高校智慧教室建设存在的问题和对策研究

马俊兴, 王鹏程, 侯 峰, 宋 伟, 张碧波, 张 栋

(河南财政金融学院 信息化办公室,河南 郑州 450046)

0 引言

国家教育部《关于加强高等学校本科教学工作提高教学质量的若干意见》中指出,在教学活动中应用现代信息技术,是提高教学质量的重要手段和措施。高校的人才培养、教学的手段和方法必须适应信息技术发展的要求。随着国家《教育信息化2．0行动计划》《中国教育现代化2035》《“十四五”数字经济发展规划》《关于推进教育新型基础设施建设构建高质量教育支撑体系》等与教育信息化有关的指导性文件的持续发布,我国教育信息化不断发展和进步。高校教学改革的深入推进和教育部大力推动课堂教学革命,高等教育的理念正在从“以教为中心”向“以学为中心”转变,小班化教学、翻转课堂、混合式教学等新型教学模式不断普及。为了提升课堂教学质量,满足师生在信息化环境中创新型教学活动的需求,大力建设智慧教室已经成为高校教育教学改革和校园信息化建设的必然选择。升级改造多媒体教室成为智慧教室成为各类学校提升教学信息化应用的典型标志,智慧教室对于提升智慧教学的水平、沉淀优质教学资源等作用不断彰显。学校建设有智慧教室,代表着学校有与教育信息化相适应的新的基础教学环境。然而,由于我国高等学校信息化基础设施建设存在的差异性,目前高等学校智慧教室建设技术方案始终游离在每个学校各自实践与探索、各个生产厂家的论坛与实践之中。虽然很多高校也建成了不同数量、不同规模和形态的智慧教室,为学校打造了智慧教学环境的基础,但没有形成成熟的技术方案,造成智慧教室建设和后期使用管理中存在着各种的问题,因此,梳理存在的问题,分析原因,形成科学的解决方案,对于建设高质量智慧教室具有重要的决策价值和指导作用。

1 高等学校智慧教室建设现状

1.1 智慧教室类型和功能

当今,计算机技术和现代通讯技术不断更新,教室配置计算机、投影、音响等多媒体设备已经成为现代化教学的必要手段、实现提升教学质量的刚性需求,成为国内外流行的PBL(problem-based learning)和TBL(team-based learning)两种教学方法综合应用的重要模式。据2022年12月数据统计,河南省38所本科高等学校均建设有智慧教室,覆盖率达到100%。智慧教室从建设结构上各具特色,包括研讨型、双屏互动、多视窗互动、网络互动、沉浸式互动等类型,但实质上可以从课堂教学适用功能上分为演示型(一级)、交互型(二级)与实践型(三级)三类,即按照设备功能级别分为基础型、拓展型、高级型[1]。演示型智慧教室适合于学术报告和大班额授课等师生人数较多的教学环境,而交互型与实践型智慧教室适合于师生人数较少,便于开展师生互动、研究讨论的教学环境。智慧教室建设的理念与PBL和TBL两种教学方法的基本思想高度契合。表1列出了目前3种不同类型智慧教室的特征和具备的功能。

表1 智慧教室建设类型和功能

演示型智慧教室环境设计主要立足满足高校通识课、公共课程大班额教学的建设思路,以常态化录播功能为智慧特征,教学功能模块一般定位于设备智能管控、课程录制、教学数据分析等。为了有效缩小教室内师生之间的距离感,方便学生更好地参与课堂教学,部分学校采用了扇形布局方式构成的环形阶梯教室和多屏视窗显示方式构成的矩形布局教室,教室终端设备一般包含触摸一体机显示系统、扩音系统、中控系统、常态化录播系统、语音广播系统、多视窗互动控制系统等。其中,通过多视窗互动控制系统,同一个屏幕可以同时展示和对比多个教学资源,实现高难度复杂问题的全方位展示,这样的设备配置方便了机械、材料、医学相关专业课教学,可以使教学内容更加形象生动。

