智慧教室的设计与其对教学的影响探究

李海胜 姚存治 刘开茗 王艳萍

0 背景

智慧教室是一种智慧学习环境，更是智慧教育的时代体现。智慧教室的“智慧性”涉及教学内容的优化呈现、学习资源的便利获取、课堂教学的深度互动、情境感知与检测、教室布局与电气管理等多个方面，可概括为内容呈现、环境管理、资源获取、及时互动、情境感知等五个维度[1]。

智慧教室充分利用现代技术手段，在辅助教学的同时也在潜移默化地改变着教育教学方式。从投影仪、PPT，到现在的智慧终端、电子白板反映的正是教学设施随信息技术的进步不断地升级换代。与此同时，教学方式的改变也对教学设施与环境提出了更高的要求，即教学设施与环境能够支撑灵活多样的教学设计，能够充分展现多样的教学资源，能够便捷地开展师生互动，能够随时记录学习过程。最终教学设施与环境的改变，润物细无声地促进教学理念的改变。

智慧教室建设的核心与重点是如何更加有效地辅助教育教学，而非设备先进性的展现。目前，国内智慧教室的研究主要集中于智慧教室的设计和建造，更多地关注技术水平的先进性与功能的多样性[2]。很大程度忽视了智慧教室的适用性与实用性，造成了智慧教室建设成本居高不下的问题，此外智慧教室应用成效还处于初期探索阶段。

1 智慧教室建设理念与设计思路

1．1 设计理念

1.1.1 以专业、课程需求为导向

高等职业院校（以下简称高职院校）不同专业对智慧教室的功能需求也不尽相同。以物联网应用技术专业为例，该专业注重物联网技术的应用开发，对智慧教室的需求着重于专业知识与智慧教室环境相结合。智慧教室在具备内容呈现、师生互动、资源获取的同时，应更多偏重环境管理与情境感知方面，将专业知识真实地呈现在学生面前，这更有利于教师专业教学与学生专业学习。一些基础课程如《高等数学》，课程内容偏重理论知识与逻辑推导。任课老师开发了立体化教材，学生通过手机APP 扫描二维码即可查看视频讲解。这种形式一方面将抽象内容形象化、具体化；另一方面改变教学方式，以在线资源为支撑开辟学生线上、线下学习的方式。此类课程更多地要求智慧教室资源获取的便捷性，对智慧教室网络环境有较高要求，智慧教室应当满足学生对教学资源的大开发与高通量访问需求。

1.1.2 与智慧校园建设相互融合

智慧校园、智慧教室系统相互“隔离”。一些高职院校存在有线网络老化、无线网络建设滞后与校园访问潮汐困境（在短时间内，学生集中访问网络资源，如学生网上选课，给服务器造成了巨大的压力，而其他时间并无较大的访问量）等现象，这在一定程度上制约了智慧校园功能的发挥同时也降低了智慧教室的能效。

调查显示，大量智慧教室建设方案涵盖智慧教室五个维度，系统内部存储了大量教学资源。但上述资源仅服务于智慧教室，脱离智慧教室却无法发挥作用。这就造成智慧教室系统与应用的“系统”孤岛，无形中降低了其应用效能。

智慧教室应用数据无法融合到智慧校园当中用于学习分析。智慧教室应用与教务系统、学生信息管理系统等系统隔离，智慧教室采集的学习数据无法融入智慧校园业务系统当中，这给智慧教室效能的发挥带来了负面影响。二者相互融合才能将教师教学数据、学生学习数据融合在一起，然后采用大数据等技术手段对教师教学过程、学生学习过程，线上教学资源的使用情况进行分析、评价，为教学质量的提升提供依据。1.1.3 突破教室空间“限制”打造智慧学习环境

智慧教室的定义明确指出“智慧教室是一种智慧学习环境”而非教室当中的智慧环境。目前智慧教室的建设主要集中于智慧“教室”的建设，而非智慧“环境”的建设，这给智慧教室的建设带上了一个无形的“枷锁”。这也形成了目前千篇一律的智慧“教室”的建设模式。

