智慧教室的构建与应用研究——以中国矿业大学为例

张 凯 杨再明



智慧教室的构建与应用研究——以中国矿业大学为例

张 凯 杨再明

（中国矿业大学 公共教学服务中心，江苏徐州 221116）

教室作为教学活动发生的主要场所，是教学改革的前沿。智慧教室作为智慧教育的典型代表，自然成为了教育技术工作者关注的焦点。文章在深入分析阐述智慧教室的内涵、特征的基础上，构建了智慧教室的系统模型。同时，文章以中国矿业大学智慧教室建设为例，给出了智慧教室建设的解决方案，并对其在教学中的实际应用进行了效果分析，以期对智慧教室的建设起到抛砖引玉的作用。

智慧教育；智慧教室；学习环境；设计与实现

《教育信息化“十三五”规划》指出“要依托信息技术营造信息化教学环境，促进教学理念、教学模式和教学内容改革”[1]。近三年（2015～2017）的《地平线报告》也均有关于重新设计学习空间的表述[2]，教室作为教学活动发生的主要场所，世界各国越来越多地倡导ICT与教室的深度融合，以构建全新的教室学习环境来提高学习质量和效率[3]。如何为学习者营造更丰富、更有趣、更便捷、更高效的教室学习环境，成为各个高校教育技术工作者关注的热点问题之一。

一 智慧教室的概念与特征

20世纪90年以来，技术与教育的融合深刻影响着教学模式的改变，为了适应课程教学，教室的形态、环境、装备也发生了一系列的变化。近几年，随着物联网、智能终端等新一代信息技术的发展与在教育教学中的广泛应用，作为智慧教育的典型代表，智慧教室自然成为了教育信息化领域和教育技术工作者关注的热点。

1 智慧教室的概念

智慧教室是智慧技术与现代教育思想相结合的必然产物，充分体现了智慧技术在教育中的应用。本研究认为，智慧教室是以现代教育思想为指导，以新一代信息技术为支撑，对教室空间进行整体设计，集多屏显示、智能管控、直录播、协作互动、人员考勤等功能为一体，对教学过程的各种信息与情境进行感知、记录、分析，方便支持多种教与学的新型课堂教学环境，它实现了师生、资源、技术、环境的最佳耦合。

2 智慧教室的特征

结合对智慧教室的定义，智慧教室的特征主要体现在空间、技术、资源三个方面。

（1）智慧教室的空间特征

室内空间要摆脱传统物理条件的限制，改变以讲授为主的“秧田式”教室空间设计。通过灵活调整教室教学环境的布置，满足灵活的课堂组织形式，支持不同类型的教学模式。根据人体生理和心理学的内在规律及特点，对室内的吊顶、墙体、灯光、地板、窗帘等进行整体的装修设计和改造。为便于开展课堂互动教学，将室内的固定桌椅改成可拼接式且符合人体工程学的活动桌椅，配置可移动、升降演讲台，满足不同身高的老师需求。

（2）智慧教室的技术特征

通过新一代信息技术实现各类应用、数据以及业务流程的整合，辅助老师进行多屏演示、远程协作，实现师生、生生以及人与设备的便捷、高效互动，对教室内的环境、设备进行感知和智能化控制，对教学过程进行跟踪、分析、处理[4]。

（3）智慧教室的资源特征

有线和无线全覆盖，师生可以方便、快捷地获取教学资源。全程记录教学的全过程，同步产生优质的课堂教学资源。利用RSS技术订阅网络上开放的、动态多样化的资源。利用Widget自由整合来自多个渠道的优秀教学资源，定制个性化学习场景。智能分析学习者的浏览行为与习惯，个性化推送学习资源。

二 智慧教室的系统模型

秉承模块化设计理念，本研究提出一种由基础设施、网络环境、硬件、软件四要素构成的系统模型，涵盖基础设施层、教学设备层、网络层、服务层、应用层等五个层次，如图1所示。

