高等院校智慧教室建设的研究

林德力张贤金童碧青

（1.闽江师范高等专科学校现代教育技术中心，福建 福州 350108；2.福建教育学院，福建 福州 350025；3.福建商学院外国语学院，福建 福州 350012）

教室的历史可以一直追溯到古代苏美尔人的“泥版书屋”和我国夏商周时期的“庠”“序”“学”“校”。［1］现代意义上的教室则是在16世纪末班级授课制出现以后产生的。［2］我国国民教育领域教育信息化的实施始于20世纪的80年代中期，其主要是以电视机、电子计算机等多媒体设备、信息化技术和现代教育理念的应用为主要代表。教育界的从业者和学习者对教育信息化从认知、使用再到离不开的这个过程经过了近40年的普及性建设、认识与发展。教育信息化第一阶段是计算机和多媒体设备的推广应用。目前我国各个教育阶段的学校几乎所有教学空间都拥有展示教学内容的多媒体设备，这些设备基本替代了改革开放之前的“黑板+粉笔”教学时代。第二阶段是教学空间教学设备的互联互通与网络化应用、管理。教学空间的教学设备接入校园网组成一个相对安全的局域网并能便捷地访问互联网，在技术通达情况下，实现了教学信息网络化的互联、互通和教学资源的云端化存储，使得获取的便捷性大大增强、成本急剧降低。在一定程度上解决了教学人员对教学资源获得、组织的便捷性的要求，实现一定程度的网络组织教学活动；学习者一定程度上可以便捷性的获得网络课程资源进行个性化学习。除了实现师生面对面的交流外，教学人员和学习者、学习者相互之间可以借助各类交流平台、网络沟通工具在网络上进行实时或非实时的交流互动，拓展了教学活动的三维维度，既角色维度、空间维度与时间维度。但是这些教学方式的改革依然难以对教学上填鸭式教学产生颠覆性影响。

一、传统的信息化教育面临的挑战

生活在21世纪这个以信息、大数据、智能化为重要经济支点的新时代，据相关报道，我国各大高校2018年已经迎来大批“00后”大学生。笔者认为他们具有以下特征：（1）依赖于通过网络技术获取信息，开展基于信息技术的社交和学习；（2）注重信息表象所获得或具备的感知信息，特别是图像与视频的刺激性及操作性技能的简易性；（3）高速激发相近的概念，在分散注意力情况下具备同时处理获知信息能力；（4）对课程质量要求更高，学习高度个性化，碎片化，常常伴有非线性的阅读特征。

在信息化时代，如何吸引新一代学习者完成成建制、成体系、更高效的学习，成为全世界教育工作者的探索焦点。世界各国都在探索如何建设符合新一代学习者学习行为习惯的教学空间，将其建设成为一个开放的学习平台。澳大利亚联邦政府提出的《21世纪学习空间设计》指出，21世纪的学习空间不但是有形的，同时也应该是虚拟的。［1］其本意是指出21世纪学习空间理念是结合传统概念的“学习者为中心”、激发学习者学习动机和培养创新能力的学习平台。以互动交流的方式，促进学习者学习活动，包括小组合作学习，学习者之间交流、沟通、协作支持多种学习模式。为学习者提供包含有形的和虚拟的普适性的学习环境，同时能够灵活地满足学习者对有形的和虚拟的学习空间多样化、个性化的学习需求。

在巨大的需求面前，我们不仅要思考高等院校的课程设置、课程教材是否获得及时的更新。同样我们也应该研究、思考、设计课堂的教学方式、管理方式的改革。在新兴技术的引领下，万物互联、云计算、大数据、深度学习和人工智能技术将ICT（即信息、通信、技术）与教学空间深度融合，使得新的教学空间的建设成为可能。智慧教室作为融合了大量新型的信息技术、储备大量的数字学习资源、支撑现代化教学手段的平台，寄托着人们对新型的教育模式的希望，给人们对教育、学习的更高需求带来新的可能。同时，也给面临巨大挑战的教育行业也带来了新的发展、改革的机遇。

