高校智慧教室的建设理念、模式与应用展望*——以华中师范大学为例

贺占魁 黄 涛



高校智慧教室的建设理念、模式与应用展望*——以华中师范大学为例

贺占魁1黄 涛2[通讯作者]

（1．华中师范大学 实验室与设备管理处，湖北武汉 430079； 2．华中师范大学 信息管理学院，湖北武汉 430079）

在落实“互联网+教育”战略、深化教育教学改革的背景下，建设智慧教室是高校创新教学环境、提升人才培养质量的必然选择。为此，文章介绍了国内外高校智慧教室的建设实践，总结了存在的问题。在此基础上，文章以华中师范大学为例，遵循智慧教室建设的八个设计理念，提出了“物理空间、资源空间、交互空间相互融合，多维度数据一体化采集与应用”三位一体的智慧教室建设模式，并从技术深度应用、学习空间再造、教学改革创新等角度对智慧教室的未来应用进行了展望，以期为高校智慧教室建设和智慧教育发展提供借鉴。

智慧教室；建设模式；物理空间；资源空间；交互空间；多维度数据

近年来，智慧教室的相关研究逐渐兴起。在学术文献中，对这种新型的教学环境多以“Smart Classroom”、“Intelligent Classroom”、“Classroom of Future”以及“智慧教室”、“未来教室”进行表述[1]。黄荣怀等[2]认为，在传感技术、网络技术、富媒体技术及人工智能技术充分发展的信息时代，教室环境应是一种“能优化教学内容呈现、便利学习资源获取、促进课堂交互开展，具有情境感知和环境管理功能的新型教室”，这种教室被称为“智慧教室”。

课堂教学是学生接受系统教育最重要的一环。借助先进的信息技术，构建利于交流、协作和共享，且利于学生主动学习和个性化学习的智慧教室，是高校落实“互联网+教育”战略，深化教育教学改革，提升人才培养质量的必然选择[3]。《教育信息化十年发展规划（2011-2020年）》更是强调“推进信息技术与教学融合，建设智能化教学环境”[4]，明确将智能化教学环境建设和研究作为高等教育教学改革系统工程的重要组成部分。可见，智慧教室已经成为信息技术与教育教学深度融合的前沿阵地。

一 高校智慧教室的建设实践与问题

1 国内外高校智慧教室的建设实践

在智慧教室的建设实践方面，国外高校较早开始了探索和创新。如美国麻省理工学院的“技术支持的主动学习”（Technology Enabled Active Learning，TEAL）计划将教室和实验室相结合，强调动手实践、彼此合作、高度互动，将网络教学系统、3D视觉仿真图形、实验动态仿真、个人实时回馈系统等融入教学环境当中；北卡罗莱纳州立大学的SCALE-UP项目通过创设一个能够鼓励学生与伙伴、教师进行协作的学习环境，引导学生开展探究学习和体验学习，帮助学生进行反思与分享；而爱荷华大学的“转换、交互、学习、参与”（Transform, Interact, Learn, Engage，TILE）项目建成了“主动学习教室”，旨在实现教师和学生之间的角色转换，加强师生在教学活动中的交互，提高学生的参与度，并鼓励、支持学生的合作学习和主动学习。此外，新加坡南洋理工大学的教学大楼“The Hive”将创新学习与可持续性建筑设计相结合，创建出一种融教学设施、学习空间、社交场所于一体的环境；新加坡国立教育学院利用远程切入、实时互动和4D技术，将实验活动、体感与学习内容融为一体；澳大利亚迪肯大学等高校的“改造大学学习空间”（Retrofitting University Learning Spaces，RULS）项目对正式和非正式学习空间加以改造，用以支持主动学习、协作学习和同伴教学。

国内高校在开展智慧教室研究的同时，也注重其应用。如北京中医药大学利用新建教学楼开展了大规模智能化建设，注重教室环境中信息的实时交互和课堂教学资源的自动生成；北京工业大学利用不同类型设备、桌椅和配套设施的组合，探索了多样化的课堂组织形式；江南大学制定了集大数据分析、云存储与管理、智能化设备设施于一体的智慧教室建设规划，建成了传统讲授型和互动探究型两类智慧教室；第二军医大学的沉浸式教室利用移动推车实现远程互动，预设了11种屏显模式，方便一键切换；北京师范大学成立了未来学习体验中心，设计了包含互动讨论、互动教学案例、分组互动学习、教师教育实训、国际远程协作、移动学习、未来学习探索实习以及录播控制室等8种不同功能定位的智慧教室[5][6][7]。

