基于智慧教室的教学模式设计研究

胡旺 杨成

(江苏师范大学，江苏徐州，221116）

随着信息化社会的不断推进，智慧教育的浪潮正全面袭来，传统的教学模式已渐渐跟不上时代的发展。教育信息化推动智慧教育的发展，智慧教育的成熟进而推动教育现代化。智慧教育并不是新生的概念，本文所涉及的智慧教育是从信息化发展的角度谈及的，属于新研究范畴，主要是指基于云计算、物联网、大数据、学习分析技术等前沿技术，构建智慧学习环境，运用创新智慧教学方法，促进学习者的智慧学习，实现个性化、创造性的教与学过程。智慧教室作为智慧教育内容中的一个关键要素，对教育教学将产生重要影响。通过研究，提出智慧教室环境下的新型教学模式，符合智慧教育的发展以及技术创新对教育教学领域研究突破的必然要求，对智慧教育研究具有重要的现实意义和实践应用价值。

一、传统教学模式及其问题

（一）以教为主的教学模式及其问题

以教为主的教学模式主要包括掌握学习教学模式、程序教学模式、信息加工教学模式等，以教为主的教学模式注重教师在教学中的主导作用，利于教师对课堂的管理和控制，其缺点是教师管得过死、过多，限制了学生的创造性思维，不利于学生的个性化学习与思维碰撞。即使将智慧教室应用于传统的以教为主的教学模式之中，也只是对技术的简单应用，反而在现代化的信息环境下，大量的教学信息融入进来，更多的资源供给，造成学生认识能力下降、学习动力不足，成为毫无创造性的被动接收者，既浪费了高额的信息环境资源，又达不到最优的教学效果。

（二）以学为主的教学模式及其问题

以学为主的教学模式主要包括发现学习模式、支架式教学模式、抛锚式教学模式等。以学为主的教学模式其核心是发挥学生学习主动性、积极性和创造性。然而这种教学模式忽视了教师的主导作用，学生花费大量的时间进行摸索，效率低下，成绩不突出。

无论是以教为主的教学模式还是以学为主的教学模式，都割裂了教师与学生的互动关系。在教育的过程中，师生是统一的，离开教师或离开学生都不是真正意义的教育，更谈不上智慧教育。因此将智慧教室应用于教学实践，实现真正的智慧教育，需要探索一种新的教学模式。

二、智慧教室及其功能

（一）智慧教室的概念

黄荣怀认为，在传感技术、网络技术、富媒体技术及人工智能技术充分发展的信息时代，教室环境应是一种优化教学内容呈现、便利学习资源获取、促进课堂交互开展、具有情境感知和环管理功能的新型教室[1]。将智慧教室的资源应用于教育教学，是时代发展的趋势，其教学效果显而易见。

（二）智慧教室的构成

与传统教室不同，智慧教室作为智慧环境体系的一类，是支持智慧教育的智能化空间和必要条件，通过互联网、云计算、学习分析、数据挖掘、物联网等手段将物理感知、网络感知和社会感知三个方面无缝连接，形成智能化的教与学一体环境体系，其构成要素包括教育活动的主体、教育活动的空间与教育活动的条件[2]，如图1所示。

1.教育活动的主体

教育活动的主体包括教学者、学习者和管理者。教学者即在智慧教室中进行教学活动的教师及助教等辅助教学人员；学习者是在智慧教室中进行学习活动的主体；管理者即对智慧教室进行监控、维护、管理的服务性人员。

2.系统环境因素

这部分主要包括教学系统、灯光控制系统、温湿度调节系统、自动考勤系统和视频监控系统等。其中教学系统是应用教学活动最重要的系统；智能灯光控制系统、温湿度自动调节系统为学习者提供最环保、最舒适、最智能的学习环境；自动考勤系统解决了传统考勤难的问题，通过摄像头刷脸智能识别进出人员信息；视频监控系统保障教学活动的全程安全、可靠进行。

3.教育活动的条件

在智慧教室环境下进行教育活动，需要更严格的要求，丰富而个性化的线上线下资源、服务教学活动的各种智能终端与基于物联网和大数据的云平台、提供个性化、创造性学习环境的优质服务体系等为智慧教学活动创造了必要条件。

图1 智慧教室环境构成

（三）智慧教室的功能

智慧教室环境下，传统学习模式正在向创新能力培养模式转变。智慧教室作为智慧环境的具体形式，丰富了智慧教育的内涵和实践领域的应用，为推动智慧教学发展提供了基础。

1.个性化教学功能

智慧教室环境下，教师能够针对学生的个性化差异创建新的学习课程，以保障学生找到适合自己的学习方法，教师根据每个学生的性格量身设置学习课程[3]。这种个性化教学模式不仅适用于教师一对一的课堂教学，同样适用于远程教学。对于远程同步学习的班级而言，他们同样可以根据自己的个性需求进行远程课程学习，通过平板电脑，学习教师远程传送的教学课程，并进行远程交互，答疑解惑。