依据目前线上教学、反转课堂等教学模式，综合智慧教室与智慧校园建设相互融合的原则，大力建设校园有线无线网络，开放教务系统信息，采用大数据、人工智能等先进技术，打造校园内无处不在的学习环境，将校园建设成为一个智慧教室（智慧环境），从而打破智慧教室建设的局限。

1.1.4 空间环境“多姿多彩”

传统教室在布局上对空间进行一分为二的划分，这种设计便于教室后部的学生看到教师与黑板，从空间的角度提升了教师教授知识的权威性，提升课堂教学的效率。但是这也拉远了教师与学生之间的距离，使学生产生畏惧心理，阻滞学生与教师之间的互动，不利于课堂教学。此外，传统教室在色彩搭配上千篇一律的采用白色。白色庄重、典雅，适用于大型教室，但应用于小型教室上则有显单板缺乏灵动。

智慧教室在设计上应摒弃一分为二的布局、一成不变的白色，应当基于教室用途、面积，设置多样的布局，运用多种色彩，营造更加舒适的学习环境。

1.2 建设分类

1.2.1 通用型智慧教室

通用型智慧教室注重内容优化呈现、学习资源的便利获取、课堂教学的深度互动等通用需求功能的实现，主要面向注重内容呈现、学习资源的便利获取、课堂教学的深度互动等方面的课程或专业使用，由此通用型智慧教室具备相对统一的技术标准。上述课程与专业较少涉及专业相关技术设备与设施，无须在智慧教室中展示专业技术设备，而更多地要求在课堂教学过程中在线资源的获取与展示、学生学习过程数据的采集等。基于通用型智慧教室的定位，通用型智慧教室的主要支撑课程为公共基础课程、专业基础课程等，如大学英语、思想政治教育、创新创业等。通用型智慧教室主要包含多屏教学系统、课堂在线交互系统、人工智能课堂评价系统等。

1.2.2 专业型智慧教室

专业型智慧教室在具备通用型智慧教室全部功能的同时，还部署了专业教学所需的设备与设施，主要面向专业技术课程使用。课堂教学需要智慧教室打造一个专业技术应用的真实环境，以此来满足专业技术学习需求。基于专业型智慧教室的功能定位，专业型智慧教室的主要使用课程为专业基础课程、专业核心课程等。因各类专业功能需求的不同，在设计建设专业型智慧教室时，须注重考虑相关专业技术知识的应用，由此专业型智慧教室没有统一的技术标准。

以医学类专业为例，讨论其对智慧教室的需求。护理、呼吸治疗技术、助产等医学专业要求学习人体结构与功能、医学免疫与病原生物等专业课程。而如何让学生便捷地观察、学习人体形态结构一直是医学专业的教学难题。虚拟现实技术（Virtual Reality 简称VR）应用之前，只能让学生观看各种人体标本、模型、图示。VR技术为医学教育带来了一种全新的技术手段。借助VR构建各种人体器官、系统的三维模型，学生可通过手机、VR 头盔、电脑等途径多角度观察学习人体结构。VR 系统还支持模拟解剖，并且对学生的操作给予反应，如血管破裂血液流出等，相比传统的尸体解剖，VR方式成本低且没有时间、场地的限制[3]。

由此可见，医学类专业对智慧教室的要求偏重于虚拟现实设备以及虚拟现实教学系统的部署与应用。

1.2.3 智慧教育点

智慧教育点是在校园网络、应用的支撑下，采用虚拟现实等新技术在室外打造的“智慧教室”，突破场地的空间限制，将智慧教室的建设从“教室”扩展到操场、花园、会堂等场所。在这些场所，各类移动终端、学习平台均可访问在线资源，接入各类学习平台，实现随时随地的个性化线上线下学习。智慧教育点的建设打破了场地对智慧教室的限制，将智慧教室的建设从室内扩展到室外，形成了智慧教室新的建设模式。

随着网络课程资源建设，在线资源种类、数量、体积逐步增多变大并且新冠肺炎疫情期间直播、录播课程大范围使用，在线教育对网络资源（网络速度与网络带宽）的要求越来越高，采用商业网络模式无法满足要求。此外，部分智慧校园与智慧教室的系统与应用在校园网外部无法访问，这给智慧教育点在线资源的获取以及学生学习数据采集造成了障碍。由此，智慧教育点的网络环境优先采用自建、免费使用模式。

