智慧教育视域下混合式学习空间的构建与实践研究

2019-09-10陈明阳阳亚平陈明陈展虹

中国远程教育 2019年11期

陈明阳阳亚平陈明陈展虹

【摘要】

智慧教育概念的提出和信息技术的不断深入发展，为广播电视大学系统远程教育改革提供了新思路与新方法。文章在界定智慧教育与混合式学习空间核心概念的基础上构建了混合式学习空间模型，阐述了其关键技术，试图在智慧教育理念引领下构建一种将方法、技术、资源融为一体的混合式学习空间，并利用其在大数据教学分析、空间联动、课程教学改革、党建与思政课等方面进行了积极探索，有效促进了广播电视大学系统远程教育改革。

【关键词】智慧教育;混合式学习;学习空间;模型;构建;实践;远程教育;改革

【中图分类号】 G521 【文献标识码】 A 【文章编号】 1009-458x（2019）11-0079-07

一、研究背景

随着信息技术不断深入发展，教育信息化呈现出走向智能化的发展趋势，智慧教育概念应运而生。在高等教育形态中，泛在学习、个性化学习、智能教学管理、资源与技术服务一体化等推进了信息技术与教育教学的深度融合，不断丰富智慧教育的内涵与外延。《教育信息化十年发展规划（2011—2020年）》特别强调要加快推进开放大学信息化建设，以智慧教育引领教育信息化，提高教育教学质量，创新教育教学模式，智慧教育正悄然重塑远程教育新生态。混合式学习作为广播电视大学系统开展远程教育的主要模式，具有把传统学习方式和网络化学习的优势互补的特征，既能发挥教师在教学过程中的主导作用，又能充分发挥学生主体的主动性、积极性与创造性，实现线下线上融合。学习空间作为广播电视大学系统开展混合式教学活动的载体，在智慧教育视域下融入新一代信息技术，将远程教育学习者所处的物理空间和虚拟空间无缝融合，为其搭建一个无处不在、无时不在的混合式学习空间，有助于促进远程教学改革，有利于增强学习体验，进而提升广播电视大学远程教学质量。

二、核心概念界定

（一）智慧教育

祝智庭等人（2012）认为智慧教育是教育信息化发展的必然阶段，智慧教育以智慧学习环境为支撑，以智慧学习为基石，以智慧教学法为催化剂，培养和发展学习者的智慧。国内学者对于智慧教育的概念界定在本质上趋同，只是侧重点有所不同。结合电大系统的远程教育实践，文章认为，智慧教育是指在教育信息化背景下构建智慧的学习环境和资源，实现智慧的个性化教与学。透视其定义，智慧教育有三个主要特征，体现在理念、技术和资源三个方面。

1. 实现个性化教学

在教育理念层面，智慧教育强调要发挥学习者的主体性，学习方式以自主学习和协作学习为主。技术的发展提供了便捷、高效的互动交流设备与工具，个性化学习更易于展开，学习不再局限于课堂时间和教室空间，课堂教学也变得更加灵活、开放、动态、高效。

2. 构建智慧学习环境

就技术而言，智慧教育体现在学习环境的构建上。新一代信息技术的支持和应用，能够整合各类教学应用、数据及业务流程，实现物理学习空间和虚拟学习空间的无缝融合，不仅为学习者提供真实学习情境和个性化支持，也帮助教师分析学习者的不同学习需求，支持教师的有效教学。

3. 建设智慧学习资源

在资源方面，智慧教育的实现需要以动态、共享与开放数字化学习资源为支撑，能够有效融合SPOC、公开课、微课、翻转课等多种形态课程资源，还能实现智能化的资源管理和推送服务，最大限度满足正式学习和非正式学习的不同需求。

（二）混合式学习空间

陈向东等人（2010）借鉴国外的研究，认为学习空间试图将教育理论和学习环境联系起来，其中包括物理学习环境设计与认知学习理论、新技术的开发和教学方法的创新、物理空间和新技术的整合等。王素等人（2016）认为学习空间是指用于学习的场所，它蕴含着学习可以发生在任意场所，学习空间包括物理空间和虚拟空间，借助信息技术的增强，其最终目标是为了促进学习者的学习等丰富隐喻。究其本质，学习空间是学习的场所，包括物理空间和虚拟空间。由于混合式学习本身就是混合多种学习方法、资源、技术和环境，因此，文章提出的混合式学习空间概念是指在智慧教育理念的引领下，依托新一代信息技术，灵活地融合各种教学法、技术和资源，实现传统课堂教学与在线网络教学的无缝融合，作为支撐混合式学习的实质载体，其基本模型如图1所示。

