智慧互動教室的設計與建設案例

張天榮， 周文揚， 賈 巍

(1.浙江農林大學 信息與教育技術中心，杭州 311300； 2. 河北師范大學匯華學院， 石家莊 050091；3. 寧夏大學 教育學院，銀川 750021)

0 引 言

隨著大數據、人工智能、人體工程學等先進信息技術的不斷發展，加上教育信息化對教學環境的需求，使得智慧教室的研究成為了國內外教育領域研究的熱點之一。智慧教室作為一種典型的智慧學習環境，是學校信息化發展到一定階段的內在訴求，是當今智慧學習時代的必然選擇[1]。

目前，國內大多數學校都啟動了智慧教室的建設，但大部分都停留在理論階段或正處于建設初級階段，缺乏全面實踐。本文基于實踐經驗，提出了智慧互動教室的概念，介紹近年來浙江農林大學智慧學習環境建設的成果，以期為智慧互動教室的建設與應用提供新的參考和方向。

1 智慧互動教室的概述

1.1 智慧教室

早期經歷了“未來課堂”“未來教室”“智能教室”“云教室”[2-5]等概念后，學者們提出了“智慧教室”的概念，并從不同的角度對智慧教室進行了界定和描述。經過文獻梳理發現，學者對智慧教室的概念認識存在的共同點是利用新興技術構建教與學的環境，促進學習者的學習和相關技能的提高[6]。但當前大多數的智慧教室都存在交互性不足，教學效果欠佳等問題。

1.2 智慧互動教室

研究發現，在傳統課堂面授中，最初10 min學生注意力最集中，對知識的接受程度最高，教學效果最理想。10 min之后，學生注意力水平下降。通過實驗發現，在學生注意力開始下降時，采用互動式教學模式，進行課程和互動的相互切換，能夠最大限度吸引學生的注意力，提高知識傳授效果[7]。

互動式教學模式是在教師啟發和引導下，師生之間、學生之間采用對話、研討和交流等學習方式，形成互動學習機制，調動學生學習的主動性，開發學生的創造性思維，培養學生學習能力的一種教學模式[8]。

目前學校大多數教室都是固定的座位、白墻、黑板、投影，教學方式大部分還是傳統教室的大班化(60人以上)課堂面授式，這樣使得互動式教學限制在了固定的范圍內，沒能夠真正發揮互動式教學的作用[9]。學生以被動接受知識為主，師生之間、學生之間缺乏互動交流，教學效果不理想。為了提高課堂學習效率和學生的創造性、積極性，深化大學課堂教學改革，互動式教學模式勢在必行[7]。

為了給師生營造便利的多元化的溝通互動學習環境，浙江農林大學自2014年開始開展智慧互動教室的建設。基于我校智慧互動教室建設實踐經驗，認為智慧互動教室屬于智慧教室的一種形式，智慧互動教室是基于先進的信息技術和設施，為師生提供多元化的交互空間和多樣化的交互工具，創設“以互動為核心”的學習環境，實現人、資源、環境的高效互動和深度融合，達成最優化的教學效果。

2 調查分析

我校在建設智慧互動教室之前選取了40名教師與300名學生采取了問卷調查和半結構式訪談的形式進行了調研，調查內容涉及“智慧互動教室”的態度、特點、功能及教學模式。針對不同的調研對象，問卷分為教師卷和學生卷。回收有效教師問卷36份、學生問卷278份。

2.1 智慧互動教室的態度調查

調查結果表明，師生都認為智慧互動教室能提升學習效率。教師對“智慧互動教室”的期望值偏低，認為對學習效果有影響但可能不顯著；學生則對智慧互動教室比較期待，認為智慧互動教室能提升他們的學習興趣，因此學生對智慧互動教室的期待度相對較高。

2.2 智慧互動教室的特點調查

調查結果表明，師生對智慧互動教室特點的認識，主要體現在具有互動性、方便性、安全性、清晰性、開放性、生態性以及先進性等特征[10](見圖1)。教師把方便性排第一位，然后依次是清晰性、互動性、開放性、先進性、感知性、安全性、生態性；學生把互動性排第一位，然后依次是清晰性、方便性、先進性、感知性、生態性、安全性、開放性。其中安全性和生態性師生均表示無所謂，師生看重清晰性是因為傳統多媒體教室投影機的清晰度影響了正常的教學活動，而教師看重方便性是因為怕操作的不熟練影響教學進度。

