均進行了相同的13 類功能項建設，重復率達81.25%。智慧教室的功能本應支撐不同種類學校的特有要求，但呈現的實際狀況卻逐步趨同。其本質是學校向廠商渡讓了智慧教室建設的功能分析主導權。廠商為學校提供的建設方案皆是從自有的產品的功能特性出發，逐步呈現出學校的方案構建由廠商的產品功能主導的趨勢。

調研顯示的兩個趨勢之內涵，為目前學校建設智慧教室的兩個困境之成因。①市場上智慧教室的產品功能呈現同質化趨勢，但其性能、使用效果等存在差異。而學校對智慧教室的研究和建設尚屬首次，對同類產品不同品牌間的功能交疊和差異，所需要的鑒別選型能力不足。產品選型失準直接影響集成效果，建成的智慧教室業務需求貼合度、功能可用度和易用度不夠，這便形成了困境之一“產品怎么選”。②高校建設的智慧教室功能項目趨同，究其原因是學校缺乏對新形態教學場景的需求分析，沒有掌握以業務需求分析驅動方案構建的主動權。取而代之的是選擇廠商所提供的，以產品功能點為導向的成品化建設方案。成品化方案的單一性和新形態教學需求的多樣性形成的矛盾，直接導致建成的智慧教室功能覆蓋面和業務達成度不足，這便形成了困境之二“方案如何構建，項目如何集成”。兩個困境究其根本，即“建設什么樣的智慧教室”“怎樣建設智慧教室”。

2 困境初解：教學場景需求分析下的演示型集控教室定制化構建

為進一步提升教師教學體驗，2017 年起，學校分批定制改造公共多媒體教室。改造過程中參照黃榮懷對智慧教室“智慧性”提出的概括性描述“內容呈現”“環境管理”“資源獲取”“及時互動”“情境感知”等5個元素，并重點關注“內容呈現”“環境管理”2 點。在分析教學場景需求后，以需求分析驅動方案構建，在顯示系統首次引入激光工程投影，在中控系統引入設備集中控制平臺（以下簡稱集控平臺），并對接教務綜合管理平臺中間庫相關數據信息，完成項目集成。

2.1 演示型集控教室激光工程投影升級

“內容呈現”是指智慧教室對教學信息呈現的能力，呈現內容需清晰，還需要適合學習者的認知特點［6］。傳統演示型多媒體教室使用的顯示設備主要為商務投影機、觸控一體機等。由于我校地處重慶，夏季高溫多濕，且黑板書寫帶來的粉塵等，極易造成商務投影機由于溫度過高、散熱不及時而停機。此外，商務投影機長時間使用，將導致由于液晶板老化引起的偏色、燈泡老舊所致的亮度降低，這不僅增加管理成本，更影響教學活動正常開展。為從根源解決“內容呈現”中存在的問題，充分考慮重慶氣候特點，及對學校教學場景深度研究，如部分學科課程需要對動植物、微生物等進行高清圖片展示，對色彩還原度要求高。學校一改之前商務投影機等方案。經對市場上主流顯示設備對比，最終選擇具備高亮度、高分辨率等優勢的激光工程投影機。其激光光源理論壽命可達20 000 h，免去更換燈泡的管理及維護等附加成本。學校為采購最優質的產品，在調研過程中針對市場上激光工程投影機3LCD（Liquid Crystal Display）和DLP（Digital Light Processing）2 種主流技術進行比較。創新設計了包含“對比度”“呼吸效應”“色彩”“亮度”等16 項測試項目，以進行產品甄別。

