新时代高校智慧教室的构建探究

徐宏凯， 谢 洁， 成希飞， 牛金志， 吴能表

（西南大学a.教务处；b.植物保护学院，重庆 400715）

0 引 言

习近平总书记在全国教育大会上提出“形成更高水平的人才培养体系”的要求［1］。怀进鹏部长在教育部重点工作推进会上指出“要强化改革创新，完整、准确、全面贯彻新发展理念，调整优化教育结构，改革创新育人方式，坚持把教师队伍建设作为基础工作，优化高校科研管理和服务保障，扩大教育对外开放”。为此，各高校积极探索“以学生为中心”的个性化学习、泛在学习，促使课堂教学由单向式讲授向新形态的研讨式、混合式转变的有效路径。在此进程中，传统的多媒体教室已不能满足新形态教学的需求［2］。2019 年中共中央、国务院印发的“中国教育现代化2035”提出要加快信息化时代教育变革，利用现代技术推动人才培养模式改革。因此，如何利用信息技术打造支撑新形态教学的智慧教室，成为高校教育工作者、信息技术研究人员关注的重点。近年来，研究人员提出智慧教室的定义［3-5］。但目前，智慧教室的定义和功能仍然言人人殊。构建智慧教室时学校没有可直接参照的对象，加之市场上的智慧教室产品功能呈现同质化趋势，厂商依据产品的功能主导学校建设方案。再者，学校调研能力、对新形态教学需求的分析能力及产品鉴别选型能力不足，直接导致建设时面临“建设什么样的智慧教室”“怎样建设智慧教室”2 个问题，建成的智慧教室功能点和教学实际需求适切性不足，对新形态的教学场景支撑效能不高。智慧教室的定义和功能虽未形成统一标准，但其构建路径应有可循之法。在调研设备、平台和已建案例基础上，总结学校基于教学场景分析下的演示型集控教室升级经验，进一步剖析新形态的教学需求，按照“教学场景分析-建设内涵凝练-支撑功能聚类-建设功能对标选型”的逻辑先后关系，探索智慧教室建设的有效途径。

1 现状分析：产品功能同质化和建设方案产品功能导向趋势呈现

1.1 产品功能呈现同质化趋势

调研市场智慧教室成品，结果显示目前厂商提供的建设方案、所定义的智慧教室常常基于其产品本身的特性。例如物联网厂商将部署了物联网的教室称为智慧教室；显示一体机厂商将部署了搭载互动平台一体机的教室称为智慧教室；录播设备厂商将部署了搭载管理软件的录播设备的教室称为智慧教室。无论是物联网、多屏协作，还是录播等设备厂商，其产品及所体现的功能皆呈现同质化趋势。同类产品进一步细化比较发现，其功能虽逐渐趋同，但其硬件设备的配置、性能，软件平台的设计却有差异。例如：智慧中控设备就有笔记本与台式机视频信号的自适应功能产品和需要手动切换信号的产品；投屏设备就有需要安装APP（Application）、微信小程序实现投屏和直接使用移动终端内嵌的投屏模块实现投屏的产品。这些产品细分的差异将导致使用人的体验各异，以及运维人员的运维成本投入度不同。

1.2 建设方案呈现产品功能导向趋势

调研已建成智慧教室较有代表性的文史类、理工类、艺术类、农学类等10 所不同类别的高校。将其建设的主要功能进行聚类和统计。10 所高校建设的智慧教室功能项主要包含“教师讲台改造”“学生活动课桌椅改造”“移动终端无障碍接入”“墙面辅助书写”“智慧班牌”“教室外扩展空间改造”“物联网”“主、辅屏互动投屏”“拾音扩声设备”“课堂互动设备（平台）”“录播设备”“课堂督导系统”“网络改造”“桌面可视化集控”“设备集控运维平台”“学生机桌面虚拟化”等16 项。而10 所高校在16 项功能中均进行了相同的13 类功能项建设，重复率达81.25%。智慧教室的功能本应支撑不同种类学校的特有要求，但呈现的实际状况却逐步趋同。其本质是学校向厂商渡让了智慧教室建设的功能分析主导权。厂商为学校提供的建设方案皆是从自有的产品的功能特性出发，逐步呈现出学校的方案构建由厂商的产品功能主导的趋势。

