高校智慧教室建设与应用策略探析

练若琳

（深圳大学师范学院，广东 深圳 518061）

美国高等教育信息化协会在2020年发布的《地平线报告》中指出，人工智能、下一代数字学习环境、分析与隐私问题是深刻影响教与学的趋势的三种技术。下一代数字学习环境要求机构能支持开放标准的教育技术应用，能通过同步或异步的方式为学生带来灵活的学习体验的教学环境。教育部下发的文件中也提出，要大力推进智慧教室建设，构建线上线下相结合的教学模式。[1]随着教育部大力推进的教学改革的深入，智慧教学环境的建设已经成为政府、企业、科研机构和教育研究者重点关注的对象。为了顺应教育改革的要求和适应新时代的变革，以全面提升学生的综合素质和课堂教学的质量，必须把建设智慧教室放在高校教育教学改革和校园信息化建设的重要位置。

1 世界背景下的我国高校智慧教室建设反思

1.1 国内外智慧教室建设概况

智慧教室是智慧学习空间的种类之一，也是智慧学习环境的典型代表。[2]根据清华大学教育技术中心钟晓流等专家的说法，智慧教室是为了让资源和服务共享，实现智能的感知、互动、控制、管理、数据分析和视窗等系统一体化集成的数字化教学环境，通过汇聚、挖掘、存储和分析教学活动中产生的大数据，来为教学提供智慧支持。[3]智慧教室中的“智慧”具有两个层次的含义：一是物理空间中的智慧，即使得教学活动环境中的师生或听众更加舒适、健康，并得到美好的视觉体验和听觉感受；二是信息空间层面的智慧，即通过对教育大数据的汇总、分析和推送，实现教学、学习、管理和评估等功能的整合，让教学活动和教学管理具有智能的效果。

高校具有建设智慧教室的开放环境，不同的专业课程需要不同的教学环境来支撑，因此高校是智慧教室建设的主战场。自2017年起，国内众多高校如北京大学、厦门大学、上海交通大学等都在研究和建设智慧教室，引领高校智慧教室的建设和应用加速推进。[4]一般通过两种方法来建设智慧教室，一是新建智慧教室，二是对已有的教学环境如电脑室、多媒体教室进行改造升级。

国外对智慧教室建设的研究开始较早，国外的教育体制、教育理念、信息技术发展和国内不同，对比之下，国内外的智慧教室在功能、空间设计、技术设计上有所不同。[5]一是国外主要从教与学的角度来分析智慧学习环境的功能，比如澳大利亚的维多利亚州教育部认为，智慧教室的功能在于为每个学生量身订制学习内容，而我国重视把信息技术应用在教学中来设计智慧教室；二是国外一般根据国家的教育理念和特色来设计智慧教室，比如日本公立中学设计的智慧教室重视学习社交，在教室配备扫描仪，既保留了学生手写笔记的传统，又实现了智能存储，而我国重视设计智慧教室的框架、结构；三是国外主要利用技术改善物理学习环境，比如加拿大麦基尔大学的教室设计了设备集成化的接口，教师可以方便高效地通过一个控制面板操作教室的所有设备，而我国重视运用技术来提高学习效果，让传统教室充满智慧。

1.2 我国高校智慧教室建设存在的主要问题

越来越多的高校重视增加本校智慧教室的数量，我国的教育信息化取得了一定的成果。参考国外不同国家智慧教室的建设经验，结合我国的教学特色，总结我国高校在智慧教室的建设中存在的问题，概括为如下几个方面。

第一，教室建设不规范。随着改革的推进和技术的发展，智慧教室在未来会像多媒体教室一样在各个高校普及。然而，目前智慧教室的建设没有统一的标准，各高校的智慧教室方案设计的侧重点都不同，很多高校仅以体验智慧功能为目标建设一两间智慧教室，导致规模化、规范化建设智慧教室的愿景难以实现。

第二，系统设计不合理。越来越多的新设备进入高校智慧教室，很多高校早期缺乏统一的规划，出现教室多媒体设备功能不全面、操作繁琐等问题。不同的设备模块之间相互独立，大大增加了教师操作的复杂性。[6]多个系统同时运行时数据难以有效保留，可能导致教学活动无法得到有效的支撑。加上缺乏完整的管理制度体系，很难对系统进行有效的维护。

第三，教学需求不准确。很多高校在没有明确教学需求的情况下改造教室，没有考虑人的视觉与听觉特性来设置教室布局和座位分布，单一的教室布局不利于师生之间互动，很多教学活动难以展开。教师对复杂设备的功能不明确，新的教学方式不符合教师的授课习惯，给老师和学生带来不好的体验，教学活动也无法有效开展。

