师生需求导向下的高校智慧教室设计与构建

袁东斌

（闽南师范大学教育科学学院，福建漳州 363000）

2019 年2 月,中共中央、中国国务院联合院印发了《中国教育现代化2035》,文件提出，应“加快信息化时代教育变革，建设智能化校园，统筹建设一体化智能化教学、管理与服务平台。”[1]由此掀起了全国高校智能化校园建设的新热潮。智慧教室作为智能化校园重要的组成部分，是高校进行教育教学的最重要场所，其建设和应用成了众多高校实现教育信息化及进行教学创新改革的抓手和切入点。

在网络技术、富媒体技术、传感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。[2]近年来，各高校在智慧教室建设上的投入不断增加，智慧教室应用范围不断拓展，有效推进了教育信息化进程。但在此过程中，我们发现各高校的智慧教室建设存在盲目跟风、雷同性较高、不能满足使用师生的个性化要求等问题，从而导致智慧教室出现使用率低、空置率高；师生将其当作普通教室“降维使用”；教室部分功能不适用于本校师生，未能物尽其用等情况。

上述问题出现的主要原因在于各高校在智慧教室规划及建设时未能充分考虑本校师生的实际需求、设计与使用脱节。闽南师范大学教科院自2019年以来建设了若干间智慧教室，针对前文提出智慧教室建设中存在的问题，在教室建设前，进行了充分的调研与论证，从师生需要出发，设计规划智慧教室建设方案。教室投入使用后，得到了本校师生的广泛好评，也成为本校智慧教室的样板。本文就其中使用率最高、最受师生好评的创业楼418教室设计与建设加以介绍与总结，以期能给兄弟院系及其他高校智慧教室建设提供参考。

一、需求分析

闽南师范大学教育科学学院由小学教育、心理学、学前教育及教育技术学四个专业构成，是全校唯一一个全部由师范类专业构成的学院。经调研，师生对智慧教室功能需求如下：

（一）分组教学、翻转教学 现今各级各类学校教学信息化投入力度不断加大，这就需要师范生熟练掌握各种信息化教学手段进行课堂教学。师范生应学会利用智慧教室系统，完成分组教学；引导学生进行小组协作学习，实现翻转教学。同时让各专业师范生掌握利用各类移动终端实现投屏、音视频分享和演示的方法，提前适应今后工作的智能环境。

（二）立体化教学资源开发与应用 学会设计开发各种教学资源，已成为师范生必备技能，因此教室可作为立体化教学资源开发与实训场所，满足教育技术学、小学教育、学前教育等专业立体化课程资源开发与应用需求，如微课、富媒体课件、虚拟现实模型、场景等的制作与应用。

（三）常态化录播、直播 教室应具有一键式录播功能及便捷性直播功能，满足小学教育、学前教育、心理学等专业课堂教学实况录制、重放、评价等需要。利用直播功能，将本校优质教学资源传播出去，扩大学校影响，也可为教育技术专业学生创造实践机会，提高课程录播、导播能力。

（四）远程互动 了解中小学、幼儿园的真实教学情况，实现各类学校的常态化互动，也是高校师范学校应完成的任务。因此，智慧教室应能实现与中小学、幼儿园等各级各类学校教室的远程视频、音频互动，使学生能足不出校观察、了解真实的课堂。满足小学教育专业、学前教育专业学生远程见习、远程听评课及教研需求。

（五）虚拟仿真教学 各级各类学校对教学资源的需求日新月易，传统教室已满足不了全部教学需要。因此，智慧教室应可利用虚拟仿真系统，呈现各种场景，完成各类交互，满足心理学专业、小学教育专业、学前教育专业实现沉浸式场景体验，虚拟仿真实验及实训等需要。

二、智慧教室系统架构

依据以上需求，遵循系统设计的集中性、高可靠性、易维护性及良好扩展性原则，本智慧教室系统采用分层架构进行设计，如图1 所示，系统分为网络与硬件层，软件与支撑层，数据层，应用层与接入层。

图1 智慧教室系统架构

（一）网络与硬件层 硬件及网络是本智慧教室系统的基础，也是智慧教室系统能高效运行的保障。网络与硬件层主要包括智慧教室中应用到的各类硬件及其控制设备，如无线通信网络、流媒体服务器、磁盘阵列、智能控制讲台、视频采集设备、拾音设备、音响等硬件及中控、电源控制等控制设备。建设过程中，网络与硬件层的设计与应与教室环境的改造相互配合，以达到硬件设施功能最优功及成本控制的目的。

（二）软件与支持层 软件与支持层主要包括资源管理云平台、AVR 三维引擎、移动控制系统、远程授课系统、富媒体编辑器等。可实现Unity编辑、数据库连接、视频嵌入、人机交互等功能。软件层连接网络与硬件层和应用层，是整个系统各层间的桥梁与纽带，为各硬件提供基础软件支撑。

