基于PST 框架的智慧教室設計

程 敏

（華僑大學網絡與教育技術中心，福建泉州 362021）

0 引 言

隨著技術、教學、知識的發展，大學生的學習特點發生變化，課堂教學也出現了不正常行為和現象，如教學目標的迷失、教學方法的失當、教學內容的偏頗、學生的被動學習和無問題意識等［1］；課堂是教育發展的核心地帶，只有抓住課堂這個核心地帶，教育才能真正發展；以學生發展為中心，通過教學改革促進學習革命，積極推廣小班化教學、混合式教學、翻轉課堂，大力推進智慧教室建設，構建線上線下相結合的教學模式……一系列信息充分顯示了推動課堂教學革命已成為各學校的新機遇、新動能、新方向。

課堂教學主要由教師、學生、教材、學習環境四個要素構成，其中學習環境是促進學習者發展的各種支持性條件的統合，可通過內部多種構成因素的合理組合與呈現來促進學生的發展［2］；教室作為學生在校學習的主要學習環境，其優良程度直接關系著學生的學習與身心發展［3］；智慧教室作為技術與教育融合的產物，結合校本特色合理構建以智慧教室為代表的智慧學習環境，是推動課堂教學革命、完成教育信息化2.0行動計劃、實現智慧教育的重要途徑之一。

1 國內外智慧教室概述

1.1 學習環境設計框架

學習環境設計，期初是由高校的教育工作者推動并實施，但隨著時代的進步和應用深入，已無法單憑經驗把學習環境的各個要素相互融合，在設計上需考慮當下教育策略的發展趨勢和水平，并結合教育學、建筑學、信息技術、社會學、哲學和美學等學科相關理論。為此，一些研究者相繼從不同角度提出了學習環境設計框架，它通常規定了學習環境設計的流程和步驟，以及在設計過程中需要考慮的因素，如英國學院和大學圖書館協會從設計流程和具體步驟等方面評估學習空間影響為出發點，提出的影響研究模型；布里特爾等人綜合考慮教師、學生和規劃者三方的利益訴求，提出了個多向協作式的空間設計流程……這些框架的提出對于學習環境設計的具有積極意義，而且有些框架也應用于實際當中。

1.2 國內外智慧教室建設案例

近些年來，智慧教室的設計與應用越來越多，通過查閱相關資料，歸納國內外高校智慧教室案例的主要特點：美國北卡州立大學SCALE-UP 項目包含教學內容、教學方法、學習空間、評價方式等在內的一整套解決方案；美國艾奧瓦大學TILE項目轉換教師和學生的角色定位，促進教學活動中的交互，促進學生的主動學習與參與；加拿大皇后大學ALC項目的教室主要用于6 人一組的合作式學習，可進行組內交流討論或組間協作學習；香港大學“富技術協作教室”支持多種教學法，通過可移動、可自由旋轉的椅子和可移動的設備來增強空間的靈活性；北京師范大學未來學習體驗中心針對不同教學模式，設計相應教室教學空間［4］；華中師范大學智慧教室以StarC 云平臺為核心，貫通教師端、學生端、管理端和教育云端，打造融物理空間、資源空間、社區空間三維于一體的新型教學環境［5］。

1.3 智慧教室構建的共同特點與存在問題

對比國內外智慧教室研究發現，存在一些共同特點：①相比傳統教室，智慧教室的空間布局根據不同的教學模式靈活轉變，整個教學環境更舒適，更便于開展教學活動；②基于新興信息技術（軟、硬件系統）與教學業務深度融合，全面服務于教學，促進師生和生生的協作、互動和分享，提升整體教學效率；③教學主體由老師向學生轉變，以促進學生的主動學習、協作學習、激發學生學習興趣為目標的教學模式引入課堂，有效地提高學生的知識水平和素質。

在國家政策引導和教學改革需要的背景下，雖然有越來越多的學校將智慧教室建設提上議程，然而在設計與應用中也存在著個別問題，可以歸納為：①為建而建。智慧教室是信息技術的載體，是教學環境的創新，然而體制機制不健全，缺乏科學規劃與設計，達不到預期的效果；②建用脫節。缺乏系統思考和科學指導，沒有明確需求和功能，以及未形成有效教學模式和評估體系，導致項目推進效果差，教學應用不廣泛，未發揮其應有的作用；③重建輕用。建成后，缺乏對使用者（如教師和學生）的使用培訓或系統指引，導致其經常對復雜操作、不穩定的系統產生一些抵觸心理，也存在不知如何利用研討教學、小組互動等問題。

2 PST框架

通過上述對國內外智慧教室的環境設計框架、建設案例、共同特點和存在問題的歸納和梳理可以發現，智慧教室的設計不僅是具體的開發過程和實施，還應以學習環境設計框架為指導，并且對核心要素進行關注與提煉，即：不單從空間和技術層面，更應該從學生、教師、教學模式等多層面進行考慮。