由模型可以看出，智慧教育从理念层面指导混合式学习实践过程，学习空间为实现智慧教育，支持灵活的教学法、先进的信息技术、丰富的教学资源有机融合提供了实践场域。

三、混合式学习空间关键支撑技术

“互联网+”时代下混合式学习空间必然是信息技术与智慧教育理念相结合的产物，充分融合大数据、物联网、多屏显示、移动直播、智能录播和人工智能等各类信息技术在混合式教学中的应用，对教学过程的各种信息与情境进行感知、记录和分析，从而创建一种真正高智能化和强参与性的个性化学习环境（冯晓英，等， 2019），实现方法、资源、技术的最佳耦合。

（一）大数据

大数据技术是混合式学习空间系统开展智慧教育和个性化教育的基础支撑。数据主要源自：①物理空间数据的获取，包括从物联网传感器或电子标签等设备记录获取;②虚拟空间数据的获取，包括学习轨迹、停留时间和交互数据采集等（吴南中，等， 2019），如学习者对某些网络课程视频资源的浏览次数、浏览时间、下载量等;③教育个体大数据的获取，包括教师、学习者、教育管理者等个体用户基础信息、用户行为、用户状态等数据的采集，以体现智慧教育的个性化特征。通过大数据读懂师生，精准定位教学中存在的问题，从而制定有针对性的解决方案（郭利民，等， 2019）。

（二）物联网

物联网技术主要是通过各类信息传感设备，实现环境内物与物、物与人乃至所有物品与网络的连接，方便识别、管理和控制（杨现民，等， 2015）。在物理空间中可以通过物联网技术，实现空间环境的智慧管理。比如采用传感器和电子标签等设备采集温湿度和PM2.5值等环境数据，并通过物联控制模块实现软硬件集中、智能管控。

（三）大屏融合及多屏显示技术

研究表明采用大屏幕显示可以有效提高多窗口和任务绩效，提升用户对外周视野中应用程序的意识，并提供给用户更加沉浸式的体验（葛列众， 2017）。物理空间设计采用成熟的LED拼接融合技术，实现自定义分屏显示功能，为学习者提供4K极佳的视觉体验。同时，采用DisplayPort多屏互动技术，以主屏搭配多辅屏的形式，突破以往单屏单一、静态的显示方式的局限，满足课堂讲授、视频互动、跨屏资源展示、无线投屏等多样性需求，有助于提高教学效率，强化教学效果。

（四）移动直播与智能录播技术

实现线上线下同步教学，背后必然需要成熟的移动直播与录播技术作为支撑。空间可采集课堂全景、教师特写、学习者特写等多路视频画面，通过智能录播系统完成优质视频录播、大规模直播一体化课程，并将授课资源等内容直接上传至在线学习管理平台。这样，空间可轻松突破物理空间、地域的限制，实现多空间联动、同步课堂教学，教师也可以和任意空间实现即时互动，发起主题讨论和辩论等。

（五）人工智能（表情和行为识别技术）

“智慧教育”理念的背后，离不开“人工智能”技术的支持（胡沛然， 2018）。智能表情和行为识别技术已成为人工智能在教育领域中应用的一种代表性技术。它通过抓取的动态视频序列或静态图像分离出特定的表情和行为状态，进而识别人的心理情绪和学习状态。此外，它还可以对师生进行跟踪（郭利明，等， 2019）。表情和行为分析技术在教育应用场景中可以帮助教师迅速掌握学习者的心理状况与学习状态。在国内市场上多家信息技术公司均已推出各自成熟的产品，实现七种基本表情（生气、厌恶、忧伤、平静、愉悦、愤怒、惊奇）和六种行为（专注、走神、低头、睡觉、玩手机、举手）的自动识别，为教学评估、督导和个性化辅导提供客观、直观、可参考的依据。

