智慧教室構建綜述

陳欣然

摘 要智慧教室是混合式教學模式改革中伴隨的學校學習環境變革的重要支撐，隨著信息技術的發展，智慧教室的構建從理論，到技術，到應用都越來越成熟。本文從智慧教室的構建原則、構建內容、構建技術和未來研究趨勢等方面進行了闡述，為學校，特別是高校構建智慧教室提出了思路。

【關鍵詞】智慧教室 混合式教學 物聯網 云計算 大數據分析

在《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010-2020年）》的指導下，我國教育界一直不斷探索推進信息技術對教育發展的革命性影響，利用先進的信息技術及相關設備，改善教學條件和方法，從學生創新思維提升、知識技能增強和綜合素質提高等方面培養人才，都是當代教育發展的重要目標。在這個背景下，智慧教室建設成為越來越多學校討論的一個問題，如何利用信息化理念和信息技術，打造高水平、高智能化和高實用性的教室，對學校的教學環境進行優化與重構，從而提升教學效果，已經成為了當代教育技術研究的一個重點課題。

國外關于智慧教室的研究最早起源于1988年，由羅納德·雷西尼奧提出的“Smart-Classroom”（Rescigno，R.C，1988）。國外對智慧教室的早期研究多集中于智慧教室建設的技術、硬件設備的效能等問題，近年來則從智慧教室的功能上進行研究，并有多個實施案例。國內對于智慧教室的研究則多集中于理論探討，實踐案例較少，而且實踐案例大多集中于中小學智慧教室的建設，很少涉足大學的智慧教室建設問題。近年來，隨著“混合式教學”、“翻轉課堂”等教學模式在大學的應用，筆者認為，大學對智慧教室的需求比中小學更加迫切。本文從智慧教室的構建原則、構建內容、構建技術和未來研究趨勢等方面進行了闡述，為學校，特別是高校構建智慧教室提出了思路。

1 智慧教室構建原則

當年，羅納德·雷西尼奧提出的“Smart-Classroom”是一個在傳統教室嵌入個人電腦、交互式光盤視頻節目、閉路電視、VHS程序、衛星鏈接、本地區域網絡和電話調至解調器的教室。隨著技術的發展，如今的智慧教室的含義已經演變為對學習環境的一種界定，筆者認為，智慧教室是借助云計算技術、物聯網技術、大數據技術、虛擬現實技術和人工智能技術，建設的一種軟硬件結合的智慧學習空間，其核心是打造師生互動教學環境，貫徹“以學生為中心”的教學理念，推動混合式教學、翻轉課堂等新型教學模式改革，最終目的依然是激發學生的學習興趣，提高教學質量。智慧教室不僅僅包括硬件環境的打造，也應該包括學習資源的建設。

構建智慧教室是當代學生對學習環境發展的新訴求，是實現教學模式改革的支撐條件。智慧教室的構建應該有機融合科學技術與教育發展，考慮以下構建原則：

1.1 功能完整性

當今的智慧教室涵蓋了普通授課、錄播直播、智能控制、多屏互動、虛擬現實教學、智能控制等多個功能。國內智慧教室的研究總結出了SMART模型，即從內容呈現（Showing）、環境管理（Manageable）、資源獲取（Accessible）、及時互動（Real-time Interactive）、情境感知（Testing）等五個維度建設智慧教室。

1.2 標準化和規范性

智慧教室會引入各種教學資源，計算機、平板、互動一體機等各種教學設備需要無縫接入，這就要求智慧課室所有軟硬件產品均需要遵照國際或國家相關標準和規范，同時考慮到智慧教室信息資源的充分共享，還應考慮信息的安全性和隔離措施。

1.3 可管理性和可維護性

為了便于智慧教室的日常運行維護和管理，在構建時就應該考慮到良好的可管理性和可維護性。智慧教室中的所有軟硬件系統必須具備安裝簡便、調試簡單、維護簡單和使用簡便的特性，最大程度的保證授課的使用效率，優化教學效果。