调研显示的两个趋势之内涵，为目前学校建设智慧教室的两个困境之成因。①市场上智慧教室的产品功能呈现同质化趋势，但其性能、使用效果等存在差异。而学校对智慧教室的研究和建设尚属首次，对同类产品不同品牌间的功能交叠和差异，所需要的鉴别选型能力不足。产品选型失准直接影响集成效果，建成的智慧教室业务需求贴合度、功能可用度和易用度不够，这便形成了困境之一“产品怎么选”。②高校建设的智慧教室功能项目趋同，究其原因是学校缺乏对新形态教学场景的需求分析，没有掌握以业务需求分析驱动方案构建的主动权。取而代之的是选择厂商所提供的，以产品功能点为导向的成品化建设方案。成品化方案的单一性和新形态教学需求的多样性形成的矛盾，直接导致建成的智慧教室功能覆盖面和业务达成度不足，这便形成了困境之二“方案如何构建，项目如何集成”。两个困境究其根本，即“建设什么样的智慧教室”“怎样建设智慧教室”。

2 困境初解：教学场景需求分析下的演示型集控教室定制化构建

为进一步提升教师教学体验，2017 年起，学校分批定制改造公共多媒体教室。改造过程中参照黄荣怀对智慧教室“智慧性”提出的概括性描述“内容呈现”“环境管理”“资源获取”“及时互动”“情境感知”等5个元素，并重点关注“内容呈现”“环境管理”2 点。在分析教学场景需求后，以需求分析驱动方案构建，在显示系统首次引入激光工程投影，在中控系统引入设备集中控制平台（以下简称集控平台），并对接教务综合管理平台中间库相关数据信息，完成项目集成。

2.1 演示型集控教室激光工程投影升级

“内容呈现”是指智慧教室对教学信息呈现的能力，呈现内容需清晰，还需要适合学习者的认知特点［6］。传统演示型多媒体教室使用的显示设备主要为商务投影机、触控一体机等。由于我校地处重庆，夏季高温多湿，且黑板书写带来的粉尘等，极易造成商务投影机由于温度过高、散热不及时而停机。此外，商务投影机长时间使用，将导致由于液晶板老化引起的偏色、灯泡老旧所致的亮度降低，这不仅增加管理成本，更影响教学活动正常开展。为从根源解决“内容呈现”中存在的问题，充分考虑重庆气候特点，及对学校教学场景深度研究，如部分学科课程需要对动植物、微生物等进行高清图片展示，对色彩还原度要求高。学校一改之前商务投影机等方案。经对市场上主流显示设备对比，最终选择具备高亮度、高分辨率等优势的激光工程投影机。其激光光源理论寿命可达20 000 h，免去更换灯泡的管理及维护等附加成本。学校为采购最优质的产品，在调研过程中针对市场上激光工程投影机3LCD（Liquid Crystal Display）和DLP（Digital Light Processing）2 种主流技术进行比较。创新设计了包含“对比度”“呼吸效应”“色彩”“亮度”等16 项测试项目，以进行产品甄别。

