高校智慧教學環境的認識、內涵和實踐途徑研究*

崔亞強 甘啟宏 余淇 王春艷 田建林 黃曉麗

摘? ?要：智慧教學環境的構建是實現學校教與學方式變革的基礎，是實踐智慧教育的必然選擇。文章首先在總結高校智慧教學環境建設實踐現狀和問題的基礎上，從教學環境的理解、智慧教學環境的淵源和解讀三個方面梳理對智慧教學環境的認識;然后提出智慧教學環境的概念模型，描述智慧教學環境應具備的主要功能并給出分級建議;最后提出智慧教學環境的典型建設模型，并分析智慧教學環境下典型教室形態的特征，以期為后續智慧教學環境的研究和建設提供借鑒。

關鍵詞：智慧教學環境;智慧教室;學習空間;智慧教育

中圖分類號：G40-057 文獻標志碼：A 文章編號：1673-8454（2020）23-0013-05

近年來，“智慧教育”“智慧教學環境”“智慧教室”已經成為學術界的研究熱點。《教育信息化2.0行動計劃》提出“智慧教育創新發展行動”，指出要開展以學習者為中心的智能化教學支持環境建設與應用[1]。國標智慧校園總體框架對智慧教學環境的定義及標準進行了規范。陳寶生部長在《努力辦好人民滿意的教育》一文中發出“課堂革命”的改革號角[2]，高校也紛紛探索教學改革之路。在智慧教育背景下，高校如何以教育教學改革理念為導向，推進智能技術與教學融合創新，結合校本特色構建新型智能化教學環境，推動人才培養模式、教學方法的改革，成為高校教育技術工作者關注的熱點[3]。

一、高校智慧教學環境建設現狀

隨著高校教育教學改革的深入推進，以教室為主體的教學環境重構日益成為高校研究和實踐的重要課題。西安交通大學構建了包括基礎設施、基礎網絡、網絡感知、學習資源重復利用平臺、電子考勤、教務督導、IP語音對講和電子班牌的智慧教室[4]。上海交通大學構建了功能涵蓋智能控制、無線投屏、答題分享、遠程交互、記憶白板、云錄播、在線督導、考勤系統的智慧教室[5]。廈門大學以課堂教學改革為指導理念，通過無線網絡環境、交互式電子白板、課堂任意分組、互動教學系統、多終端支持、智能管理、實時應答系統、課堂大數據分析八個維度構建智慧教室[6]。中國礦業大學智慧教室主要由中央智能集控系統、多屏教學展示系統、課堂在線交互系統、環境智能監控系統和高清課堂直錄播系統組成[7]。華中師范大學智慧教室由智能化教學設施、多樣化空間環境、物聯網環境管理、云端一體化教學平臺、資源生成系統、學習行為采集分析系統、交互空間建設等組成[8]。四川大學以課堂教學改革為導向構建智慧教學環境，包括多類型互動教室、環境智能控制系統、教學互動系統、環境信息服務及公共空間建設[9]。

目前我國高校智慧教學環境建設已經取得一定成效，但也存在一些不足。一是在教學環境重構中有的偏向于設施自動化或智能化改造，有的偏向于互動教學系統建設，有的偏向于互動空間打造;二是硬件系統、基礎軟件、應用軟件沒有真正融合，教師上課需要在不同系統、不同模式間來回切換，數據也不能夠有效交換，給師生帶來諸多不便;三是依托教學環境采集、產生的教學大數據處理與分析相關研究還不夠深入。這些問題固然有學校自身特色和實際的原因，但更重要的還是源于對智慧教學環境、智慧教室的內涵理解不夠清晰全面。因此，本研究深入探討智慧教學環境的認識、內涵特征及實踐途徑，有利于破解關于智慧教學環境理解的一些困惑，更好地促進智慧教學環境的未來發展。

二、智慧教學環境的認識

1.教學環境的理解

《教育大辭典》（1990年）指出教學環境是影響教學活動的各種外部條件[10]，狹義的教學環境特指班級（教室）內影響教學的全部條件。從教學環境的定義可以看出，教學環境的概念包含更豐富，智慧教育背景下，學校教學環境稱作智慧教學環境比智慧教室更為合適。《國際教學與師范教育百科全書》把教學環境分為物理環境和心理環境，對于教學環境的研究在關注物理環境的基礎上，還要考慮物理環境對心理環境的影響。