交互型智慧教室环境设计立足于满足分组讨论、互动教学、翻转课堂等小班额教学的建设思路,教学功能模块进一步丰富。交互型智慧教室是演示型智慧教室的设备升级和功能升级。它在满足演示型智慧教室所有功能的基础上,进一步加强了人机交互技术、大数据分析技术与教学的融合建设,围绕实现智慧感知、智慧控制、双向交流、智能分析等,丰富了教育教学形式。

实践型智慧教室设计主要立足于构建学校机械、通信、艺术、医学、体育等与实践结合十分紧密的实践型教学场景教室建设思路,不仅具备交互型智慧教室全部功能模块,而且进一步融入5G、云计算、大数据、物联网、人工智能、虚拟现实/增强现实等新技术。以信息化技术应用于教学为基础,以深化教学改革为目标,突出线上线下混合教学模式,为实现一流课程、实践性课程专属教学场景的特色教学目标,打造更加符合不同专业特点、不同课程特点,符合高等学校专业教学特色需要的教学环境。

1.2 智慧教室技术架构和安全体系

2018年,国家颁布并实施了《智慧校园建设总体框架(GB/T 36342-2018)》《多媒体教学环境设计要求(GB/T 36447-2018)》,对教室供配电系统、照明系统、信息网络等基础条件和音频系统、视频系统、智能化控制系统以及系统集成都提出了明确要求。智慧校园建设的总体框架,规定了智慧教学环境、智慧教学资源、智慧校园管理、智慧校园服务、信息安全体系等系统架构及基本要求;多媒体教学环境设计要求规定了包括智慧教室在内的环境设计要求。

图1是目前普遍认可的智慧教室总体架构图,分为基础设施层、支撑平台层、教学应用层、用户层和信息安全体系等。

图1 智慧教室总体架构

基础设施层是智慧教室平台的基础设施保障,提供通信网络、广泛的物联感知和海量数据汇集存储,为智慧教室的各种应用提供基础支持,为大数据挖掘、分析提供支撑,包括智慧教室信息化基础设施、数据库与服务器等。智慧教室的基础设施层可独立部署,也可以部署在智慧校园的基础设施层。由于各个高校数字化校园建设情况的差异性,目前很多高校智慧教室的基础设施层采用独立部署。

支撑平台层是体现智慧教室云计算及其服务能力的核心层,为智慧教室的各类应用服务提供统一用户认证管理、资源服务、数据服务和支撑以及无偿开放接口服务。

教学应用层是智慧教室应用与服务的内容体现,建立在支撑平台层的基础之上,负责构建智慧教室的管理、服务等各种应用,为师生的教学活动提供必要的支撑服务,包括智慧教室管理、智慧课堂教学、教学资源管理以及教学数据管理等应用单元。

用户层即为教师、学生、管理者和操作员等用户群体提供终端支撑接入访问的信息门户。访问者通过统一认证的平台门户,使用各种浏览器、PC(personal computer)客户端及移动终端安全访问,随时随地掌控智慧教学环境的运行状态。

信息安全体系是贯穿智慧教室总体框架多个层面的安全保障系统,为应用系统数据安全提供技术支撑。

1.3 智慧教室存在的问题和原因

从智慧教室的技术架构可以看出,智慧教室不同于普通的多媒体教室,智慧教室建设不仅涉及大量的硬件、软件和软件,还涉及大量的运行调试和安全测试。经对河南省近60所高等学校智慧教室建设的调查,发现智慧教室存在的问题,宏观上看主要体现在重建设,轻应用、轻管理,从微观上看,智慧教室的用户层使用不够便捷,教师上课需要花费一定的时间启动设备,设备没有实现一键上课状态,教学应用层、支撑平台层等兼容性不够,造成新的信息孤岛,智慧教学效果没有达到预期智慧教学、智慧分析的目标。

