基于教育大数据的高校智慧教学环境构建

余 泰， 李 莉， 赵 欣

（海军军医大学教保处，上海200433）

0 引 言

技术变革教育的时代已经来临，以信息化带动教育发展已上升为国家战略［1］。2018年4月，教育部印发《教育信息化2．0行动计划》，文中明确提出，要大力构建智慧学习支持环境，加快建设智能教室、智能实验室等智能学习空间，积极探索基于大数据等新技术的应用方式，推进信息技术和智能技术深度融入教育教学全过程［2］。目前，高校信息化已从单纯的数字化校园建设过渡到技术与校园的深度融合，高校信息化建设进入了一个新的阶段。通过探索教育大数据背景下，如何优化现有智慧教学环境，聚焦信息技术与教育教学实践深度融合，对高校驱动教学改革、融合管理服务、提升校园信息化统筹能力具有借鉴意义。

1 高校现有教学环境弊端

高校的教学环境涉及人、物、业务、管理，这些因素都是教学环境的构成部分，教学的有效开展既依赖于丰富的信息化硬件支持，也需要良好的师生关系、交互手段、文化氛围等软实力支持［3］。教育信息化步入2．0时代，在物联网、大数据、云计算等信息技术的推动下，高校内的学习场所不再局限在教室、教学楼，交互手段也在不再局限于面对面的实体空间内。伴随着信息技术的高速发展和数字原住民逐渐成为高校主力军，高校现有的教学环境已不能满足师生及管理者的实际需求。

（1）教室信息化配套设施落后。传统的多媒体教学环境侧重于支持回忆、理解和应用等低阶认知目标的培养和传输，无法有力支撑分析、评价和创造等高阶认知能力的培养［4］。高层次的创新学习和探究学习需要协同设计教学环境空间布局、学习者个性化差异、学习者和环境的互动、学习预警及教学督导等多方面支撑。目前高校大部分教室仍是传统的多媒体教室，配备投影机和台式电脑，将知识的传授从“人灌”机械地转换成“电灌”，并不能满足当前高校教育的需求。教室信息化配套设施落后，教学场所仅局限在教室内，没有线上交互及资源共享平台支撑新型教学模式。

（2）教室内教学设备零散复杂。高校当前正逐步推进智慧教室的建设，教学设备数量的增加，学习效率反而降低，新兴技术和配套设备进课堂不利于课堂教学的良性进行，教师需要重新学习操作以适应新技术的应用，学生在学习中不能集中注意力，形成了新的教学技术负担。在智慧教室中教学容易陷入“以技术为主导，忽略教学本位”的误区。教室仅仅将各种新技术、多种设备直接堆砌在一起，没有智能的管控体系和配套的信息化素养培训，不仅增加了师生教、学负担，同时也忽略了课堂教学是一个环境、技术、交互和管理的有机整体［5］。

（3）新增的软件平台各自孤立。高校传统教学平台仍局限于资源型课程平台，主要应用于提供素材、习题及相关辅助教学资源，教学内容表现形式单一，自主学习资源和双向互动模式欠缺，无法为学生个性化学习诊断、学习决策、精准推送和多元评估等学习服务提供科学依据。目前高校初步已架构完成了教学、教务、管理等多业务流程的信息化平台，基本是按照业务条线纵向建设，各个系统的管理功能不同，对于数据的来源和用途也缺乏规划，难以集中进行关联、融合的分析应用，数据分散冗余、互为孤岛的问题未得到根本解决，无法为校园的教育、教学创新和管理提供客观的数据分析支持。

2 重构高校智慧教学环境

高校信息化的目标是促进学校教学内容、教学手段和方法现代化，关注学生间的个体差异，支撑信息化课程改革，促进高等教育质量全面提高。目前，针对智慧环境下教学效果究竟如何的研究较少，当前的研究主要关注于两个领域：①研究分析环境中的交互行为，主要分析在智慧教学环境中，教学在行为产生或在行为交互方面有何独特的表现；②研究分析新技术的教学功用，主要验证在提升教学效果方面，新技术引入应用的有效性以及教学评价的方法和评价结果对教学实际的真实作用［6］。智慧教学环境的重构应以促进信息技术与教育教学深度有效融合、提高学与教的效果为目的，以物联网、云计算、大数据分析等新技术为核心，构建规范、安全、可靠的校园网络环境，实现空间舒适自洽、资源互联互通、信息交换共享及大数据精准分析，为学员、教员、管理者和不同用户提供多样、精准、智能的教学环境支撑。