二、智慧教室的概念与设计理念

放眼世界，经济发达的国家和地区对智慧教室研究领先于大部分的发展中国家，这种现象的出现和国民的受教育水平和经济发展模式的需求分不开。1988年，罗纳德·雷西尼奥提出的“Smart－Class-room”（Rescigno，R.C，1988）［3］是研究智慧教室的鼻祖。经过十几年的技术积累与实践探索，在进入21世纪的前10年，信息技术的迅猛发展，新材料的不断发掘，材料加工工艺的不断创新，为研究者的研究打开新的视角。目前智慧教室的设计模型的共同点是基于互联网的信息化、数字化教学的平台系统，以现代教育技术发展最新成果、理念为基础，结合现代建筑学的空间设计理念和承前续后的教育学理论（主要表现为脑科学、人体工程学、学习分析学的前沿理论），强调教与学的交互性和人性化的设计，注重于以学习者为中心的深入实践理念。但是各国在智慧教室具体建设时其实现的功能却各有不同。例如：澳大利亚墨尔本的RMIT大学“斯旺斯顿教学楼”等改造大学学习空间项目（RULS），注重的是对主动学习、协作学习和同伴教学的支持。我国台湾省网奕资讯科技集团开发的七代智慧教室中，以Haboard醍摩豆（TEAM Model）智慧教室最为智能，其结合AI人工智能与多元教学型态于一体，具备基于HiTeach Premium智慧教学系统（电脑端）、HiTA智慧助教（教学者手机端）、学生端的HiLearning电子书包学习系统、HiLearning Mobile移动学习系统和AClass ONE智慧学伴，在clouDAS云端诊断分析服务，生成对学生学习的“个人诊断分析”报告，有助于家长了解孩子的学习评鉴和教师做个性化辅导。［4］匈牙利的赛格德大学的未来课堂项目提出未来教室应具有家庭氛围、良好学习环境和最新多媒体学与教工具等特征。［5］新加坡国立教育学院的智慧教室则是：远程接入、实时互动，5D技术，将教学、实验活动、环境与学习内容融为一体化。

笔者认为，在高等院校的教学空间环境里，智慧教室应该按照学科和学习知识场景进行分类，细化到学科的各个具体内容。根据人类的脑科学揭示的认知规律、人体工程学理论、学习分析学的前沿理论，将信息融入教学，能够根据需求创设、模拟各种学习环境、探究环境（包括组织各种专业实验）和特定需求的前线链接，进行数字化学习。不仅满足教育者对多元教学策略的认识和应用，而且能够对教学进行科学的评量、诊断。满足对于教学互动、讨论、探究等的信息化、便利性、历史性、互助性。使学习者具备良好的沟通表达能力和信息技术的应用能力，提升学习者逻辑思维的构建能力。同时，构建学习者发掘问题和解决问题的能力、创意思考的能力等。这无疑要求高校建设的智慧教室不仅仅是各种高新科技软、硬件设备的高度集成，从而铸就的各种教学资源的无缝链接，为各种的教学设计提供技术支持，实现基于智能化的以视听设备为基础的人性化教育，实现无所不在的整体或碎片化学习。基于5G通讯、WiFi感知与物联网等技术高度融合，将远程督导和控制、人员考勤、资产无线感知与在线管理、环境智能管控等与教学系统融合于一体，而且还需要对各项活动过程进行项目的和资源的量化、优化；建立相关模型和智能分析的教学空间。这势必也是学校建设“智慧校园”的有效、重要的组成部分。

三、基于智慧校园的智慧教室系统模型

21世纪现阶段的高校智慧校园技术模型（University smart campus technology model）一般具有以下五个特征：（1）环境全面智能感知；（2）网络无缝互通；（3）海量数据支撑；（4）开放式学习环境；（5）师生个性服务。［6］基于此，对智慧校园重要组成部分——智慧教室，它的定位和设计思路决定了此系统模型应该具备四大体系，既包括数据与硬件标准体系、系统与网络安全体系、云平台数据监控体系和教育云服务体系；［7］同时，此系统模型应该拥有五个应用系统，包括智能管理决策系统、智能教学与评价系统、移动学习系统、数字化实验模拟系统、教育资源库等五大在线服务系统。

（一）智慧教室四大体系

1.数据与硬件标准体系

在数据与硬件标准体系方面，建设智慧校园的与数字化校园具有共同之处，首先需要考虑建立一个统一的数据与硬件标准体系。这个标准必须以国家相关标准为基础，优化或填补相关标准。其标准体系包含：数据的标准与逻辑建设、信息编码架构与数据交换、软件开发与系统集成、硬件运行环境。

