智慧互动教室的设计与建设案例

张天荣， 周文扬， 贾 巍

(1.浙江农林大学 信息与教育技术中心，杭州 311300； 2. 河北师范大学汇华学院， 石家庄 050091；3. 宁夏大学 教育学院，银川 750021)

0 引 言

随着大数据、人工智能、人体工程学等先进信息技术的不断发展，加上教育信息化对教学环境的需求，使得智慧教室的研究成为了国内外教育领域研究的热点之一。智慧教室作为一种典型的智慧学习环境，是学校信息化发展到一定阶段的内在诉求，是当今智慧学习时代的必然选择[1]。

目前，国内大多数学校都启动了智慧教室的建设，但大部分都停留在理论阶段或正处于建设初级阶段，缺乏全面实践。本文基于实践经验，提出了智慧互动教室的概念，介绍近年来浙江农林大学智慧学习环境建设的成果，以期为智慧互动教室的建设与应用提供新的参考和方向。

1 智慧互动教室的概述

1.1 智慧教室

早期经历了“未来课堂”“未来教室”“智能教室”“云教室”[2-5]等概念后，学者们提出了“智慧教室”的概念，并从不同的角度对智慧教室进行了界定和描述。经过文献梳理发现，学者对智慧教室的概念认识存在的共同点是利用新兴技术构建教与学的环境，促进学习者的学习和相关技能的提高[6]。但当前大多数的智慧教室都存在交互性不足，教学效果欠佳等问题。

1.2 智慧互动教室

研究发现，在传统课堂面授中，最初10 min学生注意力最集中，对知识的接受程度最高，教学效果最理想。10 min之后，学生注意力水平下降。通过实验发现，在学生注意力开始下降时，采用互动式教学模式，进行课程和互动的相互切换，能够最大限度吸引学生的注意力，提高知识传授效果[7]。

互动式教学模式是在教师启发和引导下，师生之间、学生之间采用对话、研讨和交流等学习方式，形成互动学习机制，调动学生学习的主动性，开发学生的创造性思维，培养学生学习能力的一种教学模式[8]。

目前学校大多数教室都是固定的座位、白墙、黑板、投影，教学方式大部分还是传统教室的大班化(60人以上)课堂面授式，这样使得互动式教学限制在了固定的范围内，没能够真正发挥互动式教学的作用[9]。学生以被动接受知识为主，师生之间、学生之间缺乏互动交流，教学效果不理想。为了提高课堂学习效率和学生的创造性、积极性，深化大学课堂教学改革，互动式教学模式势在必行[7]。

为了给师生营造便利的多元化的沟通互动学习环境，浙江农林大学自2014年开始开展智慧互动教室的建设。基于我校智慧互动教室建设实践经验，认为智慧互动教室属于智慧教室的一种形式，智慧互动教室是基于先进的信息技术和设施，为师生提供多元化的交互空间和多样化的交互工具，创设“以互动为核心”的学习环境，实现人、资源、环境的高效互动和深度融合，达成最优化的教学效果。

2 调查分析

我校在建设智慧互动教室之前选取了40名教师与300名学生采取了问卷调查和半结构式访谈的形式进行了调研，调查内容涉及“智慧互动教室”的态度、特点、功能及教学模式。针对不同的调研对象，问卷分为教师卷和学生卷。回收有效教师问卷36份、学生问卷278份。

2.1 智慧互动教室的态度调查

调查结果表明，师生都认为智慧互动教室能提升学习效率。教师对“智慧互动教室”的期望值偏低，认为对学习效果有影响但可能不显著；学生则对智慧互动教室比较期待，认为智慧互动教室能提升他们的学习兴趣，因此学生对智慧互动教室的期待度相对较高。

2.2 智慧互动教室的特点调查

调查结果表明，师生对智慧互动教室特点的认识，主要体现在具有互动性、方便性、安全性、清晰性、开放性、生态性以及先进性等特征[10](见图1)。教师把方便性排第一位，然后依次是清晰性、互动性、开放性、先进性、感知性、安全性、生态性；学生把互动性排第一位，然后依次是清晰性、方便性、先进性、感知性、生态性、安全性、开放性。其中安全性和生态性师生均表示无所谓，师生看重清晰性是因为传统多媒体教室投影机的清晰度影响了正常的教学活动，而教师看重方便性是因为怕操作的不熟练影响教学进度。

