高校智慧外语实验室建设与应用

王瑞姝，王勃然，毛建瑞

（东北大学外国语学院，沈阳 110819）

0 引言

随着物联网、云计算、大数据、人工智能等信息技术的发展，实验室建设和发展迎来新变化、新机遇。2018年，教育部发布“新高教40 条”，明确提出“打造适应学生自主学习、自主管理、自主服务需求的智慧课堂、智慧实验室、智慧校园。大力推动互联网、大数据、人工智能、虚拟现实等现代技术在教学和管理中的应用［1］”。推进新兴信息技术与实验教学过程与实验室管理的深度融合，建设智慧化、物联化、可交叉的智慧实验室，充分聚合科技、教育、人才、资源等要素，实现智慧教学、智慧管理的赋能［2］，是高校全面提升人才培养质量的必然选择。

智慧外语实验室是高校外语实验教学的重要载体。建设智慧外语实验室能有效破除传统语音室功能障碍，推动外语实验教学理念和教学模式的创新变革，实现实验教学、实验室管理智能智慧化，为提升外语专业人才培养能力提供有力支撑。

1 高校智慧外语实验室建设现状

1.1 智慧外语实验室内涵分析

随着信息技术与实验室建设的融合应用，催生了智慧实验室新形态，推动了实验教学改革，但智慧外语实验室的建设研究仍处于探索起步阶段，与之相关联的研究文献相对较少。通过梳理相关文献发现，对智慧外语实验室的研究多集中于“探索建设”这一环节，即从技术或环境层面构建智慧外语实验室架构，其中，较为典型的是，认为智慧外语实验室是智慧教室与数字语言实验室的融合，建设智慧外语实验室要从“智慧教室”的概念出发，结合数字语言实验室的特点进行构建，如周永胜等［3］借鉴智慧教室“SMART”模型，从内容呈现、环境管理等维度，论述智慧语言实验室建设思路及典型系统架构；常伟［4］结合“资源获取”这一智慧教室特征，从“搭建智慧语言实验室数据获取模式”的基本原理出发，讨论了智慧语言实验室的建设实施方案。部分学者也从其他角度进行了研究，如黎秋艳等［5］提出教、学、管、考一体化建设理念，依托校园云网络环境，构建综合软件平台，实现智慧外语教学、智慧自主学习等一体化建设目标。

综合研究文献认为，智慧外语实验室是利用物联网和云计算、人工智能、虚拟现实等信息技术，构建的集智能、安全、高效、开放等优势于一体的新型实验环境［6］，是为外语实验教学提供智慧环境支撑的现实空间和虚拟空间的总和。本文在构建一体化智慧外语环境基础上，以学校建设实践为例，进行延伸研究，设计循环优化的外语实验教学模式，并分析实验室运行效果，实现实验室对实验教学的良好支撑和应用。

1.2 外语实验室建设存在的问题

因外语实验室属于偏文科类实验室，其与新兴信息技术的关联和融合相对偏弱，实验室建设仍存在一些亟待解决的问题。①缺乏顶层设计，没有对智慧外语实验室建设进行系统性思考和规划，建设中存在“缺一补一”“突击”式发展问题，导致出现利用效果不佳等情况；②功能相对欠缺，训练模式仍停留在进行简单的视听说练习，教学理念、模式及方法不适应信息技术的快速发展，且无法监测学生学习效果；③实验室仍以独立的计算机运行为主，不同课程需安装不同的实验教学软件，各系统融合度不高，相互之间获取数据不畅，日常运行维护相对繁杂；④多数高校的外语专业智慧化教学配套设备设施仍相对滞后，未构建有效的信息反馈与交流平台［6］，教师与学生的沟通互动受阻，一定程度上影响了实验教学效果的持续提升。综上，随着信息技术的飞速发展，高校外语实验室建设在信息化建设中取得了一定成效，但技术及功能层面仍存在一定滞后，与新时代教学要求不相适应，不能有效地支撑智慧化的教与学。因此，架构智慧外语实验室，创建新型实验教学环境，以此支撑智慧实验教学已成为必然选择。

2 智慧外语实验室的架构设计

2.1 建设思路

（1）坚持整体性设计、一体化建设。现代系统理论认为，系统是由若干要素以一定结构形式联结构成具有某种功能的有机整体，研究问题时，要从整体上认识系统，从分析系统的组成和协调要素关系上使系统达到最优状态［7］。系统论启示，将实验室建设视为一个系统，做好顶层设计，在满足“教-学-练-创-考-评”等多功能需求基础上，进行系统规划、一体化设计，注重环境系统，硬件、软件系统等各要素间的协调与配合，实现智慧外语实验室建设及实施最优化；各系统选用要在符合相关技术标准基础上，有针对性地选择兼容性、扩展性良好的系统，实现互联互通，同时为未来功能扩展留有余地［8］。