2 存在的问题

智慧教室最显著的特点就是充分利用先进的信息技术，强调高度的交互性和人性化的设计，以此带动教学模式的变革与创新。目前智慧教室的建设虽然取得了一定成效，但也存在着一些不容忽视的问题：

①便捷性不足。相较于传统教室，智慧教室蕴含的功能更为丰富，但用户能否运用自如还是个问题。在实际应用当中，不同专业、年龄的师生的信息技术能力参差不齐，如果不能将智慧教室的诸多新功能进行充分的整合和优化，设计出便捷、友好的使用流程和操作界面，用户就难以理解和掌握，智慧教室的特色和优势也就无从发挥。

②融合度不高。智慧教室的整体解决方案涉及众多厂家的不同软件系统和硬件设备，如云教学平台、教务管理系统、自动录播系统、课堂交互系统、用户智能终端和自带设备等。不同平台、系统和终端各司其职，互相未能充分融合和有效对接的情况普遍存在，因而在备课、上课、教务管理、教学评价等环节，用户需经常在不同系统中反复切换，且数据获取不畅。

③稳定性不强。智慧教室许多新功能的背后，是市场检验尚不充分的新技术和新产品。大量新型设备、设施的调试是否充分，软件系统的整合和优化是否科学，信息安全管理与防范是否严密，技术保障和运维是否到位等问题，直接关系到智慧教室能否稳定运行——任一环节出现问题，都会破坏教学进程，影响教学效果。

④智慧性不够。内在的“智慧”如何充分体现，是智慧教室在发展进程中贯穿始终的问题。而就目前的情况来看，依托智慧教室及其所产生的教育大数据的相关教学研究不够深入，教学理念、模式与方法的更新还跟不上信息技术快速发展的步伐，相应的教学工具、数据分析和处理软件以及相关的技术标准也还较为缺乏，致使个性化学习、差异化教学难以高效实施。

借鉴国内外高校智慧教室的建设实践经验，针对智慧教室中存在的问题，本研究以华中师范大学为例，探析了高校智慧教室的建设理念和建设模式，并对其未来应用进行了展望。

二 高校智慧教室的建设理念

1 建设基础

华中师范大学（下文简称“学校”）将教育信息化列为学校发展战略，贯彻以教育信息化带动教育现代化的总体思路，依托教育大数据应用技术国家工程实验室和国家数字化学习工程技术研究中心，进行了“互联网+”背景下信息化和教育教学的双向深度融合，全面推行“以学生为中心，以学为主、问题导向、任务驱动”的研究型教学和学习方式。学校自行开发建设了云课堂平台，每位教师都在该平台上拥有个人网络教学空间。截止2017年9月，该平台已经完成了800余门必修课的数字化建设，引进了220余门境内外高校优质专业课和通识教育网络课。该平台推行讲授与研讨结合、线上与线下一体的混合式教学模式，2016-2017学年的混合课堂占比已超过20%。在此背景下，学校急需建设“以学生学习为中心”的智慧教室，以适应开展信息化环境下新型翻转式教学和研究型教学活动的需要，进一步带动教育理念、教育教学模式、课程形态、学生评价、教师发展等内在因素的变革，重构教学生态。

2 设计理念

在智慧教室的建设过程中，学校将国内外先进、成熟的教育信息化研究成果和信息技术手段与本校教学的实际需求相结合，从八个方面提出了智慧教室建设的设计理念——

①教学创新：以建构主义、情境认知理论等为指导，在教学过程方面，能够全面覆盖课前、课中、课后各环节；在教学模式方面，支持教学活动各相关主体之间的良好互动，并支持教学流程的重组与模式创新。

②资源丰富：提供多元化的数字资源，支持对不同学科资源的便捷利用，实现个性化推送和资源共享；提供丰富、智能的学科专用工具，增进学生对学科内容的深度认知加工。

③教研一体：为教学过程分析、教育监测评估和教育智能决策等提供数据支撑；提供平台和接口，便于教师开展相关的研究工作。

④虚实融合：在空间、资源、数据、教学活动等方面，物理课堂（智慧教室）与虚拟课堂（云课堂平台）融为一体，实现无缝对接。

⑤技术先进：根据人才培养需求，综合运用物联网、云计算、大数据、移动互联网、虚拟现实等先进技术手段，促进学生学习，提升教学效果。

⑥管理智能：实现教室布局管理、教学教务管理、数据与资源管理、设备管理、教学环境与安全管理、网络管理的智能化。

⑦类型多样：充分考虑不同学科、课程、课型的教学需求，设计类型多样的智慧教室。

⑧环境友好：在空间布局、装备放置、选材材质、色彩搭配等方面，力求美观舒适；在人机交互方面，力求简单、自然、友好，为学生提供高效的信息获取渠道，构建一个和谐、平等，能促进师生、生生交流的教学环境。