2 智慧教室对教学模式的影响

智慧教室建设的目的即是利用先进的信息化技术、设备与设施，为教学活动的实施提供更多的便利与手段，辅助提升教学质量。智慧教室配备的教学设备是为教学服务的，应为师生提供尽可能多的选择，不能一味追求科技含量而忽略此最本质的功能。随着新技术的应用智慧教室给现有教学方式带来了以下影响。

2.1 资源获取、内容呈现更直观

智慧教室最重要的基础部分是高速、大带宽的无线网络。教学过程中教师让学生下载教学资源；获取资源后，教师学生手中的各类终端才能发挥应有的作用。多种资源的使用，将课本抽象、复杂的知识通过多样的形式表现出来，降低学生理解难度，提升学生学习效率。此外，有了网络的支撑，各种设备、系统、应用才能被访问，学习过程数据才能被采集。

智慧教室最直观、最醒目的部分是智慧教室四周的多个显示屏幕。在教学过程中，教师在线获取教学资源，并在多个显示屏幕上同步显示或分屏显示，充分发挥各种类型资源的优势，解决了普通教室后排学生因各种因素看不到、看不清黑板的问题。

2.2 师生交互更便捷

课堂师生交互让教师即时掌握学生学习状况，并即时调整教授进度与难度。传统课堂教学，师生交互以提问、小测验居多，覆盖面小，教师无法全面、准确地掌握学生学习状况。在智慧教室环境支撑下，各类教学软件、终端支持开展各类师生交互，包括一键签到、抢答、投票等。各类交互活动经系统后台处理后，即时将结果传递给教师；教师对学生参与情况进行评判后，评判结果反馈给学生端，学生可即时查看。师生交互平台的使用，促进师生交互由传统一对一的“你问我答”向智能多元转变，提升学生的课堂参与度。师生交互数据是学生学习数据的重要组成部分，师生交互的便捷更是有利于学习过程数据的采集。

2.3 学习过程记录与分析

移动互联时代，学生通过各种在线学习平台进行学习。学习平台主动记录学生的学习过程，这些数据反映了学生的学习状态和学习进度。学习分析源于商业智能和网站分析，是用户数据分析在教育领域的应用，指的是对教育领域的“大数据”处理和分析[4]。学习分析通过对学生在线学习行为数据的分析，以倒溯方式考察影响行为产生动机和需求等因素，以及行为背后所隐藏的学习目的、学生个性特征、学习环境等元素，最终目的是优化学生的学习过程以及学习行为发生的环境[5]。在智慧教室框架下，融合教务、考勤、在线学习记录等数据，对学习过程画像，针对学生学习特征，差异性地推送学习资源，从而实现个性化、智能化学习。

3 结语

智慧教室是教育教学与信息化技术深度融合的产物，为教师转变教学理念，更新教学模式提供了便利。基于高职院校实际，提出以专业、课程需求为导向，与智慧校园建设相互融合，突破教室空间“限制”打造智慧学习环境，空间环境“多姿多彩”的智慧教室设计理念。基于高职院校课堂教学实际需要将智慧教室的类型分为通用型智慧教室、专业型智慧教室、智慧教育点，优化智慧教室的建设布局，提升智慧教室建设的效能。基于智慧教室的应用，总结提出智慧教室对教学模式的积极影响：资源获取、内容呈现更直观、师生交互更便捷、学习过程记录与分析。

信息技术的进步促进教室建设融入先进的技术，新技术新设备解决了传统教学环境与模式存在的问题，促使教师不断更新、转变教学理念，改进教学方法，创新教学模式。与此同时，教师教育教学理念的改变，教学模式的创新对教学软硬件设施提出了更高的要求，不断促使信息技术的进一步创新升级。二者相互促进，相互影响，不断改善课堂教学生态。智慧教室的建设与应用将会进一步成为未来智慧教育发展的新趋势和常态。