基于“互联网+”的高质量在线教学融合环境设计与实现

吴淑苹 魏顺平 李雅静

(国家开放大学，北京 100039)

2019年是国家开放大学办学40周年，经过40年的发展，开放大学基本形成了以学习者为中心，基于网络自主学习、远程学习支持与面授相结合的新型学习模式[1]，即在线教学和面授辅导相结合的教学模式，利用学习平台提供在线教学，通过全国基层办学点提供面授辅导。但是多年的办学经验显示，在边远贫困地区，很多县级、市级学习中心缺乏优秀的面授师资，面授开课率常常不达标。2020年8月31日《国家开放大学综合改革方案》正式发布，综合改革方案的发布是国家开放大学发展史上具有里程碑意义的事件，标志着开放大学建设进入了新阶段[2]。党的十九届五中全会提出“要建设高质量的教育体系”“加快发展数字化，建设数字中国，推进网络强国建设”。站在新起点，为适应互联网时代大规模学习的需要，为更好地解决边远贫困地区师资不足和教育资源不均衡的问题，开放大学依托其覆盖全国的特点，实施了云教室建设工程，基于互联网技术打造“云平台+云教室”高质量在线教学融合环境[3]，将总部优秀师资直播课和互动课输送到西部边远地区，实施远程课堂教学和在线辅导，为学习者提供更好的学习支持服务。

一、学习场所研究综述

我国历史上认为学习场所产生于原始社会末期或奴隶社会初期，古代教育以言传身教为主，学习场所在早期学校中有庠、序、辟雍、杏坛等呈现形式。随着人类文字和造纸术的发明创造和学校教育与文官制度的相互融合，封建社会的学习场所相对比较稳定，如讲堂、精舍、书院、私塾等。20世纪，随着班级授课制和经济社会的发展，教育规模迅速扩大，相对固定、规模化的学习场所，现代意义上的教室产生。教室目前是学校教育中最基础的场所，是教学活动开展的物理环境。

本研究利用文献分析法和文本分析法，对现代教室的发展历程、发展特点进行研究。在中国知网(CNKI)上，利用“篇名=‘教室’，来源=‘期刊’‘硕士’‘博士’”进行检索，检索到中文论文6 245篇，发文量趋势如图1所示。通过对这些论文的时间存量、共现关键词进行分析，结合技术发展特征，本研究将教室发展分为四个阶段：第一阶段1921—1978年传统教室阶段，第二阶段1979—1997年电化教室阶段，第三阶段1998—2010年电子教室阶段，第四阶段2011年至今智慧教室阶段。

图1 1921—2018年关于教室研究的论文发文量趋势

从上述四个阶段的教室发展历程发现，教室研究的关注点从基础环境如卫生环境、空间环境向心理环境、信息化环境转变，其中信息化环境的研究内容是随着信息技术的进步不断升级变化的，信息技术的发展对教室内教学组织、教学内容、教学策略等有深远影响。总结现代教室演进路线如图2所示。

图2 现代教室演进路线图

基于历史变迁和教室发展的四个阶段的文献研究来看，可以将教室的构成要素总结为：物理环境、空间环境、心理环境和信息化环境，这些要素之间相互关联、相互作用、相互影响。优良的教室物理环境、教室信息化环境有利于教学活动的顺利开展，有助于形成积极的心理环境，有利于提升学生的学习兴趣、学习态度及学习动机等。通过信息化环境提供丰富的信息资源，有助于激发学生的创造动机。智能的信息化环境可以实现对物理卫生环境、教室心理环境、学生学习行为的感知，提示师生做出积极的调整，实现因材施教。

二、在线教学融合环境设计研究

(一)现状分析

在基础教育领域，为解决农村教学点“开不齐课、开不足课、开不好课”等问题，国家提出“专递课堂”的建设对策，利用网络同步上课的方式，使边远地区上不齐课、上不好课的农村学校与教育资源丰富的城市学校同上一堂课[4]。在开放教育领域，对于面向全国办学的开放大学来说，在边远地区的学习中心，同样面临开不齐课、开不好课、优秀师资匮乏的情况。