（2）坚持舒适性原则，构建智慧空间环境。舒适化是人性化服务的具体体现。智慧外语实验室建设要充分考虑舒适化要求，进一步优化基础装修环境，如在墙面设计、灯光、吸音等方面进行细致考量；增强布局的灵活性，结合教学实际，配置可移动桌椅，灵活组合多边形、圆形、U形等多种形式布局［9］，为师生营造健康、美观、舒适的教学及实验环境，使他们能够更好地参与智慧教与学。

（3）坚持“实用适用”原则，构建智慧系统平台。智慧软件系统建设是智慧外语实验室建设的主要方面，是赋能智慧实验教学的关键要素。应考虑外语实验教学全过程对智慧软件平台需求的实用适用性，通过建设教学平台、辅助教学平台等，搭载各类教学软件，拓展音视频教学资源，为教师创造智慧教学软环境，为学生创造体验式、情境化的听说训练环境，保障学生能实时听、看、读外语教学资源，激发主动学习兴趣，提升学习效率，更好地理解和应用语言。

2.2 智慧外语实验室建设模型及架构

充分利用物联网、大数据、人工智能、云网络等技术，构建集资源、软件、硬件于一体的“云端-软件端-硬件端”层级架构体系［10］，实现外语实验室信息化语言教学、协作式教学、自主学习等多种功能，满足智慧化教学需求。智慧外语实验室建设架构主要由智慧化硬件设备、智慧化软件平台、云平台、一室多用的物理空间、信息共享的虚拟空间组成，如图1 所示。

图1 “三端两间”智慧外语实验室模型及架构

（1）智慧化硬件设备。智慧化硬件设备是智慧外语实验室建设的基础，通过一体化设计智慧型媒体呈现设备、学习情境捕捉设备和环境感知调节设备，形成以智慧录播设备、智慧监测设备、智慧终端设备为主的硬件设备体系，为语言学习活动提供舒适和谐的环境。智慧化硬件设备布局如图2 所示。

图2 智慧化硬件设备布局图

（2）智慧化软件平台。在智慧化硬件设备的基础上，应用人工智能技术，一体化设计软件系统，建设集辅助、专业化教学、自主学习为一体的软件平台，实现涵盖课前、课中、课后实验教学全过程的智慧化，为实现教学功能多样化、资源获取及共享智慧化、及时互动智慧化提供重要支撑。

（3）云平台。在云网络技术的支撑下，教师通过远程同步课堂，将屏幕分享给其他学校或邀请其他学校加入课堂，实现优质教学资源共享，并通过课堂直播进行线上教学，丰富教学模式，学生通过课堂点播、家庭网络课堂可随时随地进行自主学习，最大化利用教学资源，切实提升外语水平。

（4）一室多用的物理空间。进一步优化现有外语实验室基础装修和空间布局，配置可灵活组合的八角桌，根据需要对桌椅进行拆分、拼接、移动，开展讲授辅导、小组讨论、互动教学等，增强空间的灵活性，增强与智慧化软件、云平台的协作配合，可实现语言实验室、云网络教室、协作式教学室、仿真实训室等多种功能，满足不同教学形式需求。

（5）信息共享的虚拟空间。智慧外语实验室通过智慧化硬件设备、智慧化软件、云平台将实验教学全过程数据进行采集、整合、存储、分析［11］，通过标准的数据接口将信息共享给有需要的部门，实现信息数据统一管理、资源与服务按需分配。

3 智慧外语实验室建设实施

3.1 智慧化硬件设备

智慧外语实验室的硬件设备包括智慧主机、摄像头、移动黑板等智慧录播设备，温湿度、光照、烟感等智慧监测设备，以及电脑、显示屏、耳机等智慧终端设备，经一体化设计形成整体硬件设备系统，为智慧实验环境建设提供硬件支撑。

（1）智慧录播设备。为充分保留课堂实境，保障录播画面内容与教师讲课内容相匹配，智慧录播设备利用AI识别技术，通过摄像头自动采集板书、电脑画面、教师全景、教师特写、学生全景及学生特写等6 路视频，并取3 个画面合成专业化精品课堂画面，形成录播视频，丰富网络学习资源。

