智慧教室何以是“智慧”的？來自系統化文獻綜述的發現*

摘要：為響應國家政策，順應時代發展，全國各級各類學校積極開展智慧教室建設。然而，什么樣的教室才能夠被冠以“智慧”二字？文章采用系統化文獻綜述的方法，對篩選出的258篇文獻進行主題編碼，結果發現智慧教室的“智慧性”主要體現在：舒適環保的物理環境與靈活多樣的空間布局；多感官跨屏幕的內容呈現與高效便捷的資源分發；交互式協作化的教學互動平臺與沉浸式的學習體驗；多模態精準化的學習投入度智能感知與識別系統；非介入無感式的班級管理和隨堂測評與診斷系統。文章構建了智慧教室的概念框架，分析了智慧教室的五大“智慧性”特征，可為智慧教室的設計和建設提供參考，進而助推我國教育數字化轉型的進程。

關鍵詞：智慧教室；學習環境；學習空間；系統化文獻綜述

【中圖分類號】G40-057 【文獻標識碼】A 【論文編號】1009—8097（2024）04—0090—10"【DOI】10.3969/j.issn.1009-8097.2024.04.009

引言

近年來，以人工智能、大數據、物聯網和云計算為代表的前沿數字技術所引領的新一輪科技革命對教育教學系統產生了全方位影響，“智慧教育”“智能教育”等概念應運而生，催生智慧教育時代的到來。為順應時代發展，國務院在《新一代人工智能發展規劃》中首次從國家政策層面提出“智能教育”的概念^[1]，進而又在《中國教育現代化2035》中將“統籌建設一體化智能化教學、管理與服務平臺”作為重要建設任務^[2]。教育部等發布的《關于推進教育新型基礎設施建設構建高質量教育支撐體系的指導意見》更是提出要“推動教育數字轉型，智能升級、融合創新”^[3]。可見，在科學技術與國家政策的雙輪驅動下，智能教育已經成為我國教育信息化建設的重中之重。

為響應國家政策，全國各地積極投入到智慧校園和智慧教室的建設中。例如，江蘇省教育廳對大中小學智慧校園建設提出了指導性意見^[4]；廣東省教育廳發布了《廣東省中小學智慧教室建設指南（試行）》^[5]。全國大中小學校陸續響應號召積極投入到校園和教室的智能升級與改造之中。此外，不少科技企業也陸續推出相應的智慧校園和智慧教室技術解決方案^[6]。教室作為學與教活動發生的重要場所，其設計和建設對教育教學有深遠影響^[7][8]。然而，當前教育行業的產品“魚龍混雜”，只要是集成了信息技術手段的教室都被稱為“智慧”的。事實上，這種給傳統教學環境“披外衣”的行為并未從本質上改變學習環境，難以滿足師生對學習環境交互式、個性化和智能化的需求。那么，什么樣的教室才能被冠以“智慧”二字？為回答這一問題，本研究采用系統化文獻綜述的方法，對已發表的研究成果進行整合和分析，以期為智慧教室的設計和建設提供參考，進而助力我國教育數字化轉型的發展。

一"文獻綜述

1"學習環境與學習空間的概念內涵

智慧教室作為一種典型的智慧學習環境，厘清其概念內涵離不開對“學習環境”和“學習空間”兩個概念的辨析。一般而言，學習環境和學習空間是學習發生的外部支持條件，其中學習環境是指為學習活動提供的條件^[9]，而學習空間往往特指技術豐富環境下的學習環境^[10]。也就是說，學習空間是一種特定的學習環境。

何克抗等^[11]認為，學習環境涵蓋學習資源和人際關系，其中學習資源包括學習材料、認知工具和學習空間（如教室、虛擬學校）等，人際關系主要包括師生、生生之間的人際互動。陳琦等^[12]則認為學習環境既包含學習者可能要利用的資源和工具，也包含產生互動的人，還包含物理情境和社會心理情境。歸納來說，學習環境包含三層涵義：①聲光電溫度以及桌椅等所組成的“物理環境”；②能夠實現教學互動反饋與評價的“工作環境”；③以前兩者為基礎營造起來的師生“社會心理環境”。其中，學習環境的第一層涵義特指作為教學場所的教室，第二層涵義特指作為教學活動的課堂，第三層涵義是指師生在作為教學場所的教室開展課堂教學活動過程中所產生的心理環境^[13]，第三層涵義是前兩者相互作用的結果，而不是其本身所具備的屬性。

