智慧教室建设面临的问题及其对策

李霞 徐宙

摘   要

随着信息技术的发展，教育信息化被国家提到了前所未有的高度，智慧教室建设也如火如荼地开展起来。教育教学环境的变化促使教学内容、教学方式、教学主体等多方面发生转变，为教师利用新技术和丰富的教学资源提供了条件。但是，目前的智慧教室仍處于“大数据”“物联网”“人工智能”等智能技术有限应用的初级阶段，教学设备管理平台和教学互动平台的“智慧”分析数据亟待加强。本文旨在探讨智慧教室建设面临的问题，并在此基础上尝试提出建议，以期促进智慧教室的建设，助力学生个性化培养。

关键词

教育信息化  智慧教室  大数据  教学设备管理平台  教学互动平台

现代信息技术在教育教学领域的应用促成了教育信息化的发展，《教育信息化2.0行动计划》指出：“信息技术对教育的革命性影响已初步显现”，要“推进新技术与教育教学的深度融合”[1]。随着教育信息化的发展，越来越多的信息技术应用到教育中，对教育教学活动产生巨大的影响。大数据（Big Data）、人工智能（Artificial Intelligence，AI）、扩展现实（Extended Reality，XR）等信息技术为传统多媒体教室的智能化提升提供了技术保障，大大提高了校园数据化和智能化的程度[2]，为智慧学习环境提供了强有力的支持，逐步构成智慧教室。

国外对智慧教室的研究源于1988年Rescigno提出的“Smart Classroom”，早期研究较多关注智慧教室的技术与装备效能[3];我国智慧教室的相关研究从2008年开始，黄荣怀等认为“在传感技术、人工智能技术、网络技术、富媒体技术充分发展的信息时代，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，称为智慧教室[4]。

时至今日，智慧教室的发展已经历三个时期：第一时期为智慧教室1.0“计算机+投影时期”，这一时期的智慧教室强调借助计算机和投影机来呈现授课内容，展示文字、图片以及PPT等数字化资源;第二时期为智慧教室2.0“中控整合时期”，这一时期的智慧教室重视设施设备的联网控制，将投影机、计算机、功放等设备通过中控统一管理，实时反映各设备的连通状态;第三时期为智慧教室3.0“互动互联时期”，这一时期的智慧教室加入更智能化的AIOT应用，AIOT是人工智能技术（AI）与物联网（Internet of Things，IoT）在实际应用中的落地融合，希望借助5G、人工智能和物联网等技术实现万物数据化、万物智联化。这一时期的智慧教室内建设多个显示屏或无线投影，学生配以无线终端，以便进行多屏互动教学。除了教室内的设备互联，AIOT也可支持连通教室内外、身处各地的教师与学生，形成线上线下融合（online-merge-offline）的教学场景[5]。

智慧教室的研究与建设虽得到广泛关注，但目前人们对智慧教室的认识还有很多不足之处，智慧教室建设面临很多问题。如何更好地建设智慧教室、不断解决建设过程中的问题，使其更好地辅助教学是非常重要的议题。

一、智慧教室建设存在的问题

1.智慧教室的智慧化程度不足

许多开发教育信息化产品的企业所提供的智慧教室建设服务，将智慧教室中的基础管理功能作为设计的重点，多集中于灯光、窗帘和新风系统的环境控制方面。虽然这些设备在一定程度上提高了教室的智能性，但更偏向于智能家居的概念，拥有便利性却没有贴近智慧教育的建设重点，未能真正助力教学情境、教学活动的智慧化。

2.智慧教室管理数据缺乏

智慧教室设备设施管理数据缺乏，是现阶段智慧教室管理工作中存在的主要问题。虽然很多学校耗费大量财力进行智慧教室建设，配置相对复杂的、价格相对昂贵的教室设备，这些设备维护成本高、使用周期短，但是后续缺乏智慧教室及相关设备的管理分析数据，致使无法评价智慧教室及设备的使用情况。使得智慧教室与传统多媒体教室的应用没有明显差别，未体现智慧化特征。

3.教学互动平台界面复杂

绝大部分教育信息化相关企业所开发的教学互动平台，其操作界面和流程从理科工程师的角度出发，设计的界面层级和操作方法复杂，未考虑到教师的背景涵盖面广、信息化素养程度不同等问题，给教师带来使用上的困扰与不便。

