高校智慧教学环境的认识、内涵和实践途径研究*

2020-12-24崔亚强甘启宏余淇王春艳田建林黄晓丽

中国教育信息化·高教职教 2020年12期

崔亚强甘启宏余淇王春艳田建林黄晓丽

摘要：智慧教学环境的构建是实现学校教与学方式变革的基础，是实践智慧教育的必然选择。文章首先在总结高校智慧教学环境建设实践现状和问题的基础上，从教学环境的理解、智慧教学环境的渊源和解读三个方面梳理对智慧教学环境的认识;然后提出智慧教学环境的概念模型，描述智慧教学环境应具备的主要功能并给出分级建议;最后提出智慧教学环境的典型建设模型，并分析智慧教学环境下典型教室形态的特征，以期为后续智慧教学环境的研究和建设提供借鉴。

关键词：智慧教学环境;智慧教室;学习空间;智慧教育

中图分类号：G40-057 文献标志码：A 文章编号：1673-8454（2020）23-0013-05

近年来，“智慧教育”“智慧教学环境”“智慧教室”已经成为学术界的研究热点。《教育信息化2.0行动计划》提出“智慧教育创新发展行动”，指出要开展以学习者为中心的智能化教学支持环境建设与应用[1]。国标智慧校园总体框架对智慧教学环境的定义及标准进行了规范。陈宝生部长在《努力办好人民满意的教育》一文中发出“课堂革命”的改革号角[2]，高校也纷纷探索教学改革之路。在智慧教育背景下，高校如何以教育教学改革理念为导向，推进智能技术与教学融合创新，结合校本特色构建新型智能化教学环境，推动人才培养模式、教学方法的改革，成为高校教育技术工作者关注的热点[3]。

一、高校智慧教学环境建设现状

随着高校教育教学改革的深入推进，以教室为主体的教学环境重构日益成为高校研究和实践的重要课题。西安交通大学构建了包括基础设施、基础网络、网络感知、学习资源重复利用平台、电子考勤、教务督导、IP语音对讲和电子班牌的智慧教室[4]。上海交通大学构建了功能涵盖智能控制、无线投屏、答题分享、远程交互、记忆白板、云录播、在线督导、考勤系统的智慧教室[5]。厦门大学以课堂教学改革为指导理念，通过无线网络环境、交互式电子白板、课堂任意分组、互动教学系统、多终端支持、智能管理、实时应答系统、课堂大数据分析八个维度构建智慧教室[6]。中国矿业大学智慧教室主要由中央智能集控系统、多屏教学展示系统、课堂在線交互系统、环境智能监控系统和高清课堂直录播系统组成[7]。华中师范大学智慧教室由智能化教学设施、多样化空间环境、物联网环境管理、云端一体化教学平台、资源生成系统、学习行为采集分析系统、交互空间建设等组成[8]。四川大学以课堂教学改革为导向构建智慧教学环境，包括多类型互动教室、环境智能控制系统、教学互动系统、环境信息服务及公共空间建设[9]。

目前我国高校智慧教学环境建设已经取得一定成效，但也存在一些不足。一是在教学环境重构中有的偏向于设施自动化或智能化改造，有的偏向于互动教学系统建设，有的偏向于互动空间打造;二是硬件系统、基础软件、应用软件没有真正融合，教师上课需要在不同系统、不同模式间来回切换，数据也不能够有效交换，给师生带来诸多不便;三是依托教学环境采集、产生的教学大数据处理与分析相关研究还不够深入。这些问题固然有学校自身特色和实际的原因，但更重要的还是源于对智慧教学环境、智慧教室的内涵理解不够清晰全面。因此，本研究深入探讨智慧教学环境的认识、内涵特征及实践途径，有利于破解关于智慧教学环境理解的一些困惑，更好地促进智慧教学环境的未来发展。

二、智慧教学环境的认识

1.教学环境的理解

《教育大辞典》（1990年）指出教学环境是影响教学活动的各种外部条件[10]，狭义的教学环境特指班级（教室）内影响教学的全部条件。从教学环境的定义可以看出，教学环境的概念包含更丰富，智慧教育背景下，学校教学环境称作智慧教学环境比智慧教室更为合适。《国际教学与师范教育百科全书》把教学环境分为物理环境和心理环境，对于教学环境的研究在关注物理环境的基础上，还要考虑物理环境对心理环境的影响。