2019年11月研究组利用网络调研方式，针对开放大学在籍学生开展了远程高等教育现状调查，共收集到有效问卷6834份。调查显示，学习者最常用的前四种学习方式是：在学习网学习、观看直播视频、定期去学校上面授课，看课本自学；学生学习时间的安排是：47.96%的学生表示学习无固定时间、有空就学，30.44%的学生把学习安排在工作日的休息时间，19.19%的学生把学习安排在休息日的整段时间；面授教学课覆盖率现状调研结果是：62.79%的学生表示参加过面授课，25.14%的学生从来没有参加过面授课；对网络直播课的期待上，有83.31%的学习者对网络直播课非常感兴趣。

基于传统面授课的缺失、学习时间不固定以及学生对网络直播课的兴趣，开放大学设计并建设了“云平台+云教室”的在线教学融合环境，改变传统面授模式，使偏远地区和落后学习中心的学生也能享受优质的教师资源，通过城乡同上一堂课来扩大优质教育资源覆盖面，实现课堂教学活动的现代化和一体化，突破教育扶贫“最后一公里”的问题。

(二)在线教学融合环境设计研究

在线教学融合环境是一种新型学习空间，它支持线上、线下混合学习，其学与教具有三维空间环境，即实体空间、虚拟空间和社会空间。

实体空间，包括云教室及教室内的硬件设备、软件系统、桌椅及物理空间环境。云教室内设备布局与配置的联动可优化教学信息传递效果。借助视音频实录设备实现对教与学过程的实时跟踪与直播，有助于多种学习方式的开展，师生也能得到更直观的反馈。

虚拟空间，包括学习网、云视频会议平台、运营服务平台等云平台环境。采用视频互动和直播技术实现远程课堂的互动，利用基于虚拟现实的视频合成技术，实现远程视频教室的无缝合成，实现多个异地课堂的实时互动，把物理上分离的实体课堂，变成感官上在一起的课堂，为远程教学技术环境。通过实体课堂与网络课堂的结合，实现虚拟空间与实体空间的有效融合[5]。

社会空间，包括“六网融通”办学模式下的网络教学团队、网络学生空间、网络教学管理、网络考试考核、网络支持服务和网络核心课程，以及教师、学生、教学团队等之间的关系，他们相辅相成，彼此支撑。

(三)云教室设计研究

云教室是承载课堂教学的空间，是体现教学质量和教学水平的关键。在推进高质量在线教育发展过程中，要直面在线教学存在的问题，也要充分吸收面授教学的优势，分析新时代学生对学习体验和学习资源的需要，积极利用信息技术建立覆盖全国的教室互联互通系统。国家开放大学云教室以互动和共享为核心，以互联网为基础，以教育云平台为依托，以传播优质教育资源为目标，以及时动态反馈为特征，具有直播、录播和多终端接入等功能，支持大规模分布式的网络实时互动和资源共享，是一个物理教室与虚拟教室的结合的“云”教室[6]。

云教室具有内容开放性、互动实时性、教学智慧性及终端多样性等特征。内容开放性是指突出共建共享理念，云教室中所有教学互动内容都将开放给所有学习者进行直播和点播，常态化课堂下师生互动形成教学资源，基于云服务的视频存储和访问不受限制。互动实时性是指以学习者为中心，在线学生可利用移动设备接入课堂教学中，实时参与教学互动，实现多个教学中心实时在线教学和互动反馈。教学智慧性是指云教室内设备采用物联网和大数据技术，跟踪并完整记录课堂授课的所有过程和数据，包括教学录制信息、直播视频信息、课堂考勤记录、课堂笔记等，系统为教师和学生提供教学行为数据分析。终端多样性是指可利用移动设备和无处不在的连接，以保证师生群体随时随地展开教与学活动，具有较强的终端适应性[7]。

三、在线教学融合环境的实践研究

(一)系统技术架构

在线教学融合环境采用“云+端+物联网+人工智能”的技术架构，如图3所示。利用云视频技术实现全国云教室互联，构建互联网面授教室，提供优质师资互动课；利用物联网实现云教室所有设备的智能管控和监测；应用人工智能技术实现视频语音识别和面授过程的人脸识别，实现智能化教学管理；利用大数据技术，实时采集云教室直播、点播、互动的应用大数据和云教室内所有设备运行大数据，实现数据化管理，保障教学质量。利用移动互联网和APP，实现云教室、学习网和学习者全连通，任何云教室或移动终端都能发起教学活动，学习者通过PC、APP、微信参与网上课堂教学活动。