1.3.1 没有实现一键进入教师上课状态问题和原因分析

智慧教室在建设的过程中,围绕教、学、管、评、测智慧的实现,融入了智慧教学模块、评教系统、评学系统、录播系统等多个软件和中控管理系统、功放、投影等硬件设备,纵观智慧教室目前建设情况,仍存在与智慧校园相似的“功能齐全、使用繁琐”的操作不方便问题[2]。教师需要花费一定的时间操作多个系统和设备,才能进入上课状态,学生学习过程也需要切换不同的平台和系统,获取教学任务及学习资源,教学和学习入口没有很好地做整合,尚没有实现一键进入教室上课状态的要求。这无形中增加了师生的使用成本,也表明了技术赋能教学不够智慧。产生上述问题的原因,是智慧教室建设过程中,对后期使用的便捷考虑不全面。智慧教室建设过程中,没有充分考虑师生后期使用的智慧化,仅重点满足于智慧化功能的实现,却忽视了对后期系统运行调试、操作流程设计、界面优化的高度重视。

1.3.2 信息孤岛问题和产生原因

信息孤岛问题是数字化校园和智慧教室建设存在的共性问题。由于高校智慧教室分批次建设、智慧校园多年的升级和改造,增加的应用系统和设备导致了对接标准、设备接口的差异性和设备选型兼容性问题,导致了资源和数据共享的困难以及整合的瓶颈,进而导致应用系统与学校原有的智慧校园相关应用系统不能实现无缝对接,导致数据采集与深度挖掘的准确性受到影响。

1.3.3 智慧教学效果没有达到预期智慧教学、智慧分析教学的目标问题和产生原因

从目前已经建成和使用的智慧教室看,无论哪种类型的智慧教室,都不同程度存在智慧教学效果没有达到预期智慧教学、智慧分析教学的目标,主要原因是管理者和教师没有掌握智慧教室技术。智慧教室管理是双向管理,仍停留在传统教室教学管理、教室应用 “各自为政”的层面上[3]。智慧教室管理是技术人员管理与服务、智慧教室使用条件一体化的管理,需要技术管理人员不仅懂技术、懂管理,而且要懂教育教学的基本规律;教师需要不断提升信息化素养,不仅需要掌握新技术新设备基本操作的方法,而且要达到智慧教室环境下对教学的基本要求。目前,技术管理和服务存在的突出问题,是技术管理人员停留在设备安全运行管理层面,对于智慧教学设计、教学流程掌握不够充分;教师使用智慧教室存在的问题是,缺乏对智慧教室使用应有的准备,没有充分提供智慧教学环境对教学准备的要求,造成智慧教室的管理和使用效果远远不能达到智慧教学效果。

2 智慧教室建设应用问题解决对策

智慧教室建设旨在提升教学质量。为解决在智慧教室建设过程中存在的问题,核心是充分做好智慧教室建设顶层设计。在总体规划阶段,应结合学校教学工作的实际需求,完成整体需求分析和可行性操作的报告,在建设实施阶段,应编制详细的实施方案,明确建设内容、建设计划和建设流程。在建设过程中,要加强对技术管理人员的应用培训,要围绕智慧教育教学应用,对智慧教室的管理者和使用者等相关人员开展专题培训活动,技术管理人员要对建成的智慧教室环境、功能和性能等方面进行全面的检查验收。智慧教室建设完成后,制定切实可行的智慧教室运营维护方案,以确保智慧教室的安全运行,从而有效提高教学质量。

