智慧教室的設計與其對教學的影響探究

李海勝 姚存治 劉開茗 王艷萍

0 背景

智慧教室是一種智慧學習環境，更是智慧教育的時代體現。智慧教室的“智慧性”涉及教學內容的優化呈現、學習資源的便利獲取、課堂教學的深度互動、情境感知與檢測、教室布局與電氣管理等多個方面，可概括為內容呈現、環境管理、資源獲取、及時互動、情境感知等五個維度[1]。

智慧教室充分利用現代技術手段，在輔助教學的同時也在潛移默化地改變著教育教學方式。從投影儀、PPT，到現在的智慧終端、電子白板反映的正是教學設施隨信息技術的進步不斷地升級換代。與此同時，教學方式的改變也對教學設施與環境提出了更高的要求，即教學設施與環境能夠支撐靈活多樣的教學設計，能夠充分展現多樣的教學資源，能夠便捷地開展師生互動，能夠隨時記錄學習過程。最終教學設施與環境的改變，潤物細無聲地促進教學理念的改變。

智慧教室建設的核心與重點是如何更加有效地輔助教育教學，而非設備先進性的展現。目前，國內智慧教室的研究主要集中于智慧教室的設計和建造，更多地關注技術水平的先進性與功能的多樣性[2]。很大程度忽視了智慧教室的適用性與實用性，造成了智慧教室建設成本居高不下的問題，此外智慧教室應用成效還處于初期探索階段。

1 智慧教室建設理念與設計思路

1．1 設計理念

1.1.1 以專業、課程需求為導向

高等職業院校（以下簡稱高職院校）不同專業對智慧教室的功能需求也不盡相同。以物聯網應用技術專業為例，該專業注重物聯網技術的應用開發，對智慧教室的需求著重于專業知識與智慧教室環境相結合。智慧教室在具備內容呈現、師生互動、資源獲取的同時，應更多偏重環境管理與情境感知方面，將專業知識真實地呈現在學生面前，這更有利于教師專業教學與學生專業學習。一些基礎課程如《高等數學》，課程內容偏重理論知識與邏輯推導。任課老師開發了立體化教材，學生通過手機APP 掃描二維碼即可查看視頻講解。這種形式一方面將抽象內容形象化、具體化；另一方面改變教學方式，以在線資源為支撐開辟學生線上、線下學習的方式。此類課程更多地要求智慧教室資源獲取的便捷性，對智慧教室網絡環境有較高要求，智慧教室應當滿足學生對教學資源的大開發與高通量訪問需求。

1.1.2 與智慧校園建設相互融合

智慧校園、智慧教室系統相互“隔離”。一些高職院校存在有線網絡老化、無線網絡建設滯后與校園訪問潮汐困境（在短時間內，學生集中訪問網絡資源，如學生網上選課，給服務器造成了巨大的壓力，而其他時間并無較大的訪問量）等現象，這在一定程度上制約了智慧校園功能的發揮同時也降低了智慧教室的能效。

調查顯示，大量智慧教室建設方案涵蓋智慧教室五個維度，系統內部存儲了大量教學資源。但上述資源僅服務于智慧教室，脫離智慧教室卻無法發揮作用。這就造成智慧教室系統與應用的“系統”孤島，無形中降低了其應用效能。

智慧教室應用數據無法融合到智慧校園當中用于學習分析。智慧教室應用與教務系統、學生信息管理系統等系統隔離，智慧教室采集的學習數據無法融入智慧校園業務系統當中，這給智慧教室效能的發揮帶來了負面影響。二者相互融合才能將教師教學數據、學生學習數據融合在一起，然后采用大數據等技術手段對教師教學過程、學生學習過程，線上教學資源的使用情況進行分析、評價，為教學質量的提升提供依據。1.1.3 突破教室空間“限制”打造智慧學習環境

智慧教室的定義明確指出“智慧教室是一種智慧學習環境”而非教室當中的智慧環境。目前智慧教室的建設主要集中于智慧“教室”的建設，而非智慧“環境”的建設，這給智慧教室的建設帶上了一個無形的“枷鎖”。這也形成了目前千篇一律的智慧“教室”的建設模式。

