基于PST 框架的智慧教室设计

程 敏

（华侨大学网络与教育技术中心，福建泉州 362021）

0 引 言

随着技术、教学、知识的发展，大学生的学习特点发生变化，课堂教学也出现了不正常行为和现象，如教学目标的迷失、教学方法的失当、教学内容的偏颇、学生的被动学习和无问题意识等［1］；课堂是教育发展的核心地带，只有抓住课堂这个核心地带，教育才能真正发展；以学生发展为中心，通过教学改革促进学习革命，积极推广小班化教学、混合式教学、翻转课堂，大力推进智慧教室建设，构建线上线下相结合的教学模式……一系列信息充分显示了推动课堂教学革命已成为各学校的新机遇、新动能、新方向。

课堂教学主要由教师、学生、教材、学习环境四个要素构成，其中学习环境是促进学习者发展的各种支持性条件的统合，可通过内部多种构成因素的合理组合与呈现来促进学生的发展［2］；教室作为学生在校学习的主要学习环境，其优良程度直接关系着学生的学习与身心发展［3］；智慧教室作为技术与教育融合的产物，结合校本特色合理构建以智慧教室为代表的智慧学习环境，是推动课堂教学革命、完成教育信息化2.0行动计划、实现智慧教育的重要途径之一。

1 国内外智慧教室概述

1.1 学习环境设计框架

学习环境设计，期初是由高校的教育工作者推动并实施，但随着时代的进步和应用深入，已无法单凭经验把学习环境的各个要素相互融合，在设计上需考虑当下教育策略的发展趋势和水平，并结合教育学、建筑学、信息技术、社会学、哲学和美学等学科相关理论。为此，一些研究者相继从不同角度提出了学习环境设计框架，它通常规定了学习环境设计的流程和步骤，以及在设计过程中需要考虑的因素，如英国学院和大学图书馆协会从设计流程和具体步骤等方面评估学习空间影响为出发点，提出的影响研究模型；布里特尔等人综合考虑教师、学生和规划者三方的利益诉求，提出了个多向协作式的空间设计流程……这些框架的提出对于学习环境设计的具有积极意义，而且有些框架也应用于实际当中。

1.2 国内外智慧教室建设案例

近些年来，智慧教室的设计与应用越来越多，通过查阅相关资料，归纳国内外高校智慧教室案例的主要特点：美国北卡州立大学SCALE-UP 项目包含教学内容、教学方法、学习空间、评价方式等在内的一整套解决方案；美国艾奥瓦大学TILE项目转换教师和学生的角色定位，促进教学活动中的交互，促进学生的主动学习与参与；加拿大皇后大学ALC项目的教室主要用于6 人一组的合作式学习，可进行组内交流讨论或组间协作学习；香港大学“富技术协作教室”支持多种教学法，通过可移动、可自由旋转的椅子和可移动的设备来增强空间的灵活性；北京师范大学未来学习体验中心针对不同教学模式，设计相应教室教学空间［4］；华中师范大学智慧教室以StarC 云平台为核心，贯通教师端、学生端、管理端和教育云端，打造融物理空间、资源空间、社区空间三维于一体的新型教学环境［5］。

1.3 智慧教室构建的共同特点与存在问题

对比国内外智慧教室研究发现，存在一些共同特点：①相比传统教室，智慧教室的空间布局根据不同的教学模式灵活转变，整个教学环境更舒适，更便于开展教学活动；②基于新兴信息技术（软、硬件系统）与教学业务深度融合，全面服务于教学，促进师生和生生的协作、互动和分享，提升整体教学效率；③教学主体由老师向学生转变，以促进学生的主动学习、协作学习、激发学生学习兴趣为目标的教学模式引入课堂，有效地提高学生的知识水平和素质。

在国家政策引导和教学改革需要的背景下，虽然有越来越多的学校将智慧教室建设提上议程，然而在设计与应用中也存在着个别问题，可以归纳为：①为建而建。智慧教室是信息技术的载体，是教学环境的创新，然而体制机制不健全，缺乏科学规划与设计，达不到预期的效果；②建用脱节。缺乏系统思考和科学指导，没有明确需求和功能，以及未形成有效教学模式和评估体系，导致项目推进效果差，教学应用不广泛，未发挥其应有的作用；③重建轻用。建成后，缺乏对使用者（如教师和学生）的使用培训或系统指引，导致其经常对复杂操作、不稳定的系统产生一些抵触心理，也存在不知如何利用研讨教学、小组互动等问题。

2 PST框架

通过上述对国内外智慧教室的环境设计框架、建设案例、共同特点和存在问题的归纳和梳理可以发现，智慧教室的设计不仅是具体的开发过程和实施，还应以学习环境设计框架为指导，并且对核心要素进行关注与提炼，即：不单从空间和技术层面，更应该从学生、教师、教学模式等多层面进行考虑。