四、智慧教育视域下混合式学习空间的设计

当前广播电视大学远程教育正处于向开放大学终身教育转型升级阶段，《教育信息化十年发展规划（2011—2020年）》特别强调要加快信息化终身学习公共服务体系建设，建立数字教育资源的共建共享机制，为学习者提供方便、灵活、个性化的信息化学习环境。福建广播电视大学作为发展福建省继续教育和终身教育的主体力量和重要平台，应因势利导，顺势而为，在智慧教育新时代开拓出适合自身发展的教育教学新模式。2016年，福建广播电视大学开始探索“智慧教育”视域下广播电视大学系统远程教育的混合式教学模式，从而解决传统网络学习的效率低下、线上线下教学相互割裂等问题。经问卷调查和个别访谈发现，在传统网络学习空间中学习者学习动机不强，学习兴趣低;线下传统教室学习环境设备简陋，不符合智慧教育对学习环境的要求;师生的互动积极性不高，难以真正体现“以学习者为中心”的教学理念;优质资源共建共享途径单一，原有的技术无法实现省、市、县三级优质教学资源的共建共享，无法构建优质资源新生态;教学过程监督较为薄弱，主要以人工监督干预为主，信息技术干预手段较少，对整个教学过程监督还有待加强。

《教育信息化2.0行动计划》要求适应5G网络技术发展，加快建设在线智能教室、智能实验室、虚拟工厂（医院）等智能学习空间，满足全时域、全空域、全受众的智能学习新要求。在调研了大量混合式学习的技术和产品的基础上，将能够解决上述问题的技术和产品融合在一个智能空间内，抓住联通线上、线下教学的关键点，经过反复的技术论证与实践，最终构建了适合广播电视大学教学的智慧教育视域下混合式学习空间框架（如图2所示），并在校本部开展教学实践活动，融合优化逐步打造覆盖全省的混合式学习空间体系。

（一）方法、资源与技术

混合式学习空间的构建需要融合智慧教育的理念。智慧教育理念要求以人为本，开展自主学习、协作学习、项目学习、团队学习、自由讨论、研究性学习等智慧学习和个性化评价。在空间里，学习者可以自主选择适合自己的学习方式和学习工具;按学习者需求自动推送资源，生成性资源存储在云端方便随时调用;在学习管理平台的支撑下，采用大数据、学习分析、可视化等技术实现了教学常规监督与管理，进而实现对教学过程中各个环节实施科学化、精细化管理，以提升教学质量。

（二）物理空间

物理空间的实现涉及网络、照明、教学内容呈现、教学过程记录、环境管理和空间布置等内容。①提供全信息化环境设施。实现课堂教学全信息化，教师用智慧纸笔书写大屏显示代替黑板，采用多个屏幕展示不同的教学内容，通过教学管理终端查看学习者作业，学习者通过智慧纸笔书写进行课堂练习，通过学习终端进行课堂测试，无缝融合了物理空间与虚拟空间。②视频采集设施。通过智能视频终端记录教师和学习者在教室的各种教学学习行为，识别身份、情绪、位置、动作等自然数据;通过语音识别将教师教学的内容转化为文字，并分析情绪数据;通过书写的文字进行内容识别和情绪识别;记录学习终端的用户操作行为数据。③人性化的空间布置。采用可移动可拼装的异型桌椅能支持多種教学场景，如讲授、研究性学习、小组讨论等。④环境管理。记录教室环境参数数据，包括温度、湿度、噪声、PM2.5、光亮度等时序数据;实现对教学设备的智能控制。同时，提供了智慧教室设备（包括手机、录制设备、直播互动设备、显示设备等）的发现、通信、监控功能。