（三）数据层 数据层用于实现数据接入与存储管理功能，主要包含智慧教室所用各类型的数字资源，如三维场景、虚拟仿真课件、课堂实录视频及各类图片、音频、视频素材等的导入与存储管理，本层是教师进行教学的“宝库”，为教师的教学提供各种资源与教学“利器”，同时也是建设校本化教学资源库的基础，可为学校积累宝贵的各类本校教学资源。

（四）应用层 应用层是本智慧教室系统功能的体现，可根据用户需要实现各种功能，主要包括沉浸式教学、分组教学、互动教学、远程互动教学、MR 直播教学、翻转课堂等教学形式。

（五）接入层 为系统的服务对象（教师、学生）、系统用户（助教、远程教师、学生）以及需要与系统进行业务整合及数据交换的其他对象（管理员）连接智慧教室系统提供接口。接入层不同账户类型对应不同使用权限，使不同使用对象能更高效，更合理的使用本智慧教室系统。

三、教室布局与功能区划分

本教室改造前，可使用面积约为60 平方米，根据师生需求与教室物理空间特点，将本智慧教室划分为沉浸式教学功能区、MR 混合现实直播功能区、互动教学功能区及远程互动教学功能区等多个功能区（如图2所示）。

图2 智慧教室功能区划分

（一）沉浸式教学功能区 本区域由沉浸式场景显示系统、智能场景控制台、富媒体课件制作系统几部分构成，可满足师生沉浸式场景体验、虚拟仿真实验及实训、富媒体课件制作与应用等需求。

1.沉浸式场景显示系统

采用“双投影机+融合机+巨幕”构建场景显示系统，以高清激光工程投影仪为核心，巨型金属弧幕为基础，相较普通投影系统屏幕尺寸更大、视野更宽、分辨率更高，从而能呈现更多的内容；同时相比普通投影仪2000-3000 小时光源使用寿命，本系统采用LCD 显示技术，激光发射模组稳定状态下有多达20000余小时的使用寿命，即至少有10年以上的使用周期。同时系统发射的光线柔和更利于护眼，根据本系统使用记录及反馈表中师生反馈意见和建议，即便连续使用6小时以上眼睛也不会酸胀，在教室的任何区域均能清晰的观看显示内容。

沉浸式显示系统有3D功能，配合3D片源的场景化教学内容能使学生产生身临其境的感觉，实现沉浸式学习，让理论教学不再枯燥。

2.智能场景控制台

智能场景控制台由主操作端，移动端和副控制端三大部分组成，可实现对场景教学资源中的场景、模型、动画、视频、软件等内容的自由控制与调用。

主操作端是教师的主要教学区域，大部分操作和教学任务均在此端口完成，除日常教学资源的打开与调用外，还搭载有智慧云板书系统，可在讲台交互式屏幕上任意板书、批注、圈选、擦除、修改、保存、分发，完全代替粉笔告别粉笔灰，“净化”教学环境，减轻老师上课疲惫感。

移动端搭载智慧教鞭系统，可以让老师通过手势操控PPT 文件的打开、翻页、关闭，操作3D 模型的旋转、放大、缩小、模型局部抽取、标识展示等。利用移动端搭载的系统，老师上课时可以随时离开讲台区域，在教室里任意区域走动，但是课程内容依然由老师随心交互和控制，当某位同学想要了解课件中的某一部分知识点时，老师实时通过移动端就把知识点调用出来，并能就学生的困惑进行针对性讲解和展示，从而确保课程不中断前提下老师能与学生们深度融合和互动。

副控制端搭载智慧教室终端操作系统，可对整个场景教室所有软硬件资源进行管控，包括连接智慧场景教室资源管理系统，管理课程任务，快速调用教学素材等。首先教师进入本教室“一键开机”所有硬件设备将全部自动开启，教师也可以在系统设置个性化启动，以便系统只启动设置的项目；在使用过程中，教师可根据授课需求随时调整和控制不同区域硬件的开启或关闭，方便教师根据课程内容灵活设置教学形式，更好提高学生学习兴趣，促进学生积极参与教学活动。同时，智慧教室涉及各学科的软件资源也由操作系统统一分类管理，不同学科教师根据分类即可轻松找到并把资源调用到主控制端。

3.富媒体课件编辑系统

通过搭建本地存储服务器，存储沉浸式体验区所需的教学内容。同时在教师机嵌入富媒体课件编辑系统，里面集成了合作企业及我校师生开发的大量碎片化的富媒体教学资源，有三维模型、视频、ppt、音频、动画等等。当教师在备课时就可以选用资源库内已有的场景化教学PPT课件模板进行修改，或在自己制作的PPT内导入已制作完成的场景化教学资源，快速制作完成场景化教学内容，丰富课堂教学形式。