2.3 智慧互動教室的功能調查

調查問卷羅列了智慧互動教室擬建設的一些功能，通過調查發現，師生對很多功能期待值都比較高，但是老師和學生的期望各有不同(見圖2)。教師期待的功能從高到低依次是：考勤系統、小組研討、答疑投票、智能錄播、記憶白板、遠程視頻互動、資源展示等；學生期待的功能從高到低依次是：小組研討、答疑投票、無線分享、資源展示系統、記憶白板、遠程視頻互動、考勤系統、智能控制、智能錄播等。可以看出小組研討、答疑投票、記憶白板、資源展示都是師生功能期望的功能，而教師對考勤系統的期待原因是人工考勤會占用太多的課堂時間，而學生恰好不希望考勤；對于智能錄播功能，教師希望授課內容錄制下來作為MOOC、SPOC等在線學習資源，而學生對此持無所謂態度。對于智能控制功能，師生認為是教室管理員的事情，跟自己不相關。

圖2 智慧教室功能統計

另外，在半結構訪談中發現，不同學科師生的功能需求不同。例如，對于計算機類課程，需要具有高速、穩定的無線網絡來進行相關環境搭建；農學、林學等則需要清晰的圖像顯示功能和師生端實時的多畫面對比顯示功能。外語、法律等文科類課程，需要能自由拼接的活動座椅便于小組討論或辯論，也需要燈光、背景、溫度等舒適的環境。

2.4 智慧互動教室的教學模式調查

利用智慧教室開展教學模式的調查主要采用半訪談形式，提供可選擇的教學模式有：講授式、自主探究式、小組協作式、翻轉課堂式、情境體驗式、遠程協同式、游戲化學習等，并且分別做了解釋。通過訪談發現，教師喜歡的教學模式從高到低依次是翻轉課堂式、小組協作式、自主探究式和講授式。學生喜歡的教學模式從高到低依次是小組協作式、情境體驗式、翻轉課堂式，游戲化學習(見圖3)。

圖3 智慧教室教學模式統計

3 智慧互動教室的建設案例

浙江農林大學自2014年開始，開展了以本科教學審核評估為契機的“教學信息化條件及資源建設”項目，目前已經建成智慧互動教室6間，座位數約300座。以我校智慧互動教室中的1間約90 m2(40座)的教室為例(見圖4)，介紹智慧互動教室的建設原則、系統模型和實施方案。

圖4 浙江農林大學智慧互動教室的全景圖

3.1 建設原則

我校的智慧互動教室在建設過程中，總體上遵循“統一規劃、統一標準、立足需求、整合資源、分布實施”的建設原則，采用“全程管理(甲方)+招標系統集成商(乙方)+第三方項目監理(丙方)”的項目建設方式。

在建設方案上遵循“四簡+四易”的原則。① 架構簡單、設置簡單、操作簡單、功能簡單。每個功能模塊只需配備相關硬件和軟件產品，無需繁瑣的輔助系統；設備能即裝即用，無需其他過多設置；所有功能只需通過幾個快捷操作鍵就能完成操作；模塊化設計，注重實用性，用戶按照流程就能完成所有的功能。② 易維護、易擴展、易復用、易管理、靈活性好[11]。設備軟硬件采用嵌入式設計，整個系統易維護、易擴展、易管理；對于原有的投影、電腦、白板、音響等多媒體設備重復利用，復用性高。

3.2 系統模型設計

基于智慧互動教室的定位、特征和建設原則，綜合考慮了師生的微觀需求和信息化校園的宏觀架構，通過對來自于教育學、教育技術學、計算機科學與技術、建筑學、人體工程學等領域20位專家就“智慧互動教室的認識”進行了意見征詢，借此構建了智慧互動教室的系統模型[12-13]，如圖5所示。該系統模型是由環境設施、資源管理、智慧交互、智能錄播四個應用支撐模塊組成，核心是智慧互動平臺。

圖5 智慧互動教室系統模型

(1) 環境設施模塊。主要是通過基礎設備實現環境的智能控制、設備的智能控制、多終端(筆記本電腦、平板、手機等)的互聯互通和桌椅的自由組合。

(2) 資源管理模塊。主要是通過資源管理平臺實現學習資源的展示和管理、學生的在線學習和測試、微課制作等，實現教學資源不斷積累和自我生長，滿足學生的資源需要。

(3) 智慧互動模塊。是通過物聯網設備和無線網絡環境實現人、環境、設備之間的自然、流暢、高效互動，其核心是師生的分組研討、多屏互動、成果分享、答疑輔導、遠程交互。

(4) 智能錄播模塊。是通過智能錄播系統實現授課過程的自動跟蹤、智能導播、同步錄制、網絡直播，供課后復習和教學觀摩用。該模型中，各模塊相對獨立，自成體系，最后通過智慧互動平臺的標準化接口，各建設單位可以根據需求對各模塊的整合、互聯和管理[14]，同時與學校教務系統、統一身份認證系統等其他信息化校園平臺對接，有效拓展教與學的時間和空間。