（三）虚拟空间

虚拟空间以网络学习空间为主体，也是支撑混合式学习的基础平台。教育部发布的《网络学习空间建设与应用指南》（教技〔2018〕4号）提出，网络学习空间是融资源、服务、数据为一体，支持共享、交互、创新的网络虚拟学习场所。从教育场域来看，空间应融合智慧教育理念，整合各类教学应用和学习管理系统，全面感知智能设备，实现远程异地并班教学，实现资源共享、教学支持、学习交互、决策评估和数据分析功能，满足教师、学习者、教育管理者不同角色需求。虚拟空间主要包含：①课堂智能感知模块。利用智能感知技术实现自动化控制（如一键控制、灯光智能控制、设备自动启动、学习终端自动感知等）。②SPOC学习管理模块。依托系统，多教室联动并班教学，实现教学资源的同步播放，教师可以和任意教室实现即时互动，可以查看任意教室的学习者学习状态以及通过学习终端提出疑问，可以针对所有教室进行测验、辩论、讨论、练习等教学活动;支持在线的文字、书写、视频交互，主要是支持移动端用户参与课堂教学，远程终端记录学习者的学习行为数据;支持手写输入功能，用笔在手写板上手写输入，系统将手写输入的信息自动采集存储，通过终端投屏技术，教师可利用大屏替代黑板，可随时查看、展示和批阅学习者的书写内容;支持无线投屏技术。教室内用户将终端屏幕直接同步投影到大屏幕上，方便用户进行资源展示交流。③视频云服务模块。支持直录播，方便课程资源的储存与获取。智能录播技术通过图像动态识别跟踪自动切换镜头，实现课堂教学课件录制的自动化，可将教学过程中产生的板书、讲解音频、视频等形成课件，积累并重复使用。④大数据分析模块。实现教学数据采集，并基于行为分析进行个性化学习评估。第一，获取环境感知大数据，包括从传感器和智能视频终端获取;第二，获取系统平台大数据，包括教学学习行为记录等;第三，获取学习者个体大数据，包括获取个人习惯、情绪、兴趣等。⑤可视化展示模块。可视化集中化管理和控制，直观查看站内实况，监管站内设备;汇聚学习者和教师的多维度信息，系统建模，形成分析图表。

（四）数据联通空间

数据是联通物理空间和虚拟空间的关键点，或者说是数据驱动了物理空间和虚拟空间的交融。伴随着大数据、云计算、虚拟现实、人工智能等新技术与教育教学的深度融合，封闭的物理空间逐渐拓展为无边界的虚实融合的学习场域。师生在物理空间的各种行为数据都以数字化的形式存储下来，传统的书本教学内容也以文字、图片、声音、视频、虚拟场景等形式在学习管理平台、VR/AR应用、移动应用中呈现。教学过程与结果数据持续通过设备和平台采集汇聚为教学大数据，数据的定向流动形成了具有正向反馈机制的教学链条，从而实现物理空间和虚拟空间各个教学环节的无缝融合。通过深度挖掘，将大数据“翻译”成有价值的信息，如学习者学习注意力情况、知识点学习情况、教学目标达成情况等，进而为教师提供教学决策参考。

五、混合式学习空间实践初探

自2018年12月学习空间建成至今，共开设了57门课程，发起430个活动，注册用户近千人，线上线下学习者使用人数超过6，200人次。其中，开展大型线上线下混合式教学50余场。学校利用混合式学习空间在大数据教学分析、空间联动、课程教学改革、党建与思政课等方面积极地进行了实践探索，如理工学院开展全省教学直播、茶学特色课程移动教学、公共管理学院开展英语多模态教学模式改革等活动。学校还计划于2019年下半年再次开展“金课大赛”等一些系列教学改革行动。

（一）大数据教学分析应用

大数据教学分析是基于大数据、云计算、物联网、人工智能等技术收集空间中各类数据，将数据分析与处理的结果以可视化的方式呈现给各类使用者，为混合式学习空间提供学习分析的服务。其中数据主要来源是SPOC云平台中产生的大量混合式学习行为数据，包括用户基本信息、教学行为、活动、进程及交互数据（如用户基本信息数据、课程数据、资源数据、考勤、互动次数、测试、讨论、发帖、板书、笔迹等），还包括智能物联设备采集的学习环境数据、视频直播云服务模块中的语音数据以及智能感知模块产生的图像数据等，其中智能感知的图像数据可自动分析出师生七种基本表情和六种行为。经过数据分析和可视化处理后，呈现在智能驾驶舱和评测仪表盘中（如图3所示），直观、实时、动态地展示课程在线活跃用户数、测试及格率、教学进度、资源使用、师生表情与行为分析、课堂“三率一弊”（到课率、抬头率和互动率）、教学活动分布、学情分析、教学活动参与度率等数据，为教学评估、督导、个性化教学等提供客观、真实的依据。