而“學習空間”泛指包含教室、網絡學習空間以及圖書館等在內的技術豐富學習環境^[14]。Radcliffe等^[15]提出了面向下一代學習空間的“教學法-空間-技術”（Pedagogy-Space-Technology，PST）框架。這一框架將三個維度耦合成學習空間設計的基本要素，其中“教學法”基本對應學習環境的“工作環境”，“空間”基本對應學習環境的“物理環境”，而“技術”發揮使能作用，賦能“教學法”和“空間”。也就是說，學習環境和學習空間的概念外延是一致的，主要包含物理環境和工作環境兩個維度。因此，作為下位概念的智慧教室，其概念框架需從“物理環境”和“工作環境”兩個方面進行闡述。

2 智慧教室的概念框架

黃榮懷等^[16]提出的“SMART”概念模型從內容呈現、環境管理、資源獲取、及時互動和情境感知五個維度闡釋了智慧教室的“智慧性”。其中，情境感知既涉及“物理環境”層面又涉及“工作環境”層面，環境管理屬于“物理環境”層面，而內容呈現、資源獲取和及時互動屬于“工作環境”層面。聶風華等^[17]提出的iSMART系統模型主張智慧教室由基礎設施、網絡感知、可視管理、增強現實、實時記錄和泛在技術六大系統組成。然而，這一模型是從系統架構的角度來描述智慧教室的技術模型，而非概念模型。Saini等^[18]認為一個典型的智慧教室需配置良好的內容呈現工具，支持良好的師生互動和學習投入，擁有適宜的物理環境，同時還包含用于考勤、反饋和評估的教學管理工具。這一框架從功能結構的角度描述了智慧教室的概念框架。

總的來說，已有研究從不同角度論述了智慧教室的“智慧性”，然而存在物理環境與工作環境維度雜糅、偏重闡述技術特征等問題。綜合黃榮懷等^[19]以及Saini等^[20]的觀點，本研究從物理環境與空間布局、內容呈現與資源分發、課堂互動與反饋、學習投入度的感知與識別以及教學評價與管理五個方面來描述智慧教室的功能特征。

二 研究設計

本研究采用系統化文獻綜述的方法檢索和篩選2000年以來發表的文獻，對納入文獻進行主題編碼，總結和歸納智慧教室的功能特征。

1"文獻檢索與篩選

本研究檢索所用關鍵詞為“smart classroom”“intelligent classroom”“smart learning environment”“intelligent learning environment”“active learning space”“technology-enhanced classroom”“technology-rich classroom”“future classroom”“classroom of the future”等與智慧教室相關的術語。本研究分別在Web of Science核心數據集、IEEE數據庫以及Engineering Village數據庫中檢索，發表年限設定為2000年及以后，分別檢索到682篇、279篇以及758篇研究文獻。去除重復文獻后共得到1065篇文獻。

本研究的納入標準為：聚焦于智慧教室的相關研究；需為實證研究；發表語言為英語。本研究的納出標準為：非正式場景下（如博物館、展覽館等）學習空間的研究；僅選擇線上教學活動。在文獻篩選階段，研究者首先獨立瀏覽標題與摘要后對文章進行納入納出標記，并對意見不一致的文獻進行商議，此階段共納入文獻455篇；隨后，研究者獨立瀏覽全文后對文章進行納入納出標記，并對意見不一致的文獻進行商議，最終本研究共納入文獻258篇。

2"文獻編碼

本研究的文獻編碼包含研究描述項和智慧教室功能特征項兩部分。其中，研究描述項主要包含出版類型、發表年份以及研究焦點；智慧教室功能特征項主要采用主題編碼的形式。為確定二級編碼項，五位研究者隨機抽取50篇文章進行二級編碼項的多輪提煉，最終形成5個一級維度、13個二級編碼項的編碼體系，具體編碼信息如表1所示。團隊中的四位研究者在各自編碼30篇文章后互相進行審查，對不一致的編碼進行修訂，以達到對編碼內容的統一理解。隨后，兩兩編碼者對剩余文章對半編碼。

三 研究結果

本研究納入的258篇文獻中期刊論文有99篇，會議論文有159篇；就發表年份來看，2000年～2010年是初步探索期，2011年～2017年是穩步探索期，2017年之后開始快速增長，進入快速發展階段；納入文獻主要包含六類研究主題，分別為智慧教室整體設計、物理環境與空間布局、智能考勤系統、學習投入度的感知和識別、課堂互動系統的開發以及師生對智慧教室的感知。根據主題編碼的結果，本研究發現智慧教室具備以下功能特征。