2 智慧教室構建內容

智慧教室在設計時應該圍繞教學服務、師生發展服務等方面，設計包括環境設計和功能模塊設計兩個方面。

2.1 環境設計

智慧教室在環境設計上要求充分考慮教師在課堂教學活動中與學生的互動環節，完美體現“以學生為中心”的教學理念，給學生自主支配的課堂時間和空間，最大限度地激活學生的智慧、思維和潛能。因此，在環境設計中需要考慮活動課桌椅以及環境智能控制兩個方面。活動的課桌椅可以根據教學需要隨時拼成常規教室或討論小組的研討教室形式，另外，還需要考慮多個研討小組同時研討時需要配置多個交互終端，如平板、觸摸式一體機或白板等設備，供每個研討小組各自瀏覽教學資源或開展相應的討論；在環境智能控制中，需要從課室的易管理性和易用性出發，從對課室所有軟硬件設備的集中管理、門禁系統的智能管控、教室環境的智能管控（包括空調、燈光、音量等的一鍵式管控）以及與身份認證系統的對接等方面考慮。最終實現課室設備精細化控制，滿足高效、靈活、有序的課室設備集中管理，保證不同用戶有不同的設備控制權限，具備課室的多媒體設備控制授權。

2.2 功能模塊設計

2.2.1 課程錄播系統

智慧教室需要實現課堂直播和教學過程錄播的功能，因此在設計時需要同時考慮直播和錄播兩種方式。在常規課室中，學生都是規則面對老師而坐，因此錄播和直播的實現方式均比較簡單，在智慧教室中，學生的座位隨時都有可能調整，因此需要考慮多機位建設，在課室中建設多個標準機位，常態化錄制，可以完成課堂的全過程實況拍攝，無需人工投入即可直播和錄播。直播錄播模塊采用高清錄播系統，由視頻采集系統、音頻采集與處理系統、跟蹤系統和導播系統組成。建設時考慮采用圖像識別跟蹤技術，師生無須佩戴任何設備，可以按照授課邏輯自主對老師行為、學生行為、電腦畫面進行跟蹤拍攝，并自動制成優質的教學視頻，真實記錄整個教學過程，給視頻觀看者置身真實授課現場的完美體驗。

2.2.2 多屏互動教學系統

為了滿足課堂小組研討式教學的需求，智慧教室需要構建多屏互動教學系統。采用多臺觸摸式一體機，將教學內容投放到多個教學屏幕上，使坐在不同方位、不同角度的學生能夠清晰地觀看到教學內容；而在小組研討時，則每一臺觸摸式一體機針對一個小組，為小組內部的討論和演示服務。

2.2.3 智慧教室軟件系統

智慧教室軟件系統的設計應充分考慮各種新型教學模式的特點，特別是混合教學和小組討論式學習的特點，將課前、課中和課后的需求一體化考慮，建設智能備課系統、智能講課系統和電子書包系統等軟件系統，為智慧教室教與學提供服務。智能備課系統應考慮動態性、開放型和靈活性的原則，改變傳統的備課系統中基于順序結構的流程設計，能夠根據學生的學習情況實時調整授課順序，改變授課內容，而且還可以在課前將學習資源和學習效果分發給學生，讓學生能在課前就獲得學習的資源并測試學習效果；在智能講課系統中，教師可以根據智能備課系統中獲得的學生自測的結果進行智能化分組，根據不同組別學生的學習情況，有針對性地發送不同層次的內容和學習資源，開展個性化、差異化的教學。另外，通過智能講課系統，輔助多屏互動教學設備，還可以隨時開展各種小組討論，將討論過程記錄下來，形成新的課程記錄，并可以方便地進行討論結果的展示或小組作業、作品的演示。第三，智能講課系統還需要提供各種虛擬教具及特效工具，為教師提高教學效率和提供情景式教學服務；電子書包集成了電子教材、同步課堂、電子作業、在線測驗、電子筆記、輔導答疑、在線資源、虛擬學習場景及協作工具等功能，可以作為學生的自主學習工具，按需學習并能實現隨時隨地泛在學習、精準學習。以上三者在設計時需要統一考慮，最好是能在一個大平臺中包括三個子系統。