2.2 演示型集控教室集中控制系统升级

“环境管理”是指智慧教室管理的便利性，教室中的各类硬件设备、软件平台、教学资源具备较强的可管理性［7］。在2017 年教室设备升级中，详细分析了教室使用场景的各类角色：教师上课前需在楼管处领取钥匙，再到教室打开电子讲台准备授课；多媒体设备管理人员课前需要为教师发放钥匙，如果教师课前遇到设备故障，管理人员亦难以第一时间到场处理，设备故障处理滞后。为凸显“环境管理”的效能，在2017 年148间显示型集控教室改造时，否定了教师在上课前到楼管处排队领取钥匙，自行打开设备和教师携带一卡通，在电子讲台读卡开启设备2 种方案。虽然这2 种方案仍为高校现行的主流方案，但从教学场景及业务流程上看，无法达致最优［8］。第1 种办法，耗费教师课前准备时间；第2 种办法，需要教师每堂课携带一卡通，课前忘带卡、课后忘取卡均会影响教学活动的正常开展。经教学场景分析，拟实现的设备管控场景务必将教师可从课前繁琐的准备工作中解放出来，同时提升管理效率，无须专人发放钥匙或人为监控设备开关。2017年9 月，学校创新定制化构建方案，通过在新版教务系统上开发中间数据库，对接学校设备集控平台。集控平台按策略分时段读取中间数据库课表信息，通过预设的开关机策略，在课前20 min 自动开启教学设备，课后延迟10 min 关闭教学设备。为此教学场景智能化管理集成方案的首批落地高校。

2.3 演示型集控教室与智慧教室之承接关系

2017、2019、2022 年，学校持续按照演示型集控教室定制化方案，升级改造学校288 间多媒体教室设备，实现学校多媒体教室演示型集控功能全覆盖，普遍提升教师使用教学设备的体验。建成的设备集控平台除能集中管控设备外，还能实时监控教室内各项设备使用状况、预警故障信息，前置管理关口。故障处理全过程通过设备集控平台记录并逐步沉淀为知识库，可形成下次同类问题的处理方案，提升了管理效率、降低了管理成本、保障了教学运行。由我校建立的设备集控平台，为后期智慧教室的建设工作预留了物联网设备等相关接口，预计可搜集结构化数据近80 余项，为延展式建设打下坚实基础。演示型集控多媒体教室在“内容呈现”“环境管理”上已针对教学场景做了定制化升级，具备智慧教室雏形，但智慧教室的内涵还应根据教育技术的发展，结合业务场景的深度分析，作进一步诠释。

3 路径探索：建设内涵凝练与建设方案构建

依据教学场景分析，定制化升级建设学校演示型集控教室的逻辑，进一步形成：分析研讨式、小班化、互动式等新形态教学场景需求，凝练智慧教室建设内涵，聚类需达成的支撑功能，对标准、对项目甄选设备、平台进行集成的建设逻辑先后关系。

3.1 教学场景需求分析驱动的内涵凝练

针对“建设什么样的智慧教室”，学校深度剖析教学场景的需求，凝练内涵，即：构建强化互动、随处可学和教学数据辅助决策的教室。

（1）强化互动。智慧教室需助力单项式灌输的课堂向研讨式教学、小班化教学转化［9］，“互动”就尤为重要。目前课中互动，需要进一步强化，主要体现在广度和深度两个层面。①强化互动的广度。智慧教室功能上应支撑“课中”互动，向“课前”和“课后”两端延展。“课前互动”是指教师通过智慧教学平台将大规模开放在线课程（Massive Open Online Course，即MOOC）、小规模在线课程（Small Private Online Course，即SPOC）或共享课程、自建课程等资源在课前推送给学生，通过任务驱动的方式引导学生预习［10］。“课中互动”是指教师通过智慧教学平台对学生预习效果进行分析，重构教学方案、精准施策，以研讨、课堂翻转等方式组织课中教学。讲授中学生还可通过智慧教学平台的留言板、弹幕或打点标记等方式实时反馈。“课后互动”是指课堂讲授结束后，教师通过智慧教学平台给学生下发课后作业，并提供生生互评、教师评价等方式，将学生对知识点的掌握情况量化为结构化数据［11］。还可通过平台定制开发，实现试题库下的标记试题难易度，辅助教师完成多策略组卷等功能［12］。②强化互动的深度。构建的智慧教室应体现从教师简单引用教学资源，到深度、无障碍地调用教学资源；从学生被布置学习任务，到学生主动获取资源来增强个性化学习。智慧教室应基于教学平台定制开发相应功能，强化师生与教学资源的互动深度，如：教师可在备课阶段通过智慧教学平台调用和备课有关的优质教学资源；学生在预习阶段通过智慧教学平台调用MOOC、SPOC资源，在课后可点播、回看已修课程资源。为进一步强化师生与资源互动的深度，将师生获取教学资源向主动给师生精准推送资源转变。通过定制化智慧教学平台引入智慧教室，可对网络上的共享资源进行智能分类、整合，辅之大数据技术，将师生在业务系统上的行为数据“标签化”，实现对师生感兴趣的教学资源进行精准推送。