1 物理環境與空間布局

（1）舒適環保的物理環境

無線傳感器網絡和神經網絡等技術的運用，使智慧教室對聲、光、電、溫濕度等物理環境參數的調控向智能化、動態化和實時化等方向發展。例如，Paudel等^[21]開發的基于情境感知數據的教室節能控制系統利用卷積神經網絡技術識別人物動作（如進入、站立、坐下、離開等），以判斷教室的使用狀態，并利用長短期記憶神經網絡自動化調節教室內的環境參數（溫度、濕度、亮度等），以減少不必要的能源消耗。而Jormanainen等^[22]開發的基于分布式傳感器網絡的碳排放量監測系統可實時監控電力、水力消耗以及教室內溫度和二氧化碳濃度，同時以可視化的形式將信息呈現給師生，以提高師生環保意識。

（2）靈活多樣的空間布局

智慧教室中常用的布局為U型和圓桌型^[23][24][25]，突破了傳統“秧田式”布局的局限性，助推教學方式向學教并重或以學為主的方式轉變，有利于師生互動、交流與分享。更為重要的是，桌椅還可以靈活輕便地按需擺放，便于師生開展協作學習或小組研討等^[26][27]，這與以學生為中心的教學法有內在耦合關系，可滿足學生開展項目式學習、探究式學習、協作學習等的需求。

（3）智能升級改造后的基礎設施

智慧教室基礎設施的升級改造主要體現在講臺和學生桌椅上。例如，Stefanidi等^[28]開發的講臺內嵌了兩個平板電腦，其中主平板用于教師訪問教學資源和監控學生注意力，輔助平板用來調控教室內的物理環境。而Savvaki等^[29]設計的智慧課桌安裝了用作投影教學內容的隱藏式深度攝像機，同時嵌入距離傳感器和壓力傳感器來檢測學生的學習行為。

2 內容呈現與資源分發

（1）多感官跨屏幕的內容呈現方式

在智慧教室中，教師利用豐富的軟硬件資源提高學習內容的可視化程度，同時豐富學生的真實學習體驗。例如，Memos等^[30]開發的交互式智慧教室融合觸覺設備和傳感器，利用3D虛擬服務為學習者提供增強的傳感信息和觸覺體驗。此外，分屏顯示與多屏交互技術也逐漸引入課堂。例如，在Logan等^[31]設計的主動學習教室對學生進行了分組，并為每個小組分配專門用于討論的顯示器，教師與學生可以直接將想法標記在觸摸式互動投影儀上，提高了學生的課堂參與積極性。

（2）高效便捷的內容分發與獲取方式

智慧教室致力于實現教學內容和資源的高效便捷傳輸，其內容分發與獲取方式主要有三類：①學習管理系統。師生可以利用移動電腦或智能手機等各類設備在線或離線獲取教學資料^[32]。②同步與異步課堂教學形式。處于不同時空的學生可以獲得實時流媒體視頻，共享教學資源^[33]。從教學組織形式來看，同步與異步課堂教學所輻射的師生人數更多，更有利于優質教育資源的共享，以促進教育公平。③生成式學習資源或自適應學習推薦系統。Hasnine等^[34]利用日常圖像作為傳感器數據進行視覺內容分析，為學習者生成個性化的語言學習內容，輔助教師精準教學。

3 課堂互動與反饋

（1）即時有效的師生互動

在智慧教室中，教師借助人臉識別技術可以快速識別班級學生；使用即時反饋系統可以及時了解學情，采取有效措施改善教學，加強師生互動，進而提高課堂教學效率。例如，Chang等^[35]開發的基于人臉識別技術的交互系統能自動識別學生，幫助教師快速了解學生信息和學情，有效強化師生互動。而在Fuad等^[36]開發的移動端交互式教學反饋系統中，學生可在線接收教師發送的練習和測驗等；教師也可在線了解學生的學習情況，及時提供答疑輔導。

（2）共享協作的生生互動

多點觸控交互系統和虛擬黑板等協作共享工具的運用從根本上改善了學生之間的交互與協作學習體驗，促進觀點分享和知識建構。例如，Arora等^[37]開發的基于傳感器的多點觸控交互系統有助于促進學生之間的交互式學習、協作與分享。Suo等^[38]開發的支持多語言學習的虛擬黑板能進行在線語言翻譯，縮小參與者之間的語言差異，協助生生之間更好地交流與分享。