2.2.4 虛擬現實實訓系統

2016年被公認為中國虛擬現實技術發展的元年，VR技術在全球的科研、教育、娛樂、建筑等各方面急速發展。在教育界，VR/AR技術能很好的解決教育資源供給與適應性服務能力不足等問題，在智慧教室的建設中融入VR/AR實訓設備，將會大大提高課堂教學的效果，通過模擬實際世界，學生沉浸式學習，可以極大地提升學生的學習積極性。目前，大部分智慧教室中的虛擬現實應用主要集中在增強現實（AR）的應用中，將教材的內容做成AR資源，學生利用平板或手機在課堂上觀看資源，進行學習，這種模式適用于對現實世界直觀的認知式學習；未來的課堂將會大量采用虛擬現實（VR）和混合現實（MR）技術，將教學內容虛擬化，學生通過頭盔、手柄等設備，在虛擬現實資源中進行實操，掌握實際的技能，這種模式更適用于需要掌握實操技能的課程學習。

2.2.5 智慧教室中的AI應用

近年來，阿爾法狗（AlphaGo）挑戰人類職業圍棋選手不斷取得勝利，2017年更是戰勝了數十位知名圍棋高手，AI逐漸走入人們的視野。AI應用于教育也在教育界引起了多方關注，AI在輔導孩子學習、批改作業等方面都在探索從感知層次、構建知識層次到認知層次的應用。在智慧教室建設時，AI的應用可以考慮從教育大數據、物聯感知、人機交互、生物特征識別、自適應學習等方面入手探索應用。例如，可以研究從教室直播中抓取學生的臉部反映，從而判斷學生對所學知識點的掌握情況，從學生課堂上的隨堂測驗中分析教師的授課效果，人機交互進行課堂內容的深度學習，等等。

3 智慧教室構建技術

智慧教室的建設與信息技術的發展息息相關，國內外在研究智慧教室的建設時也大多以技術研究為重點，關注點大多在如何利用新興技術創建教與學的環境，促進資源個性化呈現、教學交互多元化，實現學習者的學習和相關技能的提高上。智慧教室用到的技術涵蓋了物聯網、云計算、大數據、智能技術等一系列先進的IT技術。

3.1 物聯網在智慧教室構建中的應用

物聯網技術是將任何物品與互聯網連起來，進行信息交換和通訊，達到智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的網絡。物聯網技術的發展，為智慧教室的建設帶來了顛覆性的應用，是智慧教室真正實現“智慧”兩字的基礎。通過物聯網實時感知學生的課堂教學活動狀態，實時記錄教學效果反饋，再進行智能處理，最終通過教學資源平臺和移動學習平臺向教師和學生推動有用的信息，以促進教與學的提高。例如，可以在智慧教室中利用RFID系統，用射頻IC卡、手機、指紋、人臉等手段進行身份識別，解決課堂考勤的問題；通過教室里安裝的攝像頭，可以實時捕捉到學生移動的軌跡和各種動作，再輔以大數據分析，可以為教師的授課進度、教學內容提供指導，實現因材施教；還可以通過溫濕度傳感器或光敏儀等感知教室的溫濕度和光線，對教室內的窗簾、燈光、空調等進行實時調控，為師生營造更加良好的教與學的環境，等等。

3.2 云計算在智慧教室構建中的應用

云計算是分布式計算、并行計算、網絡存儲、虛擬化、負載均衡等傳統計算機和網絡技術發展融合的產物，是近年來IT屆討論的熱點之一。云計算在教育領域的應用大多集中在數據中心建設和數字校園統一門戶建設中，應用于智慧教室的研究還出于初級階段。在智慧教室建設中，云計算技術主要應用在以下幾個方面：

3.2.1 “云”資源庫

憑借云計算“超大規模”、“虛擬化”、“高可靠性”等特點，在智慧教室建設中被大量使用的網絡教學平臺、電子書包、電子教材等一系列教學資源平臺廣泛地被存儲在云平臺上。智慧教室中的電子化學習資源具有數據量大、數據類型多等特點，利用云平臺，可以解決多種大量數據存儲的問題，同時解決了教學資源跨平臺訪問、開放性和共享性的問題。

3.2.2 云桌面

傳統教室需要為師生上課配置PC機，存在著維護量大、數據安全性不高等問題，智慧教室中采用瘦客戶端+顯示器的模式，所有的計算及資源均在云服務器上實現，每個師生只需按照各自的需要分配一個云桌面，作為終端顯示教師的課件、視頻等教學內容。云桌面的引入一方面可以解決過去傳統教室電腦維護工作量繁重的問題，維護人員只需要維護云服務器即可，不再需要維護單個PC機；另一方面也解決了數據安全性的問題，傳統教室的數據依靠U盤傳遞，滋生了很多的病毒，導致數據丟失或被黑客入侵獲取等問題，云桌面的數據全部都存儲在云服務器中，師生上課時只需要從服務器獲取數據，不再需要U盤等介質傳輸數據，從而解決了數據安全性的問題。第三方面，云桌面還可以解決多終端的問題。云桌面可以讓師生通過任何設備終端（普通PC機、平板、手機等）登錄云服務器，使用自己的桌面資源，還可以實現個性化的學習。