2.智慧教學環境的淵源

當前許多人認為智慧教學環境與智慧城市一樣源于IBM公司提出的智慧地球概念。但是從智慧地球的三個要素，即物聯化、互聯化、智能化來看，遠不能涵蓋智慧教學環境的定位。本文認為，智慧教學環境不僅僅是環境的智慧化，其重心更在于對智慧教學的環境支持。而智慧教學或者智慧教育是當前時代發展的需要，更是國家創新發展戰略的需要，更與智慧地球無關[11]。從智慧教育概念的淵源來說，至少可追溯至錢學森教授在1992年11月13日提出的“大成智慧學”以及1993年10月7日提出的“大成智慧教育”[12]。在其理論里，智慧主要是指“創新與創造”能力，核心要義是強調“量智”和“性智”的結合、科學與藝術的結合、邏輯思維與形象思維的結合、思維的整體觀和系統觀的結合。近年來，在國家教育教學改革政策的指引下，各學校推進的以知識傳授為主轉變為以思維與能力的提升為主，傳統的灌輸式教育轉變為啟迪學生異想天開、激發學生創新創造的教育，傳統應用知識學習轉變為創造知識學習等教育教學改革，這些都為智慧教育教學理論的不斷豐富發展提供了實踐基礎。

3.智慧教學環境解讀

基于對智慧教學環境淵源的梳理，本研究認為，智慧教學環境是以教育教學改革理念為指導，以充分支持智慧教學和激勵教與學雙向創新為根本目的，綜合運用教育學、心理學、空間設計學、人體工程學等多學科知識打造的開放、友好、互動、多樣、智能的新型教學環境。智慧教學環境可以分為三個層次：智慧教學的環境、智能的教學環境和智慧的教學環境。

第一層次是智慧教學的環境。無論是古代的茅草屋還是現代化的教室，都是為教師的教和學生的學服務，讓教師的智慧得以發揮，讓學生的智慧得以啟迪。古代孔子講學采用開放式互動型教學形態，同時帶領弟子周游列國進行實踐教學，可視作古代智慧教學的典型案例，也對我國教育教學產生了深遠影響。著名英國教育家懷特海在《教育的目的》一書中也提到教育的全部目的就是使人具有活躍的智慧[13]，啟迪智慧是學校教育更加偉大和根本的目的，教育的本質就是啟迪人類的智慧。教學作為學校教育最主要的組成部分和基本途徑，不僅僅是知識的傳遞，其更重要的使命在于對學生智慧的啟迪。由此，對智慧教學的支持即智慧教學的環境，也理應是教學環境的基本屬性。智慧教學的環境主要以開放性、互動性、協作型、多樣性為基本特征，其建設目標和意義主要在于打破工業時代傳統教室形態對師生教學活動的限制，重構教學環境，支持和引導師生積極開展以互動式教學、啟發式講授、批判式討論為主要形態的智慧教學。

第二層次是智能的教學環境。國務院《新一代人工智能發展規劃》提出開發立體綜合教學場、智能教育助理，建立智能的教育分析系統，建立以學習者為中心的教育環境[14]。教育部《教育信息化2.0行動計劃》明確要求開展以學習者為中心的智能化教學支持環境建設，推動人工智能在教學、管理等方面的全流程應用，探索泛在、靈活、智能的教育教學新環境建設與應用模式[1]。本文認為，以上文件對智能的教學環境建設給與了明確指導和要求，而國家標準《智慧校園總體框架》中給出的智慧教學環境定義——集智能化感知、智能化控制、智能化管理、智能化互動反饋、智能化數據分析、智能化視窗等功能于一體的用以支持教學、科研活動的現實空間環境或虛擬空間環境，則是對智能的教學環境非常合適的定義。智能的教學環境其建設目標和意義主要在于利用智能技術加快推動人才培養模式、教學方法改革，構建包含交互式學習、個性化學習、終身學習的新型智慧教育體系。