2.2 演示型集控教室集中控制系統升級

“環境管理”是指智慧教室管理的便利性，教室中的各類硬件設備、軟件平臺、教學資源具備較強的可管理性［7］。在2017 年教室設備升級中，詳細分析了教室使用場景的各類角色：教師上課前需在樓管處領取鑰匙，再到教室打開電子講臺準備授課；多媒體設備管理人員課前需要為教師發放鑰匙，如果教師課前遇到設備故障，管理人員亦難以第一時間到場處理，設備故障處理滯后。為凸顯“環境管理”的效能，在2017 年148間顯示型集控教室改造時，否定了教師在上課前到樓管處排隊領取鑰匙，自行打開設備和教師攜帶一卡通，在電子講臺讀卡開啟設備2 種方案。雖然這2 種方案仍為高校現行的主流方案，但從教學場景及業務流程上看，無法達致最優［8］。第1 種辦法，耗費教師課前準備時間；第2 種辦法，需要教師每堂課攜帶一卡通，課前忘帶卡、課后忘取卡均會影響教學活動的正常開展。經教學場景分析，擬實現的設備管控場景務必將教師可從課前繁瑣的準備工作中解放出來，同時提升管理效率，無須專人發放鑰匙或人為監控設備開關。2017年9 月，學校創新定制化構建方案，通過在新版教務系統上開發中間數據庫，對接學校設備集控平臺。集控平臺按策略分時段讀取中間數據庫課表信息，通過預設的開關機策略，在課前20 min 自動開啟教學設備，課后延遲10 min 關閉教學設備。為此教學場景智能化管理集成方案的首批落地高校。

2.3 演示型集控教室與智慧教室之承接關系

2017、2019、2022 年，學校持續按照演示型集控教室定制化方案，升級改造學校288 間多媒體教室設備，實現學校多媒體教室演示型集控功能全覆蓋，普遍提升教師使用教學設備的體驗。建成的設備集控平臺除能集中管控設備外，還能實時監控教室內各項設備使用狀況、預警故障信息，前置管理關口。故障處理全過程通過設備集控平臺記錄并逐步沉淀為知識庫，可形成下次同類問題的處理方案，提升了管理效率、降低了管理成本、保障了教學運行。由我校建立的設備集控平臺，為后期智慧教室的建設工作預留了物聯網設備等相關接口，預計可搜集結構化數據近80 余項，為延展式建設打下堅實基礎。演示型集控多媒體教室在“內容呈現”“環境管理”上已針對教學場景做了定制化升級，具備智慧教室雛形，但智慧教室的內涵還應根據教育技術的發展，結合業務場景的深度分析，作進一步詮釋。

3 路徑探索：建設內涵凝練與建設方案構建

依據教學場景分析，定制化升級建設學校演示型集控教室的邏輯，進一步形成：分析研討式、小班化、互動式等新形態教學場景需求，凝練智慧教室建設內涵，聚類需達成的支撐功能，對標準、對項目甄選設備、平臺進行集成的建設邏輯先后關系。

3.1 教學場景需求分析驅動的內涵凝練

針對“建設什么樣的智慧教室”，學校深度剖析教學場景的需求，凝練內涵，即：構建強化互動、隨處可學和教學數據輔助決策的教室。

（1）強化互動。智慧教室需助力單項式灌輸的課堂向研討式教學、小班化教學轉化［9］，“互動”就尤為重要。目前課中互動，需要進一步強化，主要體現在廣度和深度兩個層面。①強化互動的廣度。智慧教室功能上應支撐“課中”互動，向“課前”和“課后”兩端延展。“課前互動”是指教師通過智慧教學平臺將大規模開放在線課程（Massive Open Online Course，即MOOC）、小規模在線課程（Small Private Online Course，即SPOC）或共享課程、自建課程等資源在課前推送給學生，通過任務驅動的方式引導學生預習［10］。“課中互動”是指教師通過智慧教學平臺對學生預習效果進行分析，重構教學方案、精準施策，以研討、課堂翻轉等方式組織課中教學。講授中學生還可通過智慧教學平臺的留言板、彈幕或打點標記等方式實時反饋。“課后互動”是指課堂講授結束后，教師通過智慧教學平臺給學生下發課后作業，并提供生生互評、教師評價等方式，將學生對知識點的掌握情況量化為結構化數據［11］。還可通過平臺定制開發，實現試題庫下的標記試題難易度，輔助教師完成多策略組卷等功能［12］。②強化互動的深度。構建的智慧教室應體現從教師簡單引用教學資源，到深度、無障礙地調用教學資源；從學生被布置學習任務，到學生主動獲取資源來增強個性化學習。智慧教室應基于教學平臺定制開發相應功能，強化師生與教學資源的互動深度，如：教師可在備課階段通過智慧教學平臺調用和備課有關的優質教學資源；學生在預習階段通過智慧教學平臺調用MOOC、SPOC資源，在課后可點播、回看已修課程資源。為進一步強化師生與資源互動的深度，將師生獲取教學資源向主動給師生精準推送資源轉變。通過定制化智慧教學平臺引入智慧教室，可對網絡上的共享資源進行智能分類、整合，輔之大數據技術，將師生在業務系統上的行為數據“標簽化”，實現對師生感興趣的教學資源進行精準推送。