2.多工具教学功能

智慧教室能够提供多种教学工具以方便教师教学，利用多种呈现技术，丰富教学内容。在学习上能激发学生的学习兴趣，促进学生开展体验学习；在交互过程中，教师、学生可采用自然的交互手段与内容进行交互，同时实现多维化交互方式[4]。

3.即时互动功能

课堂教学中，教师通过高清智能交互电视呈现出教学内容，当涉及到学生共同讨论、疑难解答、评价练习等内容时，学生可通过平板电脑，进入在线交互系统，即时将自己的观点呈现于交互电视上。同时可分享到全班每位学生的平板电脑上，实现线上线下的混合学习。

4.教育数据分析功能

利用智慧教室进行教学的过程中，通过信息收集将学生课堂学习产生的数据信息集中起来，利用学习分析技术进行数据挖掘、教育数据分析、整合学生的学习信息，归纳出异同点，发现学生的学习取向与学习需求，对未来的学习取向提供数据支持。

三、基于智慧教室的教学模式及其特点

（一）基于智慧教室的教学模式

教学模式是指在一定教学思想或教学理论指导下建立起来的较为稳定的教学活动结构框架和活动程序[5]。而基于智慧教室的教学模式则是指在智慧教室环境下，以智慧教育的理论指导，通过智慧学习方法充分发挥学习者的主动性和创造性，学习者利用各种终端可自由选择资源、工具和服务，形成师生互动、个性教学、智慧创造的一体化智慧教学模式。

（二）基于智慧教室的教学模式的特点

1.强交互

与传统教室中教师主导的教学模式不同，基于智慧教室的教学模式具有很强的交互性。智慧教室学习资源的内容以小组学习终端为主呈现，包括小组成员就某一问题进行在线讨论和结果评价。教学内容同时呈现在教室的多屏上，实现多屏互动。各屏均具有触控功能，其中教师可开放前排智能交互电视的教师端与学生共享，实现与学生的平板电脑即时深层交互，学生可以将自己的想法直接在线分享，进行解答或者辅助等工作，极大地帮助师生进行无缝展示交流。

2.灵活性

在智慧教室环境下，教师不再是单一的传授式教学，而是采用多种教学手段，利用信息技术，通过在线平台，灵活多样地进行教学活动。学生的可移动桌椅能够根据教学要求智能移动、组合，便于形成新的小组进行协作学习。教学活动的灵活性既体现在教学场景移动、组合的灵活性上，又体现在教学要素、教学方式的灵活多变上。智慧教室背景下的教学方式突破传统的讲授式、教师主导式，更多采用问答式、情景式、协作式等多种线上线下结合、融合性与智慧式的教学方式。而教材的变化更是体现了教学要素的灵活性，从传统的纸本教材到完全的电子教材、网络教材，使内容更丰富、学习更便捷。

3.沉浸性

虚拟现实、虚拟仿真技术在教学中的广泛应用，为教学活动提供了更加真实、更具立体化的教学过程。学习者利用体感设备进行虚拟场景实践，感受在虚拟环境下的真实体验。在传统远程学习中，其情感的缺失往往限制了学习者的学习效果和情境体验。然而在智慧教室环境中，虚拟现实技术的成熟运用大大弥补了传统远程学习中情感缺失的这一弊端。沉浸性作为虚拟现实技术的主要特征，能够极大地促进远程学习者真实体验教学场景与情感交流。

四、基于智慧教室的教学模式设计

2015年地平线报告给出的诸如物联网、云计算、增强现实、可穿戴技术、3D视频、学习分析、语义应用等前沿技术为智慧教室的构建提供了技术保障和软硬件支持，使信息化、智慧化的教学模式变革成为可能。基于智慧教室环境探讨新型教学模式，主要从个人学习模式和协作学习模式两个方面，设计出智慧型教学模式框架（见图2），以期解决传统教学模式的学习弊端，达到最优的智慧教学效果。具体的教学流程如下：

（一）云端存储、智慧推送

智慧教室通过情境感知、数据挖掘、学习分析等技术，能够提前预知学习者潜在的学习需求，利用云计算记录网络平台中产生的大量过程数据，并在云端存储。通过数据挖掘技术对云端数据进行数据分析，根据每个学习者的学习阶段和学习进度，为其制定个性化的学习方案，按需推送最优的学习资源和学习建议，从而节约学习者盲目查找资料的时间，达到最有效的学习[6]。

图2 基于智慧教室的教学模式框架

（二）提出问题、创设情境

教师通过对云端资源的数据分析，提出问题，布置学习任务，利用虚拟仿真、增强现实、全息技术、可穿戴设备等技术手段对问题进行情境创设，使学习者能够体验最真实的学习场景与身临其境的学习氛围。另外，在进行远程教学过程中，也避免了教师和学习环境分隔的尴尬处境。