三 高校智慧教室“三位一体”的建设模式

遵循智慧教室建设的八个设计理念，华中师范大学利用24间传统教室，分两期开展了实验性建设，构建了“物理空间、资源空间、交互空间相互融合，多维度数据一体化采集与应用”三位一体的建设模式，力求打造一个信息技术与教育教学深度融合的示范中心。

1 物理空间建设

①多样化的空间环境：智慧教室基于学校现有的传统教室进行改造，其空间结构、南北朝向、面积各有不同。为满足各种正式、非正式教学要求和不同学科专业的学习需要，在整体设计充分体现科技化、信息化、人性化的原则下，智慧教室通过多样化的空间布局和灵活多变的桌椅组合，打造了通用型、学科专用型、研究型等多种类型，营造出简洁时尚、功能丰富、轻松友好的学习环境，其建设实景如图1所示。

图1 华中师范大学智慧教室的建设实景

②智能化的教学设施：根据教学和教研需求，智慧教室配备先进的教学设备设施，如具备强大电子白板功能的大尺寸多点触控液晶屏，不仅提供常见的绘图工具，而且针对任何文档教师都可进行批注讲解，实现了随处可写、随处可画；高性能的音视频矩阵能构建出清晰、流畅、舒适的视音频环境；一体化自动录播设备能智能识别教师行为和学生行为，根据预设的跟踪分析逻辑触发跟踪信号，自动进行场景切换，生成教学视频资源；人脸识别系统用于课堂点名、学生个体学习状态及行为分析；视觉分析系统则对课堂学习人数、课堂抬头率、教师移动和板书行为等进行识别，生成课堂行为数据分析报告并予以可视化呈现。

③基于物联网的环境管理：对教室环境进行实时监测，根据状态数据智能控制相应的设备，以改善教室环境，营造舒适的学习氛围。如通过自动控制空调、加湿器、除湿机、空气净化器、照明设备、窗帘等调节教室的温湿度和光照度，改善空气质量（如降低PM2.5、二氧化碳的含量）等。同时，配备控制面板及APP，根据不同教学场景的需求预设环境与教学设备的运行状态，进行组合联动控制，一键开启特定教学模式（如讲授模式、观影模式、小组讨论模式、自定义模式等）所需的设备，构建适宜的学习环境；远程集中监控所有教室，并提供教室环境和设备使用报告。

2 资源空间建设

①云端结合的教学平台：将智慧教室作为云课堂平台的物理端，与云课堂平台实现对接。教师在云课堂平台上不断建设、积累、更新课程相关的学习资源，并在课程空间中分享给学生，教师和学生在教室物理端也可方便地获取丰富的学科工具和教学资源，实现物理课堂与虚拟课堂的有机结合。智慧教室教学系统直接通过云课堂平台自动获取用户的基础信息、课程信息，并将行为记录等信息与之关联。用户可通过移动端APP应用，进行消息推送、视频点播、在线测试等。

②备课授课一体化：备课授课一体化系统能整合多种教学资源，提供常见课件设计模板，快速生成课件，以思维导图方式组织课堂教学活动。教师于课前通过备课系统完成的课件会自动导入云课堂平台，学生可随时随地获取相应的资源进行预习、上课、完成作业和测验等。

③基于课堂场景自动生成教学资源：课堂场景自动生成系统能够真实记录课堂场景，完整还原教师讲解、课件播放、学生听课、答疑、讨论等各个环节的教学情况。生成的高清音视频课件经教师审核后，可上传到云课堂平台，供学生在线查看、复习，实现教学资源的不断丰富和充分共享。该系统还提供实时对外直播功能，经授权的其他学习者可远程同步听课。

3 交互空间建设

①课堂教学智能交互：通过大尺寸多点触控液晶屏、专属平板和自带设备等，可灵活组织课堂形式，进行师生、生生之间的全方位互动，如学生终端控制、文件发送、随堂测试、手写板书、主客观题互动、图像互动、即时讨论、小组互动等。除直接操作触控液晶屏外，教师还可利用课堂助手，进行屏幕同步控制、课堂交互控制、课件展示控制和资源实时推送等。