（1）重构智慧教学楼宇，打造“无界”空间。教学环境从空间上分为物理空间和虚拟空间，对于物理空间，目前关注的是独立的教室改造，并未更多地关注各个教室的联动性和公共空间的改造；对于虚拟空间，目前平台更多关注于资源的累积和线上交流，未关注如何利用线上平台支撑课堂教学交互和课堂教学数据采集分析。因此，重构智慧教学楼宇，在网络基础互联互通、系统全面整合应用的基础上，重新整体规划智慧教室及公共空间改造，实现空间与技术的深度融合，连通校园内外，教室内外，线上线下空间，支持弹性教学模式的开展，突破传统学习空间的界限。

首先是根据教学需求，合理规划智慧教室功能及场域分布。“人”不仅是学习活动的中心，更是教室环境设计的中心。智慧教室的功能多样，具备课堂讨论、翻转课堂、教学提升、移动学习、智能控制、统一管理与节约能耗等多功能，适用于多屏互动、跨校互动、精品录播、创新研讨等多种教室类型［7］。教学楼整体改造应进行整体规划和设计，避免传统多媒体教室和单独智慧教室信息孤岛式建设。每一间教室都应是智慧楼宇的一个数据采集点，通过物联网及数据分析中心开展数据交换。其次是进一步扩展学习场域，对公共区域如走廊，室外绿化等进行规划与延展。在教育信息化2．0的时代背景下，教室内的教学并不能满足学生的需求，发生在任何时间、任何场所、利用任何设备所开展的教学活动都可以称之为课堂教学，通过改造教学楼绿化地带、公共走廊、可涂写墙面、学生创新研讨室等多种学习场所，进一步连通教室内外、学校内外和课堂与其他空间互通，让课堂成为立体多元的学习场所。最后是基于物联网，实现智慧楼宇内所有设备的智能管控和数据智能采集。对于智慧楼宇，不再是冷冰冰的混凝土和墙壁，而是可以“感知和控制”的智慧体。智慧楼宇通过物联网，支持对传统多媒体教学设备（如：电脑、投影机、投影幕、功放等）及在新型教学理念支撑下所出现的新型教学设备，如：触摸一体机、录播系统等设备进行自动化、智能化的控制。智能中控系统不仅能实现本地教学设备和教学环境控制，而且支持远程集中控制、远程监测、智能化运维，最大程度上降低了教室内多种设备的维护负担。

（2）搭建智慧教学平台，链接“无界”沟通。一站式的智能教学平台旨在通过构建泛在、高效、移动、安全的平台，推动信息技术与教学的深度融合，打造集教、学、考、管、评和支持服务为一体的全周期综合教学平台。通过创建教师、学生和管理空间，灵活支持混合式教学和翻转课堂等新型教学模式开展；通过对学习者的特征分析，建立学习者模型，实现学习预警、检测、评价、补救等功能，帮助学习者实现个性化、智能化学习；通过教学资源灵活组织和智能推送，满足教师多种教学模式的开展与应用，实现教学过程可监控可调整，并对不同教学模式下学生学习兴趣、参与性、学习能力与学习成绩的大数据分析，评价教学结果，优化教学策略；通过线上线下学习资料推送、学习任务预告、课前课后评估，实现教学数据信息可视化，PC端、APP、教室内屏幕等多渠道多终端无缝连接，打通线上线下、学校内外教学分隔。实现“线上”和“线下”三大融合（见图1），硬件设施与软件系统融合——打造教学资源制作、展示、共享一条龙服务中心；线上和线下教学融合——打造师生多元互动的学习共同体；理论和实操教学融合——打造突破时空限制的无边界课堂，全面激发课堂教学的结构性变革，真正实现教与学的闭环，为学校教学资源整合、教学模式改革、教学方法创新提供稳固的教学平台支撑。