图3 基于云教室的在线教学融合环境技术架构

用户层：对学生、教师、管理者和开放大学各级办学机构等用户提供服务，用户通过统一身份认证，进入学习网和云教室系统开展学习、教学、管理等工作。为学生提供在线学习、互动教学和视频学习服务，为教师提供排课、上课、统计等教学服务，为管理提供一体化管控服务，为开放大学各级机构提供教学过程监控和数据决策等服务。

教室终端层：终端分为教室端和移动端。教室端部署在总部、分部、学院和学习中心的校园里；移动端分为手机、计算机和平板电脑版本。教室端具有空间环境模块、内容显示模块、智能感知模块、音视频集成模块、智能管控模块和实时交互模块。移动端作为轻客户端，主要具备内容显示模块、音视频集成模块、智能管控模块和实时交互模块的集成化功能。云教室将提供直播课堂、远程交互课堂、多媒体课堂、物联网远程管理、远程教学监控等功能。

教学应用层：面向用户提供教学应用的功能模块，主要包括教学服务、应用分析、远程管控、资产管理和系统管理。支持教学服务的功能有排课预约、视频互动、直播教学、教学督导、视频管理和人脸识别。支持应用分析的功能有数据采集、数据分析和数据可视化。支持远程管控的功能有考场监控、远程导播和物联中控。资产管理的功能包括资产分配、资产分类、微信报修等。系统管理包括机构管理和客户端管理。教学应用层的功能主要体现在运营服务平台上，通过运营服务平台统一对外提供以上服务。在实际操作中，总部成立云教室运维团队，为各级用户提供友好、人本的支持服务。

媒体服务层：针对视频流提供虚拟MCU、视频直播、视频点播、视频录制、视频编辑、播控管理和信令管理等服务。通过虚拟MCU和信令管理实现视频会议的混合管控模式。在教学业务里，媒体服务层以组件方式提供视频服务，将云教室App和学习网集成，为师生提供直播、课堂互动、视频回看服务，并基于总部、分部、学院、学习中心的四级组织管控，整合人工智能管控、视频互动管控等播控功能。媒体服务层的功能主要体现在云视频平台上，通过云视频平台统一对外提供以上服务。

云基础设施层：由公有云提供服务支撑，利用云主机、云存储、CDN、数据中心、互联网及云安全保障。整体系统统一注册并部署在公有云，云教室终端之间通过公有云互联互通。数据中心收集云教室系统全流程的详细数据，通过数据分析流程最终呈现在教学应用层。云教室系统采用扁平化技术架构，分级分权限管理，云上资源根据用户体量自动调配，可提供覆盖全国或全世界用户的教学应用服务，可适应不同级别、不同类型的云教室终端进行远程视频互动、直播教学和课程录制等需求。

(二)云视频平台的构建

云视频平台是在线教学融合环境的核心模块，其采用公有云部署和MCU资源池形式，支持弹性扩容，实现覆盖全国的统一运维、统一管控、统一组网、统一接入。云视频平台部署拓扑如图4所示。

云视频平台支持软硬件终端接入，也支持上一代硬件视频会议多点控制单元MCU接入，具有较高兼容性。云视频平台与CDN播控管理对接，可以控制CDN直播分发活动，包括CDN直播推流的认证授权、推流活动的查询与核对等，同时与学习平台对接，对终端用户的播放行为进行认证授权。考虑到教育领域的网络安全要求，云视频平台对没有通过认证的播放终端采用“立即断开”操作，避免非法播放，保护知识产权，也避免发生网络安全事件。

(三)资源共享模式

LTI是全球学习联盟(IMS)推出的学习工具互操作规范，以促进教育Web应用和学习管理平台、学习门户的开放无缝整合。LTI提供了一个公共的应用加载及单点登录框架，来替换特定厂商所拥有的API。通过LTI框架，可以实现跨越学习、课程管理系统、协作应用、测评应用和电子文件夹应用等无缝整合的框架[8]。

图5 Learning Tools Interoperability 学习工具的互操作性框架图

在云教室与云平台的集成对接中，通过LTI标准实现系统的互相授权验证。对接方式如下：(1)云教室为资源提供方；(2)云平台为资源使用方；(3)基于LTI标准，双方系统完成认证和授权，云教室为云平台提供授权信息；(4)云平台请求云教室资源时，提供云教室的授权信息；(5)云教室验证通过后，返回云平台请求的资源列表；(6)在云平台进行直播和点播时，学生讨论、留言、评价等同步到学习行为数据，作为学生学习的过程性考核内容之一。