2009 年由拉德克利夫（Radcliffe）提出“教学法-空间-技术”框架（Pedagogy-Space-Technology，PST）能够带来些启示，PST框架强调在设计时应该考虑3 个相互联系和制约的核心要素：教学法、空间、技术，即教学法通过使用空间与技术来得以实现理念和目标；空间促进教学，并使技术手段内嵌于其中；信息技术增强教学的效果，拓展学习空间的范围，如图1 所示。PST框架还根据学习空间的生命周期，分别从4 个要素（整体、教学法、空间、技术）详述在“理念与设计”和“实施与运作”两个阶段应考虑的具体问题，其中“整体”是解决智慧学习环境设计的目的和期望达到效果，为此，在教学法、空间、技术3 个要素之前，还需对整体设计进行考量。

图1 PST框架

PST框架提出，得到了国内外一部分研究者的认可，威尔逊（Wilson）和兰德尔（Randall）利用PST框架设计、开发和评价了“the Pod Room”；刘永权等［6］利用PST框架进行智慧学习环境设计；许亚锋等［7］基于改进的PST框架设计了面向体验学习的未来课堂。

3 基于PST框架智慧教室设计

智慧教室与传统教室相比，虽然增加了很多为教学而设计的应用，但仍是以学生发展为中心是不变的。本文从PST框架的4 个方面（整体、教学法、空间、技术）对智慧教室设计进行阐述。

3.1 整 体

智慧教室的整体设计思路根据PST 框架生命周期可分为2 个阶段：“理念与设计”阶段聚焦项目动机和目标，将教学、空间和技术的三者统一，并贯穿于教学全流程环节（备课、导学、互动，验证、分析、协作、运用、指导、评估等），打造一个集新型教学应用、学习空间和智能设备于一体的协作、互动、共享、生态的教学环境；“实施与运作”阶段开展提供智慧教室的培训与指导，重建教学价值观、教学法和行动策略，已保证智慧教室的应用成效。整体细节可分为：

（1）传统课堂向智慧课堂转化。信息技术融合教育教学主要是促进课堂深度应用，即将课前、课中、课后环节进行有机融合，打通“教、学、管、评、测”的全链条并形成了闭环，助推了教育模式变革。

（2）硬件独奏向软硬合唱转化。采用软、硬件相融合的模块化架构，具有便捷性好、融合性高、智慧性足、稳定性强等特点；无线多屏互动技术，权限控制、跨平台多点交互；移动端学习，打破时间与空间的限制，实现教室与空间的无缝对接；建设数字化资源，实现永久保存，提高本校教学的质量；注重教学活动过程记录的智能化、过程化和数据化，提升整体教学效率。

（3）传授知识向指导学习转化。在智慧教室环境中，教师从知识提供者转变为教练，起到“从旁指导”的作用，集中精力指导与训练学生开展学习，分析学生需要，提供咨询，而不是提供信息。

（4）归一导学向个体适配转化。从标准化到个性化，从注重结果到注重过程，从注重知识到注重问题解决能力，教学流程将以培养学生个性化全面发展和创新能力培养为目标，实现教学方式逆序创新。

（5）定性评价向数据测算转化。实现教学、学习、学生综合素质评价和空间应用等分析服务，满足学校、教师、学生多样化的数据分析需求，使教学或学习具有方式多元化、过程数据化、内容碎片化等特点。

（6）单一环境向多元空间转化。构建一个“坚持以人为本，使教育的各因素相互依存、相互促进、协调合作，形成完美的教学生态，从而促进学生自我激励、自我成长、自我完善”的和谐环境；同时满足不同学习者的学习需求，教室建设应走向多元化，分区域、分层次为不同类型的学习活动开展同时提供支持［8］。

3.2 教学法

一般来说，教学法是在特定情境下通过对特定对象所采取的教学和学习方式，以促进学习者产生学习效果，教学法本身还与时代背景、教育理论和培养目标有着密切关系。随着时代的进步，教学由传统的标准化转向定制化，而教育也将从补短走向扬长，为此，智慧教室环境中的教学法是指以智慧教育理论为指导，选择所需的资源、工具和服务，创设丰富的情境模式，增强有效的课堂教学行为，达到促进学生主动观察、想象与思考，以及挖掘与发展学生的智慧潜力的效果，最终实现特定的教学目标［9］。根据PST 框架需要注重以下几点：