图1 线上线下相融合的智慧教学架构图

（3）部署智慧督导平台，实现“无界”评教。教学质量是高校生存和发展的永恒主题。为了保证和提高教学质量，加快教学改革创新，高校均建立了教学督导机制［8］。目前，大部分高校的教学督导方式仍停留在线下督导，督导专家随机到教室听课，填写纸质课程督导表格，教学督导部门手工进行汇总，评价局限于课程计划或者教学结果与预定目标相对照的过程，只关注课堂上教员知识讲解的重点是否突出，难点如何突破，知识与技能是否掌握与形成，教学任务是否完成，评价较为片面，信息化手段欠缺。基于“智慧教学楼宇”的督导系统，建立线上（网络平台）＋线下（智能终端）的教学督导模式，综合专家督导、学员评教、院系自评等方面对教师进行综合评价打分。①基于课堂录播系统建设在线督导平台，为分管领导、督导专家、教学管理人员提供实时访问及回顾课堂情况并提交督导意见；②重新设计学生评教打分标准，定制基于移动智能终端的评教系统，使得学生可在任何时间段、空间地点评价教师授课情况；③建设可自动存储、处理督导评教结果，进行大数据分析并与教师专业发展等系统连通的后台系统，进一步提升教学督导工作效率，为提高课堂教学质量提供科学指导［9］。

（4）打造大数据分析平台，辅助多用户“无界”决策。智能大数据管理平台在技术上实现了数据采集、数据预处理、大数据存储和管理等功能，教学大数据以全流程多维度的方式，贯穿课前课中课后，融合线上线下、打通课内课外，以教学数据为总线，服务于教学评估。智慧大数据管理平台主要从数据采集与整合、数据分析与解释、数据应用与预警3个方面开展整体治理（见图2），并提供标准的对外数据读取接口和图形化的数据管理运维。①数据采集与整合［10］。高校可以在实体空间内以大屏展示、图形化采集教学平台数据源、教学环境数据源、教学督导数据源以及业务系统数据源等不同类别数据，提供强大的实时和离线计算能力的大数据综合分析结果。②数据分析与解释。通过数据清洗、深度的机器学习，有效的剔除冗余数据，优化数据结构，实现高效的统计分析功能，以及开展智能的数据挖掘与数据融合。③数据应用与预警。大数据分析平台可以通过对教育数据的分析，挖掘出教学、学习、评估等符合学生实际与教学实际的情况，如画像精准化分析、个性化学习推送、知识图谱智能生成、定制教学数据报告、领导驾驶舱数据实时呈现等功能。可以应用在教学评价、质量诊断、教学监控、教学预警、决策支持、用户档案、用户画像以及智能推送等方面，为高校管理、服务、教学和科研等方向提供深度的大数据综合分析结果，从而为高校用户构建海量数据深度分析基础，挖掘数据潜在的核心价值，辅助决策［11］。

图2 智慧教学环境中教育大数据治理体系图

3 高校智慧教学环境优化成效

高校对现有智慧教学环境的优化，以数字化校园建设为基础，以服务师生为导向、统一云平台为基础、未来课堂为核心、智能数据分析为支撑，力求构建一个规范、安全、可靠的智慧校园环境［12］。目前，我校智慧教学环境优化与升级已开展一期建设，逐步实现学生自主学习、全面成长，教师能潜心教学、专注研究，让管理人员能惬意地办公、精准地决策，在一期建设中，基于智慧教学楼建设为学生提供舒适智能的学习环境；基于智慧教学平台的搭建为教师提供移动智能的教学环境；基于全校教育大数据的收集和分析为全校师生和管理者提供科学智能的决策支持，通过分步分期建设，实现高校内外人员、物理、业务、流程的深度智能融合，打造一个服务智能高效、管理科学精细、资源丰富优质、文化底蕴深厚的智慧校园［13］。

结 语

智慧教学环境是数字教学环境的进一步发展和提升，是信息技术与教育教学的深度融合，是教育信息化的更高级形态。《国家教育事业发展“十三五”规划》指出，要“利用大数据技术开展对教育教学活动和学生行为的收集、分析和反馈，为推动个性化学习和针对性教学提供支持”［14］，教育大数据作为信息化的基石日益为高校所重视。基于教育大数据优化高校智慧教学环境的过程中，高校应立足院校实际，结合高校特色做好顶层设计与统筹推进，在不断优化和修正的过程中促使教师教学走向智能化、学生学习趋向自主化、学习环境逐步多元化、管理决策日益科学化，逐步推进教育信息化2．0时代背景下的教学变革［1］。

·名人名言·

学习的最大动力，是对学习材料的兴趣。

——布卢姆