智慧教室建设：理念、策略与瓶颈分析

陈君涛　马艳花　展金梅　林岚

摘要：智慧教育时代，如何通过教室科技及空间设计的辅助，使得以学生为主体的教学设计与学习活动，能够更加普遍的应用于教室，从而深化学习，是国内外高校这几年一直在持续探讨的议题。探讨近年来各高等院校设计智慧教室相关的教学理念，支持主动学习策略的教室功能设计、推动现状、实施策略与可能遇到的问题，从而拟定智慧教室推行策略，配合更加弹性多元的课程教学模式，对师生日常的教学活动等相关数据进行记录、分析，为培养学生全面发展、提升教师的教学水平提供技术支持。

关键词：智慧时代；智慧教室；主动学习；策略分析

一、智慧教室相关设计理念

本研究收集智慧教室、主动学习教室、SCALE-UP（Student Centered Active Learning Environment with Upside-Down Pedagogies）与TEAL（Technology Enabled Active Learning）等四类与智慧教室相关的教室类型定义与建设内容，虽然名称各有不同，但其目的则不外乎为了提倡以学生为主体的学习方式[1]，分述如下：

（一）智慧教室

《国家发展改革委办公厅 工业和信息化部办公厅关于组织实施2020年新型基础设施建设工程（宽带网络和5G领域）的通知》明确要求建设5G＋智慧教育应用示范。提出“基于5G、VR/AR、4K/8K超高清视频等技术，打造百校千课万人优秀案例，探索5G在远程教育、智慧课堂/教室、校园安全等场景下应用，重点开展5G+高清远程互动教学、AR/VR沉浸式教学、全息课堂、远程督导、高清视频安防监控等业务[2]。”

智慧教室是教学改革的实践主战场，是教育信息化，智慧化的核心场景[3]。在5G时代，探索和建设深度融合5G技术的智慧教室，对于推进教育的智能化和创新融合具有重大的意义。智慧教室是一种科技强化的教室，强化教与学，整合学习科技包括计算机、特制软件、学员的互动技术、网络、声音以及视觉技术。为提供科技实现教学多元化，运用多样技术，通过智慧教室的情境管理，老师在教学上能拥有更多元的运用，协助教师创造新的教学模式，使学生能更深入参与教学活动。整合各项信息设备，通过完善的网络通讯技术，并运用各种数字化教材、学习资源及教学方法，提供一个教学更有效率、学习更有成效、城乡没有落差、对地球更友善且能培养学生更高层次能力（例如：问题解决、创意思考、共创智慧等）的动态学习环境[4-5]。

（二）主动学习教室

建立一个大型的主动学习空间，由不同领域专家所做出的贡献，如教室室内设计师、建筑师、专家、以及教学教导，针对如何通过实体的学习空间设计与学习科技的辅助，改善传统教室在教学上的困难而提出设计构想。

主动学习教室的设计，是以学习者为中心，富含学习科技理念的教室，这种教室包含了学生讨论桌椅，设计用来实践主动学习策略。每张桌子都配置平面显示器以及麦克风，以呈现学生的阶段性学习成果；同时也设置了供教师使用的设备操控中心，提供教学者呈现数字化教材或特定学习小组的学习成果供其他学生观摩。

（三）以学生为主体结合翻转课程的主动学习环境

建立创新的教学环境，促使并提倡学生与老师之间的互动。教室的设计着眼于大量学生（100人以上）的群组学习。教室的学习空间包含一台可上网的计算机、学生端大圆桌、投影幕以及墙面上的大白板，此类教室能改善学生在学习课程过程中的问题解决能力、课程核心概念的理解能力和改善学生的学习态度等。

（四）科技辅助主动学习

在模拟、视觉化、桌面实验、网站作业指派以及个性化学习反馈系统中应用多媒体软件，可以提升学习成效。在桌椅的配置方面，亦采组合桌形式，讲师桌置于教室中央，以拉近讲师与每位学生之间的距离，强化互动，创造教室内更多的黄金学习区域。

综上所述，ALC、SCALE-UP、TEAL等支持主动学习策略的智慧教室，其与一般多媒体教室相较，强化功能与其支持的教学活动如下：

1.课堂讲授。投影荧幕搭配电子白板与玻璃白板功能，方便示范授课内容之演练过程；例如公式推导、简报重点标记等功能。

2.脑力激荡。学习小组通过计算机或行动工具，将讨论过程以有线或无线讯号共享于液晶电视及玻璃白板，借此让各学习小组比对液晶电视上显示的授课内容，并在玻璃白板上写出推演及应用等，支持学生进一步学习。