②1+N形式互动：1+N形式是指“1间主课堂，N间辅课堂”。主课堂和辅课堂之间的教学内容、音视频流畅互动，可实现多课堂同上一节课或异地同上一节课，并可邀请课堂外专家通过互联网接入课堂。1+N形式互动提供了基于互联网思维的移动授课和师生互动的课堂形态，支持多形态的课堂教学，为以学生为中心的“翻转课堂”、“研讨课堂”提供了适宜的移动教学环境。

③云平台虚拟社区交互：在线上虚拟学习社区空间——云平台虚拟社区中，学生以课程班级为单位，查询课程信息和资源，通过发帖或即时聊天的方式与课程成员交流、互动，在线提交课内外作业并得到教师的及时批改与反馈。通过云平台虚拟社区，学生可以在学习过程中随时随地提出问题，教师和其他学生都可以有针对性地进行解答，从而产生良好的学习氛围，实现学习资源的合理配置和学生之间的思维碰撞[8]。

4 多维度数据一体化采集与应用

①系统整合与数据交换：为加强物理空间、资源空间、交互空间的一体化建设，构建面向个体和整体的教育教学全景视图，学校组织技术力量自行开展系统集成，开发数据接口，将已建成的云课堂平台、教务管理系统与新建智慧教室的录播系统、备授课系统、交互系统、电子班牌等进行无缝对接，以实现各种教学信息、学习资源、使用数据等在系统间的流转顺畅，如教务管理系统发布的排课信息、通知公告等实时推送至各教室电子班牌，录播系统生成的视频资源自动上传至云课堂平台的教师教学空间。在智慧教室的一体化架构下，用户的各种教学和学习需求得以“一站式”解决。

②数据采集、挖掘与学习分析：应用眼动仪、人脸识别、动作捕捉、视觉分析、物联网监测等新技术和新设备，对教师和学生在线上、线下多环境，课前、课中、课后全阶段的教与学行为数据，智慧教室环境监测数据，教学仪器设备运行使用数据进行伴随式、全景化自动采集，生成智慧教室教学运行的大数据，并进行用户画像和用户行为分析，为教学管理、教学指导、教育监测评估和智能决策等提供支持。如实时获取学生的学习状态信息，形成应对策略，适当调整教学内容和教学节奏；基于整体和个体的学习过程统计分析，梳理学生的知识结构，寻找学习盲点，设计个性化学习方案；对教学全流程数据进行深入挖掘，形成用户的个人数据中心，进行教学的智能诊断和资源的定向推送等。

四 高校智慧教室的应用展望

智慧教室的建设理念和建设模式并非一成不变，而是一个动态发展、不断完善的过程。信息技术的不断进步、智慧学习空间的连通和拓展、智慧学习环境下教学改革的不断深入，都将为智慧教室的应用与发展注入勃勃生机。

1 从技术应用到技术引领

智慧是智慧教室的生命力之所在，而推动智慧升华的是技术的发展、创新与融合。《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）》指出：“信息技术对教育发展具有革命性影响，必须予以高度重视。”[9]当前的智慧教室建设以需求为导向，是通过引入先进、适用的信息技术，来解决传统教室无法解决的问题。而当技术发展到一定阶段，就能引领教育教学改革创新。如人工智能在计算机视觉、智能语音技术、自然语言处理等方面的不断发展，将有助于进一步深入理解学生的学习特征和思维模式，判断学生的实时状态、感受和情绪变化，从而为教师有针对性地改变学习路径、调整学习进度、加强学习关怀提供参考。教育大数据的深度应用就是通过对学生学习背景和过程相关的各种数据测量、收集和分析，精细刻画学生特点、洞察学生学习风格和学习需求、引导学生学习过程、诊断学生学习结果，从而提供个性化的学习支持[10]。

2 从智慧教室到智慧学习空间

智慧教室作为信息化背景下“施教之室”的新的发展形式，强调的是教与学环境的“智慧”属性，而智慧学习空间有着更为丰富的内涵——学习空间的概念意味着学习并不局限于教室等传统的教学空间，而是可以发生在任意物理场所和各种网络空间，因此从“智慧教室”到“智慧学习空间”代表着课堂边界的逐渐模糊、学习资源的有效拓展、物理学习空间和虚拟学习空间的全面衔接[11]。在云端一体化的智慧学习空间架构下，智慧教室、智慧实验室、智慧图书馆等实体学习空间和MOOC平台、虚拟仿真实验平台、教学管理平台、网络学习社区等虚拟学习空间将融合打通，从而为教师教学和学生学习提供系统化的支持与服务。