面对种种问题，迫切需要在当前校园信息化建设的基础上，设计一套合理的解决方案——通过顶层设计、应用驱动，实施专业化的设计、施工、运行维护和管理，以合理地规划和建设智慧教学环境。

2 智慧教室的建设

2.1 智慧教室的建设理念

智慧教室的建设要遵循统一规划、总体设计、分步实施、逐步完善的原则，整合“教”“学”“管”“评”的功能[7]，即整合高校教育教学中教学、学习、管理和评估等功能，并在教学活动和教学管理方面增加智能的效果，从而提高教与学的效率，这是智慧教室的建设理念。

第一，智慧的教学。智慧教室要支持新的教学理念、新的教学模式和新的教学方法，充分发挥教室空间和教学设备的作用，以支持开展丰富的教学活动。智慧教室同时也是跨校区的实时互动教室，可以发展基于讲授的混合教学、翻转教学、远程教学和实训教学的创新教学模式。

第二，智慧的学习。智慧教室要给学生提供智慧的学习平台，支持学生通过手机、平板、笔记本或其他终端随时随地进行学习。学生可以利用无缝接入的智能设备参与学习活动，随时随地获得学习动态，无障碍地进行互动交流，并可以个性化地订制学习服务，促进合作、创新能力的培养和个人能力的提高。

第三，智慧的管理。智慧教室要利用物联网感知的功能，通过控制中心把教室中多媒体设备的管理和控制功能整合起来，智能地调节和控制教学环境和设备，实时地预约教室，实时地更新设备档案、课表、教学环境记录等，并能够智能地分析记录。

第四，智慧的评价。教学环境的大数据主要来自教学活动的实时数据，通过分析教师和学生在线上和线下参与的课堂互动、试题练习、测验考试、问卷作业和问题反馈等情况，实现对师生情况的全程跟踪和对教与学需求的全面掌握，建立完整的教师和学生档案，为教学管理和评价提供依据和决策信息。

2.2 智慧教室的功能系统建设

智慧教室系统开发目的是通过收集教室的环境数据来分析教室的使用情况，从而让教学环境智能化，降低教室的能耗，给使用者以良好的体验。[8]通过智慧教室的管理系统可以完成教室数据的采集、分析与处理。图1为Zhi Min Zhu等构建的智慧教室管理系统的架构图。[9]在图中，每个教室中的传感器作为物联网感知设备收集环境数据，数据被聚合到网关，网关集成数据后把数据传递到云端，云网将集成的数据上传到保存数据的服务器，数据库用于存储房间信息、传感器信息、环境数据等。系统通过读取数据，将数据转换为可读信息，就可以显示到各个功能系统上。

图1 智慧教室管理系统架构图

智慧教室的“智慧性”需要由多种功能的系统来支撑和表现。基于聂风华等教授提出的智慧教室“ISMART”模型，参考张凯提出的构成智慧教室的六大核心部分[10]并进行扩充，把建设智慧教室的功能系统分成9个子系统和1个中央控制系统。实现由中央控制系统集中控制，对播音、视图显示、无线投屏、录播、物联网感知、远程呼叫、显示电子班牌、互动交流、虚拟现实功能子系统集中管理[11]。每个子系统不是独立的，各种情境感知设备、移动终端、智能设备接入“智慧+教育”生态，原本闭塞的教学环境与智能设备串联起来，使得在线学习和实体学习混合的学习模式得以灵活运用，也使得各类教学大数据的产生更加便利。

（1）中央控制系统。是智慧教室的核心模块，以触摸屏面板的形式存在。可以实现本地设备的操作控制、课表联动、系统开关的设定和信号切换，也可以远程对教室的教学设备或系统进行集中控制，并监测运行状态，以可视化的形式进行控制和管理。

（2）播音子系统。教室音响设备的选择要考虑人的听力特性，选择音质好的播音设备，不仅有利于人的听觉健康，也有利于提高教师的教学效率和学生的听课质量。设备的摆放要考虑教室的布局，让每个学生都能听清楚、听得舒服。

（3）视图显示子系统。选择播放流畅、显示清晰、色彩明艳的显示设备，给人以舒服的视觉感受，这样不仅可以减轻教师和学生的视觉疲劳，还有利于增强课堂的活跃度。设备的摆放要符合人的视觉特性，让每个学生能看清楚、看得舒服。

（4）无线投屏子系统。通过无线投屏技术可以将手机、平板、电脑和其他终端的画面实时地显示到另一个设备屏幕上，摆脱各种传输数据线的束缚，使师生之间、学生之间互动更便捷，资源交流与获取更高效简单，展示丰富多样的教学内容。