3.学习成果分享。每组轮流利用无线共享设备呈现脑力激荡的成果后，再由老师点评与指导，让学生可彼此比较各小组经过归纳、分析、模拟指定学习单元内容后之学习成果。

4.直播、录像与同步视讯。让请假或需课后学习的同学，也能实时或课后上网观看教学过程的录像；教师也可以在智慧教室上课的同时，选择将课堂上的讲授实况公布于网络教学平台之上，这样可不受限于实体教室座位数的限制。

二、智慧教室建设策略研究

（一）整体方案架构

智慧教室的整体架构采用云边端架构。基于云边端协同架构，通过5G网络把教室里的一切与云端连接起来，实现线上线下融合智慧教学，支持随时随地的教和学，精细化的管理和评价，通过数据的创新实现教学过程全面掌握并辅助智慧教学。

教师端通过各类智能终端完成教学内容展示、互动教学，以及教学过程数据采集（音视频，课件，板书等）。除教学设备外，教室端还需要能良好的支持教师和学生的自带终端包括PC端、PAD、手机，例如无线投屏，无线网络接入等。

在云端提供面向教师、学生、管理者的各类教学应用，应用覆盖课前、课中和课后全过程和教、学、管、评全维度。基于华为云（Welink）打造远程互动教学平台。同时构建学校教育视频管理和分析云平台，支撑各类教学活动，实现教学数字化转型，将教学内容和过程全量数据提取转变成数字化，通过大数据分析辅助教学提升。结合华为强大的AI能力，实现将非结构化的课堂音视频数据转化成结构化的知识数据，最大化释放数据价值[6-7]。

（二）黄金学习区域的重构与拓展

Park（2014）的研究呈现传统教室的黄金区域及阴影区域，图1的“黄金区域”（1B、2B）及“准黄金区域”（2A、3B、2C）相较于教室的其他区域，较容易获得学生的青睐（74.8%，15.9%），其原因为：（1）比较有机会获得与授课教师之间的眼神交流及互动；（2）对于长时间保持注意力的集中以及学习动机而言，是比较优越的位置；（3）在观看教室前方投影及白板时，具有较佳的视野，而不会因遭到其他同学打扰而分心。

基于以上考量，为了避免产生过多容易形成学习障碍与干扰的教室座位阴影区域，智慧教室的设计，以增加“黄金区域”及“准黄金区域”，同时减少“阴影区域”的学生座位数为首要考量，从而强化老师与学生之间眼神与言语的双向交流，以及教材显示区与学生之间的知识传递。

（三）智慧教室三种架构部署

整体方案围绕三个核心打造智慧教室技术体系：

（1）以WeLink+智慧屏为核心，构建教学应用入口，支持远程互动教学和本地多屏互动，分组互动教学。

（2）以微云为核心，构建录播/巡课/督导，AI 视频应用（无感考勤、课情分析）。

（3）以中控为核心，构建教室设备/环境的统一管控入口。

1.标准型智慧教室

中小型智慧教室，用于日常讲授型；包含内容展示系统，拾音扩音系统，远程教学系统，常态化录播系统，设备/环境管理系统，空间物联网系统。支持不同校区或者教室实时互动，支持老师、学生在家或异地通过手机、PAD、PC远程接入，满足疫情或其他情况下，师生无法到教室的情况下教学。

基础教学功能包括：内容展示、拾音扩音、教学设备管控、远程互动教学、常态化录播、分组互动教学、直播教学、视频会议、门禁、班牌、教学环境管控等；基础教学环境改造：教室空间设计和声场处理（墙面、地面、天花、灯光改造）、教室家具（讲授/互动灵活转换型教学座椅，讲台等）。

2.综合型智慧教室

教室学生座位人数较多的智慧教室，用于日常教学+小型学术报告；包含内容展示系统，拾音扩音系统，远程教学系统，常态化精品录播系统，设备/环境管理系统，空间物联网系统。

基础教学功能包括：内容展示、拾音扩音、教学设备管控、远程互动教学、常态化精品录播、直播教学、视频会议、门禁、班牌、教学环境管控等；基础教学环境改造：教室空间设计和声场处理（墙面、地面、天花、灯光改造）、教室家具（讲授型座椅，讲台等）满足远程互动教学、讨论教学、常规授课、学术报告、演讲等教学活动及模式的显示、扩声功能。

3.研讨型智慧教室

在多屏互动型智慧教室中，学生通过随意的移动座椅，可以组成不同的互动模式，比如大家围成一圈或一字型，形成共同的分享模式，或者组成4人，6人，8人这种不定数量小组，快速进入小组讨论的学习场景，从而达到理想的互动分享效果。