2.智慧教学环境的渊源

当前许多人认为智慧教学环境与智慧城市一样源于IBM公司提出的智慧地球概念。但是从智慧地球的三个要素，即物联化、互联化、智能化来看，远不能涵盖智慧教学环境的定位。本文认为，智慧教学环境不仅仅是环境的智慧化，其重心更在于对智慧教学的环境支持。而智慧教学或者智慧教育是当前时代发展的需要，更是国家创新发展战略的需要，更与智慧地球无关[11]。从智慧教育概念的渊源来说，至少可追溯至钱学森教授在1992年11月13日提出的“大成智慧学”以及1993年10月7日提出的“大成智慧教育”[12]。在其理论里，智慧主要是指“创新与创造”能力，核心要义是强调“量智”和“性智”的结合、科学与艺术的结合、逻辑思维与形象思维的结合、思维的整体观和系统观的结合。近年来，在国家教育教学改革政策的指引下，各学校推进的以知识传授为主转变为以思维与能力的提升为主，传统的灌输式教育转变为启迪学生异想天开、激发学生创新创造的教育，传统应用知识学习转变为创造知识学习等教育教学改革，这些都为智慧教育教学理论的不断丰富发展提供了实践基础。

3.智慧教学环境解读

基于对智慧教学环境渊源的梳理，本研究认为，智慧教学环境是以教育教学改革理念为指导，以充分支持智慧教学和激励教与学双向创新为根本目的，综合运用教育学、心理学、空间设计学、人体工程学等多学科知识打造的开放、友好、互动、多样、智能的新型教学环境。智慧教学环境可以分为三个层次：智慧教学的环境、智能的教学环境和智慧的教学环境。

第一层次是智慧教学的环境。无论是古代的茅草屋还是现代化的教室，都是为教师的教和学生的学服务，让教师的智慧得以发挥，让学生的智慧得以启迪。古代孔子讲学采用开放式互动型教学形态，同时带领弟子周游列国进行实践教学，可视作古代智慧教学的典型案例，也对我国教育教学产生了深远影响。著名英国教育家怀特海在《教育的目的》一书中也提到教育的全部目的就是使人具有活跃的智慧[13]，启迪智慧是学校教育更加伟大和根本的目的，教育的本质就是启迪人类的智慧。教学作为学校教育最主要的组成部分和基本途径，不仅仅是知识的传递，其更重要的使命在于对学生智慧的启迪。由此，对智慧教学的支持即智慧教学的环境，也理应是教学环境的基本属性。智慧教学的环境主要以开放性、互动性、协作型、多样性为基本特征，其建设目标和意义主要在于打破工业时代传统教室形态对师生教学活动的限制，重构教学环境，支持和引导师生积极开展以互动式教学、启发式讲授、批判式讨论为主要形态的智慧教学。

第二层次是智能的教学环境。国务院《新一代人工智能发展规划》提出开发立体综合教学场、智能教育助理，建立智能的教育分析系统，建立以学习者为中心的教育环境[14]。教育部《教育信息化2.0行动计划》明确要求开展以学习者为中心的智能化教学支持环境建设，推动人工智能在教学、管理等方面的全流程应用，探索泛在、灵活、智能的教育教学新环境建设与应用模式[1]。本文认为，以上文件对智能的教学环境建设给与了明确指导和要求，而国家标准《智慧校园总体框架》中给出的智慧教学环境定义——集智能化感知、智能化控制、智能化管理、智能化互动反馈、智能化数据分析、智能化视窗等功能于一体的用以支持教学、科研活动的现实空间环境或虚拟空间环境，则是对智能的教学环境非常合适的定义。智能的教学环境其建设目标和意义主要在于利用智能技术加快推动人才培养模式、教学方法改革，构建包含交互式学习、个性化学习、终身学习的新型智慧教育体系。