2.1 智慧教室应达到智慧教学、设备智慧管理、教学资源展现和应用的智慧功能

在智慧教室方案设计上要充分考虑硬件设备之间的整合,减少不必要的软硬件投入,让教室中的每一个系统、每一台设备都能充分发挥智慧功能。在产品选型时,应选择软硬件兼容性高的产品,达到调试方便、一键操作多设备、安全运行启动的目标。例如,当教师进入教室时,系统应立即响应,根据学校管理需要,或向师生展现本教室任课教师、课程名称、教学班级、教学考勤率等基本情况,或为教师智慧启动教学课件,或为师生展现上次教学内容重点难点等与教学任务执行有关的数据。教师上课过程中,系统不仅能够录制课程视频,而且能够将教师音频转化文字、并挖掘教学的重点和难点,对于教师上课过程师生互动教学实时形成完整的教学质量分析报告,给教师反思教学效果提供有效参考[4]。教师上课结束,系统应能够实时生成与课程名称一致的视频名称和对应二维码,师生通过平板电脑、手机等移动终端,或扫描二维码能够自主学习和下载,或自动推送到师生预留的移动终端。

2.2 在教学应用层面,智慧教室建设者应为教师执行OBE(outcome based education)教育理念提供智慧支撑

教学应用层是智慧教室应用的核心内容,在智慧教室建设技术方案和实践中,要充分体现智慧课堂教学、教学资源管理、教学数据管理等应用单元的“智慧”。同时,平台应具备第三方平台数据的接入功能,实现资源统一管理、一键共享的目标。通过一个平台即可完成教学全流程的工作,包括备课、教学、资源管理、数据统计分析、在线学习等,实现教学前、中、后全流程的数据采集和资源沉淀。此外,还应全方位地对数据进行统计、分析和深度挖掘,为教学管理提供全面的、科学的数据支撑。

2.3 智慧教室管理的技术人员应具备设备管理维护和现代化教学的理念

技术人员不仅是智慧教室安全运行的维护者,同时也是执行学校教育理念、智慧教学过程的服务者[5]。技术人员要转变管理和服务的理念,在加强设备安全运行的同时,要熟悉智慧教学过程。要立足于教学过程管理智慧化、资源沉淀智慧化的管理理念,完善设备运行管理,梳理和调试设备运行中的问题和原因,具备智能化的资源处理和优化、资源的智能审核等能力,掌握教学过程中音频与字幕的智能添加和编辑等技术。

2.4 加强教师对智慧教室使用的培训,提升教师智慧教学素养

智慧教室不仅为教师个人个性化教学、教学灵感、教学创新搭建了理想的平台,也为教学管理和学生学习效果数据分析提供了有效的帮助。教师要理解,现代化教学已经从教学信息化设备与教学应用、信息化支撑与教育赋能,上升到信息化引领与教育变革的阶段,教师、学生及教育管理者的数字化能力的培养,是时代赋予教育工作者应具备的基本能力。因此,教师要参与智慧教室的管理和维护,不仅要熟悉基于OBE教育理念下的现代化教学手段[6],更需要进行智慧教学的实践,需要教师要了解智慧教室场景,参加智慧教室使用培训[7],要通过培训加强对智慧教育教与学的深度理解,清楚为实现智慧教育,在智慧教室的环境下教学教师需要准备的教案、习题和答案等规范化的素材。

3 结语

智慧教室的作用是实现智慧教育。深入推进智慧教室建设研究[8],持续发现和解决智慧教室建设中的共性问题,对于实现智慧教育目标,构建智慧学习环境、改革传统的教学方式具有十分重要的意义。高质量的智慧教室是实现高质量智慧教育、共享不同学科优质教育资源的保障。目前,智慧教室建设还在探索之中,加强智慧教室建设理论与实践研究,优化智慧教室使用效果,要注重结合高等教育的教育新理念。在技术架构上,要充分发现和利用可集中控制的分布式智能空间与移动终端,将人工智能、虚拟仿真、大数据分析等新一代信息技术成果融入智慧教室建设之中,实现设备自动化管理和分析,实现教学资源和利用的大数据分析,实现师生实时在线自学、互动、互学等多种教学模式,是未来智慧教室建设的方向。