（二）5G技术支撑下室联网联动实践

“互联网+”概念给我们生产、生活、教育等各行各业带来了新思路，由“互聯网”到“物联网”是一次重大的技术飞跃。“室联网”则是教育领域中“互联网+”的行动足迹，更是一次由技术向教育主题和意义的回归。“室联网”是指在新一代信息技术支撑下，通过互联网将混合式学习空间智慧地联动起来，突破时空限制，扩大学习场域，远程双向互动教学，展现未来教育的新姿态。混合式学习空间构建旨在更好地实现线上线下无缝融合，教室作为空间的物理载体，以SPOC和视频云平台为支撑，使得学习空间自身具有互联、互通和可扩展性，为实现“室联网”做好铺垫，并尝试应用高带宽、低延时、高可靠的5G技术更好地实现异地联网教学，增强学习体验。2019年5月，学校首次在混合式学习空间采用5G技术开展“福州、武汉、北京”三城室联网教学实践（如图4所示），邀请北京、武汉、福州三城专家学者直播互动讲学，集现场学员互动参与、异地空间站并班教室互动参与和线上实时直播三种线上线下混合的全新大规模组织形式于一体，重构传统教学，激活智慧课堂，增加课堂的趣味性、交互性和主动性，极大地促进学习者主动学习欲望，使得三城师生共同深入学习，提升教学效果，也极大地实现了优质师资共享。

2018年6月，陈宝生部长在教育部召开的新时代全国高等学校本科教育工作会议上提出，要合理增加课程难度，拓展课程深度，淘汰“水课”，打造“金课”，真正把“水课”转变成有深度、有难度、有挑战度的“金课”，切实提高课程教学质量（教高函〔2018〕8号）。“金课”直指高等教育质量问题，而这也是广播电视大学系统远程教育的生命线。2019年3月学校为引导和激发教师利用新一代信息技术探索远程教育教学新模式，不断提高广播电视大学系统教师开展远程教学的能力和水平，促进远程教育质量提升，启动省级广播电视大学系统内“金课大赛”。福建广播电视大学各分校教师积极参与，采用翻转课堂理念，融合混合式学习空间智慧教学功能（如图5所示），实施线上线下、个性共性两结合的混合式教学。日常教学的实施过程是：第一阶段，课前教师在SPOC云平台中创建相关课程区，将准备好的课件和学习资源上传至平台，并预先发布预习作业、测试等活动;学习者登录平台进入个人学习空间自学相关理论知识并完成相关自学练习，在自主探索中可以隨时保持与其他人的互动交流，最后完成线上测试或提交学习成果。第二阶段，课中采用扫码和人像识别签到，自动统计本地及远程直播学员出勤情况，教师讲解课件、发起课中讨论、问答等活动，本地学习者直接参与课堂面授，远程学习者通过移动学习APP接入直播课堂，也可以参加课堂讨论、测试、发帖等互动。第三阶段，教师在线完成作业批改和评分，解答学习者问题，同时给予多元评价。

（四）混合式学习空间的教学实践效果

利用混合式学习空间开展教学的实践从未停息，研究者通过在线问卷调查、访谈和混合式课堂观摩等形式综合分析其实践效果，可以归纳为以下五点：

1. 实现信息化支撑下的自然教学

问卷调查发现，87%的师生认为混合式学习空间保留日常手写输入习惯，能够很好地激活课堂活力。在空间中采用了智能自然书写输入和触摸一体机等设备，重构黑板，让师生自然互动。空间还将手写输入的信息自动采集存储，通过终端投屏技术，教师可随时查看、展示和批阅学习者书写的内容。超过80%的师生认为，在不改变师生教学和学习习惯的情况下，让教师和学习者无技术门槛即可顺畅地开展教学活动，是一项很好的教学体验，实现了信息化支撑下的自然教学。

2. 实现沉浸式教学环境

混合式学习空间采用了多屏连接技术，实现多屏互动和远程视频实时交互，提供网络和教学资源共享，进行演示课件、现场直播、远程互动等教学活动，合理使用声光电技术为师生营造逼真形象、图文并茂的教学环境。同时，空间还能充分展示知识的形成过程，促使学习者在知识学习上避免浅尝辄止，不仅知其然，还要知其所以然。学习空间建成至今，发起了430个混合式活动，在每次课后使用体验评价反馈中近九成获得五星好评。