4.教学互动平台缺少完整教学闭环

大部分教学互动平台仅设计了课前资料上传、课中人员点名或课堂抢答等简单功能，而未兼顾到课前了解学生预习情况、课中的随机分组或讨论区互动以及课后作业同侪互评等功能，使得教学流程及学习行为记录出现断点，教师与学生无法在单一平台上追踪记录及操作课程中所有的教学活动。

5.教室视频资料缺乏深层教学应用

多数学校均在公共教室安装监控或常态录播摄像头，录制后的视频资料大多仅作为安防或教务管理部门巡课查课观看等简单用途，师生难以将其利用于后续的教学活动中。这些宝贵的课程视频资料，完全可以利用大数据、人工智能等先进的智能技术，依据教学特有的规律，将普通的录像数据转变为“教育智慧数据”，为教师改善教学模式、修订授课内容、改进授课形式提供坚实的数据支撑。

6.智慧教室多屏互动依赖硬件设备

许多智慧教室中的硬件布线繁琐，多屏互动依赖硬件盒子，如此不仅建设成本及维护成本高昂、设备除错困难度较高，还会影响教室的美观度，不利于教室的长期运营与维护。

7.远程互联发起困难

在疫情的影响下，远程互联可以说是智慧教室中不可或缺的重要功能，学校必须保障远程学生能够顺利连线接入并参与课堂学习，而这十分仰赖学校信息技术、网络带宽等的建设质量，尤其在远程学生人数较多时，如何发起多人多方连线且高质量的远程互联课堂，成为迫切须要解决的问题。

二、解决智慧教室建设问题的对策

1.推动智能技术应用的智慧教室建设

联合国教科文组织提出的可持续发展目标4是教育变革的主要方向，即包容和公平的高质量教育、面向所有人的终身学习机会[6]。智能技术与教育的高度融合可使教学资源更加丰富、教学环境更为可靠、课堂教学方式更加灵活，利于打破教育区域限制，推动教育均衡发展。

物联网技术可对教学环境和教学过程实现智能感知，获取大量数据。产生的大量智能感知数据面临着数据产权不清和隐私泄露风险，而这些问题可以借助区块链技术来解决，让师生在教学活动中放心使用物联网、大数据等智能技术[7]。

在此基础上，采用先进的AI技术提取出有意义的“智慧”数据，用以支持教师完善教学内容及方法。通过记录每位学生的学习轨迹，分析出学生的优势，为每位学生“画像”;借助AI教师进行教、学、研的综合培训，使教育教学“量身定制”地服务于不同的学生，充分发挥专任教师和AI各自的优势，为教师减轻负担，使其有更多精力辅导学习困难的学生[8]。

目前应大力推动产学研结合，将科研成果转化为教育领域的产品，推动智能技术在智慧教室领域的应用，使智慧教室有“智慧”地管理、有“智慧”地教学，使大数据、区域链等技术切实地服务于教学过程测试和教学效果评估。

2.增强应用教学呈现技术的智能体验

5G时代支持智慧教育的智能技术不仅包括上述基础支撑技术（如物联网、大数据、区块链）、计算分析技术（如人工智能），还包括教学呈现技术（如扩展现实、全息投影）[9]。

扩展现实（Extended Reality，XR）涵盖虚拟现实（Virtual Reality，VR）、增强现实（Augmented Reality，AR）、混合现实（Mixed Reality，MR）等多种形式。虚拟现实（VR）技术利用计算设备模拟产生一个三维的完全虚拟的世界，提供用户视听感受的模拟，有十足的“沉浸感”。增强现实技术是基于即时定位与地图构建技术（simultaneous localization and mapping，SLAM），将真实世界信息和虚拟世界信息“无缝”集成，将虚拟物体与真实世界叠加到同一个画面空间。混合现实技术基于SLAM技术和空间建模技术，在现实场景呈现虚拟场景信息，能与现实世界各事物相互交互以增强用户体验的真实感。

VR技术较为成熟，已应用在虚拟实验室等多个教育领域，可帮助学生更生动地理解抽象概念和实验步骤[10]。MR也是体现教学生动化非常好的手段，但因其价格昂贵，尚未到商业应用阶段。全息投影则是采用全息膜配合投影，再现物体真实的三维图像。随着5G时代的到来，全息显示技术将会大规模地应用于教育中，必将大大提升教学效果。