2.3 智慧互动教室的功能调查

调查问卷罗列了智慧互动教室拟建设的一些功能，通过调查发现，师生对很多功能期待值都比较高，但是老师和学生的期望各有不同(见图2)。教师期待的功能从高到低依次是：考勤系统、小组研讨、答疑投票、智能录播、记忆白板、远程视频互动、资源展示等；学生期待的功能从高到低依次是：小组研讨、答疑投票、无线分享、资源展示系统、记忆白板、远程视频互动、考勤系统、智能控制、智能录播等。可以看出小组研讨、答疑投票、记忆白板、资源展示都是师生功能期望的功能，而教师对考勤系统的期待原因是人工考勤会占用太多的课堂时间，而学生恰好不希望考勤；对于智能录播功能，教师希望授课内容录制下来作为MOOC、SPOC等在线学习资源，而学生对此持无所谓态度。对于智能控制功能，师生认为是教室管理员的事情，跟自己不相关。

图2 智慧教室功能统计

另外，在半结构访谈中发现，不同学科师生的功能需求不同。例如，对于计算机类课程，需要具有高速、稳定的无线网络来进行相关环境搭建；农学、林学等则需要清晰的图像显示功能和师生端实时的多画面对比显示功能。外语、法律等文科类课程，需要能自由拼接的活动座椅便于小组讨论或辩论，也需要灯光、背景、温度等舒适的环境。

2.4 智慧互动教室的教学模式调查

利用智慧教室开展教学模式的调查主要采用半访谈形式，提供可选择的教学模式有：讲授式、自主探究式、小组协作式、翻转课堂式、情境体验式、远程协同式、游戏化学习等，并且分别做了解释。通过访谈发现，教师喜欢的教学模式从高到低依次是翻转课堂式、小组协作式、自主探究式和讲授式。学生喜欢的教学模式从高到低依次是小组协作式、情境体验式、翻转课堂式，游戏化学习(见图3)。

图3 智慧教室教学模式统计

3 智慧互动教室的建设案例

浙江农林大学自2014年开始，开展了以本科教学审核评估为契机的“教学信息化条件及资源建设”项目，目前已经建成智慧互动教室6间，座位数约300座。以我校智慧互动教室中的1间约90 m2(40座)的教室为例(见图4)，介绍智慧互动教室的建设原则、系统模型和实施方案。

图4 浙江农林大学智慧互动教室的全景图

3.1 建设原则

我校的智慧互动教室在建设过程中，总体上遵循“统一规划、统一标准、立足需求、整合资源、分布实施”的建设原则，采用“全程管理(甲方)+招标系统集成商(乙方)+第三方项目监理(丙方)”的项目建设方式。

在建设方案上遵循“四简+四易”的原则。① 架构简单、设置简单、操作简单、功能简单。每个功能模块只需配备相关硬件和软件产品，无需繁琐的辅助系统；设备能即装即用，无需其他过多设置；所有功能只需通过几个快捷操作键就能完成操作；模块化设计，注重实用性，用户按照流程就能完成所有的功能。② 易维护、易扩展、易复用、易管理、灵活性好[11]。设备软硬件采用嵌入式设计，整个系统易维护、易扩展、易管理；对于原有的投影、电脑、白板、音响等多媒体设备重复利用，复用性高。

3.2 系统模型设计

基于智慧互动教室的定位、特征和建设原则，综合考虑了师生的微观需求和信息化校园的宏观架构，通过对来自于教育学、教育技术学、计算机科学与技术、建筑学、人体工程学等领域20位专家就“智慧互动教室的认识”进行了意见征询，借此构建了智慧互动教室的系统模型[12-13]，如图5所示。该系统模型是由环境设施、资源管理、智慧交互、智能录播四个应用支撑模块组成，核心是智慧互动平台。

图5 智慧互动教室系统模型

(1) 环境设施模块。主要是通过基础设备实现环境的智能控制、设备的智能控制、多终端(笔记本电脑、平板、手机等)的互联互通和桌椅的自由组合。

(2) 资源管理模块。主要是通过资源管理平台实现学习资源的展示和管理、学生的在线学习和测试、微课制作等，实现教学资源不断积累和自我生长，满足学生的资源需要。

(3) 智慧互动模块。是通过物联网设备和无线网络环境实现人、环境、设备之间的自然、流畅、高效互动，其核心是师生的分组研讨、多屏互动、成果分享、答疑辅导、远程交互。