（5）录播子系统。一般智慧教室配备常规的摄像机就可以满足普通的录播功能，需要数据采集和高清摄像的智慧教室可以使用配以高精度云台的微格摄像机，可以通过多个机位记录教室情况，以高清视频信号的方式采集记录和合成，并结合PPT演示文稿等形成流媒体课件，上传到网络，实现教室直播和点播功能。

（6）物联网感知子系统。物联网感知系统通过射频识别、GPS定位系统、红外感应器等传感设备，按设定把物品和网络连接起来，进行信息交换和通讯。包括环境感知和设备管理感知。通过物联网感知系统可以轻松获取教室的各种类型的数据，这些数据是教室管理中的大数据的主要来源。

（7）远程呼叫子系统。当教室设备出现问题并需要管理和控制中心处理时，通过远程呼叫系统可以随时与控制中心沟通交流，以方便技术中心提供远程技术支持。系统记录所有求助记录和处理结果，能对所有通话进行录音，这是解决教学现场技术支持的重要途径。

（8）电子班牌子系统。电子班牌可以动态地记录和显示教室的信息。包括教室名称和课程安排，实时教室状态和实时天气情况，学生信息和学生电子考勤等信息，是信息获取和发布的平台。

（9）交互子系统。交互系统由硬件组合或软硬件架构结合组成，包括教师终端、学生终端、智能笔等，通过云服务器连接实现自动分组、互相批注、投影监控、课堂测试、课程评估、师生相互评估等互动功能，以支持师生无障碍开展互动交流活动。

（10）虚拟现实子系统。虚拟现实系统可以在计算机软硬件的辅助下，借助于多样化的控制设备，为体验者提供一个可视的、可感的三维虚拟环境。借助虚拟现实技术能实现真实立体的教学，它的应用让高校的智慧教室更智能、更先进。

各系统集成的拓扑图见图2。

图2 智慧教室系统拓扑图

3 智慧教室的应用

3.1 智慧教室的应用类型

经过测试，该智慧教室系统模型低功耗、低成本、易用、易普及，整合了“教”“学”“管”“评”的功能，基本满足智慧教室建设的需求。一间完整的智慧教室，通常会集合多个子系统，将教室的整体设备相连接，教师可以一键式开启上课期间所用的设备。参考黄荣怀教授提出的高清晰型、深体验型和强交互型的智慧教室类型分类[12]，为了更易于理解，按照系统组成和功能的不同，把智慧教室分为两类，一类是投屏类教室，包括演示型、交互型、录播型智慧教室；另一类是非投屏类智慧教室，包括语言学习型和虚拟现实型智慧教室。投屏类智慧教室都具有无线投屏系统，智慧教室的类型、主要应用模式及系统组成见表1。

表1 智慧教室的类型及系统组成

（1）演示型智慧教室。主要适用于学术演讲教学、常规授课教学，是学生座位人数较多的智慧教室。教师可以通过无线投屏，让多个屏幕显示相同或不同的内容，还可以使用云白板软件在触摸屏上标注重点难点和课堂板书，从而向学生展示丰富的教学资源。[13]然而，在演示型教室的课内教学中教与学互动有限，还应该增加翻转课堂的环节，增加线上教学的比重，比如发布线上资源、通过移动终端的同屏互动、发布作业和考试等等。

（2）交互型智慧教室。主要适用于分组讨论、交互讨论、案例教学等教学活动。在交互型智慧教室中，桌椅都是活动的，可以自由组合，通过墙壁上安装的多屏幕交互式触控一体机实现全方位互动，可以进行教学演示、小组合作、讨论和交流、总结和点评，开展各种教学活动。[14]由于学生的相互合作与互动是教学活动的动力所在，注重课堂的交互让传统的授课方式和演示型教室得到了革命性的改进，是师生关系改变、教学设备更新、授课方式发展所带来的必然结果。

（3）录播型智慧教室。主要适用于远程同步课堂、课件实时生成制作的精品课程、现场直播等。教室配备高精度的微格教学录播系统，也称为微格教室。在教学进行的过程中，系统自动地生成一个课堂教学实况录像，并按时间顺序自动编辑好。可以通过互联网直播，让更多的人进入课堂，还可以重复播放教学录像。[15]录播型智慧教室是课堂教学研究、教学资源建设、远程授课的重要场地，可以开展双板对比、互动协作等教学模式。