2009 年由拉德克利夫（Radcliffe）提出“教學法-空間-技術”框架（Pedagogy-Space-Technology，PST）能夠帶來些啟示，PST框架強調在設計時應該考慮3 個相互聯系和制約的核心要素：教學法、空間、技術，即教學法通過使用空間與技術來得以實現理念和目標；空間促進教學，并使技術手段內嵌于其中；信息技術增強教學的效果，拓展學習空間的范圍，如圖1 所示。PST框架還根據學習空間的生命周期，分別從4 個要素（整體、教學法、空間、技術）詳述在“理念與設計”和“實施與運作”兩個階段應考慮的具體問題，其中“整體”是解決智慧學習環境設計的目的和期望達到效果，為此，在教學法、空間、技術3 個要素之前，還需對整體設計進行考量。

圖1 PST框架

PST框架提出，得到了國內外一部分研究者的認可，威爾遜（Wilson）和蘭德爾（Randall）利用PST框架設計、開發和評價了“the Pod Room”；劉永權等［6］利用PST框架進行智慧學習環境設計；許亞鋒等［7］基于改進的PST框架設計了面向體驗學習的未來課堂。

3 基于PST框架智慧教室設計

智慧教室與傳統教室相比，雖然增加了很多為教學而設計的應用，但仍是以學生發展為中心是不變的。本文從PST框架的4 個方面（整體、教學法、空間、技術）對智慧教室設計進行闡述。

3.1 整 體

智慧教室的整體設計思路根據PST 框架生命周期可分為2 個階段：“理念與設計”階段聚焦項目動機和目標，將教學、空間和技術的三者統一，并貫穿于教學全流程環節（備課、導學、互動，驗證、分析、協作、運用、指導、評估等），打造一個集新型教學應用、學習空間和智能設備于一體的協作、互動、共享、生態的教學環境；“實施與運作”階段開展提供智慧教室的培訓與指導，重建教學價值觀、教學法和行動策略，已保證智慧教室的應用成效。整體細節可分為：

（1）傳統課堂向智慧課堂轉化。信息技術融合教育教學主要是促進課堂深度應用，即將課前、課中、課后環節進行有機融合，打通“教、學、管、評、測”的全鏈條并形成了閉環，助推了教育模式變革。

（2）硬件獨奏向軟硬合唱轉化。采用軟、硬件相融合的模塊化架構，具有便捷性好、融合性高、智慧性足、穩定性強等特點；無線多屏互動技術，權限控制、跨平臺多點交互；移動端學習，打破時間與空間的限制，實現教室與空間的無縫對接；建設數字化資源，實現永久保存，提高本校教學的質量；注重教學活動過程記錄的智能化、過程化和數據化，提升整體教學效率。

（3）傳授知識向指導學習轉化。在智慧教室環境中，教師從知識提供者轉變為教練，起到“從旁指導”的作用，集中精力指導與訓練學生開展學習，分析學生需要，提供咨詢，而不是提供信息。

（4）歸一導學向個體適配轉化。從標準化到個性化，從注重結果到注重過程，從注重知識到注重問題解決能力，教學流程將以培養學生個性化全面發展和創新能力培養為目標，實現教學方式逆序創新。

（5）定性評價向數據測算轉化。實現教學、學習、學生綜合素質評價和空間應用等分析服務，滿足學校、教師、學生多樣化的數據分析需求，使教學或學習具有方式多元化、過程數據化、內容碎片化等特點。

（6）單一環境向多元空間轉化。構建一個“堅持以人為本，使教育的各因素相互依存、相互促進、協調合作，形成完美的教學生態，從而促進學生自我激勵、自我成長、自我完善”的和諧環境；同時滿足不同學習者的學習需求，教室建設應走向多元化，分區域、分層次為不同類型的學習活動開展同時提供支持［8］。

3.2 教學法

一般來說，教學法是在特定情境下通過對特定對象所采取的教學和學習方式，以促進學習者產生學習效果，教學法本身還與時代背景、教育理論和培養目標有著密切關系。隨著時代的進步，教學由傳統的標準化轉向定制化，而教育也將從補短走向揚長，為此，智慧教室環境中的教學法是指以智慧教育理論為指導，選擇所需的資源、工具和服務，創設豐富的情境模式，增強有效的課堂教學行為，達到促進學生主動觀察、想象與思考，以及挖掘與發展學生的智慧潛力的效果，最終實現特定的教學目標［9］。根據PST 框架需要注重以下幾點：