利用XR、全息投影技术等信息呈现技术，给学习者带来真实的视听感觉，加深学生对知识的理解和吸收，也会促进打破教育区域限制，推动教育均衡发展[11]。

3.定制开发多功能的设备管理平台

应定制开发设备管理平台，除传统中控平台具备的功能外，还应包括设备运转状态及能耗状态监控、设备故障自动读取、语音识别、视频识别和教学数据分析等功能：（1）请具有专业资质的用户界面（User Interface，UI）设计师，设计出简洁、友好的平台界面;（2）平台操作流程简单，基于B/S架构，使用可视化图表展示设备、空间及教学分析等内容;（3）依托信息传感器、射频识别等技术收集的设备状态大数据传输到平台后，设备故障自动录入平台，依据AI技术，从故障解决库中给出解决建议，实现对教学环境的智能感知，最终为设备管理决策提供数据支持;（4）根据管理人员的自定义字段，生成各类报表，包括各教室使用率、各类型故障情况分析、各品牌同类产品运行状态对比等;（5）在师生同意的基础上，通过对音频信息的采集，对语音进行识别并实时转写，提取高频词汇，实现对教学过程的智能感知;（6）在师生同意的基础上，通过对视频信号的采集，确定座位占有率、人员自动签到等信息，还可进行面部表情识别，确定授课效果好的课段，为改进教学内容和方式提供数据支撑。

4.开发专注教学的教学互动平台

寻找具有教育技术背景的研发型公司进行校企合作，邀请教育技术专业的教师作为顾问，联合开发教学互动平台：（1）请具有专业资质的UI设计师，设计出简洁、友好的平台界面;（2）平台的操作路径必须短浅，实现“鼠标点击不超过三次即可实现功能”的要求;（3）充分结合教学课程需求，设计出符合教学规律和教学习惯的模块，这些模块应涵盖所有教学环节，可实现教学过程的闭环;（4）针对课前上传的视频及文档资料，平台可记录学生观看的次数及时长、片段等信息，便于教师有针对性地开展教学;（5）有效利用常态录播的视频资源，结合语音识别技术，筛选出课程关键词、热点便于学生迅速定位感兴趣视频段;（6）通过与常态录播资源的对接，不仅实现在线视频督导的功能，还可回看视频并在感兴趣时段打点标识，记录对课程的评价。

5.打造高度融合的一体化教学平台

在互联网及后疫情时代，智慧教室应借助高质量网络及一体化平台来融合教室内外的使用者参与教学;基于计算技术，实现大规模音视频录制，本地化AI辅助师生，提高直录播教学能力;最后，所有参与教学的师生都可以通过手机，加入到课中互动、讨论环节中，且所有的教学数据可以同步记录至云端，沉淀教学数据。高度融合的一体化教学平台可在多种教学场景实现，在智慧教室内，教师可以一键登录平台并进入上课模式;在智慧教室外，教师和学生使用手机、平板、笔记本电脑，通过单一平台入口实现课前和课后的学习，且可在多个终端内无缝切换，同步学习进度。

正值教育变革的关键时期，如何将现代信息技术与教育深度融合，探索适合的教学模式，开展个性化学习，是新时代教育工作者和管理者面临的新挑战。

参考文献

[1] 金久仁.信息化背景下高等教育教学形态嬗变及其限度[J].当代教育论坛，2019（06）：89-97.

[2] 陈周阅.智慧教室建设问题与建议思考[J].教育教学论坛，2020（03）：286-287.

[3] Skipton C.Moving from “dumb”to“smart”classroom：Technology options and implementation issues[J].Journal of College Teaching &Learning，2006（06）：19-27.

[4] 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（02）：22-27.

[5] Jun Xiao，Hong Zheng Sun Lin，Hsu Chen Cheng.A framework of online-merge-offline（OMO）classroom for open education：A preliminary study[J].Asian Association of Open Universities Journal，2019（14）：134-146.

[6] 黃荣怀.人工智能变革教育已成全球共识[J].中国教育网络，2019（06）：28-29.

[7][9] 杨俊锋，施高俊，庄溶霞，等.5G+智慧教育：基于智能技术的教育变革[J].中国电化教育，2021（04）：1-7.

[8] 王民，高翠微，蔚东英.基于“智慧学伴”的地理学科能力发展研究[J].中国电化教育，2019（01）：59-63.

[10] 高林.VR虚拟现实技术在教育教学领域中的应用[J].电子技术与软件工程，2020（09）：53-54.

[11] 朱珂，张莹，李瑞丽.全息课堂：基于数字孪生的可视化三维学习空间新探[J].远程教育杂志，2020（04）：38-47.

【责任编辑  郑雪凌】