（三）个人学习模式

在智慧教室环境下，利用学习分析技术、大数据对学习者个人能力、学习进度及学习阶段等进行分析、评价，形成个性化的智慧个人学习空间，促进学习者进行个人学习[7]。

1.自助式个人学习模式

该模式是指学习者在学习过程中根据个性偏好，自助选择学习资源、工具和服务，具有个性化、自主化、自助化等特征。学习者获取学习资源如同在“资源超市”中获取丰富的“物品”一样，具有极强的自助性，可以按需采购学习“物品”，获取个性化的资源；教师如同“导购”，为学习者提供学习引导和咨询服务，帮助学习者快速、准确地获取所需资源[8]。

2.探究式个人学习模式

该模式打破了传统的静态、文本形式的探究式学习，通过虚拟仿真技术创设学习场景，利用3D打印、全息投影将探究内容形成可视化场景，呈现立体化、动态化和虚拟化的仿真场景。通过思维导图等工具支持学习者进行个性化思维探究，教师与学生利用在线思维导图进行即时沟通，并对学生在探究过程中所遇到的难题进行远程指导。

3.创客式个人学习模式

创客是一类将创意作为自己核心能力的人。可视化设计及3D打印的成熟使“创客”学习成为可能。每个学习者都是创客，都能够利用智慧环境进行个性化的创造性学习。该模式要求学习者大胆突破“舒适区”，敢于尝试不同风格、不同领域的学习内容，培养学生的发散思维、逆向思维、批判性思维和创造能力[9]。学习者在理论知识的探究学习基础上，运用3D打印技术制作出各种创意产品，而虚拟仿真技术可提供学习者进行多次、反复虚拟场景的尝试设计，并最终形成自己最满意的创意产品。通过创客式个人学习，学习者不仅可以轻松地获取理论知识，还能够真实体验并亲自制作产品，极大地增强了学习者的实践技能和创造力。

（四）协作学习模式

1.数据收集、智慧前测

利用云计算、大数据、学习分析等技术手段对学习者进行测评，收集学习者的学习内容、学习风格、学习过程等个人信息[10]，进行学习趋势分析及学习能力诊断，为智能分组提供依据。

2.感知需求、智慧分组

通过对学习者的前测，将学生信息存储在云空间中。云空间存储了学习者的学习信息，通过感知学习者的学习需求，根据学习者的个性特征、学习风格以及学习偏好等进行智慧分组[11]。这种智慧分组突破了传统协作学习中的简单分组或计算机的随机分组。在传统的分组中，尽管教师可以根据学生的学习能力和成绩情况进行较为均衡的分组，然而在远程学习过程中，即便是这样的基于成绩的传统分组也很难做到，教师无法准确获知远程学习者的学习能力和成绩情况。但是在智慧教室的学习环境中，教师能够通过智慧教室的智能技术对远程学习者进行需求感知，并快速进行智慧分组。更加合理、科学、有效的分组是进行高效协作学习的关键。

3.开展合作、小组互评

组内各成员首先阐述自己的见解，对学习内容进行目标定位。云学习平台将所有成员的观点进行数据整合，进而深入智能分析并自动形成与大多数成员观点接近的学习目标，最终成员进行协商确定明确的学习目标。接着，对每位学习者进行需求感知和数据挖掘，结合组内讨论形成统一的学习任务和学习计划。云平台将记录下所有学习的过程并进行实时监控和动态调整。与传统分工不同的是，智慧分工更多在于尽显每位成员的最大化能力，依据每位成员的学习能力、学习风格、个性特征和学习需求进行分工。成员可以通过即时思维导图等工具与教师和其他学习者进行在线交流和学习，以解决出现的问题，教师通过交互电视将远程学习者的问题进行呈现，并与学生一起同步探讨，学生通过平板等移动设备与教师进行即时交互，以获取最有效的学习建议。最后各组共享学习成果，集体互评，每位学习者都能参与其中，进行自我评价、同伴互评和集体评价，教师进行总结与反馈，最后云平台也将根据学习者的学习情况给出量化结果。

（五）反馈评价

1.诊断性评价

教师通过云计算、数据挖掘和情境感知获取学习者的学习信息。在课程开始或在教学过程中需要的时候对学习者进行时时诊断，确定学习者的学习准备程度，并设计出可以满足不同层次、不同水平和不同学习风格的学生所需的教学方案，为学生设置最有益的教学程序。

2.形成性评价

教师与学生通过云平台和即时思维导图工具进行时时互动，对学生的学习过程进行指导和评价，以发现每个学习者的潜质，强化改进学习者的学习。在整个教学过程中，不管学习者采用个人学习模式还是协作学习模式，教师总是穿插其间，发现学习者的学习需要，指导学习者更加有效地学习。