图6 基于LTI的云教室与学习平台集成应用

通过云教室与学习平台无缝对接，实现信息互通，将老师在云教室上课的视频实时共享到学习平台，学生可以通过手机、PAD和电脑进行实时观看和互动。直播结束后，系统自动生成视频资源，与学习平台课程进行关联，实现课程资源生成与应用的一体化，构建了基于云教室的在线教学融合环境。

(四)应用业务集成

云教室系统通过“云+端”的形式，为学生、教师、管理者和机构提供统一业务集成，可满足多种教学活动场景组合需求，开展多媒体教学、课堂录播、实时直播、远程实时教学、远程课堂观摩和教学研讨、远程面试与答辩等教学活动，云教室业务集成如图7所示。

图7 云教室业务集成示意图

用户基于在线教学融合环境可以实现远程排课、审批、预约，并将审核通过的课程链接推送给学习者，对应的学习者终端用户可自动入会，实现大规模高并发量的直播和互动教学。教学活动结束后，教学过程自动转化为视频资源，进行在线编辑并发布，通过LTI标准嵌入到对应课程学习界面，供学生点播学习。同时，系统会实时采集云教室应用和视频分析大数据，实时监控云教室的使用状态，实现一键式远程操控。通过云教室的“教”和“学”，形成了以云教室为中心的全生态圈教学模式，将教师、学生、管理者有机结合在一起，将实体空间和虚拟空间有机融合在一起，将线上教学与线下教学有机融合在一起，实现教学、学习、管理的有机整合。

四、在线教学融合环境的应用模式研究

教育信息化的发展历程分为建设阶段、应用阶段和融合阶段。在到达融合阶段后，信息技术开始改变教学和管理模式，通过融合推动教学改革和业务重构，重塑教育生态。开放大学基于在线教学融合环境探索了其在教学模式、教学管理、资源建设等方面的创新应用。

(一)变革教学环境，促进教学模式创新发展

教学环境的变革是创新学与教方式的基础，为学习者提供便利、智能、有效的教学环境是教育信息化发展的方向。打破时空限制，构建了混合式学习环境，提供比物理课堂更丰富多元的教学条件。在线教学融合环境突破传统课堂的边界，将传统课堂有序延伸到课下，实现物理课堂与虚拟课堂有机融合，形成一个跨越时空界限的课堂[9]。这个课堂重构了课堂教学模式，为学习者提供丰富的数字化、碎片化和个性化的学习资源呈现，促进线上与线下学习的有机融合。

在线教学融合环境坚持“以学习者为中心”的理念，适应学生需求，优化资源配置与供给方式，革新教学流程。利用云教室系统，学生的学习转变成线上学习与线下学习并存，知识载体呈现出数字化、多媒体化、智能化、个性化等多样化的趋势，可进行随时随地的自主学习，极大地激发学生的主动性和主人翁意识，让“人人皆学、处处能学、时时可学”成为现实。

在线教学融合环境支持大规模教学直播，以开放、共享方式，推行全国一堂课。基于在线教学融合环境的开放课堂是开放大学全新的教学场景，教师资源、课程资源的开放与共享是根本，课堂与课堂的互联有助于形成有组织的规模化的教学，通过课堂的互联，实现办学体系的互联互通。从2017年开始，总部组织的全国一堂课平均每学期约2000课次，到2020年每学期约6000课次。学生通过云教室或移动终端收看、收听和互动，解决了学生因为工学矛盾而导致无法上辅导面授课的问题，让学生感受到高度自主、自控的学习方式。

在线教学融合环境协助教师组建网络教学团队，开展异地协同实践教学。开放大学远程教育的属性决定了师生分离、生生分离的学习状态，是远程教育开展实践教学的最大短板。基于云教室的在线教学融合环境的应用，一方面支撑起部分在线教学功能，通过建立网络立体覆盖的教学团队，实现异地多教室的协同教学；另一方面帮助网络教学团队设计诸多教学交互活动，提升课堂互动性和学生的主观能动性，实现多向互动和多维反馈。