第三层次是智慧的教学环境。钱学森1993年提出的“大成智慧教育”的显著特点之一，就是提出充分利用计算机和信息网络，发挥人机优势互补的长处，使人能够及时获得和集成广泛而新鲜的信息、知识与智慧，培养创新能力[15]。“大成智慧学”为智慧教育和智慧的教学环境提供了理论基础。未来智慧的教学环境将实现人的智慧与环境（机器）的智慧协同，为智慧教育教学提供强大支撑。智慧的教学环境是智慧教学环境的高级形态，其实现必须要依赖人工智能不断发展成熟，使机器系统从智能向高度人工智能（或者说是人工智慧）进化，从而为人的智慧发展提供无限可能。

三、智慧教学环境的内涵特征和实践途径研究

1.智慧教学环境概念模型与主要功能特征

结合教学环境研究，本文提出智慧教学环境的概念模型，如图1所示。智慧教学环境具备环境温馨友好、空间无限延伸、联通随时随地、智能如影随形的基本特征。智慧教学环境以适当的技术作为支撑，能实现教学环境智能化管理、环境及师生行为智能感知，优化教学内容呈现，便利获取多元化教学资源，便捷开展覆盖全过程的教学互动，进行多维度数据记录与分析，有效支撑教师开展互动式、混合式、个性化教学等智慧教学，促进学习者有效学习，便利管理者智能化管理，推动教育教学改革，为培养智慧型人才服务。

鉴于技术发展制约和学校建设的多因素考量，智慧教学环境的研究与建设是一个不断完善的过程，结合智慧教学环境功能特征将智慧教学环境进行分级，具体如表1所示。

2.智慧教学环境典型建设模型

结合当前技术发展和教学环境实践经验，提出智慧教学环境典型建设模型，如图2所示。高校在进行智慧教学环境建设时往往难以一步到位，可以结合该建设模型逐步进行，在建设教室终端和应用系统的基础上，以数据贯通全流程，基于数据进行交换与处理，实现数据智能以及智慧应用。

（1）底层应用（数据获取）

教室通过智能终端集多媒体教学、教学互动、课堂录播、远程互动、语音助手、电子板书、智能感知、智能控制等功能为一体，既可在離线状态下为课堂教学提供所有基本功能支撑，又可在在线状态下实现课堂教学数据与教学应用系统的交互。课堂生态可视化系统、智能教室服务管理系统、资源平台、教学平台、教学互动系统、教务系统等基础应用系统构成教学环境的线上基础环境，为课堂教学提供教学互动服务、资源服务、数据服务，获取教学环境、教与学的行为数据。

（2）数据交换与处理

基础应用系统产生的数据汇聚到数据采集、交换平台，实现不同系统间原始数据的交换共享。平台数据通过数据清洗、数据集成、数据归约和数据转换等处理，实现不同系统数据的标准化与共享。数据标准化后，使用大数据和人工智能技术，构建面向教、学、管、评不同业务应用的数据分析算法模型库。

（3）智慧应用

基于数据处理建立的算法模型库，实现教学大数据分析，进行学生、教师、课程、学院、学校等不同层级个体、组织的教与学画像;识别教师、学习者特征，提供教与学分析、个性化评估、智能化诊断与评价、学业预测预警、教与学资源智能推送、个性化教与学方案推荐等服务;结合教育管理业务模型，为智能管理和决策提供支持。

3.典型教室形态

教室是智慧教学环境的重要组成部分，智慧教学环境下教室环境的建设尤其重要。根据智慧教学环境的建设目标，教室环境的建设必须以教与学改革需求为导向，结合实际情况，开展选择性构建，要充分考虑不同学科、课程的教学需求，创新设计富有学科特色、满足不同类型教学需要的多类型智慧教室。本文将目前智慧教学环境下的教室归纳为以下三类：