图1 智慧教室的系统模型

①基础设施层：主要由教室的物理空间、活动桌椅、讲桌、供配电、照明、新风、空调等构成，为教学提供必要的物理平台。教室装修总体效果要美观、大方、实用、和谐，室内空间要布局合理、简洁明快，课座椅要符合人体工程学设计、方便自由组合，供配电要安全可靠，灯光布光要均匀、健康节能。

②教学设备层：教学设备层为核心业务层，为各种教学活动的开展提供环境保障。主要包括显示系统、控制系统、扩音系统、录播系统、终端设备、传感器等，并可根据学科特点、实际需求以及资金情况，进行选择性装备。

③网络层：提供多种网络连接方式，确保上下层之间实现安全、可靠、无障碍的信息传输，使信息空间与物理空间进行无缝对接[5]，使学习资源的获取、师生的交流更为便捷。

④服务层：运用云计算、大数据、物联网、数据挖掘等信息技术，为应用层的智慧教学、智慧资源、智慧管理提供信息化、智能化公共支撑环境和综合服务体系，主要包括身份认证、数据库服务、计算与存储、数据挖掘、虚拟桌面以及直录播等服务。

⑤应用层：依托服务层提供全面的支持、服务和保障，将与智慧教室业务相关的教学系统整合成统一门户和统一身份认证的教学应用云平台[6]，实现信息数据的统一管理、资源与服务的按需分配。

此外，信息标准化体系和信息安全与运行维护体系有利于保障整个智慧教室的建设、运营及管控[6]。

三 智慧教室的设计与实现

为探索中国矿业大学（下文简称“学校”）一流的信息化课堂教学环境的建设进程，根据实际教学需求，学校于2016年完成了智慧教室试点建设工作，给全校师生营造了一个集教学理念先进化、教学设备智能化、教学环境个性化和教学模式多样化等于一体的智慧学习环境。

1 室内空间设计

对教室空间环境进行全新定义与设计，实现人性化的教学环境。传统的教室一般是以教为中心，推行“三尺讲台+固定桌椅”单一教室布局模式，讲台拉开了教师与学生的距离，固定桌椅将学生限制于方寸之地，很难实现师生之间无障碍的沟通。

智慧教室的设计首先要对教室的讲台区域进行改造，将讲台区域夷为“平地”，使师生处于同一水平面上，增加接触和互动的机会[6]。配置灵活多变的可拼接桌椅，可根据教学活动的需要随时变换布局，方便学生之间进行交流与协作，使学生更容易参与到课堂教学活动之中。桌椅一定符合人体工程学设计，可调节、可折叠，这样不但能提高教室的资源使用率，而且有利于学生的健康，还有助于创造良好的课堂气氛，提高学习效率。另外，为便于教学活动的开展，在智慧教室内的班级规模不易过大，一般安排容纳30人左右。

改善室内环境，对室内空间进行整体的设计与装修。改变传统的以白色基调为主的环境，巧妙选择墙体、吸音板、吊顶、PVC地板等材料的颜色，利用色彩营造一种清新大气、淡雅舒适、简洁温馨的感觉。两侧墙壁采用吸音板进行装饰，微孔铝板进行吊顶，增加室内声音的漫反射，缩短高频混响时间，提高语言清晰度和录播系统拾音的纯净度。采用冷光源布光，灯具色温3200K，显色指数不低于0.85，整体的平均照度要求大于1500 Lux，以保证摄像色彩真实，画面层次丰富。安装新风系统，对室内空气进行净化，保证CO2、甲醛、可吸入颗粒物（PM 2.5、PM 10等）病毒、细菌等处于安全值。

2 硬件、软件环境的实现

智慧教室以现代教育理念为指导，实现了师生、资源、技术、环境的最佳耦合。智慧教室一般由多屏演示系统、教学扩音系统、智能交互系统、直录播系统、物联网综合控制与服务系统、智慧班牌、教学资源建设与应用云平台等六大核心部分构成，支持探究式教学、讨论式教学、混合式学习、翻转课堂等新型教学模式。设备系统结构和设备之间的拓扑图如图2所示。