第三層次是智慧的教學環境。錢學森1993年提出的“大成智慧教育”的顯著特點之一，就是提出充分利用計算機和信息網絡，發揮人機優勢互補的長處，使人能夠及時獲得和集成廣泛而新鮮的信息、知識與智慧，培養創新能力[15]。“大成智慧學”為智慧教育和智慧的教學環境提供了理論基礎。未來智慧的教學環境將實現人的智慧與環境（機器）的智慧協同，為智慧教育教學提供強大支撐。智慧的教學環境是智慧教學環境的高級形態，其實現必須要依賴人工智能不斷發展成熟，使機器系統從智能向高度人工智能（或者說是人工智慧）進化，從而為人的智慧發展提供無限可能。

三、智慧教學環境的內涵特征和實踐途徑研究

1.智慧教學環境概念模型與主要功能特征

結合教學環境研究，本文提出智慧教學環境的概念模型，如圖1所示。智慧教學環境具備環境溫馨友好、空間無限延伸、聯通隨時隨地、智能如影隨形的基本特征。智慧教學環境以適當的技術作為支撐，能實現教學環境智能化管理、環境及師生行為智能感知，優化教學內容呈現，便利獲取多元化教學資源，便捷開展覆蓋全過程的教學互動，進行多維度數據記錄與分析，有效支撐教師開展互動式、混合式、個性化教學等智慧教學，促進學習者有效學習，便利管理者智能化管理，推動教育教學改革，為培養智慧型人才服務。

鑒于技術發展制約和學校建設的多因素考量，智慧教學環境的研究與建設是一個不斷完善的過程，結合智慧教學環境功能特征將智慧教學環境進行分級，具體如表1所示。

2.智慧教學環境典型建設模型

結合當前技術發展和教學環境實踐經驗，提出智慧教學環境典型建設模型，如圖2所示。高校在進行智慧教學環境建設時往往難以一步到位，可以結合該建設模型逐步進行，在建設教室終端和應用系統的基礎上，以數據貫通全流程，基于數據進行交換與處理，實現數據智能以及智慧應用。

（1）底層應用（數據獲取）

教室通過智能終端集多媒體教學、教學互動、課堂錄播、遠程互動、語音助手、電子板書、智能感知、智能控制等功能為一體，既可在離線狀態下為課堂教學提供所有基本功能支撐，又可在在線狀態下實現課堂教學數據與教學應用系統的交互。課堂生態可視化系統、智能教室服務管理系統、資源平臺、教學平臺、教學互動系統、教務系統等基礎應用系統構成教學環境的線上基礎環境，為課堂教學提供教學互動服務、資源服務、數據服務，獲取教學環境、教與學的行為數據。

（2）數據交換與處理

基礎應用系統產生的數據匯聚到數據采集、交換平臺，實現不同系統間原始數據的交換共享。平臺數據通過數據清洗、數據集成、數據歸約和數據轉換等處理，實現不同系統數據的標準化與共享。數據標準化后，使用大數據和人工智能技術，構建面向教、學、管、評不同業務應用的數據分析算法模型庫。

（3）智慧應用

基于數據處理建立的算法模型庫，實現教學大數據分析，進行學生、教師、課程、學院、學校等不同層級個體、組織的教與學畫像;識別教師、學習者特征，提供教與學分析、個性化評估、智能化診斷與評價、學業預測預警、教與學資源智能推送、個性化教與學方案推薦等服務;結合教育管理業務模型，為智能管理和決策提供支持。

3.典型教室形態

教室是智慧教學環境的重要組成部分，智慧教學環境下教室環境的建設尤其重要。根據智慧教學環境的建設目標，教室環境的建設必須以教與學改革需求為導向，結合實際情況，開展選擇性構建，要充分考慮不同學科、課程的教學需求，創新設計富有學科特色、滿足不同類型教學需要的多類型智慧教室。本文將目前智慧教學環境下的教室歸納為以下三類：