（二）MR 直播功能区 该区域利用MR 直播软件、摄像头、麦克风、移动控制端、本地及云端服务器、可升降绿幕等构建软硬一体的混合现实直播系统（见图3）。

图3 混合现实直播系统拓扑图

混合现实直播系统基于视频抠像技术和混合现实技术，可插入不同三维场景，并将授课老师与虚拟场景进行实时缝合。同时能实时调取各种3D模型组件加入场景，通过添加特效及位置、动作设置，使教师与模型进行交互。基于独有的三维资源实时渲染与画面实时缝合算法，借助相对简单的基础硬件和网络就可以搭建出传统数百万元级别虚拟演播厅的绝大部分功能。混合现实直播系统建设的核心目标是通过可视化的场景与人物角色（主要是教师）融合，将课程知识生动演绎和实时反馈。如老师讲谷文昌纪念馆及谷文昌的人物生平时，常规教学通过文字、图片生涩讲解，学生缺乏概念，缺乏对人物当年状态下艰苦卓绝奋斗的理解和感同身受。混合现实直播系统就可以把学生带入到人物当年的生活场景，通过MR 技术把人物的环境创造出来，然后老师进入角色和环境，一一对应向学生介绍环境中的每一样器物和场景，这时老师讲解的内容对学生而言是可视化、可感知的，这比单纯的说教效果好得多。

系统同时可以通过本地服务器及云端服务器进行推流，可配合场景教学系统本地观看，也可推流到各大直播平台，进行直播，满足师生扩大对外影响、增强实践技能等需求。

（三）互动教学功能区 该区域为智慧教室的核心功能区，利用互动教学系统实现学生与学生、学生与教师进行分组互动教学。支持翻转课堂、PBL 模式、TBL模式等新型教学模式在课堂中的应用。同时选用可移动拼接型桌椅，师生可根据实际上课需求，自由组合成行政班类型、会议类型、分组研讨型等多种形态，使得课程形式更加多样化。通过整合多屏互动终端、无线投屏系统、教室内交换机、路由、汇聚交换机、无线AP、显示系统、高清矩阵、解码器、后台管理系统等构建互动教学系统（见图4）。在互动教学功能区，学生可以小组为单位，将移动端设备（手机、pad、笔记本等）通过无线的方式投放到小组屏上，方便组内讨论学习。老师也可以通过无线投屏的方式将课件、视频等投放到教师端大屏上，同时可实现大屏和小组大屏之间自由切换，将任意投屏到小组大屏的学生作品拖到老师大屏显示进行点评，进行互动教学。

图4 互动教学功能系拓扑图

（四）录播、远程互动教学功能区 教室的整个区域构成录播、远程互动教学功能区。录播系统主要由教师自动跟踪摄像机、学生像机、视频服务器、录播灯光、中控面板等组成。教师可通过中控面板进行“一键录播”，将课堂教学过程自动录制保存。录制过程中摄影机可根据教师位置及动作自主进行跟踪及切换，自动录制状态下，无需导播，且不影响和干扰教师授课进程。

远程互动教学系统可实现与校内外其他智慧教室互联，实现校内外一对一、一对多远程直播教学。也可通过第三方常用软件如腾讯会议、钉钉等实现与中小学、幼儿园录播教室及普通教室的互联，实现双向视、音频互动。师生足不出户便能观摩中小学、幼儿园课堂教学，也能与远程教室的教师和学生进行互动交流，从而满足师生远程见习、听评课、教研等需求。

四、智慧教室使用成效

经实践检验，以师生实际需求为出发点来设计和建设高校智慧教室，可操作性强，成效显著。智慧教室投入使用以来，师生体验好，教学效果佳，使用率居高不下，甚至成为“网红教室”，为提高本校知名度做出了贡献。

其使用成效具体包括：（1）切实提高了教师及各专业师范学生信息化教学能力，通过智慧教室的运用，师生能熟练掌握各种智能化教学设备的使用方法，同时促使师生掌握了技术支持下翻转课堂、PBL模式、TBL 模式等新型教学模式使用方法，学生到各级各类学校实习、就业时，能迅速适应其信息化教学环境，真正做到“来之能战，战之能胜”；（2）丰富了校本教学资源，教师通过录播系统，完成了多节课程实录视频拍摄。学生通过富媒体课件制作系统、混合现实系统开发制作了课件、微课、3D场景及模型等各类教学资源；（3）促进了本院师范生对中小学、幼儿园等各级各类学校的深入了解，通过远程交互系统，学生能进行远程“无打扰式”听课，从而观察到中小学、幼儿园的真实教学过程；（4）切实提高师范生动手实践能力，各专业学生通过课程资源制作、课程导播、虚拟仿真实验等过程，加深了对专业知识的理解，同时提高了实践水平。

五、结语

以师生需求为导向进行设计与建设的高校智慧教室具有针对性强、实用性好，能高度契合师生需求等特点，值得各高校借鉴。各类高校在建设时可根据使用对象的学科特点，以师生需求为导向，“反向设计”教室功能，并在使用过程中持续改进，以达到智慧教室使用效果最优化。同时也建议各高校设计建设智慧教室时，结合本校特色，在充分考虑师生需求外，也应将智慧教室建设与混合式教学改革、大数据技术应用、学校现有教学管理平台建设相结合，从而真正发挥智慧教室在高校教育教学中的作用，切实提高学校教学水平。