3.总结性评价

课程结束时教师需要对学习者做出总结和评价，在传统的教学模式下，教师的总结性评价往往仅以学生的学习成绩来呈现，评价简单且不能全面真实反映学习者的学习情况。在基于智慧教室的教学过程中，通过大数据和学习分析技术，对学习者的学习状况能够进行可视化的、量化的分析，教师的评价更具真实性和全面性。

（六）课后拓展

每节课结束前，智能环境的感知系统能够根据本节课学习者的学习情况，智慧推送符合学习者个性特征的学习资源，帮助学习者进行课后学习，拓展探究。

此外，基于智慧教室的教学模式设计需要注意两个问题：

一是教师的能力塑造问题。在基于智慧教室的远程教学过程中，教师可能教授本班学生并同步远程教学，因此相当于是教师同步教学两个班级甚至更多。学生数量多，而且既有本地又有远程，这就要求教师具有很强的教学能力和过硬的专业知识，能够熟练利用好前沿技术手段。因此在进行同步远程教学时务必筛选一流的教师，否则学习效果将大打折扣。

二是智慧教室的构建问题。当前国内外对智慧教室的说法不一，对智慧教室的构建也相对较少。国内研究比较完善的有清华大学的智能教室，其目标就是增强更具真实感的远程教学环境。另外，我国黄荣怀教授提出了智慧教室“SMART”概念模型，钟晓流等学者提出智慧教室的“iSMART”系统模型。而国外主要有加拿大McGill大学的智慧教室项目与DELL智慧教室等。尽管智慧教室具有可获取、可感知、可评价、可管理和强交互等特征，对于促进学生创新能力的提高以及变革信息时代学与教方式具有重要意义[12]，但智慧教室建设对技术的要求十分严格，对软硬件设施都有极高的要求，造价也比较高，因此大规模的建设比较困难。

五、基于智慧教室教学模式构建的意义

（一）有利于实现对传统教学模式的变革

基于智慧教室的教学模式是在教育信息化发展到高水平、高层次阶段的应用实践，其人性化的环境感知与智能技术的成熟运用在很大程度上能够解决传统教学中出现的众多问题和传统学习中无法做到的事情。在“互联网+”时代，智慧教育已经成为当前教育发展的新方向，建设智慧教室，发展智慧教学是大势所趋，必将变革传统的教育模式。基于智慧教室的远程学习从在线学习的角度解决了传统远程学习中“教”与“学”在时间和地理上的错位问题，弥补了学习者情感缺乏的心理障碍，呈现出未来远程学习的新方向。

(二)有利于实现即时、深度交互

基于智慧教室的教学模式深化了智慧教育的内涵，不仅实现技术的创新，还是理念和模式的创新。它能够实现师生间的深度交互和即时交互，突破了传统教学中交互难的问题，对学生主体地位的充分发挥提供了有力的保障。

（三）可创设多情景的智慧教学，催生教学新模式

教师通过智慧教室中前沿技术的分析与应用获得数据反馈与分析，从而制定与学习者学习习惯、学习内容、学习目标相符合的学习服务优化方案，能大大节约学习者的时间，减少教师和学生的工作量，提高学习效果[13]。在教学活动中，体感交互、可穿戴设备的应用、虚拟场景演练等多种情景教学为新型教学模式注入了新的活力，未来的教学模式必将呈现融合性、创造性与智慧性的发展趋势。

[1][12]黄荣怀,胡永斌,杨俊锋,肖广德.智慧教室的概念及特征[J].开放教育研究,2012,（02）：22-27.

[2]杨现民，陈耀华.信息时代智慧教育研究[M].上海：上海交通大学出版社，2013：63.

[3][4]张亚珍,张宝辉,韩云霞.国内外智慧教室研究评论及展望[J].开放教育研究,2014,（01）:84.

[5]何克抗，林君芬，张文兰.教学系统设计[M].北京：高等教育出版社，2012：81.

[6][11]赵秋锦,杨现民,王帆.智慧教育环境的系统模型设计[J].现代教育技术,2014,（10）:12-18.

[7][8]郭晓珊,郑旭东,杨现民.智慧学习的概念框架与模式设计[J].现代教育技术,2014,（08）:5-12.

[9]祝智庭,孙妍妍.创客教育:信息技术使能的创新教育实践场[J].中国电化教育,2015,（01）:14-21.

[10]徐鹏,王以宁,刘艳华,张海.大数据视角分析学习变革——美国《通过教育数据挖掘和学习分析促进教与学》报告解读及启示[J].远程教育杂志,2013,（06）:11-17.

[13]陈然,杨成.量化自我:大数据时代教育领域研究新机遇——2014年地平线报告研究启示[J].现代教育技术,2014,（11）:5-11.