多屏互动型智慧教室主要适用于讨论教学、常规授课、学术报告、演讲等教学活动及标准化考场模式。对多屏互动型智慧教室的主要功能需求为交互讨论和多媒体教学。它是智慧教室的基本型，在此基础上可拓展为其他应用功能的智慧教室。包含内容展示系统，拾音扩音系统，远程教学系统，常态化录播系统，设备/环境管理系统，空间物联网系统，投屏&多屏互动系统。

（四）简化操作流程的教学设备控制系统

智慧教学环境管理控制中心是教学环境及装备的管控中枢，是全校教学环境（教室、会议室、厅堂等综合应用环境）数据信息的汇聚和智能化管控的平台。智慧教学环境管理控制中心的建设目标是通过软硬件相结合和数据挖掘技术，将所有教室多媒体装备系统的运行、控制、管理信息数据整合集成到管理控制中心机房，形成一体化的智慧教学管理控制平台。通过基于网络的智能采集、智能分析、智能管控和智能视窗，使教学环境实现本地管理控制和远程管理控制相结合，并能实时建立和更新设备档案、运行档案、环境日志等。

1.结合主动学习策略的教学设备操作模式：在智慧教室中的显示设备，除了用来显示教师的授课教材之外，也可以呈现学习小组的讨论过程及阶段性的学习成果，因此，智慧教室内的控制系统必须支持教学内容及学习成果的弹性切换。

2.结合教室预约系统的生物特征辨识门禁系统：将脸型辨识系统与教室预约系统结合，可节省管理教室的人力成本。

3.其他教学设备操控自动化的建设与设计考量：

（1）可追踪教室内说话者的追焦摄影机：用以同时追踪教师与学生，作为网络直播、录影或视讯会议的重要元件。

（2）可自动侦测输入讯号源的影音输入端子：可依据教师自备计算机或行动载具所内建的HDMI、VGA等讯号源，一旦接线妥当后，系统即可自动侦测并于显示设备上呈现输入信号。

（3）可升降的教师讲桌：每位教师的身高不尽相同，透过可升降的讲桌，可配合教师的身高，发挥其应有的效能，讲桌上配置麦克风、设备控制系统面板与显示器等设备，以有线信号传输为主，避免信号干扰的问题。

（4）可远端监控与操作教室教学设备的控制系统：透过远端监控与操作，可提升设备操作的维护效率及人力；同时，可适度运用各设备商提供之控制系统程序接入界面API，掌握并开发更高度自动化的设备自动控制流程。

三、结语

智慧教育时代的开启，智慧教育逐步嵌入到教室环境建设之中，作为其重要组成部分的智慧教室也成为各类学校关注的重要内容。本文基于智慧教室的设计理念，探讨了智慧教室的设计策略，围绕“WeLink+智慧屏”“微云”和“中控”三个核心打造智慧教室技术体系，推动了智慧教育技术与教学环境建设深度融合，推动了智慧教学环境结构性的改变，推动了智慧教室环境下教学模式的变革，充分融入主动学习教室、以学生为主体结合翻转课程的主动学习环境和科技辅助主动学习等设计理念，突出学生学习的自主性，提升学习成效，为教育信息化改革提供有益借鉴和实践探索参考。H

参考文献

[1] Park， E. L.， Choi， B. K. Transformation of Classroom Spaces： Traditional Versus Active Learning Classroom in Colleges[J]. Higher Education， 68（5），749-771. 2014.

[2]张佳丽，杨赞.5G遇上教育 未来无限可能[N].人民邮电，2020-06-05（005）.

[3]柯翔敏.互联网教室中的教育信息化研究[J].曲阜师范大学学报（自然科学版），2015，41（03）：37-41+60.

[4]郑晶，李雪彦.混合式4S立体翻译教学模式探索[J].翻译研究与教学，2020，12：80-85．

[5]方旭，李硕豪.《大纲》指导下的我国新时期教育信息化发展研究[J].兰州大学学报（社会科学版），2010，10（38）：167-170．

[6]孔伊昵.基于智慧教室的互动教学的研究[J].智库时代，2020，2：220-221.

[7]李风燕，张婧.智慧教室方案设计概述[J].中国教育技术装备，2019，16：37-39．

基金项目：本文系1.2022 年度海南省高等学校教育教学改革研究重点项目“5G+ 虚拟仿真协同共享教学改革研究与实践（HnjgZD2022-59）”；2.2022年琼台师范学院校级教育教学改革研究资助项目“智慧教育背景下师范生信息化教学能力培育要素及路径研究（QTjg2022-20）”阶段性研究成果