3.2.3 云錄播

智慧教室中重要的模塊之一就是直播錄播系統，傳統的錄播模式是采用分布式錄播解決方案，存在著價格昂貴、后期合成編輯繁瑣、一臺錄播主機無法實現多個機位同時全自動跟蹤攝像等問題。云錄播可以實現集中錄制、分步錄制，并支持多每天設備集中控制的功能；在錄制過程中可以自動同步實現采集+處理+合成，不再需要后期合成編輯，將錄播的工作量減到了極致；同時云錄播還解決了視頻傳輸和存儲的統一管理問題。

3.3 大數據在智慧教室構建中的應用

大數據時代下的“智慧課堂”定義為：“以建構主義學習理論為依據，利用大數據、物聯網、移動互聯等新一代信息技術打造的智能、高效的課堂。”智慧課堂的核心——智慧教室中的大數據應用還是主要體現在大數據的分析上，利用大數據分析技術，可以對課前學習評價、課堂學習行為、課后作業等進行分析，實現對學習內容和資源的個性化推送，提高師生交流互動的效率，為混合式教學模式提供依據。例如，在課前預習中，大數據分析可以憑借對學生自測情況的分析為教師提供課堂教學活動軌跡的依據；在課堂教學中，教師可以對學生進行隨堂測試，大數據分析系統可以自動實時分析出學生的學習效果，并對教學知識點的難易程度進行分析，為教師后續教學進度的調整提供依據；還有前文提到的通過攝像機自動識別學生課堂學習的行為，進行大數據分析，也可以甄別出學生的學習效果和知識點的難易程度等；對于課后作業、討論等的大數據分析，則可以為個性化輔導和個性化學習提供有力佐證。

3.4 智能技術在智慧教室構建中的應用

近年來，人工智能在教育領域中的應用也被越來越多的學者所關注，目前大部分人工智能在智慧教育中的應用集中在感知層次，例如人工智能輔導學生學習、和用戶進行一些簡單的對話等。未來，人工智能在教育領域，特別是智慧教室建設中，將在構建知識層次和認知層次展開研究，例如利用人工神經網絡的自學習功能實現深度學習和個性化自主學習，通過行為、情緒、語言等感知結果構建學習內容和方式，等等。可以預見，人工智能在智慧教室中的應用將是未來的發展趨勢。

4 智慧教室構建未來研究趨勢

隨著IT技術軟硬件的發展，智慧教室必將成為未來教育環境改革的趨勢，無論是在智慧教室構建技術，還是在其應用上，都將獲得突破，成為輔助現代教學模式改革的重要支撐。筆者認為，未來智慧教室的研究趨勢將集中在以下方面：一是在理論上，將繼續探索智慧教室在混合式教學改革中的作用，從而促進智慧教室軟硬件建設的發展，更好地為教育教學模式改革服務，更好地促進學生的學習積極性。二是在智慧教室軟硬件設計技術上，隨著信息技術的發展，未來4-5年，增強現實技術、虛擬現實技術、混合現實技術、可穿戴技術、人工智能技術、3D打印技術將在智慧教室的建設中成為主流技術，而云計算機技術可以輔助從單一的智慧教室向多間智慧教室的發展，大數據分析技術則將成為評價學生學習效果的主要手段。三是在應用上，目前智慧教室在中小學校成功應用的案例較多，在高校還出于萌芽狀態，實際上，大學生更注重能力的培養，自主學習已經成為習慣，混合式教學模式在大學更加容易成功，因此，智慧教室在高校的應用落地將成為未來幾年的重中之重，越來越多的高校都將建成具有自己特色的智慧教室。四是在智慧教室的設計上，如何將腦科學和學習科學結合，融合心理學、建筑學、人體工學、深度學習等科學，更好地促進學生的全腦開發將成為未來研究的重點。

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作者單位

廣東省廣州市第二中學 廣東省廣州市 510530