（1）通用型教室

通用型教室是指能够满足不同学科、课程的共通性教学需求，适合开展互动式、小组协作式、混合式、翻转式等常用智慧教学模式的新型教室。通用型教室对智慧教学的支持主要包括三种典型表征：①便捷开展多种互动教学。师生可以随意拼接活动桌椅、自由设计教室布局、便捷接入移动设备、搭建专属研讨空间，既方便小组讨论，又适宜集体汇报;支持多屏显示和互动，教师集中讲解时，不同方位学生就近观看教学内容，分组研讨时，各组学生可独立进行组内协助分享，小组汇报时，支持本机内容广播。②多样化视觉呈现方式。改变传统的教学内容演示与呈现方式，将“内容呈现权”平等交给教师和学生。师生可通过超大屏幕、多屏、多视窗等呈现方式对多个教学资源进行展示、对比、缩放、注释，丰富教学内容呈现方式，拓展资源切入广度和深度，引导学生深度参与教学活动，达到教师与学生、学生与学生、人与资源的有效互动。③课前课中课后教学互动一体化支持。在线上教学环境支持下，开启随时随地互动。课前教师推送学习资料或测验，学生多终端学习，教师可及时开展学习者需求分析，为后续教学做准备;课中学生与教师进行实时互动，开展签到、答题、提问、资料传输、分组教学等教学活动，教师根据学生反馈情况及时调整教学进度与方法，确保学生思维活跃，注意力集中;课后教师发布作业考试，完成学习效果检验。教师可准确掌握教学情况，统计分析学习情况，全面记录互动过程，高效诊断教学效果。

（2）沉浸式教室

沉浸式教室是指利用VR、AR、全息投影等技术创建拟真教学情境，主要应用于“互动式、体验式、参与式”教学模式，具有“突破时空”“身临其境”的特征，有利于调动学生获取知识的主动性，增强学习体验。沉浸式学习通过体验创设有利于学生间学习和实践的模拟情境，从而产生更加真实、更加互动和更难忘的学习体验[16]，促进对知识的领悟。沉浸式教室主要有以下三种实现类型：①远程协作。将两个不同空间的设计、布局及灯光融为一体形成镜像，声音定向每个学生，支持多人在同一时间进行互动。适用于理工科的共同推演，艺术类共享表演空间及隔空排练，实现跨校、跨国教学。②全息技术。通过全息投影来记录并再现物体的三维信息，将更加真实的3D画面呈现出来，打破虚拟世界和现实世界的阻隔，师生可以随时随地体会到真实的画面冲击感，如化学元素结构、医学人体器官、建筑学房屋结构等。③虚拟技术。通过VR、AR、MR等虚拟技术手段，创设虚拟情境，让学生有身临其境的真实体验。典型应用包括：虚拟实地体验，学生可以去体验那些很难或根本不可能去的地方，如火山、极地、历史场景等;模拟手术，帮助学生了解身体运作机制，体验真实生活中的手术步骤;虚拟建模，学生可模拟建筑设计效果，验证设计是否正确、需要如何修改，或可利用虚拟组件构建汽车，并根据建模环境中设定的物理法则来模拟运行。

（3）教育创客空间

教育创客空间主要应用于PBGS教学模式（Project Based Group Study，基于项目的团队学习），该模式以项目为载体，创设一个真实或仿真情境，引导学生在协作完成教学项目的过程中掌握知识和提高能力[17]。教育创客空间是为师生创客群体提供的创意交流、创新分享、创业实践的平台，支持校内外跨学科的创意交流和协作实践，是一种新型的知识传播与交流共享平台。教育创客空间主要具备以下特性：①提供计算机、投影仪、扫描仪、机械工具、电路元件以及以3D打印机为主的各类新兴数字化制作工具等物理性资源，帮助创客群体开展操作与实践。②提供3D建模软件、开源程序代码、信息资源以及各类应用软件等虚拟性资源，帮助创客群体更好地进行创意孵化。③创客空间中相关领域的专家、学者为创客群体提供智力辅助。

四、结束语

教学环境对于学校教与学的变革起着不可或缺的支撑作用，实践智慧教育需要以智慧教学环境作为基础支撑。智慧教学环境作为一个新的事物，需要通过不断地研究与实践，逐步明确其本质要求，完善其建设内涵、评价指标、技术保障等，以更好地支撑智慧教学，为智慧教育提供无限可能。本文基于对智慧教育、教学改革的研究，结合近年的建设实践经验，对智慧教学环境的认识进行了梳理，并探讨了智慧教学环境的概念模型、主要功能特征、建设模型和典型教室形态，希望能为智慧教学环境的研究提供借鉴。

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