（1）基于智慧教室的教學法應該著重對傳統課堂學習的反思，以學習者學會學習為核心，整合學習方式，突破課堂空間，靈活學習時間，拓寬知識渠道，加速學習者能力形成。

（2）不同的時代背景決定了不同的人才培養目標，進而影響到教學法的選擇與實施，而且對學習的不同理解，也會對教學法的選擇與實施產生影響，因此，從學習者的實際水平出發，尋找適合的教學法，因材施教自由發展，提高學習者知識應用力、自主思考力、探究學習力。

（3）學習不是灌輸，而是理解，應側重交互過程。智慧教室改變了傳統教學教師講、學生聽的方式，不僅營造平等、民主的課堂氛圍，還更多地考慮課前、課中和課后提供豐富、便利的互動，其中包括師生之間、學生之間、人與技術、人與環境、人與資源等，從而促進學生進行交流溝通和對話探討來調動能力、解決問題和開展活動。

3.3 空 間

對于以往的教室給人的感覺是嚴肅和拘謹，如今的教學環境遵循“以人為本”的設計理念，融入先進的技術手段，使整體環境不僅舒適、安全、健康、環保，還要體現科學精神和人文氣息，營造出鼓勵創新的實踐氛圍，為學生個性發展、團隊合作、創新型人才培養提供保障。根據對國內外智慧教室的調研，本文將空間設計從3 個要素進行闡述。

（1）空間規劃。與傳統教室中強調有秩序、統一的要求不同，對于智慧教室空間規劃可以從兩個方向考慮：①更為具靈活性與彈性，由于多樣化的教學法將應用于智慧教室，需要對教學場景進行自由切換，創設更為靈活、有彈性的環境成為必然；②開放式布局與區隔式布局相結合，根據不同教學的需求，通過建筑自然隔斷和人為架設隔斷等方式，將教室分隔成若干個區域，不僅有效地減少各人或各小組在進行異步活動時產生的干擾，還可以同時開展多種不同類型的課堂活動［10］。

（2）物理環境。教室內的物理環境主要包括熱工環境（溫度、濕度等）、聲學環境（噪聲、混響時間等）、光環境（照度分布、照明形式等）、空氣品質（密度、質量、溫度、濕度等）等［11-12］，而對于物理環境的相關要求，從國家到行業已形成一系列相當精確的量化標準，以保障學生生活、學習與成長的需要；同時隨著物聯網、人工智能等新興技術的應用，教室內的物理環境參數可以根據使用者的需要和喜好進行個性化定制。

（3）教學設施配置。教室設施配置應考慮功能、擺放、造型等因素，對其進行數量的增減和位置選擇，主要分為3 個方面：①教學設備。包括講臺、電腦、投影機、電子白板等。小組互動中，學生最喜歡的座位往往圍繞電子白板或投影展開，為了擴大教室內的“黃金區域”，可以考慮適當增加電子白板或顯示設備的數量［9］；講臺的削平，教師放下高高在上的身段走進學生之中與他們平等對話，并且自覺地減少了說話量而增加了與學生的交流互動。②家具。包括動態課桌椅、儲物柜、作業臺等。根據教室定位的需求，教室內的課桌椅可進行不同功能（可移動、可拆分、可組合、可拼接、可升降等）的選擇，并且應符合人體工學和舒適度等標準。③其他。包括色彩、教具、材料、試劑、盆栽等。教室室內色調和色塊應根據學習者的年齡、學歷層次進行設計，而且還應先確定房間色彩的基調——墻面色彩后，再確定桌椅、飾物的色彩分布。

3.4 技 術

通過技術增強教學的效果，將物理空間與虛擬空間相融合，具有媒體豐富、互聯互動、情境感知、數據分析等功能，促進師生和生生的協作、互動和分享，同時為學校師生提供簡單易用的信息化教學設備，降低師生學習成本，讓師生的教學與學習更輕松……［13］智慧教室在技術上應體現設備管理智能化、資源推送個性化、教學模式多樣化、交流互動立體化、評價反饋即時化、教學決策數據化等顯著特征。為此，智慧教室的技術設計是基于云平臺，通過軟、硬件技術實現教室端、移動端和管理端各項所需的功能，如圖2 所示。實現智慧教室功能實現所涉及的系統包括：智能控制和管理、顯示系統、分組協作互動、課程錄播、遠程教學、學習資源、數據存儲、AI 系統、VR 系統和課堂支持等系統，下面對部分系統進行簡要介紹。

圖2 智慧教室功能

（1）智能控制和管理系統。在設備管控上，使教室中多媒體、互聯教學、環境控制等設備，實現教學過程的全方位“智能感知、動態控制、故障預警、自動巡檢和精簡管理”，為良好的教學環境提供保障；在智能服務上，提供空間的人性化服務，為師生可提供電子班牌、班級管理、考試應用、電子課表、點名簽到、空間服務、空間預約、實時對講、巡班管理等。