依據目前線上教學、反轉課堂等教學模式，綜合智慧教室與智慧校園建設相互融合的原則，大力建設校園有線無線網絡，開放教務系統信息，采用大數據、人工智能等先進技術，打造校園內無處不在的學習環境，將校園建設成為一個智慧教室（智慧環境），從而打破智慧教室建設的局限。

1.1.4 空間環境“多姿多彩”

傳統教室在布局上對空間進行一分為二的劃分，這種設計便于教室后部的學生看到教師與黑板，從空間的角度提升了教師教授知識的權威性，提升課堂教學的效率。但是這也拉遠了教師與學生之間的距離，使學生產生畏懼心理，阻滯學生與教師之間的互動，不利于課堂教學。此外，傳統教室在色彩搭配上千篇一律的采用白色。白色莊重、典雅，適用于大型教室，但應用于小型教室上則有顯單板缺乏靈動。

智慧教室在設計上應摒棄一分為二的布局、一成不變的白色，應當基于教室用途、面積，設置多樣的布局，運用多種色彩，營造更加舒適的學習環境。

1.2 建設分類

1.2.1 通用型智慧教室

通用型智慧教室注重內容優化呈現、學習資源的便利獲取、課堂教學的深度互動等通用需求功能的實現，主要面向注重內容呈現、學習資源的便利獲取、課堂教學的深度互動等方面的課程或專業使用，由此通用型智慧教室具備相對統一的技術標準。上述課程與專業較少涉及專業相關技術設備與設施，無須在智慧教室中展示專業技術設備，而更多地要求在課堂教學過程中在線資源的獲取與展示、學生學習過程數據的采集等。基于通用型智慧教室的定位，通用型智慧教室的主要支撐課程為公共基礎課程、專業基礎課程等，如大學英語、思想政治教育、創新創業等。通用型智慧教室主要包含多屏教學系統、課堂在線交互系統、人工智能課堂評價系統等。

1.2.2 專業型智慧教室

專業型智慧教室在具備通用型智慧教室全部功能的同時，還部署了專業教學所需的設備與設施，主要面向專業技術課程使用。課堂教學需要智慧教室打造一個專業技術應用的真實環境，以此來滿足專業技術學習需求。基于專業型智慧教室的功能定位，專業型智慧教室的主要使用課程為專業基礎課程、專業核心課程等。因各類專業功能需求的不同，在設計建設專業型智慧教室時，須注重考慮相關專業技術知識的應用，由此專業型智慧教室沒有統一的技術標準。

以醫學類專業為例，討論其對智慧教室的需求。護理、呼吸治療技術、助產等醫學專業要求學習人體結構與功能、醫學免疫與病原生物等專業課程。而如何讓學生便捷地觀察、學習人體形態結構一直是醫學專業的教學難題。虛擬現實技術（Virtual Reality 簡稱VR）應用之前，只能讓學生觀看各種人體標本、模型、圖示。VR技術為醫學教育帶來了一種全新的技術手段。借助VR構建各種人體器官、系統的三維模型，學生可通過手機、VR 頭盔、電腦等途徑多角度觀察學習人體結構。VR 系統還支持模擬解剖，并且對學生的操作給予反應，如血管破裂血液流出等，相比傳統的尸體解剖，VR方式成本低且沒有時間、場地的限制[3]。

由此可見，醫學類專業對智慧教室的要求偏重于虛擬現實設備以及虛擬現實教學系統的部署與應用。

1.2.3 智慧教育點

智慧教育點是在校園網絡、應用的支撐下，采用虛擬現實等新技術在室外打造的“智慧教室”，突破場地的空間限制，將智慧教室的建設從“教室”擴展到操場、花園、會堂等場所。在這些場所，各類移動終端、學習平臺均可訪問在線資源，接入各類學習平臺，實現隨時隨地的個性化線上線下學習。智慧教育點的建設打破了場地對智慧教室的限制，將智慧教室的建設從室內擴展到室外，形成了智慧教室新的建設模式。

隨著網絡課程資源建設，在線資源種類、數量、體積逐步增多變大并且新冠肺炎疫情期間直播、錄播課程大范圍使用，在線教育對網絡資源（網絡速度與網絡帶寬）的要求越來越高，采用商業網絡模式無法滿足要求。此外，部分智慧校園與智慧教室的系統與應用在校園網外部無法訪問，這給智慧教育點在線資源的獲取以及學生學習數據采集造成了障礙。由此，智慧教育點的網絡環境優先采用自建、免費使用模式。