在数据的标准与逻辑建设方面，当前高校各系统之间普遍存在的问题有三个方面：（1）系统采集数据标准不一致，字段内涵不清晰；（2）数据逻辑关系不明确或者并无实质逻辑意义；（3）采集得到的数据共享困难。

数据的标准与逻辑建设的根本意义在于其是对学校业务部门职能与业务流程的一次彻底的梳理，是建立规范化操作系统的一次制度化建设。梳理信息需求，建立一套满足学校规范化运行的业务模型、制度模型、功能模型、数据模型和信息制度标准，是建设智慧校园数据中心首先考虑的问题，也是智慧教室建设必须遵守的数据与硬件标准。通过数据与硬件标准体系建设，建立起基于业务需求、来源可靠、来源权威、信息全面、内容丰富、具备实时性、数据与硬件结构稳定、管理规范的共享型数据资源中心库，实现数据资源在全局各业务需求系统间的高效共享与有序流动，实现学校业务系统数据的有序管理和可靠应用。

在信息编码与数据交换建设方面，采用国际和国内信息化标准体系建设，有利于智慧教室信息化建设的开展。

在软件开发与系统集成建设方面利用综合布线技术、通信技术、多媒体应用技术、物联网技术、网络安全技术等将相关设备、软件进行集成设计、安装调试、界面定制开发和应用支持。其可分为智能建筑系统集成、计算机网络系统集成、安防系统集成。［6］在硬件环境建设方面，参照《福建省中小学智慧校园建设标准》，在信息基础设施方面要求学校有光纤接入互联网或教育城域网，班均出口带宽达到10M以上。网络服务全覆盖，千兆以上带宽到楼宇，千兆带宽到桌面，拥有功能完备的网络运维管理平台。无线网络能支持移动学习、移动办公等应用。建有基于校园网络的智能广播系统、校园电视台和视频会议系统。按照不低于GB50174-2008的标准建设数据机房、安防控制机房；所有教学空间配备交互式教学设备，满足教学过程中对于探究式学习所需的现场互动教学功能，且具备智能型物联网+控制系统。［8］

2.系统与网络安全体系

在系统与网络安全体系方面，笔者认为智慧教室应该基于智慧校园安全体系。保证在应用系统层面具备不同的管理权限，适时结合区块链技术，在现有条件下确保系统与网路最大程度的安全。

3.云平台数据监控体系

在云平台数据监控体系方面，应该包括硬件监测体系与应用监测体系。其中硬件监测体系包含处理器综合资源、网卡流量和内存的相关资源利用率等信息，并且将这些信息通过图表式仪表盘直观的呈现于监测人员，以便监测人员能够实时知晓相关节点运行状态。而应用监测体系应该是以用户使用数据的积累与分析为基础的。通过不断地收集用户的用户数统计、功能模块访问统计、访问量数据统计以及由此产生的用户在线时间统计、流量统计、用户使用习惯分析的基础上，建立硬件与相关系统应用监控体系的逻辑关系与优化策略，实现RDS全链路监控，能够从网络（交换机）、操作系统、LVS、中间层、数据库整个链路收集到完整的数据信息，通过流计算平台聚合、对比来看到异常，优先于用户发现异常的变化趋势，在更短的时间内做出响应。云平台数据监控体系的应用最终将服务于弹性计算服务，实现更加自动化、智能化。

4.教育云服务体系

在智慧教室的教育云服务体系应该是基于智慧校园构建的教育云服务体系。其核心是教育资源共享，包括基础设施的共享与数字资源的共享。智慧教室的教育云服务体系包括基础设施支撑平台、业务功能服务平台。

（二）智慧教室的五个应用系统

1.智能管理决策系统

在智能管理决策系统方面，智慧教室里配置的智能中央控制系统可实现智慧教室的统一远程动态监控、管理和部分职能决策（见图1、图2）。

图1 智慧教室智能管理系统

图2 智慧教室物联网中控系统设计图

以先进的物联网技术为基础，通过电源集中管理控制器配备RS232控制接口，上联智慧教室工作站，通过网络中央控制器操控，对各设备的开关时长设定后，实现前端到后端的逐序启动/关闭电源，并加入人性化设计思路，网络中央控制器需要获得具有STANDBY功能设备的回传状态确认后执行按编程次序。