（1）基于智慧教室的教学法应该着重对传统课堂学习的反思，以学习者学会学习为核心，整合学习方式，突破课堂空间，灵活学习时间，拓宽知识渠道，加速学习者能力形成。

（2）不同的时代背景决定了不同的人才培养目标，进而影响到教学法的选择与实施，而且对学习的不同理解，也会对教学法的选择与实施产生影响，因此，从学习者的实际水平出发，寻找适合的教学法，因材施教自由发展，提高学习者知识应用力、自主思考力、探究学习力。

（3）学习不是灌输，而是理解，应侧重交互过程。智慧教室改变了传统教学教师讲、学生听的方式，不仅营造平等、民主的课堂氛围，还更多地考虑课前、课中和课后提供丰富、便利的互动，其中包括师生之间、学生之间、人与技术、人与环境、人与资源等，从而促进学生进行交流沟通和对话探讨来调动能力、解决问题和开展活动。

3.3 空 间

对于以往的教室给人的感觉是严肃和拘谨，如今的教学环境遵循“以人为本”的设计理念，融入先进的技术手段，使整体环境不仅舒适、安全、健康、环保，还要体现科学精神和人文气息，营造出鼓励创新的实践氛围，为学生个性发展、团队合作、创新型人才培养提供保障。根据对国内外智慧教室的调研，本文将空间设计从3 个要素进行阐述。

（1）空间规划。与传统教室中强调有秩序、统一的要求不同，对于智慧教室空间规划可以从两个方向考虑：①更为具灵活性与弹性，由于多样化的教学法将应用于智慧教室，需要对教学场景进行自由切换，创设更为灵活、有弹性的环境成为必然；②开放式布局与区隔式布局相结合，根据不同教学的需求，通过建筑自然隔断和人为架设隔断等方式，将教室分隔成若干个区域，不仅有效地减少各人或各小组在进行异步活动时产生的干扰，还可以同时开展多种不同类型的课堂活动［10］。

（2）物理环境。教室内的物理环境主要包括热工环境（温度、湿度等）、声学环境（噪声、混响时间等）、光环境（照度分布、照明形式等）、空气品质（密度、质量、温度、湿度等）等［11-12］，而对于物理环境的相关要求，从国家到行业已形成一系列相当精确的量化标准，以保障学生生活、学习与成长的需要；同时随着物联网、人工智能等新兴技术的应用，教室内的物理环境参数可以根据使用者的需要和喜好进行个性化定制。

（3）教学设施配置。教室设施配置应考虑功能、摆放、造型等因素，对其进行数量的增减和位置选择，主要分为3 个方面：①教学设备。包括讲台、电脑、投影机、电子白板等。小组互动中，学生最喜欢的座位往往围绕电子白板或投影展开，为了扩大教室内的“黄金区域”，可以考虑适当增加电子白板或显示设备的数量［9］；讲台的削平，教师放下高高在上的身段走进学生之中与他们平等对话，并且自觉地减少了说话量而增加了与学生的交流互动。②家具。包括动态课桌椅、储物柜、作业台等。根据教室定位的需求，教室内的课桌椅可进行不同功能（可移动、可拆分、可组合、可拼接、可升降等）的选择，并且应符合人体工学和舒适度等标准。③其他。包括色彩、教具、材料、试剂、盆栽等。教室室内色调和色块应根据学习者的年龄、学历层次进行设计，而且还应先确定房间色彩的基调——墙面色彩后，再确定桌椅、饰物的色彩分布。

3.4 技 术

通过技术增强教学的效果，将物理空间与虚拟空间相融合，具有媒体丰富、互联互动、情境感知、数据分析等功能，促进师生和生生的协作、互动和分享，同时为学校师生提供简单易用的信息化教学设备，降低师生学习成本，让师生的教学与学习更轻松……［13］智慧教室在技术上应体现设备管理智能化、资源推送个性化、教学模式多样化、交流互动立体化、评价反馈即时化、教学决策数据化等显著特征。为此，智慧教室的技术设计是基于云平台，通过软、硬件技术实现教室端、移动端和管理端各项所需的功能，如图2 所示。实现智慧教室功能实现所涉及的系统包括：智能控制和管理、显示系统、分组协作互动、课程录播、远程教学、学习资源、数据存储、AI 系统、VR 系统和课堂支持等系统，下面对部分系统进行简要介绍。

图2 智慧教室功能

（1）智能控制和管理系统。在设备管控上，使教室中多媒体、互联教学、环境控制等设备，实现教学过程的全方位“智能感知、动态控制、故障预警、自动巡检和精简管理”，为良好的教学环境提供保障；在智能服务上，提供空间的人性化服务，为师生可提供电子班牌、班级管理、考试应用、电子课表、点名签到、空间服务、空间预约、实时对讲、巡班管理等。