2 智慧教室對教學模式的影響

智慧教室建設的目的即是利用先進的信息化技術、設備與設施，為教學活動的實施提供更多的便利與手段，輔助提升教學質量。智慧教室配備的教學設備是為教學服務的，應為師生提供盡可能多的選擇，不能一味追求科技含量而忽略此最本質的功能。隨著新技術的應用智慧教室給現有教學方式帶來了以下影響。

2.1 資源獲取、內容呈現更直觀

智慧教室最重要的基礎部分是高速、大帶寬的無線網絡。教學過程中教師讓學生下載教學資源；獲取資源后，教師學生手中的各類終端才能發揮應有的作用。多種資源的使用，將課本抽象、復雜的知識通過多樣的形式表現出來，降低學生理解難度，提升學生學習效率。此外，有了網絡的支撐，各種設備、系統、應用才能被訪問，學習過程數據才能被采集。

智慧教室最直觀、最醒目的部分是智慧教室四周的多個顯示屏幕。在教學過程中，教師在線獲取教學資源，并在多個顯示屏幕上同步顯示或分屏顯示，充分發揮各種類型資源的優勢，解決了普通教室后排學生因各種因素看不到、看不清黑板的問題。

2.2 師生交互更便捷

課堂師生交互讓教師即時掌握學生學習狀況，并即時調整教授進度與難度。傳統課堂教學，師生交互以提問、小測驗居多，覆蓋面小，教師無法全面、準確地掌握學生學習狀況。在智慧教室環境支撐下，各類教學軟件、終端支持開展各類師生交互，包括一鍵簽到、搶答、投票等。各類交互活動經系統后臺處理后，即時將結果傳遞給教師；教師對學生參與情況進行評判后，評判結果反饋給學生端，學生可即時查看。師生交互平臺的使用，促進師生交互由傳統一對一的“你問我答”向智能多元轉變，提升學生的課堂參與度。師生交互數據是學生學習數據的重要組成部分，師生交互的便捷更是有利于學習過程數據的采集。

2.3 學習過程記錄與分析

移動互聯時代，學生通過各種在線學習平臺進行學習。學習平臺主動記錄學生的學習過程，這些數據反映了學生的學習狀態和學習進度。學習分析源于商業智能和網站分析，是用戶數據分析在教育領域的應用，指的是對教育領域的“大數據”處理和分析[4]。學習分析通過對學生在線學習行為數據的分析，以倒溯方式考察影響行為產生動機和需求等因素，以及行為背后所隱藏的學習目的、學生個性特征、學習環境等元素，最終目的是優化學生的學習過程以及學習行為發生的環境[5]。在智慧教室框架下，融合教務、考勤、在線學習記錄等數據，對學習過程畫像，針對學生學習特征，差異性地推送學習資源，從而實現個性化、智能化學習。

3 結語

智慧教室是教育教學與信息化技術深度融合的產物，為教師轉變教學理念，更新教學模式提供了便利。基于高職院校實際，提出以專業、課程需求為導向，與智慧校園建設相互融合，突破教室空間“限制”打造智慧學習環境，空間環境“多姿多彩”的智慧教室設計理念。基于高職院校課堂教學實際需要將智慧教室的類型分為通用型智慧教室、專業型智慧教室、智慧教育點，優化智慧教室的建設布局，提升智慧教室建設的效能。基于智慧教室的應用，總結提出智慧教室對教學模式的積極影響：資源獲取、內容呈現更直觀、師生交互更便捷、學習過程記錄與分析。

信息技術的進步促進教室建設融入先進的技術，新技術新設備解決了傳統教學環境與模式存在的問題，促使教師不斷更新、轉變教學理念，改進教學方法，創新教學模式。與此同時，教師教育教學理念的改變，教學模式的創新對教學軟硬件設施提出了更高的要求，不斷促使信息技術的進一步創新升級。二者相互促進，相互影響，不斷改善課堂教學生態。智慧教室的建設與應用將會進一步成為未來智慧教育發展的新趨勢和常態。