（4）语言学习类智慧教室。主要适用于外语教学、同声传译实训、外语考试等教学活动。教师只需操作控制台上的计算机就可以控制和管理每台学生机器，还可以通过全班、分组或个别教学等教学形式开展教学活动，实现视听说、翻译写作、学生自学、进行考试等功能，给学生提供了很好的语言学习环境，提高学生独立学习语言的能力，从而提高教学效率和学习效率。

（5）虚拟现实智慧教室。主要适用于实践性或体验性较强的课程，可以借助VR“黑板”、VR教学资源载体实施教学，也可以通过给每人或每个小组发放VR眼镜观看VR课件等方式来支撑。北京理工大学的思政智慧教室就配备了VR眼镜，使用无感化管理的方式，让学生体验到前所未有的沉浸式的思政课学习体验，实现了思政课堂的翻转和创新。它还营造出多感官的立体虚幻课堂，实现以教师为主导，以学生为主体的虚拟现实教学。[16]

3.2 智慧教室的应用策略

目前越来越多的高校建设了各具特色的智慧教室，智慧教室的数量和质量成为评价学校教学质量的重要指标。然而技术只有当它应用于教与学的框架时才会对学习产生影响，根据智慧教室的建设理念，总结智慧教室的应用策略为以下几点。

第一，统筹规划，明确教学需求。建设智慧教室要总结自身和他人的经验，考虑多方面因素，以建设智能便捷、高效管理、个性与标准化相统一的智慧教室为目标，丰富完善系统的功能，为教学环境注入更多新鲜的活力。

华中师范大学组织技术力量开发自己的数据接口、集成智慧校园系统，把云课堂平台、教务管理系统和智慧教室的各种功能系统进行无缝对接，让物理空间、资源和交互空间一体化。[17]设备形成业务孤岛和出现故障的几率就大大降低了。同时，根据课堂教学的实际情况选择教学工具和平台，考虑人的视觉和听觉特性来设置教室布局和座位布局，让智慧教室的设计充满人性化，让教学和学习需求得到了“一站式”解决。

第二，构建灵活的物理空间和虚拟空间。智慧教室的目标是要打造灵活多变、合理规划的教室和便捷高效、完美交互的云教学平台。把教室按照教学需要分门别类建设和管理，并使用活动桌椅、创意教室，可以打破传统的教室布局，促进师生交流。

如北京大学的智慧教室，分为研讨型教室和授课型教室，桌椅可以灵活转动，能满足不同学科各种类型的研讨需求。教室采用分布式设计，用软件系统智能控制硬件技术，以在真实和虚拟教室中实现信息和群体间的交互。智慧教室充分利用了云计算技术支持系统和智能终端的功能，实现从单到多个智能教室的连接，实现正式学习与非正式学习的无缝对接，让学习空间灵活起来。

第三，建立多重评价机制。智慧教室建设的标准和规范要建立起来，要建立使用效果的评估标准和考核方法，不同的学科和教学活动采用不同的评价方法和指标，评估经济投入和学生学习效果，选择最适合当前教学的产品，实现经济效益最大化。

尹合栋等构建的智慧教室评价指标体系，包括基础设施、环境与布局、智能录播、教学与资源平台、智能管控与感知、软硬件工具与移动终端、培训方案等7个一级评价指标。[18]构建评价指标体系可以更有效地为智慧教室建设的评估提供参考，通过利用智慧的教学环境来记录学生的学习过程和学习轨迹。通过分析学生的学习风格、学习态度和学习能力，给学生提供个性化的资源推送和学习支持。

第四，提高教师的专业能力。为提高教师教学转型的意愿和能力，学校可以邀请教学设计或教育技术方面的专家组织培训活动，开设讲座，向学校师生讲授新技术运用的课程，也可以在会议上简单分享优秀教师的教学实践案例。

高小丽等提出“智慧教室+智慧教师 智慧教学”，认为构成智慧教学模式的两大关键因素是智慧教室的构建与智慧型教师的转型，三者密不可分。[19]教学向智慧迈进，这对教师的能力和素质要求必然变高，通过教师培训可以提高教师掌握新技术、运用新技术进行教学的能力，还能培养教师在新环境中的信息素养和教学观念。

4 小结

为了让高等教育教学走向蓬勃发展的未来，我们必须解决当前的难题，不断摸索前进的路。高校智慧教室建设的成功不仅在于学校要充分利用新的教学环境，重视智慧教室的研究和建设，也在于学校要建立合理的教室管理和完善的评价机制，还在于教师要有良好的信息素养，教学内容要与时俱进。对于智慧教室的研究不应该只是停留在系统理论建设研究的层面，需要研究人员专注于更多的学科，对智慧教室的建设和应用不断地反思、改进、应用，使其能真正应用于教学，真正有利于学生学习。