3. 实现教学资源共享和整合

教学实践过程中，教师可以充分运用多媒体技术，运用历史资料和现实资料，扩大知识容量，同时通过声音、画面等拓展教学信息通道。空间广泛地融合多种新技术、新工艺和新方法，实现对信息资源的有效收集、组织、整理和运用，促进了技术与课程教学的最佳整合。目前，空间的学习平台发布了57门课程资源，314个课件资源（含讲义、微视频、图片等），自动录播生成293讲混合式学习活动多画面教学视频资源（含讲义、自动跟踪多镜头教学视频、语音识别字幕等），很好地实现了教学资源共享和整合。

4. 实现教学全过程互动化

在以“翻转课堂”和“SPOC”为代表的新型混合式教学模式下，教师利用空间实现课前、课中、课后全过程教学互动化，支持课堂内、教室、远程学习者以及教师的互动。课堂上，教师不再是一个人独立教学，背后有整个教研团队提供学习支持，不断强化团队力量;课堂也不仅仅只能容纳有限的学习者，所有连接混合式学习空间体系的人都能进入课堂，随时学习、提问、点评、观摩等。

5. 实现教学可测量化

空间可自动记录学习活动中师生的学习行为，并进行数据挖掘和教学评估与测量;基于师生的行为分析，对教师和学习者个体进行评估，成为个性化教学的有力保障。除了个体学习者，大数据对于学习项目、技术、政策同样很有意义，建立一个可流动、可获取、可应用的大规模学习数据能够更好地把握对教育学习项目、技术以及政策实施的效果，也有利于教学者和教育管理者进行行动决策。如理工学院开展“浅谈人工智能与智慧教育”教学直播（时长90min），教师利用空间的SPOC平台可以实时查看课堂在线出勤率为97%，课堂互动34次，抬头率91.32%，课堂积极表情占比87.95%，积极行为占比83.32%，测验完成率96%，从而快速掌握课堂学习动态，调整教学节奏。

六、结语

随着新一代信息技术和“互联网+”理念对教育的进一步影响和渗透，教育管理者不断探索新的“智慧+”教育形态，旨在为学习者带来丰富的学习体验。在此背景下，构建混合式学习空间，就是在新技术的支持下创设沉浸式学习环境，针对学习者特征个性化地提供学习资源和工具，并运用大数据技术，记录教学过程，评价教学效果，反馈问题，提高教学有效性和学习积极性。这种学习环境是虚拟空间和物理空间融合的高端形态，突出了学习者的主体地位和教师的指导作用。因此，混合式学习空间的构建应以智慧学习环境为核心，通过学校教学改革和师生个性化教学需求对学习环境变革的诉求，满足学习者的多样化和个性化需求，实现创新性的混合式学习空间应用，为教育信息化2.0行动计划提供理论支撑。

[参考文献]

陈向东，高山，金文. 2010. 多显示学习空间的开发与应用[J]. 现代远距离教育（6）：59-64.

冯晓英，王瑞雪. 2019. “互联网+”时代核心目标导向的混合式学习设计模式[J]. 中国远程教育（7）：20.

葛列众. 2017. 工程心理学[M]. 上海：华东师范大学出版社.

郭利明，杨现民，段小莲，等. 2019. 人工智能与特殊教育的深度融合设计[J]. 中国远程教育（8）：15.

胡沛然，王宜之. 2018. 智慧学习环境的设计、构建和管理研究[J]. 实验室研究与探索（7）：287-289.

王素，曹培杰，康建朝，等. 2016. 中国未来学校白皮书[R]. 北京：中国教育科学研究院.

吴南中，黄治虎，曾靓，等. 2019. 教育大数据生态圈构建：“3+3”模型的逻辑与实践[J]. 中国远程教育（7）：78.

杨现民，余胜泉. 2012. 智慧教育体系架构与关键支撑技术[J]. 中国电化教育研究（1）：77-80.

祝智庭，贺斌. 2012. 智慧教育：教育信息化的新境界[J]. 中国电化教育（12）：5-12.

收稿日期：2019-06-14

定稿日期：2019-08-21