图2 主要设备系统拓扑图

多屏演示系统由Star C教学平台、云控制器台、触控一体机、视频矩阵软硬件组成。多屏演示系统支持多种显示模式，包括：镜像模式——双屏显示相同的文档内容；关联模式——双屏显示上下页关联的文档内容；板书模式——一屏显示文档内容，一屏显示板书。双屏上均可以实现触控一体机的书写、标注、擦除等操作，达到了“随处可写，随时可写”的效果。

智能交互系统由交互服务器软件、交互式终端、无线基站构成，实现了课堂中师生多类形式的交互和交互结果的实时统计及显示。

教学扩音系统主要包括功率放大器、多媒体音箱、无线双收双发，用于教学的无线扩声，方便教师的移动教学。

直录播系统主要涉及录播主机、云台摄像机、数字音频处理器等软硬件。系统可以将授课过程中的老师、学生、教室全景、电脑VGA的画面、声音实时采集和录制，全面记录教学活动全过程，积累优秀的数字化教学资源。通过网络实现整个教学过程的直播，满足教务部门在线评估、教学督导的需求，教师之间相互评课、议课，进行校内教研交流。

物联网综合控制与服务系统主要包含中央控制主机、时序电源、各类传感器、新风系统等软硬件。系统可以通过程序化控制，实现教室内大屏、扩声、灯光、空调、新风等顺序延时通、断电和各种必要的保护；对窗帘开合，灯光开关，信号切换，录播系统录制、停止、暂停等进行个性化控制；实时检测室内的温度、湿度、PM 2.5等的值，切换和启动新风系统。

智慧班牌主要由显示终端和控制软件构成，具有电子课表、智能考勤、教学巡课等功能。与课表数据对接，改变传统的课表张贴模式，实时更新课表信息和教室使用状态。通过认证校园卡，实时对班级出勤情况进行统计，出勤情况实时推送到任课老师手机。接入教室内的监控摄像机进行巡课、巡考，免去对师生一切不必要的影响[7]。

教学资源建设与应用云平台实现对教学过程的直播、录制、管理、上传、发布等功能，支持主流教学资源导入，实现资源快速存储与发布；支持多种终端的访问，方便学生随时随地进行学习。支持对视频进行打点、评分、评论，方便师生进行交流，促进教师反思教学；采用ST教学行为分析自动采集记录教学行为大数据，为教师提升教学水平提供客观依据。

四 应用效果探析

为了检验智慧教室在教学中的应用效果，本研究进行了问卷调查研究和访谈，问卷涉及智慧教室的满意度、应用效能、教育价值认知等方面。问卷调查参与人数132人，其中学生126人，任课教师6人；收回有效问卷131份，其中学生125份，教师6份，有效率99.24%。

①满意度：从教室的教学环境设计、教学设备稳定性、系统易用性三个方面对智慧教室的满意度进行了整体评价。127名（96.21%）师生对整体教学环境设计表示满意，130名（98.48%）师生对教学设备稳定性表示满意，121名（91.67%）师生对系统易用性表示满意——从以上三个方面可以看出，师生对智慧教室的满意度都达到了90%以上。总体来说，师生的满意度还是比较高的，但是系统的易用性方面还有较大的改善空间。

②应用效能：120名（96%）学生在智慧教室内主要进行协作学习、探究式学习，说明教师的教学不再是传统的、单一的讲授式教学模式。大约13%的师生认为智慧教室未能满足对学习（教学）的支持服务，说明在学习（教学）支持服务方面智慧教室还需进一步改进和完善。110名（88%）学生认为信息技术能力显著提高，从侧面说明智慧教室对课程的学习有很好的促进作用。

③教育价值认知：120名（96%）学生对在智慧教室内上课表示喜欢，认为基于智慧教室的教学能够激发学习兴趣、发挥主动性，能够满足自我学习需要、促进人际交往，可以看出大部分学生对智慧教室还是持积极态度的，说明智慧教室的学习环境受到了学生的欢迎。