(4) 智能录播模块。是通过智能录播系统实现授课过程的自动跟踪、智能导播、同步录制、网络直播，供课后复习和教学观摩用。该模型中，各模块相对独立，自成体系，最后通过智慧互动平台的标准化接口，各建设单位可以根据需求对各模块的整合、互联和管理[14]，同时与学校教务系统、统一身份认证系统等其他信息化校园平台对接，有效拓展教与学的时间和空间。

3.3 实施方案

(1) 环境设施模块。环境设施模块，具体设计如下：① 座位数。根据教室的实际结构(长方形)和层高(3.3 m)，设计成40座。② 照明设置。学生区设置30组栅格灯(32W×3/组)，平均照度≥300 lx；教师授课区采用6组三基色冷光灯(55W×4/组)，区域照度≥500 lx。③ 声音处理。墙面和顶面均采用吸音材料，墙面采用防火型聚酯纤维棉，顶面采用矿棉吸音板，整体隔声系数≥40 dB。④ 色彩配比。教室四周采用“米色(顶面)+蓝色(墙面)+米色(地板)”的色调，产生冷暖对比，给人一种安静、理智、稳定，广阔的感觉。考虑到大学生群体年轻活泼的性格特质，桌椅采用“白色+橘黄色”，给人一种舒适、开朗、温暖的感觉，整体教室色彩时尚明快，搭配合理。⑤ 桌椅设置。桌子采用1.4 m×0.7 m×0.7 m×0.7 m梯形规格、可自由拼接桌子，桌椅自由组合形式如图6。⑥ 网络环境。配置大功率无线AP，最大可支持50点位的移动终端同时访问。⑦ 环境智能化控制。通过物联网设备对音响、灯光、空调、电视、窗帘、温度的智能化控制[15]。

图6 桌椅自由组合形式

(2) 智慧互动模块。智慧互动模块，具体设计如下：①分组研讨。教师根据教学模式需要，通过桌椅自由拼接组合，将学生分组(教室可分4～6组，每组6～8人左右)，每组配备显示大屏和手写白板，学生以小组为单位进行交流研讨。②多屏互动。每组配HDMI线和无线同屏互动网关，师生可将自带笔记本电脑、平板电脑、智能手机等移动终端内容交互投送到本组的显示设备上，实现多屏同步显示、互动批注、文件传输等功能，每组也可4人(最多)同时将内容投送到屏幕上比对讨论。③成果分享。每组学生讨论的内容或成果通过控制面板可以传输给其他组显示屏进行分享，并可投送到教室大屏上进行示范演示、批注和讲解。④签到点名。智慧互动模块与学校教务系统对接，学生利用移动终端直接登录教室的无线热点，打开浏览器自动登录系统，输入学号即可进行签到。应到人数、实到人数一目了然，教师也可从已签到的名册中随机抽取学生提问。⑤在线答疑。假如在教学的过程中设计了提问环节，学生通过互动系统对教师授课内容(PPT)进行问题标注，然后发送到教师的客户端，教师可针对性的做出答疑。教师可通过系统设置客观题和主观题，学生在线答题，答题结束自动统计成绩。⑥远程交互。教室配备了视频会议终端，通过视频会议系统实现校内或校外多个教室的实时互动教学，真正实现跨区域“同上一堂课”或“视频会议”，我校智慧互动教室至少同时支持4个教室的在线实时互动。

(3) 资源管理模块。①资源管理。通过资源管理系统实现视频学习资源管理功能，包括存储、点播、直播、教研、监控、编辑等功能。②在线学习与测试。基于资源管理系统，学生利用各种终端设备进行在线学习和作业测试，教师提供学习资源和辅导学生疑难问题。③微课制作。资源管理模块提供知识点定位、视频切片、编辑转码、添加封面、添加字幕等微课编辑功能，教师通过调用系统海量多媒体素材在线轻松简单的制作内容丰富的、不再枯燥的微课。