（2）随处可学。智慧教室构建发展至今，不应局限于物理概念上的房间，而应是一种全新的教学环境变革之产物。智慧教学平台集成引入智慧教室，通过课中互动向课前、课后两端延伸，师生可在任何时间、任何地点通过本人的移动终端访问智慧教学平台，进行人与资源的互动、人与人的互动［13］。从教学场景需求上看，课中师生可通过移动终端连接智慧教室主辅屏、分屏，实现信息广播、分组展示等多种协作策略，辅助研讨式教学开展；在课前和课后，师生通过移动终端访问智慧教学平台，在平台所搭建的学习空间中获取共享教学资源、对课中已学资源进行复用。通过智慧教学平台及智慧教室硬件集成打破固有环境，达成任何时间、任何地点随处可学的教学场景需求［14］。

（3）教学数据辅助决策。地平线报告曾预测学习分析技术即将普及［15］，如何有效地通过信息技术辅助对教学进行即时评估、阶段性总结，形成管理闭环，是智慧教室构建的一项重要业务需求［16］。智慧教室中可部署传感器及相关设备，对教学全生命周期的情境进行数据收集。这些数据包含课程资源、访问频次、学习时长、活跃度、出勤率、互动情况等。采集并整合的结构化数据用以支撑学情分析和辅助决策［17］。例如：通过人脸识别技术与学生行为数据，可分析学生课堂专注度；通过过程性评价数据，如答题得分率、活动参与度等，可分析学生学习效果、薄弱环节，为教师教学方案重构进行辅助决策［18］。

3.2 支撑建设内涵的功能分区及设备集成方案构建

针对“怎样建设智慧教室”，学校在建设内涵指引下，研制建设方案。将智慧教室应实现的功能按照“环境融合”“教学互动”“质量管理”“设备运维”分为4 区，在各分区下构建“必（可）选功能项”按需分批建设，下设“23 个功能点”（见表1），经产品选型、对标功能形成支撑23 个功能点的主要设备集成清单（具体的设备集成清单本文暂不列出）。

表1 智慧教室功能分区及主要对标支撑设备和平台项目表

（1）环境融合区。环境融合改造，包含教室内的环境改造以及教室外的延展区域升级。达成师生使用的便利性、运维管理的时效性。①打破一个教室仅有一个讲桌，且位置固定，学生课桌椅也为固定的常规方案。依据新形态教学场景设置主、辅两个讲桌，一个固定位置用于主讲教师讲授使用，另一个为活动升降讲桌，用于助教使用。学生的课桌椅在小型教室内则全部设计为活动课桌椅。②学生使用的电脑依据教学场景方案分为2 种模式。其一，为BYOD（Bring Your Own Device）的自携带移动终端模式。其二，为服务一些特殊的教学场景，如学生需查阅案例的法学类课程，考虑将不遮挡师生交互视线的PC机嵌入课桌。③为应对研讨式教学场景，师生在教室任何一面墙书写，在主、辅显示屏外的其他墙面师生可触及的区域、可书写的高度皆配备墙面辅助书写搪瓷白板。④为提升研讨学习氛围，将教室内空间延伸至大厅区域，设置小组研讨和自习的空间。在延展空间中部署智慧班牌系统，使学生能准确地获取教室占用、任课教师、授课内容等信息，及时规划小组学习和自习时间和地点。