3.3 實施方案

(1) 環境設施模塊。環境設施模塊，具體設計如下：① 座位數。根據教室的實際結構(長方形)和層高(3.3 m)，設計成40座。② 照明設置。學生區設置30組柵格燈(32W×3/組)，平均照度≥300 lx；教師授課區采用6組三基色冷光燈(55W×4/組)，區域照度≥500 lx。③ 聲音處理。墻面和頂面均采用吸音材料，墻面采用防火型聚酯纖維棉，頂面采用礦棉吸音板，整體隔聲系數≥40 dB。④ 色彩配比。教室四周采用“米色(頂面)+藍色(墻面)+米色(地板)”的色調，產生冷暖對比，給人一種安靜、理智、穩定，廣闊的感覺。考慮到大學生群體年輕活潑的性格特質，桌椅采用“白色+橘黃色”，給人一種舒適、開朗、溫暖的感覺，整體教室色彩時尚明快，搭配合理。⑤ 桌椅設置。桌子采用1.4 m×0.7 m×0.7 m×0.7 m梯形規格、可自由拼接桌子，桌椅自由組合形式如圖6。⑥ 網絡環境。配置大功率無線AP，最大可支持50點位的移動終端同時訪問。⑦ 環境智能化控制。通過物聯網設備對音響、燈光、空調、電視、窗簾、溫度的智能化控制[15]。

圖6 桌椅自由組合形式

(2) 智慧互動模塊。智慧互動模塊，具體設計如下：①分組研討。教師根據教學模式需要，通過桌椅自由拼接組合，將學生分組(教室可分4～6組，每組6～8人左右)，每組配備顯示大屏和手寫白板，學生以小組為單位進行交流研討。②多屏互動。每組配HDMI線和無線同屏互動網關，師生可將自帶筆記本電腦、平板電腦、智能手機等移動終端內容交互投送到本組的顯示設備上，實現多屏同步顯示、互動批注、文件傳輸等功能，每組也可4人(最多)同時將內容投送到屏幕上比對討論。③成果分享。每組學生討論的內容或成果通過控制面板可以傳輸給其他組顯示屏進行分享，并可投送到教室大屏上進行示范演示、批注和講解。④簽到點名。智慧互動模塊與學校教務系統對接，學生利用移動終端直接登錄教室的無線熱點，打開瀏覽器自動登錄系統，輸入學號即可進行簽到。應到人數、實到人數一目了然，教師也可從已簽到的名冊中隨機抽取學生提問。⑤在線答疑。假如在教學的過程中設計了提問環節，學生通過互動系統對教師授課內容(PPT)進行問題標注，然后發送到教師的客戶端，教師可針對性的做出答疑。教師可通過系統設置客觀題和主觀題，學生在線答題，答題結束自動統計成績。⑥遠程交互。教室配備了視頻會議終端，通過視頻會議系統實現校內或校外多個教室的實時互動教學，真正實現跨區域“同上一堂課”或“視頻會議”，我校智慧互動教室至少同時支持4個教室的在線實時互動。

(3) 資源管理模塊。①資源管理。通過資源管理系統實現視頻學習資源管理功能，包括存儲、點播、直播、教研、監控、編輯等功能。②在線學習與測試。基于資源管理系統，學生利用各種終端設備進行在線學習和作業測試，教師提供學習資源和輔導學生疑難問題。③微課制作。資源管理模塊提供知識點定位、視頻切片、編輯轉碼、添加封面、添加字幕等微課編輯功能，教師通過調用系統海量多媒體素材在線輕松簡單的制作內容豐富的、不再枯燥的微課。