（2）顯示系統。智慧教室提供以主屏、側屏、移動屏為終端的顯示設備，有助于實現多屏互動和遠程視頻實景實時交互，能有效地為學生提供感性材料。

（3）分組協作互動系統。通過教室提供的主屏、側屏、移動屏等顯示設備，進行多屏的同步或異步顯示，同時支持無線投屏，可以將移動端的素材任意投射到任意屏幕顯示。使師生之間、生生之間可進行自由雙向的音視頻通信，甚至達到無線方式隨意分享終端上的素材，極大地豐富體驗式、互動式教學方式探討，師生之間可以自由討論各自的學習和教學成果。

（4）AI系統。以課堂為核心的AI 系統，聚焦語音識別、人臉識別、行為分析與教學的深度融合，實現包括實時音頻轉換為文本、人臉考勤管理、課堂學生行為分析和教學評估等功能，滿足教師、學生和管理者等多角色的需求。

（5）VR 系統。以虛擬模型、場景、全景圖片、視頻展示為中心，提升教學趣味性，拓寬學生視野，增強學生對于知識點尤其是空間想象類知識的理解和記憶。

（6）課堂支持系統。教學支持系統作為教育智能服務的整合者與提供者，通過資源智能傳遞與推送、課堂互動與問答、高效課堂管理、教學信息采集分析等功能，實現各個智能設備在教學和學習過程中的有效利用，課程建設和各類教學資源的管理，以及教學中的質量監控和管理決策的數據分析。教學支持系統還提供支持不同系統的APP，滿足不同人群在各類終端上的使用，打造集學習、行動、社交的教學體驗。

4 教學流程

課堂教學的本質是一種師生特殊交往，活動過程中，師生之間不僅存在教與學的交往活動，更多的是生命的涌動與成長，而且在智慧教室環境下，師生不僅課堂中可以實現即時互動，還可以借助云端平臺進行課外交流等［14-15］。秉承一體化的教學活動設計理念，通過觀察和記錄在智慧教室中不同類型課程的授課情況，本文對基于智慧教室的課前、課中、課后3 個環節的教學流程設計進行闡述［16］。

4.1 課 前

首先教師制作任務單、文檔或視頻等預習材料，而教學支持系統為教師提供課程相關的素材和資料，并將預習材料發布給學生；接著學生通過教學支持系統進行課前預習，并完成相應的自學測試等任務，還可在討論組或交流群中，師生進行互動答疑和課前交流；然后教師通過教學支持系統不僅可以對預習情況進行查閱，而能夠分析和預測預習中出現的薄弱點和課中可能產生的問題，為其制定教學策略提供參考。

4.2 課 中

教師總結自學情況，下達課堂新任務，并且通過技術支持和空間布局等手段創設教學模式所需的課堂情境；學生根據任務的要求，開展自主探究、小組討論或師生互動等教學活動，并通過課堂測試對學習成果進行鞏固和應用；師生運用無線投屏、多屏展示等課堂交互工具將成果分享或多元評價。在整個教學過程中，教學支持系統會將課堂（包括學習狀態、專注力狀態、作答統計等）即時反饋給教師，為教師評估學生課堂學習表現和改進教學策略提供依據；提供隨機挑人、學生搶答和自由點評等功能活躍課堂氣氛，教師也可對表現好的同學進行點贊；將課堂實錄（教師屏、小組屏）與課中筆記上傳云端平臺，供師生課后查閱。

智慧教室環境下不同類型課堂教學活動的主要區別體現在課中階段，通過對不同類型課程在智慧教室課中階段授課情況的記錄和比較，對四種類型教學模式（講授式、情境體驗式、成果分享式、個人/協作探究式）的應用進行歸納整理（見表1）。

表1 課中階段四種教學模式的應用

4.3 課 后

對于學生，教學支持系統可以提供課程錄像的回看，對課程章節作業進行智能評測，對各項學習數據進行整合和分析，為學生推送可能存在的難點與困惑，并制定個性化輔導方案；還可以提供課外知識，將課堂所獲理論應用到實踐中，實現理論實踐一體化、個性化的拓展。對于教師，教學支持系統綜合評估學生的課堂表現與教師的教學過程后，為教師提供教學內容和教學方法的反饋，并對下節課的教學提出針對性建議。

5 結 語

智慧教室設計與建設的最終目標是為了終結“課堂教學危機”，支持構建課堂教學新范式，而不是傳統流程的數字化；圍繞著PST 框架對智慧教室進行設計，兼顧教與學、空間和技術的功能與訴求，形成一個課前課中課后、教室內外，老師、學生、家長、學校多維度的教學應用生態；盡管課堂革命面臨著重重挑戰，但隨著時代的進步，已經讓全納教育理念愈發接近，有更多的理由去期待新的突破。