(二)优化管理流程，推动教学管理模式创新

教学管理是学校管理的核心任务，合理科学的教学管理模式是保证教学质量和人才培养质量的重要基础。在线教学融合环境为师生建立实名制认证的全国排课系统，提供个人交流的即时通信服务，建立基于业务交流的学习者工作群，优化管理流程，减少沟通成本。

在线教学融合环境打通了教学数据和管理数据，通过外部数据、汇总教学业务基础数据、教学过程数据、学籍和教务数据等，对教学管理业务进行数据流追踪，对学习过程进行学情分析，并结合大数据作出教学管理的科学决策。

在线教学融合环境实现精准化教学过程监控。在线教学融合环境填补了面授教学监管的空白，使得开放大学基于大数据的全流程管理可以实现。基于大数据的教学过程管理能真实反映每个分部、学院、学习中心的教学开展情况，更能清楚全面反映每个学生的学习过程记录，为教学过程分析、学习者分析等提供更全面、客观的支撑，为提供更高效、更有质量的学习支持服务打下基础。

在线教学融合环境的智能监控和指挥系统实现对考场有效监管。开放大学学生基数大，考试考点繁多，监考人员工作量大、效率难以保障。在线教学融合环境利用云教室系统，可以自动验证考生身份、识别考生作弊情况，协助工作人员远程监管各考点、考场情况，利用会议系统实现考试调度和应急指挥，保障考试顺利进行。

(三)重构资源建设模式，助力实现高质量教育

教育质量是学校的核心竞争力和存在的根基，《国家开放大学综合改革方案》指出，努力把国家开放大学办成我国终身教育的主要平台、在线教育的主要平台和灵活教育的平台、对外合作的平台[10]，推进我国开放教育在新时代实现健康、快速发展。

在线教学融合环境实现共享课程，重构资源建设方式。开放大学利用基于云教室的在线教学融合环境实现课程辅导的共享课堂，不仅节约了经费，还可以将各地节约出的经费用于请优秀教师进行授课和辅导，从而提高辅导教学的质量。同样，西部与东部分部联动、分部间合作联动，就形成了开放大学办学体系联动，这样的共享课堂将带来资金流、业务流的改变。基于业务规则和流程，配合学生访问流量进行各分部、各机构之间的成本清算及融合管理，可以实现真正意义上的共享课堂和资源共享。

在线教学融合环境缓解优质教育资源分布不均的窘境。在线教学融合环境利用云视频会议技术将优质师资的课程传送到师资匮乏的教学点，通过“双师课堂”“直播课堂”“远程专递课堂”等形式补充师资匮乏地区的教师资源，为基层办学机构的线下辅导教师提供了很好的学习和成长机会，为教师间提供相互督促进步的渠道，为学生给予多样化的课程资源，为开放大学体系的人才管理模式增添路径。

在线教学融合环境基于云教室可实现课堂教学多场景画面常态化录制，即教师正常教学情况下，系统自动完成授课、学生场景、计算机多媒体课件等多画面的录制，同时原生态课堂可实时直播给远端学生。这种常态化、原生态的课堂教学视频录制存储，形成生成性教学资源，上传至学习网成为课程学习的资料，形成常态化的课堂教学资源，与学生共享，实现真正意义上的课堂搬家，让远端学生真实感受课堂氛围。

在线教学融合环境可以促进教学团队建设和教师教学能力培养，为学校开展教师教学能力培训提供物理空间和技术基础。在线教学融合环境可以提供观摩、模仿、实践、改进和交流等多种功，助力教师能力培养[11]，满足教师在教学能力方面的不同需求，为学校师资培养的可持续奠定坚实的基础。

新冠肺炎疫情的发生让教育行业对在线学习的关注度达到顶峰。依托互联网办学的国家开放大学在疫情发生后能够正常复工复学，主要依靠其构建的基于云教室的在线教学融合环境。本文从探究学习场所变迁出发，从设计研究、实践研究和应用模式研究三方面详细介绍了基于云教室的在线教学融合环境的技术架构与应用探索。经过八年的建设与应用，国家开放大学现已形成了覆盖全国所有开放大学办学机构和学生的在线教学融合环境系统。实践表明，基于“互联网+”的高质量在线教学融合环境能够深层促进教学模式创新发展、有力推动教学管理模式创新、助力优质教育资源建设与共享，为当前我国如何从教育大国向教育强国转变升级、如何构建终身学习教育体系交出一份完整的、具有特色和强大潜力的开放大学方案。