(4) 智能錄播模塊。智能錄播模塊主要由高清攝像頭、高清錄播主機、調麥、調音臺、音頻采集設備、視頻采集系統及其他輔助設備共同組成，主要實現以下功能：①自動跟蹤。教室配備的4K高清攝像頭自帶定位分析和圖像跟蹤功能，當教師在講臺區域走動時，高清攝像機對教師進行跟蹤近景或特寫拍攝，并能夠始終跟蹤教師走動；當學生起立回答問題時，實現對學生的自動定位、跟蹤和近景拍攝。②智能導播。根據場景需要，智能錄播模塊采用大量智能策略，自動完成教師、學生、板書、計算機畫面等多個場景的切換，切換合理、豐富，接近人工導播的感覺。[16]如：師生交互視頻畫面的智能切換、師生板書畫面的智能切換、授課計算機畫面VGA智能切換。當教師走動較快或走入學生聽課區域時，自動切換為教室全景畫面；當教師操作電腦時，畫面自動切換為電腦畫面；當有多名學生回答問題時，畫面自動切換為學生全景畫面。③同步錄制。智能錄播系統將自動跟蹤和導播產生的畫面和采集的聲音合成并同步錄制成視頻文件作為教學資源上傳到資源管理系統。錄制的視頻均為1080P的高清畫面，完全滿足高清觀看的質量要求。④網絡直播。配置了嵌入式架構的智能錄播一體機，通過音視頻編碼壓縮，將互動畫面傳輸延時做到2 s以內，可以在網絡上收看課堂直播。配置了直播終端，可以在電視機上收看課堂直播，真正實現高效互動。

(5) 移動學習。智慧互動平臺提供移動終端APP軟件，支持IOS和android系統。學生手機或平板安裝APP軟件即可進行移動學習，如在線點播、直播互動、在線作業、視頻上傳等。教師通過移動APP可進行移動授課，如PPT演示，重點批注，作業批改等。

本案例建設的智慧互動教室主要設備拓撲結構如圖7所示。

圖7 系統設備拓撲圖

4 效果與反思

4.1 效果

通過智慧互動教室近1年的運行，對部分授課教師和30余名同學進行了半結構式訪談，收集了師生關于智慧互動教室的反饋意見。①教師和學生對智慧互動教室的效果都持肯定態度，都認為智慧互動教室能激發學習興趣、提高教學效果。②在實際過程中，教師對是否將其作為智慧互動教室使用的看法不一，有一些教師只是當作普通教室使用。通過訪談發現，有些教師雖然認可智慧互動教室的效果，但因操作不熟練、或與教學過程、教學內容融入的不理想，影響了授課思路和授課質量，因此只是當普通教室使用。那些計算機水平較高、操作較為熟練的教師都愿意選擇它進行授課。

通過對使用效果較好的3位教師進行了一對一深度訪談，訪談結果表明：①使用智慧互動教室授課后，學生的出勤率有明顯提高，現在每節課幾乎全勤；學習任務完成率有明顯提高，從原來的60%提升現在的85%左右；學習的積極性有明顯提高，以前課堂氣氛沉悶，現在互動頻繁，氣氛活躍。②學生的學習成績明顯提升。從期末考試來看，實驗班與對照班平均成績差別不大，但是主觀題目的回答，實驗班的條例清楚，答案有深度。③教師備課熱情明顯改變。以前教師備課只需要把原來的PPT修改一下，使用智慧互動教室以后備課需要精心設計互動過程和教學情境，備課量加大，但也很積極充實。④使用智慧互動教室以后師生互動增多，教師對學生更加熟悉，師生情誼加深了。

4.2 反思

通過訪談也發現，使用智慧互動教室進行教學，盡管取得了良好的教學效果，但在其實踐過程中也存在著一些問題。比如，個別老師的計算機使用水平不高，操作不熟練，從而影響了學生參與的積極性；教師課外隱形工作量增加了，時間長了會因精力不足導致互動教學實踐半途而廢；課堂上允許學生使用手機，學生會因瀏覽微信或QQ而影響學習的進度；學生長期習慣了被動接受知識，造成課堂互動的積極性、討論的深度及廣度不高等問題。需進一步加強舉措：①提升智慧互動教室的體驗感。通過翻轉課堂、小組協作式等混合式教學模式的課堂示范或演示，讓師生對智慧互動教室有良好的體驗感。只有良好的體驗感，才由興趣和信心將智慧互動教室融入教學。②加大教師教育技術應用能力的培訓。既要培訓智慧互動教室的使用方法，只有操作熟練了，才能將智慧互動教室與教學過程和教學內容更好的融合。還要培訓翻轉課堂、互動式教學模式等新的教學理念，通過培訓讓教師選擇適合學科特點、學生認知水平的教學模式將將智慧互動教室用好。③針對不同學科特點及實際教學需求，建設不同功能和類型的智慧互動教室。例如，對于法政、外語類學科通過環境的改造建設小組互動研討教室；對于農、林、醫等學科建設能異地交流、實時互動的遠程互動教室；對于有微課、MOOC建設任務的教師，建設高清錄播教室；對于開展混合式教學模式的教室，建設能課堂翻轉、角色互換的網絡互動教室。

綜上所述，智慧互動教室的應用效果得到了師生的認可，但如何確保智慧互動教室在混合式教學中的充分使用、如何測量其對教學的影響，還有待更多的教學實踐探索。