（1）通用型教室

通用型教室是指能夠滿足不同學科、課程的共通性教學需求，適合開展互動式、小組協作式、混合式、翻轉式等常用智慧教學模式的新型教室。通用型教室對智慧教學的支持主要包括三種典型表征：①便捷開展多種互動教學。師生可以隨意拼接活動桌椅、自由設計教室布局、便捷接入移動設備、搭建專屬研討空間，既方便小組討論，又適宜集體匯報;支持多屏顯示和互動，教師集中講解時，不同方位學生就近觀看教學內容，分組研討時，各組學生可獨立進行組內協助分享，小組匯報時，支持本機內容廣播。②多樣化視覺呈現方式。改變傳統的教學內容演示與呈現方式，將“內容呈現權”平等交給教師和學生。師生可通過超大屏幕、多屏、多視窗等呈現方式對多個教學資源進行展示、對比、縮放、注釋，豐富教學內容呈現方式，拓展資源切入廣度和深度，引導學生深度參與教學活動，達到教師與學生、學生與學生、人與資源的有效互動。③課前課中課后教學互動一體化支持。在線上教學環境支持下，開啟隨時隨地互動。課前教師推送學習資料或測驗，學生多終端學習，教師可及時開展學習者需求分析，為后續教學做準備;課中學生與教師進行實時互動，開展簽到、答題、提問、資料傳輸、分組教學等教學活動，教師根據學生反饋情況及時調整教學進度與方法，確保學生思維活躍，注意力集中;課后教師發布作業考試，完成學習效果檢驗。教師可準確掌握教學情況，統計分析學習情況，全面記錄互動過程，高效診斷教學效果。

（2）沉浸式教室

沉浸式教室是指利用VR、AR、全息投影等技術創建擬真教學情境，主要應用于“互動式、體驗式、參與式”教學模式，具有“突破時空”“身臨其境”的特征，有利于調動學生獲取知識的主動性，增強學習體驗。沉浸式學習通過體驗創設有利于學生間學習和實踐的模擬情境，從而產生更加真實、更加互動和更難忘的學習體驗[16]，促進對知識的領悟。沉浸式教室主要有以下三種實現類型：①遠程協作。將兩個不同空間的設計、布局及燈光融為一體形成鏡像，聲音定向每個學生，支持多人在同一時間進行互動。適用于理工科的共同推演，藝術類共享表演空間及隔空排練，實現跨校、跨國教學。②全息技術。通過全息投影來記錄并再現物體的三維信息，將更加真實的3D畫面呈現出來，打破虛擬世界和現實世界的阻隔，師生可以隨時隨地體會到真實的畫面沖擊感，如化學元素結構、醫學人體器官、建筑學房屋結構等。③虛擬技術。通過VR、AR、MR等虛擬技術手段，創設虛擬情境，讓學生有身臨其境的真實體驗。典型應用包括：虛擬實地體驗，學生可以去體驗那些很難或根本不可能去的地方，如火山、極地、歷史場景等;模擬手術，幫助學生了解身體運作機制，體驗真實生活中的手術步驟;虛擬建模，學生可模擬建筑設計效果，驗證設計是否正確、需要如何修改，或可利用虛擬組件構建汽車，并根據建模環境中設定的物理法則來模擬運行。

（3）教育創客空間

教育創客空間主要應用于PBGS教學模式（Project Based Group Study，基于項目的團隊學習），該模式以項目為載體，創設一個真實或仿真情境，引導學生在協作完成教學項目的過程中掌握知識和提高能力[17]。教育創客空間是為師生創客群體提供的創意交流、創新分享、創業實踐的平臺，支持校內外跨學科的創意交流和協作實踐，是一種新型的知識傳播與交流共享平臺。教育創客空間主要具備以下特性：①提供計算機、投影儀、掃描儀、機械工具、電路元件以及以3D打印機為主的各類新興數字化制作工具等物理性資源，幫助創客群體開展操作與實踐。②提供3D建模軟件、開源程序代碼、信息資源以及各類應用軟件等虛擬性資源，幫助創客群體更好地進行創意孵化。③創客空間中相關領域的專家、學者為創客群體提供智力輔助。

四、結束語

教學環境對于學校教與學的變革起著不可或缺的支撐作用，實踐智慧教育需要以智慧教學環境作為基礎支撐。智慧教學環境作為一個新的事物，需要通過不斷地研究與實踐，逐步明確其本質要求，完善其建設內涵、評價指標、技術保障等，以更好地支撐智慧教學，為智慧教育提供無限可能。本文基于對智慧教育、教學改革的研究，結合近年的建設實踐經驗，對智慧教學環境的認識進行了梳理，并探討了智慧教學環境的概念模型、主要功能特征、建設模型和典型教室形態，希望能為智慧教學環境的研究提供借鑒。

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（編輯：王曉明）