（2）显示系统。智慧教室提供以主屏、侧屏、移动屏为终端的显示设备，有助于实现多屏互动和远程视频实景实时交互，能有效地为学生提供感性材料。

（3）分组协作互动系统。通过教室提供的主屏、侧屏、移动屏等显示设备，进行多屏的同步或异步显示，同时支持无线投屏，可以将移动端的素材任意投射到任意屏幕显示。使师生之间、生生之间可进行自由双向的音视频通信，甚至达到无线方式随意分享终端上的素材，极大地丰富体验式、互动式教学方式探讨，师生之间可以自由讨论各自的学习和教学成果。

（4）AI系统。以课堂为核心的AI 系统，聚焦语音识别、人脸识别、行为分析与教学的深度融合，实现包括实时音频转换为文本、人脸考勤管理、课堂学生行为分析和教学评估等功能，满足教师、学生和管理者等多角色的需求。

（5）VR 系统。以虚拟模型、场景、全景图片、视频展示为中心，提升教学趣味性，拓宽学生视野，增强学生对于知识点尤其是空间想象类知识的理解和记忆。

（6）课堂支持系统。教学支持系统作为教育智能服务的整合者与提供者，通过资源智能传递与推送、课堂互动与问答、高效课堂管理、教学信息采集分析等功能，实现各个智能设备在教学和学习过程中的有效利用，课程建设和各类教学资源的管理，以及教学中的质量监控和管理决策的数据分析。教学支持系统还提供支持不同系统的APP，满足不同人群在各类终端上的使用，打造集学习、行动、社交的教学体验。

4 教学流程

课堂教学的本质是一种师生特殊交往，活动过程中，师生之间不仅存在教与学的交往活动，更多的是生命的涌动与成长，而且在智慧教室环境下，师生不仅课堂中可以实现即时互动，还可以借助云端平台进行课外交流等［14-15］。秉承一体化的教学活动设计理念，通过观察和记录在智慧教室中不同类型课程的授课情况，本文对基于智慧教室的课前、课中、课后3 个环节的教学流程设计进行阐述［16］。

4.1 课 前

首先教师制作任务单、文档或视频等预习材料，而教学支持系统为教师提供课程相关的素材和资料，并将预习材料发布给学生；接着学生通过教学支持系统进行课前预习，并完成相应的自学测试等任务，还可在讨论组或交流群中，师生进行互动答疑和课前交流；然后教师通过教学支持系统不仅可以对预习情况进行查阅，而能够分析和预测预习中出现的薄弱点和课中可能产生的问题，为其制定教学策略提供参考。

4.2 课 中

教师总结自学情况，下达课堂新任务，并且通过技术支持和空间布局等手段创设教学模式所需的课堂情境；学生根据任务的要求，开展自主探究、小组讨论或师生互动等教学活动，并通过课堂测试对学习成果进行巩固和应用；师生运用无线投屏、多屏展示等课堂交互工具将成果分享或多元评价。在整个教学过程中，教学支持系统会将课堂（包括学习状态、专注力状态、作答统计等）即时反馈给教师，为教师评估学生课堂学习表现和改进教学策略提供依据；提供随机挑人、学生抢答和自由点评等功能活跃课堂气氛，教师也可对表现好的同学进行点赞；将课堂实录（教师屏、小组屏）与课中笔记上传云端平台，供师生课后查阅。

智慧教室环境下不同类型课堂教学活动的主要区别体现在课中阶段，通过对不同类型课程在智慧教室课中阶段授课情况的记录和比较，对四种类型教学模式（讲授式、情境体验式、成果分享式、个人/协作探究式）的应用进行归纳整理（见表1）。

表1 课中阶段四种教学模式的应用

4.3 课 后

对于学生，教学支持系统可以提供课程录像的回看，对课程章节作业进行智能评测，对各项学习数据进行整合和分析，为学生推送可能存在的难点与困惑，并制定个性化辅导方案；还可以提供课外知识，将课堂所获理论应用到实践中，实现理论实践一体化、个性化的拓展。对于教师，教学支持系统综合评估学生的课堂表现与教师的教学过程后，为教师提供教学内容和教学方法的反馈，并对下节课的教学提出针对性建议。

5 结 语

智慧教室设计与建设的最终目标是为了终结“课堂教学危机”，支持构建课堂教学新范式，而不是传统流程的数字化；围绕着PST 框架对智慧教室进行设计，兼顾教与学、空间和技术的功能与诉求，形成一个课前课中课后、教室内外，老师、学生、家长、学校多维度的教学应用生态；尽管课堂革命面临着重重挑战，但随着时代的进步，已经让全纳教育理念愈发接近，有更多的理由去期待新的突破。