3 从环境创新到教育教学全面改革

智慧教室是信息技术的载体，是教学环境的创新，但绝不是经费投入的竞赛和信息技术应用的比拼。能否卓有成效地使用、是否提升了学习效果和教学质量，才是衡量智慧教室建设成效的关键。随着应用的不断深入，智慧教室的价值将从影响教学模式、内容、方法的浅层变革，逐渐发展为影响理念、文化的深层变革，进而加速学校变革、推动教育系统重构。在可预见的将来，围绕智慧教室的建设和应用，强调主体性、个性化的深度学习，注重以人为本、开放多元、全面发展的教育理念将进一步得到彰显；随着数字化教学资源所占比例日趋扩大，逐步从教学内容的辅助部分变为主体，以信息化为支撑的探究式、讨论式、参与式教学和混合式学习等更适合智慧教室的新型教学方法也将进一步得到普及[12][13]。

[1]张亚珍,张宝辉,韩云霞.国内外智慧教室研究评论及展望[J].开放教育研究,2014,(1):81-91.

[2]黄荣怀,胡永斌,杨俊锋,等.智慧教室的概念及特征[J].开放教育研究,2012,(2):22-27.

[3]何克抗.智慧教室+课堂教学结构变革——实现教育信息化宏伟目标的根本途径[J].教育研究,2015,(11):76-81、90.

[4]教育部.教育部关于印发《教育信息化十年发展规划(2011-2020年)》的通知[OL].

[5]宋畅,刘月,陈悦,等.未来学习空间应用效果评价——以北京师范大学未来学习体验中心为例[J].开放教育研究,2015,(6):39-52.

[6]史宝虹.互联网+时代高校智慧教室架构设计与实现[J].华中师范大学学报(自然科学版),2017,(S1):91-95.

[7]阎坚,桂劲松.基于物联网技术的智慧教室设计与实现[J].中国电化教育,2016,(12):83-86.

[8]王鶄,杨倬.基于云课堂的混合式教学模式设计——以华师云课堂为例[J].中国电化教育,2017,(4):85-89、102.

[9]教育部.国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010-2020年)[OL].

[10]杨宗凯,杨浩,吴砥.论信息技术与当代教育的深度融合[J].教育研究,2014,(3):88-95.

[11]许亚锋,尹晗,张际平.学习空间:概念内涵、研究现状与实践进展[J].现代远程教育研究,2015,(3):82-94、112.

[12]胡永斌,黄荣怀.智慧学习环境的学习体验:定义、要素与量表开发[J].电化教育研究,2016,(12):67-73.

[13]胡小勇,朱龙.智慧学习环境中的创造力培养实证研究[J].中国电化教育,2017,(6):11-16.

The Construction Idea, Model and Implementation Prospect of Smart Classroom in Universities——Taking Central China Normal University as an Example

HE Zhan-kui1HUANG Tao2[Corresponding Author]

Under the background of implementing “Internet + education” strategy and deepening the educational and teaching reform, the construction of smart classrooms is an inevitable choice for universities to innovate teaching environment and improve the quality of talent cultivation. Therefore, this paper introduced the construction practice of smart classroom at home and abroad, and further summarized the existing problems. Based on this, taking the Central China Normal University as an example and following the eight design ideas of smart classroom construction, this paper put forward a triune construction model of smart classroom with “the mutual integration of physical space, resource space and interactive space, the integrated acquisition and application of multidimensional data”. In addition, the future application of smart classrrom was prospected from the perspectives of the deep application of technology, the reconstruction of learning space, the reform and innovation of teaching, expecting to provide reference for the construction and development of smart classroom in universities.

smart classroom; construction model; physical space; resource space; interactive space; multidimensional data

G40-057

A

1009—8097（2018）11—0054—07

10.3969/j.issn.1009-8097.2018.11.008

本文为全国高校实验室工作研究会学术研究计划项目“互联网+实验室管理流程再造研究与实践”（项目编号：SY2015Z038）的阶段性研究成果。

贺占魁，处长，五级职员，硕士，研究方向为高等教育管理，邮箱为hzk@mail.ccnu.edu.cn。

2018年3月30日

编辑：小米