（2）隨處可學。智慧教室構建發展至今，不應局限于物理概念上的房間，而應是一種全新的教學環境變革之產物。智慧教學平臺集成引入智慧教室，通過課中互動向課前、課后兩端延伸，師生可在任何時間、任何地點通過本人的移動終端訪問智慧教學平臺，進行人與資源的互動、人與人的互動［13］。從教學場景需求上看，課中師生可通過移動終端連接智慧教室主輔屏、分屏，實現信息廣播、分組展示等多種協作策略，輔助研討式教學開展；在課前和課后，師生通過移動終端訪問智慧教學平臺，在平臺所搭建的學習空間中獲取共享教學資源、對課中已學資源進行復用。通過智慧教學平臺及智慧教室硬件集成打破固有環境，達成任何時間、任何地點隨處可學的教學場景需求［14］。

（3）教學數據輔助決策。地平線報告曾預測學習分析技術即將普及［15］，如何有效地通過信息技術輔助對教學進行即時評估、階段性總結，形成管理閉環，是智慧教室構建的一項重要業務需求［16］。智慧教室中可部署傳感器及相關設備，對教學全生命周期的情境進行數據收集。這些數據包含課程資源、訪問頻次、學習時長、活躍度、出勤率、互動情況等。采集并整合的結構化數據用以支撐學情分析和輔助決策［17］。例如：通過人臉識別技術與學生行為數據，可分析學生課堂專注度；通過過程性評價數據，如答題得分率、活動參與度等，可分析學生學習效果、薄弱環節，為教師教學方案重構進行輔助決策［18］。

3.2 支撐建設內涵的功能分區及設備集成方案構建

針對“怎樣建設智慧教室”，學校在建設內涵指引下，研制建設方案。將智慧教室應實現的功能按照“環境融合”“教學互動”“質量管理”“設備運維”分為4 區，在各分區下構建“必（可）選功能項”按需分批建設，下設“23 個功能點”（見表1），經產品選型、對標功能形成支撐23 個功能點的主要設備集成清單（具體的設備集成清單本文暫不列出）。

表1 智慧教室功能分區及主要對標支撐設備和平臺項目表

（1）環境融合區。環境融合改造，包含教室內的環境改造以及教室外的延展區域升級。達成師生使用的便利性、運維管理的時效性。①打破一個教室僅有一個講桌，且位置固定，學生課桌椅也為固定的常規方案。依據新形態教學場景設置主、輔兩個講桌，一個固定位置用于主講教師講授使用，另一個為活動升降講桌，用于助教使用。學生的課桌椅在小型教室內則全部設計為活動課桌椅。②學生使用的電腦依據教學場景方案分為2 種模式。其一，為BYOD（Bring Your Own Device）的自攜帶移動終端模式。其二，為服務一些特殊的教學場景，如學生需查閱案例的法學類課程，考慮將不遮擋師生交互視線的PC機嵌入課桌。③為應對研討式教學場景，師生在教室任何一面墻書寫，在主、輔顯示屏外的其他墻面師生可觸及的區域、可書寫的高度皆配備墻面輔助書寫搪瓷白板。④為提升研討學習氛圍，將教室內空間延伸至大廳區域，設置小組研討和自習的空間。在延展空間中部署智慧班牌系統，使學生能準確地獲取教室占用、任課教師、授課內容等信息，及時規劃小組學習和自習時間和地點。