（3）沉浸式的生內互動

虛擬現實技術、增強現實技術以及可穿戴設備在課堂中的運用增強了學生的真實性、沉浸式和交互式的學習體驗，其甚至可以實現學生與學習環境的互動。例如，學生可以利用Risti?等^[39]開發的增強現實編輯器與智慧教室的物理環境進行交互，如控制開關、讀取溫濕度傳感器的數據。Hrishikesh等^[40]開發的面向聽力障礙學習者的交互式學習系統通過Kinect設備跟蹤學習者的手勢以實時創建虛擬對象，并使用網絡攝像頭掃描標記卡片將虛擬對象疊加到現實世界中，為學習者提供沉浸式、交互式的學習體驗。

4"學習投入度的感知與識別

（1）行為投入

目前，課堂行為識別系統主要解決多人識別和遮蓋識別等算法優化問題。例如，Li等^[41]設計的學生頭肩軌跡檢測系統通過決策樹算法和目標跟蹤算法進行人臉識別和跟蹤，進而利用基于輪廓特征的方法來建立正確的頭肩運動軌跡模型，解決了遮擋導致識別失敗的問題，有助于教師通過學生狀態及時調整教學。

（2）情緒投入

當前，課堂學習情緒的識別主要集中在多模態數據的融合問題以及情感狀態的識別。例如，Kadar等^[42]開發的基于Kinect設備的學生情緒識別系統集成眼動、面部表情、步態與姿勢等多模態數據感知和識別學生的情緒狀態。Gupta等^[43]開發的學生情緒分析系統利用最大邊緣人臉檢測法檢測學生面部，使用卷積神經網絡識別學生情緒，進而計算每節課中每位學生高積極、高負面、低積極和低負面等四種狀態的時間占比，以此預測學生的課堂參與度和學習效率。

（3）認知投入

智慧教室中認知投入的識別主要集中在注意力檢測和學業表現監控兩個方面。例如，Hsu等^[44]開發的學生注意力監測系統通過網絡攝像頭、心跳傳感器和血氧傳感器采集學生眼球注視、心跳和血氧飽和度等生理數據，并使用人工蜂群算法快速監測學生的注意力。Dafoulas等^[45]設計的學生學業表現監控系統使用多種傳感器收集學習者協作學習過程中的皮膚電、面部表情（微軟面部API）以及音視頻（Kinect設備）等多模態數據，通過識別學生的壓力、情緒和課堂交流行為來評估學生在小組學習中的個人貢獻和團隊表現。

5"教學評價與管理

（1）隨堂測評與診斷

目前，隨堂測評和學情診斷也開始向個性化、智能化方向發展。例如，Chen等^[46]開發了自動組卷和在線測評的交互學習系統，可幫助教師實現自動化組卷和評閱，為每位學生生成詳細的學業表現分析報告，同時教師可根據學業表現分析報告快速了解學生的學習情況，動態調整教學進度和教學難度，有效開展掌握學習和學業輔導。

（2）自動化考勤

智慧教室中的考勤方式主要包含傳感器識別和生物特征識別兩種。例如，Mrabet等^[47]開發的基于RFID傳感器的考勤系統可自動識別內置在背包、ID卡、智能手機等中的NFC標簽，從而快速記錄學生的考勤信息。He等^[48]設計的考勤系統采用視頻捕捉技術和人臉識別技術非介入、無感地記錄課堂考勤情況。Alassery^[49]還開發了基于指紋識別技術和重力傳感器的考勤系統。無線傳感器、人臉識別等新興技術的使用也使學生考勤逐漸從一項煩瑣的人力勞動向非介入無感式轉變。

（3）電子班牌和教室廣播系統

班級信息展示、教學廣播等也開始轉向數字化、智能化。例如，Kim^[50]開發的電子班牌系統可呈現教室人數、課程表、班級公告、教室環境等信息。Gong等^[51]開發的基于無線傳感器網絡的教室廣播系統可以根據不同的課堂狀態（上課、自習、考試等）智能播放個性化鈴聲，還能自動監控教室環境和學生安全狀態。