（2）教学互动区。教学互动功能区是智慧教室建设的核心功能区。项目集成时应考虑触控一体机等显示设备与智慧教学平台的集成方式，综合发挥硬软件优势。①硬件方面。课中互动场景包含双主屏协作和小组分屏展示等方式。在教室内同一面墙左右两端部署2 块大屏，中间为书写板。双主屏显示可满足学生在各位置都能轻松获取内容。再搭载智慧红外书写框，可实现板书等教学资源及时沉淀、流转和分享。还可扩增部署小组多屏，配置投屏盒子，实现多人作业同屏展示，实现对比讲解、研讨等功能。②软件方面。支撑学校智慧教室建设内涵的智慧教学平台，是智慧教室“大脑”所在。平台的选型和持续迭代直接决定了智慧教室的易用度、实用度和可用度。通过显示大屏与平台的集成，打通线上、线下两个维度，实现教学资源的教学全程流转。③集成方面。由于目前市场上的显示一体机公司也在开发互动平台功能，教学平台的公司也在打造附带一体机的综合解决方案。于学校而言，对标产品、选型就更具挑战。学校需依据教学场景需求，进行同类别产品横向比较，选择集成度高、使用交互界面简单的产品。软硬件皆应达到，导航逻辑顺畅，符合使用人操作习惯，可实现一键上下课、一键投屏、一键调屏、一键分屏协作等功能［19］。

（3）质量管理区。教学质量评价作为教学管理的重要环节，是教学质量保障的重要机制。由于课程录播、远程互动及教学质量监控的对标设备具有重叠性。为提升其集成度，该类设备需作统一考虑。①硬件方面。因为支撑课程直播、常态录播、课程资源回看、点播和远程互动教学的功能所需硬件设备，与教学质量督导、听评课的硬件设备具有重叠性，需统筹考虑、一并建设。②软件平台方面。市场上已具备直录播平台、远程互动平台、教学质量督导平台等一体化产品。该类平台既可实现课程直录播、点播、远程教学互动，还可实现教学督导、网上课堂质量巡查等功能。通过该平台定制化开发，还可实现学生学习画像分析、教师教学行为分析，以及通过预置策略推送优质或疑似问题课堂，使督导专家能有目标地进一步现场听评课，让优质课堂被广泛观摩，让问题课堂及时得到整改。

（4）设备运维区。智慧教室能持续为教学提供服务，需对硬件设备持续提供运维保障，并依据教学场景不断分析，对智慧教室各类业务平台进行持续迭代。为提升运维能效，智慧教室将统筹接入已建成的集控平台，使学校前期建设的演示型集控教室与智慧教室统一管理。为使智慧教室的使用体验度进一步提升，在智慧教室持续建设中，将不断分析教学场景需求，逐步把智慧教室中所涉及的智慧教学、直录播管理、教学质量管理等各类业务平台进行定制化开发，一体化管理，以提升其集成度，持续支撑新形态教学需求。

4 结 语

智慧教室是信息技术支撑教育理念更新和教育模式改革的必然产物。基于目前其定义和功能均未形成统一标准，学校制定建设方案时，既不能跟风，更不能照搬照抄。需要深度解析教学场景、明晰业务需求，再充分调研产品功能特性和差异，以此甄选最新信息技术下的新设备、新平台、新工具等，来逐项对标功能需求，集成优质的、有针对性的和解决实际问题的建设方案。本文所强调的“教学场景分析-建设内涵凝练-支撑功能聚类-建设功能对标选型”的智慧教室构建逻辑先后关系，将为各高校探索智慧教室建设的有效路径，尤其是在智慧教室建设的内涵诠释、方案制定及项目实施提供必要参鉴。在此基础上，高校更应充分认识到智慧教室的建设是学校不断解析教学场景新需求、厘清建设内容共性与个性、不断优化的过程。以此，进一步促进信息技术和教学需求深度融合，为智慧教育的持续发展提供无限可能。