对于“您认为智慧教室在课堂教学改革方面可以发挥哪些作用？”的访谈中，教师们也从教学模式、教学互动、教学评价三方面谈了自己的感受：

①在教学模式方面，不再是传统的灌输式、填鸭式教学，而是从单一教学模式向多元化教学模式发展。根据教学内容，师生可以选择不同的教学方法和学习方式，教学模式的选择上更倾向于在先进技术和丰富资源支持下开展探究式教学、混合式学习、翻转课堂等新型教学模式。

②在教学互动方面，智慧教室为课堂互动提供了有效的技术支持，实现了人与技术、设备、资源之间的多维互动[5]，支持对课前、课中、课后各环节的全面覆盖。智慧教室提供了多种互动方式和各种学习支持服务，促进了学生的主动性学习、协作性学习，达到信息的分享与交流，变被动学习为主动求知，真正实现有意义的学习建构[8]。

③在教学评价方面，从传统的结果性评价转变为形成性评价。实现了对课程预习和课后的测评分析，教师能准确地把握每个学生对知识点的掌握情况。动态的诊断分析和即时反馈，教师可以及时优化并改进教学过程。形成了课程学习电子档案袋，这种贯穿于课堂教学的全过程的学习分析、诊断与评价，重构了传统教学评价体系[9][10]。

五 结束语

信息时代的学习将以智慧学习环境为基本依托，而智慧教室是智慧学习环境的典型代表之一[11]，为师生提供了开放的学习环境和丰富的教学资源。如果我们还是以传统多媒体教室的眼光来看待，一定会限制甚至阻碍智慧教室的推广与应用。基于智慧教室的教学能否取得良好的效果，主要取决于教师的投入和学生的参与，这既需要教师在教学工作中不断地反思和尝试，更需要学校在政策和制度层面上的配套建设，激发师生热情，促进教学创新。

[1]任友群,郑旭东,吴旻瑜.深度推进信息技术与教育的融合创新——《教育信息化“十三五”规划》(2016)解读

[J]现代远程教育研究,2016,(5):3-9.

[2]金慧,刘迪,高玲慧,等.新媒体联盟:《地平线报告》(2016高等教育版)解读与启示[J].远程教育杂志,2016,(2):3-10.

[3]刘婷婷,陈增照,刘三女牙,等.创新信息技术,支撑教学变革——以苏州市“未来教室”教育信息化建设为例[J].中国教育信息化,2016,(18):12-15.

[4]王玉龙,蒋家傅.智慧教育:概念特征、理论研究与应用实践[J].中国教育信息化,2014,(1):10-13.

[5]程敏.智慧教室的设计与构建[J].实验室研究与探索,2015,(6):248-252.

[6]程敏.信息化环境中智慧教室的构建[J].现代教育技术,2016,(2):101-107.

[7]Roomis. Roomis产品介绍[OL].

[8]张凯.校园SNS的构建与应用研究[D].银川:宁夏大学,2012:55-58.

[9]唐斯斯,杨现民,单志广,等.智慧教育与大数据[M].北京:科学出版社,2015:38-71.

[10]云亮,赵龙刚,李馨迟,等.智慧教育:互联网+时代的教育大转型[M].北京:电子工业出版社,2016:1-9.

[11]清华新气象.重新定义课堂,从“课桌变形”和“削平讲台”开始[OL].

Research on the Construction and Application of Wisdom Classroom——Taking China University of Mining and Technology as an example

ZHANG Kai YANG Zai-ming

Asthe main place where teaching activities are held, classrooms are the forefront of teaching reform. Wisdom classroom, a typical representative of wisdom education, has naturally become the research focus of educators all over the world. Based on the deep analysis of the connotation and characteristics of smart classroom, this article firstly constucted a system model of smart classroom. Then, taking the construction of smart classrooms in China University of Mining and Technology as an example, solutions to the construction of smart classrooms were given, and its practical application effects in teaching were analyzed, expecting to cast a brick to attract jade for the future construction of smart classroom.

wisdom education; wisdom classroom; learning environment; design and implementation

G40-057

A

1009—8097（2018）10—0081—06

10.3969/j.issn.1009-8097.2018.10.012

张凯，实验师，硕士，研究方向为新媒体技术、现代教育技术，邮箱为zhangkai0830@126.com。

2018年2月25日

编辑：小西