(4) 智能录播模块。智能录播模块主要由高清摄像头、高清录播主机、调麦、调音台、音频采集设备、视频采集系统及其他辅助设备共同组成，主要实现以下功能：①自动跟踪。教室配备的4K高清摄像头自带定位分析和图像跟踪功能，当教师在讲台区域走动时，高清摄像机对教师进行跟踪近景或特写拍摄，并能够始终跟踪教师走动；当学生起立回答问题时，实现对学生的自动定位、跟踪和近景拍摄。②智能导播。根据场景需要，智能录播模块采用大量智能策略，自动完成教师、学生、板书、计算机画面等多个场景的切换，切换合理、丰富，接近人工导播的感觉。[16]如：师生交互视频画面的智能切换、师生板书画面的智能切换、授课计算机画面VGA智能切换。当教师走动较快或走入学生听课区域时，自动切换为教室全景画面；当教师操作电脑时，画面自动切换为电脑画面；当有多名学生回答问题时，画面自动切换为学生全景画面。③同步录制。智能录播系统将自动跟踪和导播产生的画面和采集的声音合成并同步录制成视频文件作为教学资源上传到资源管理系统。录制的视频均为1080P的高清画面，完全满足高清观看的质量要求。④网络直播。配置了嵌入式架构的智能录播一体机，通过音视频编码压缩，将互动画面传输延时做到2 s以内，可以在网络上收看课堂直播。配置了直播终端，可以在电视机上收看课堂直播，真正实现高效互动。

(5) 移动学习。智慧互动平台提供移动终端APP软件，支持IOS和android系统。学生手机或平板安装APP软件即可进行移动学习，如在线点播、直播互动、在线作业、视频上传等。教师通过移动APP可进行移动授课，如PPT演示，重点批注，作业批改等。

本案例建设的智慧互动教室主要设备拓扑结构如图7所示。

图7 系统设备拓扑图

4 效果与反思

4.1 效果

通过智慧互动教室近1年的运行，对部分授课教师和30余名同学进行了半结构式访谈，收集了师生关于智慧互动教室的反馈意见。①教师和学生对智慧互动教室的效果都持肯定态度，都认为智慧互动教室能激发学习兴趣、提高教学效果。②在实际过程中，教师对是否将其作为智慧互动教室使用的看法不一，有一些教师只是当作普通教室使用。通过访谈发现，有些教师虽然认可智慧互动教室的效果，但因操作不熟练、或与教学过程、教学内容融入的不理想，影响了授课思路和授课质量，因此只是当普通教室使用。那些计算机水平较高、操作较为熟练的教师都愿意选择它进行授课。

通过对使用效果较好的3位教师进行了一对一深度访谈，访谈结果表明：①使用智慧互动教室授课后，学生的出勤率有明显提高，现在每节课几乎全勤；学习任务完成率有明显提高，从原来的60%提升现在的85%左右；学习的积极性有明显提高，以前课堂气氛沉闷，现在互动频繁，气氛活跃。②学生的学习成绩明显提升。从期末考试来看，实验班与对照班平均成绩差别不大，但是主观题目的回答，实验班的条例清楚，答案有深度。③教师备课热情明显改变。以前教师备课只需要把原来的PPT修改一下，使用智慧互动教室以后备课需要精心设计互动过程和教学情境，备课量加大，但也很积极充实。④使用智慧互动教室以后师生互动增多，教师对学生更加熟悉，师生情谊加深了。

4.2 反思

通过访谈也发现，使用智慧互动教室进行教学，尽管取得了良好的教学效果，但在其实践过程中也存在着一些问题。比如，个别老师的计算机使用水平不高，操作不熟练，从而影响了学生参与的积极性；教师课外隐形工作量增加了，时间长了会因精力不足导致互动教学实践半途而废；课堂上允许学生使用手机，学生会因浏览微信或QQ而影响学习的进度；学生长期习惯了被动接受知识，造成课堂互动的积极性、讨论的深度及广度不高等问题。需进一步加强举措：①提升智慧互动教室的体验感。通过翻转课堂、小组协作式等混合式教学模式的课堂示范或演示，让师生对智慧互动教室有良好的体验感。只有良好的体验感，才由兴趣和信心将智慧互动教室融入教学。②加大教师教育技术应用能力的培训。既要培训智慧互动教室的使用方法，只有操作熟练了，才能将智慧互动教室与教学过程和教学内容更好的融合。还要培训翻转课堂、互动式教学模式等新的教学理念，通过培训让教师选择适合学科特点、学生认知水平的教学模式将将智慧互动教室用好。③针对不同学科特点及实际教学需求，建设不同功能和类型的智慧互动教室。例如，对于法政、外语类学科通过环境的改造建设小组互动研讨教室；对于农、林、医等学科建设能异地交流、实时互动的远程互动教室；对于有微课、MOOC建设任务的教师，建设高清录播教室；对于开展混合式教学模式的教室，建设能课堂翻转、角色互换的网络互动教室。

综上所述，智慧互动教室的应用效果得到了师生的认可，但如何确保智慧互动教室在混合式教学中的充分使用、如何测量其对教学的影响，还有待更多的教学实践探索。