通过网络中央控制器系统将多媒体教学设备中的计算机（或云桌面终端）、投影仪、触控一体机、拓展显示设备（如幕布、LED显示墙等）联动。控制输入信号源设备（如计算机、触控一体机等）开关及相关运行状态记录，生成使用日志。当监测到信号源设备被打开时拓展显示设备发生联动效应；当监测到信号源设备关闭时，拓展显示设备自动归位初始状态（如投影幕布有效行程内实现自动控制收起幅度），且对拓展显示设备进行延时供电，达到充分散热目的。

通过RS232、RS485等通讯协议将功放、麦克风、音箱等影音设备统一控制，通过中央控制器集中操作管理，方便的根据课堂需要对扩音系统调节，达到最佳的教学使用效果。

通过基于IEEE802.15.4标准的Zigbee技术实现与教学空间中各类智能传感器和智能控制器的互联互通，例如在室内光源与窗帘控制方面。我国《建筑照明设计标准》规定实验室光照度的标准值是300 lx。基于用户策略（既窗帘与室内光源的配合，与拓展显示设备的联动），根据室内光照度的监测值，自动调节窗帘与室内光源的开闭、光源强弱，达到最好的照明效果，避免强光对拓展显示设备（例如投影仪、LED显示屏）的干扰，保证显示的最佳效果。实现对教室内温度、湿度、空气质量等实时监测方面，基于大数据智能决策的策略体系，对教学空间内的空气调节系统设备进行控制，自动调节室内各种理化指标，降低室内环境因素对课堂授课效果的影响。将烟雾传感器集成到中央控制系统中，有烟雾报警，直接通知相关责任方，及时、快速解除险情。

门禁管理方面，对接教务平台、一卡通管理平台，通过刷卡、手机扫描二维码等形式进入教学空间。管理人员都可以及时掌握人开锁、上锁、反锁等情况。支持消防联控，支持门状态监控；支持一键求助，支持一键逃生，有火警或地震时，值班人员可以通过一键开启全部教学空间门，可以不用从门禁控制器控制；支持语音提醒，通过语音模块，提醒区定时、任务到时等。

通过增加电能检测模块，实时掌握每间教室的用电情况，同时将数据传输至中心控制平台，实现智能电能感知。利用智能感知摄像头、WiFi感知模块智能实时感知人员数据、人员定位等功能，统计显示各院系教学时间内各个教师和学生课堂的出勤率情况，生成课堂出勤统计表。实现对课堂考勤管理。并可以通过不同地点布设的智能感知摄像机，主动获取定位人员定位芯片在不同时间点的位置信息，上传至服务器，通过计算生成基于位置的数据分析包括区域监控和停留时间统计。同时可实时或回放人员活动轨迹，可根据需要，按时间或按地点区域选取数据片段记录。

2.智能教学与评价系统

在智能教学与评价系统方面，具备有备课系统、学习行为分析系统、互动教学系统与课堂信息采集系统。

（1）备课系统

作为智慧教学的支持体系，备课系统应该尽量简化建课的技术环节；降低课程编辑门槛，基本满足一线各类教学人员的信息化基本技能水准，既只需要懂得计算机基础技能或进行简单的培训即可进行课程建设；平台对于原位编辑的支持度应该较为完善，既采用B/S架构，在网页界面即可实现对课程材料的原位编辑，屏除以往各类平台需要进入后台进行复杂的操作功能。实现操作上的所见即所得的功能。

教学主导者通过教学资源管理平台的备课系统选择与课程相关的人员共建课程。教学人员在线进行学前调查，在此基础上编制符合学情的课程教学大纲，创建教学计划，合理设置课程的考核机制、课程内容呈现等；具备创建课程相关的学生在线视、听、说；线上提问、互动讨论、线上作业提交作业、在线考试、成绩审核、获得相应学分等。系统具备添加助教功能。可以选择合适的人选来担当本门课程的助教，协助教学主导者进行与课程相关的教学活动。