（2）教學互動區。教學互動功能區是智慧教室建設的核心功能區。項目集成時應考慮觸控一體機等顯示設備與智慧教學平臺的集成方式，綜合發揮硬軟件優勢。①硬件方面。課中互動場景包含雙主屏協作和小組分屏展示等方式。在教室內同一面墻左右兩端部署2 塊大屏，中間為書寫板。雙主屏顯示可滿足學生在各位置都能輕松獲取內容。再搭載智慧紅外書寫框，可實現板書等教學資源及時沉淀、流轉和分享。還可擴增部署小組多屏，配置投屏盒子，實現多人作業同屏展示，實現對比講解、研討等功能。②軟件方面。支撐學校智慧教室建設內涵的智慧教學平臺，是智慧教室“大腦”所在。平臺的選型和持續迭代直接決定了智慧教室的易用度、實用度和可用度。通過顯示大屏與平臺的集成，打通線上、線下兩個維度，實現教學資源的教學全程流轉。③集成方面。由于目前市場上的顯示一體機公司也在開發互動平臺功能，教學平臺的公司也在打造附帶一體機的綜合解決方案。于學校而言，對標產品、選型就更具挑戰。學校需依據教學場景需求，進行同類別產品橫向比較，選擇集成度高、使用交互界面簡單的產品。軟硬件皆應達到，導航邏輯順暢，符合使用人操作習慣，可實現一鍵上下課、一鍵投屏、一鍵調屏、一鍵分屏協作等功能［19］。

（3）質量管理區。教學質量評價作為教學管理的重要環節，是教學質量保障的重要機制。由于課程錄播、遠程互動及教學質量監控的對標設備具有重疊性。為提升其集成度，該類設備需作統一考慮。①硬件方面。因為支撐課程直播、常態錄播、課程資源回看、點播和遠程互動教學的功能所需硬件設備，與教學質量督導、聽評課的硬件設備具有重疊性，需統籌考慮、一并建設。②軟件平臺方面。市場上已具備直錄播平臺、遠程互動平臺、教學質量督導平臺等一體化產品。該類平臺既可實現課程直錄播、點播、遠程教學互動，還可實現教學督導、網上課堂質量巡查等功能。通過該平臺定制化開發，還可實現學生學習畫像分析、教師教學行為分析，以及通過預置策略推送優質或疑似問題課堂，使督導專家能有目標地進一步現場聽評課，讓優質課堂被廣泛觀摩，讓問題課堂及時得到整改。

（4）設備運維區。智慧教室能持續為教學提供服務，需對硬件設備持續提供運維保障，并依據教學場景不斷分析，對智慧教室各類業務平臺進行持續迭代。為提升運維能效，智慧教室將統籌接入已建成的集控平臺，使學校前期建設的演示型集控教室與智慧教室統一管理。為使智慧教室的使用體驗度進一步提升，在智慧教室持續建設中，將不斷分析教學場景需求，逐步把智慧教室中所涉及的智慧教學、直錄播管理、教學質量管理等各類業務平臺進行定制化開發，一體化管理，以提升其集成度，持續支撐新形態教學需求。

4 結 語

智慧教室是信息技術支撐教育理念更新和教育模式改革的必然產物。基于目前其定義和功能均未形成統一標準，學校制定建設方案時，既不能跟風，更不能照搬照抄。需要深度解析教學場景、明晰業務需求，再充分調研產品功能特性和差異，以此甄選最新信息技術下的新設備、新平臺、新工具等，來逐項對標功能需求，集成優質的、有針對性的和解決實際問題的建設方案。本文所強調的“教學場景分析-建設內涵凝練-支撐功能聚類-建設功能對標選型”的智慧教室構建邏輯先后關系，將為各高校探索智慧教室建設的有效路徑，尤其是在智慧教室建設的內涵詮釋、方案制定及項目實施提供必要參鑒。在此基礎上，高校更應充分認識到智慧教室的建設是學校不斷解析教學場景新需求、厘清建設內容共性與個性、不斷優化的過程。以此，進一步促進信息技術和教學需求深度融合，為智慧教育的持續發展提供無限可能。