四 總結與展望

智慧教室作為“智能教育”的發展重點，在設計與建設時需要考慮其“智慧性”。本研究采用系統化文獻綜述的方法對來自Web of Science、IEEE和Engineering Village數據庫的258篇文獻進行主題編碼，發現有關智慧教室的會議論文發表數量遠超過期刊論文。學術會議往往聚焦于探索當下研究熱點，這說明智慧教室已成為教育數字化轉型時期的重要研究議題。

1"研究總結

本研究從物理環境與空間布局、內容呈現與資源分發、課堂互動與反饋、學習投入度的感知和識別以及教學評價與管理五個方面回答了“智慧教室何以是智慧的？”這一問題。基于此，本研究建議未來設計和建設智慧教室時應關注以下三點：

（1）智能環境監測與實時控制系統打造綠色環保校園環境

研究表明，教室的采光、照明、溫濕度以及空氣質量等對學生的學習影響至關重要^[52]。智慧教室可配備智能控制系統（如光控、溫控等）以及實時監測系統（如空氣質量、能源消耗等），自動化調控教室內環境參數，為師生提供舒適、健康的學習環境，同時促進節能減排，增強師生的節能環保意識，對創建綠色校園、實現環境育人具有重要的推動作用。

（2）人機協同技術促進高效便捷的師生互動與反饋

講授式教學仍然是當下課堂教學的主流方式。然而，以班級為主體的講授式教學，特別是大班教學，限于教師的精力，師生之間往往缺乏必要的教學互動和反饋。智能時代催生了人機協同技術在教育場景中的應用，不僅增強了師生互動與反饋，提高了學生課堂參與感，還輔助教師了解學生的學習情況，提高了課堂教學質量。

（3）基于多模態數據的學習投入度感知與識別系統助力精準教學

學習投入度能夠很好地預測學業成就。隨著大數據、人工智能、無線傳感器等技術在教室中的應用，學習投入度的測評開始轉向多模態數據融合的智能感知與識別方式。智慧教室的學習投入度感知與識別系統可依賴面部表情、身體動作、頭部姿勢、手勢等多模態數據輔助教師分析學生的課堂學習情況，幫助教師精準了解學生的學習狀態，為及時干預或指導學生學習提供支持，助力實現精準教學。

2"未來展望

為更好地理解智慧教室的“智慧性”，未來研究可以關注智慧教室功能特征的某一維度（如學習投入度），為智慧教室的設計與建設提供更詳細的指導原則和建設策略。同時，還可以關注在智慧教室中開展教學對學習者學習效果影響的綜合研究，為教育數字化轉型過程中的學習環境設計提供循證指導。值得注意的是，智慧教室不應該是“標準間”“樣板間”，各地區和學校需要根據自身實際需求探索智慧教室建設的模式，兼顧“通用性”和“專用性”，也可直接將多媒體教室升級改造成智慧教室。

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Why"is the Smart Classroom"“Smart”？ Findings from A Systematic Review

CHENG"Wei¹""""HOU Zhi-Yan²""""NIU Jia-Rui³""""YIN"Zi-Han⁴""""ZHANG"Yan⁴

（1. School of Educational Science and Technology， Nanjing University of Posts and Telecommunications， Nanjing， Jiangsu， China 210023;"2."School of Education， Sichuan Institute of Industrial Technology， Deyang， Sichuan， China 618500; 3. Faculty of Education， Shaanxi Normal University， Xi’an， Shaanxi，"China 710062;"4. Faculty of Artificial Intelligence in Education， Central China Normal University， Hubei，"Wuhan， China 430079）

Abstract："To respond to national policies and conform to the development of the"Times， schools of all levels across the country are actively engaged in the construction of smart classrooms. However， what qualifies a classroom to be deemed “smart”？ This"paper"used a systematic literature review approach"to code"258 selected papers. The results reveal that the “smartness”"of smart classrooms was"primarily manifested in"the following aspects："comfortable"and environmentally friendly physical environment with flexible and diverse spatial layouts， multisensory"cross-screen content presentation and efficient， convenient resource distribution， interactive"collaborative teaching interaction platforms and immersive learning experience， multimodal， accurate intelligent perception and recognition systems for learning engagement， non-intrusive， unperceived class management， and real-time evaluation and diagnostic systems. A"conceptual framework of smart classrooms"was constructed in this paper，"and"the five key “smart” features of smart classrooms"were analyzed， which could"provide reference suggestions for the design and construction of smart classrooms， further in turn aid in advancing the digital transformation process of education in China.

Keywords："smart classroom; learning environment; learning space; systematic review