教学团队可依据团队掌握的课程的资料的丰度及喜好风格进行个性化设置。可以对与之相关的具有管理权限的课程资源进行管理，建立文件的层级目录，可以根据课程内容添加与之相关的音频、视频、字幕、图片、文档、网页、作业等资料；支持批量导入和分布式提交，支持除本地资源外的其他资源的添加，比如云盘资源、数字图书馆、名师视频、互联网资源、期刊论文等。支持师生提供资源的各种检索、分享、查看、下载功能。教学团队能够在教学视频中增添与课程教学知识相关的各种测验，学习者在正确回答相关测验后才可进行后续视频内容的学习。

教学人员可以通过平台直接布置线上作业和线下作业，并通过平台对作业进行批改。学习者通过移动终端、PC端等入网硬件平台在线接收和完成作业，关注通过作业的完成质量所反馈的情况，随时纠正错误，完成学习的自我完善过程。实现通过借助网络技术完成从作业的发布、接收、批阅和学生完成自我完善知识结构的全部流程。

教学人员通过系统自带题库进行包括客观题、主观题等试题编辑工作，并对试题进行分值分配（包括类别、难度系数、适用层级），完成个性需求的组卷操作。发起课前、课中和课后测验，掌握学情。系统能根据试题的使用频率和学生完成率、正确率进行自适应的调整难度系数，力求难度系数符合真实情况，提高参考价值。

平台为教学人员和学习者提供在线交流的功能。教学人员可以梳理教学过程中的疑难点，并不断的整理汇总该课程开设以来校内外出现的精华内容对此进行置顶。学习者可以通过课程资源库进行自助学习。在此基础上，师生进行必要的讨论、答疑，增强师生的互动，加深学习者对知识的理解。提高讨论的效率和单位时间内承载的信息量，也为后续学习者提供学习疑问解答的借鉴渠道的有力保障。

（2）学习行为分析系统

学习行为分析系统支持学生在线云阅读，阅读来源于与课程相关的知识链接。学生可进行订阅查看涵盖包括教育、科技、财经、文史、人文、体育、娱乐、军事、外文咨讯等领域的资料。学生在线阅读的过程中，可以对重要的内容进行个性化标记、摘抄、分享、书写感悟等操作，所有的操作均记录在自己的学习空间中，方便查询，也可以生成学习大数据，有利于学习有效性分析与研究。具备同学间的阅读记录共享功能，了解他人在解决问题时阅读的参看资料、标注的重点信息、摘抄了哪些相关内容等，形成学习轨迹的大数据数据链。

对于课程教师来说，可以详细的统计出本门课程的所有相关数据，包括总访问数、课程所包含的任务点数及其任务完成率与完成质量体系，对应班级下的学生总数、讨论数、成绩管理、章节测验、考试等，方便教师对整个课程有一个详尽的了解与评价。

统计元素的多样，帮助教师进行课程优化，查看各种类型的课程元素的访问情况，协助教师提高教学效率。

（3）互动教学系统

培养创新型人才的一个有效途径就是要注重学习者自学能力、创新能力、发现问题、综合分析和解决问题能力。以学习者为中心、教学人员为引导的互动教学模式具备培养创新型人才要求基因。互动教学系统是互动教学模式的基础，它实现了将备课系统平台小组与智慧课堂的无缝对接。互动教学系统通过无线局域网通讯技术实现智慧课堂教学空间屏幕的无线广播、师生多屏互动（带分屏功能）、小组讨论等。多屏互动模块与师生身份认证系统无缝对接，教学人员可以在课堂上灵活的对学习者和小组讨论的互动权限进行管理。学习者可以在听讲的同时在本地做笔记。选择指定学习者，可以将其屏幕投射到大屏上，同时学习者所有的操作会实时显示在大屏上。在小组式讨论时，通过无线投屏技术可将笔记本、平板内容投射到大屏上进行成果汇报等。

教学人员在讲课的过程中，可将在学习平台中建设课程的时候已经在题库中创建好的或者在课堂中即时创建一个新问题，推送给学习者在课程随机问答。可以根据课堂情况随时终止或者增加时间。在PC、手持无线终端查看学习者答题结果及答题情况分析，可根据数据分析进行有针对性的讲解。形成大数据，辅助教学人员有针对性的教学与学习者针对性学习。

互动教学系统实现学习者参与课堂教学抢答，每一次抢答都可以累积相应积分。教学人员可以看到所有学习者的抢答情况，并可按制定规则选择学习者回答问题。针对课堂的任意活动，教学人员可以向学习者发起投票和随机选人，实时呈现投票结果。随机选人时屏幕上快速滚动学习者的头像信息，最终定格在某一位学习者来回答，也可以继续选人，直到选择到合适的学习者为止。活跃课堂气氛，提高学习者的参与度。

（4）课堂信息采集系统

录播系统、标准化考场系统录制的视频对接智慧教室系统，避免重复建设。通过与学习平台的对接，教学人员可以方便的调取、编辑，将其成为课程建设的资料、素材进入备课系统，便于课程历史资料的积累。学习者可以查阅教学人员编辑后分享的课程相关资料、素材。

可以完整的将课堂各项活动（如共享屏幕、抢答、学习者展示等）完整采集、分类归纳，形成时间轴样式的统计报表，对课堂的教学情况实时呈现。进行有效的大数据分析，最终这些数据可以进入学习平台。一方面教学人员通过系统的分析培训，有能力进行数据的有效性分析，根据分析结果进行有针对性的授课；另一方面，通过数据分析可以一定程度上支持各职能层面对教学的过程性评价提供数据依据，形成一套课堂质量报告，方便学校绩效管理。

3.移动学习系统

移动学习系统其根植于校园APP应用系统，是校园APP应用系统不可分割的重要组成部分。移动学习系统依托学校内部部署协同通讯服务器可以在教学空间中进行远程视频互动，也可以通过个人移动设备随时随地加入教室内的视频互动活动。

4.数字化实验模拟系统

数字化实验系统是教学的有力补充，信息技术的发展，让数字化实验系统有了长足的发展。虚拟仿真系统作为数字化实验系统的一种表现是以虚拟仿真的方式呈现给学习者一个实时反映实体对象变化与相互作用的二维、三维虚拟世界。其中，随着VR、AR和MR技术的发展，通过影像呈现技术、数据手套等辅助传感设备，提供用户一个观测与该虚拟世界交互的三维界面，使用户可直接参与并探索仿真对象在所处环境中的作用与变化，产生沉浸感。智慧教室的中引入数字化实验模拟系统应用，无疑将塑造一种直观的场景体验，大大降低学习者对抽象理论的自我建模难度，促进学习者对抽象思维的理解。

5.教育资源库

教育资源库是智慧教室的一个重要组成部分。通过与教育区域云学习中心（因笔者所在福州市具备福州市教育区域云学习中心）、校内图书馆数字资源库、校内在线课程平台、试题库、同步视频课堂库等对接，实现教育资源的共享。教学资源具备智能管理、智能检索和智能汇聚。支持资源的访问、下载的权限设置和引用设置，在保证知识产权保护的情况下，确保优质资源的共享。

四、关于智慧教室桌椅设置

随着高等院校教学改革的不断深入，倡导课堂分组式教学将更加普遍。为适应课堂教学和教室多功能化的需求，对于智慧教室桌椅提出如下要求：

（1）桌椅整体占地面积不应过大，实现桌椅放置后能够适应教室的空间和容量的总体平衡，不影响行人通行；

（2）桌椅操作简单，材质轻便或安装滚轮，具有普适性，能够适应各类场景的需求；

（3）桌椅高度符合人体工程学，减缓长时间坐着带来的疲劳感；

（4）桌椅的形态应该能够满足智慧教室作为标准化考场的刚性需求；

（5）桌子应该具备随备的充电装置，满足具备标准的供电接口，方便满足在教学过程中移动终端的充电需求。

（6）材料采用符合国家环保检测报告的材质。

五、总结

作为全日制国民教育的的最后一个环节，高等院校应注重培养具备批判性思考与问题解决能力、有效沟通能力、团队合作能力、创新能力和信息技术运用能力的创新人才。智慧教室的建设与创新人才的培养息息相关。智慧教室的4大体系和5个应用系统满足在信息时代教学人员、学习者对教学与学习的便利性、易得性和师生的交互立体多样的需求，也为教育大数据提供学习分析所需的数据。运用合理的智慧型学习评价体系，完成对社会输出“知-行-创”合格人才的培养。