（2）智慧监测设备。舒适的学习环境可以让学生身心愉悦，全身心投入学习，提升学习效率［5］。智慧实验室在硬件布置时，将基础环境监测作为一个重要考虑因素，安装了灯光控制器、温湿度监测仪、光照仪、新风面板等监测传感设备［12］，实现自动获取实验室的实时状态，通过中央控制系统对环境进行调控，使环境舒适利于学习。

（3）智慧终端设备。通过建设电脑、耳机等固定终端设备，手机、平板电脑等移动终端设备，保障用户可随时随地登录智慧实验室系统，进行教学活动和移动端听课、自主学习、教室预约等学习活动。在此基础上，增加课堂交互设计，配置6 块小组讨论的电脑大屏，通过灵活组合桌椅，实现多屏多终端全向互动，丰富教学模式。

3.2 智慧化软件平台

（1）辅助教学平台。辅助教学平台是利用人工智能识别技术和多媒体手段，搭建的主要针对课前、课中两个阶段的辅助教学平台，可实现对学生预习情况数据精准掌握，便于开展精准教学，还可实现对教学形式的扩展，激发学生兴趣，提高教学质量。①课前预习软件。课前预习既可以帮助学生找出薄弱点，又可以为教师讲课重点提供重要支撑。学生通过提前熟悉课件，对课件涉及的知识点进行重难点标注、跟读、复听、口语发音、听写等训练，找出重点、难点的知识点，上课有针对性听讲；教师根据软件自动统计的课件标注情况和训练结果，课上针对学生预习情况重点教学，有效提高课堂质量。②多媒体辅助教学软件。在硬件设备建设时，安装了多样化的多媒体设备，在此基础上搭建多媒体辅助教学软件，可以最大化利用多媒体设备，丰富课堂形式，增加师生互动，提升教学效果。多媒体辅助教学软件功能见表1。

表1 多媒体辅助教学软件功能

（2）教学软件平台。教学软件平台是智慧实验室架构的核心软件平台，涵盖了各种教学资源、各个教学要素和教学环节［13］，为多元化教学模式提供智慧化教学手段、协作互动工具和专业化教学软件，保障教学过程整体优化，高效达成课程目标。①智能化教学软件。智能化教学软件是帮助教师解决传统教学中的难点问题，实现精准教学的重要软件［14］，通过利用人工智能识别技术，可以使教师摆脱对电子教材的依赖，上传任意形式课件［15］，自动识别知识点，还可以进行听、说、读、写等多种形式的训练测试，自动分析训练测试结果，使教学过程更加智慧化，具体功能见表2。②协作式教学软件。转变传统教学模式，采用“大班上课，小班教学”的模式，通过协作式教学软件，可将学生分为若干小组进行命题写作、仿写、翻译，写作过程中学生可以语音、文字交流，写作结果可以小组互评、系统智能评测，使学生充分参与到教学过程中，由被动输入转为主动输出，提升学习积极性和学习质量。③口译教学软件。为提高学生的口译水平，培养符合社会需求的专业人才，软件系统专门配置了口译教学软件，具有丰富的资源库、高度仿真的现实环境以及多种训练模式。紧跟时事热点，利用多媒体网络手段，建立系统的实时更新的口译教学资料库，丰富教学内容［15］；利用异步传输技术，保障音视频高清晰、高保真，通过模拟干扰音、变速设置，高度模拟现实环境；通过影子训练、短期记忆训练等多种训练模式，提升学生同声传译、交替传译等核心专业技能。

表2 智能化教学软件功能

（3）自主学习平台。自主学习平台拥有丰富的网络资源库和过关训练软件，可以让不同外语水平的学生利用课余时间进行自主学习，提升外语能力，也可以让教师随时掌握学生学习情况，对学生进行精准辅导。①自主学习软件。学生利用自主时间进行学习是提升自身外语水平的一种重要手段，可以充分发挥自身主观能动性。自主学习软件搭建含课件、音频、视频等资料的资源库，配置听力、阅读、写作等过关训练，学生根据自身学习需要自由选取相关资料、进行相应等级的训练，切实提升薄弱环节，提高学生外语水平。②自习辅导软件。教师通过自习辅导软件可以精准的掌握每个学生自主学习的具体情况和班级的总体情况，如表3 所示。

表3 自习辅导软件功能

4 智慧外语实验室应用与效果分析

4.1 智慧外语实验室建设与应用情况

近年来，我校外语实验室按照系统规划、一体设计、分步推进的总体思路，以建设满足外语实验教学需求的“智能化、开放性、可扩展”的智慧实验室为目标，在原语音室基础上，采用软、硬件相融合的模块化设计理念，目前已基本构建了以智慧空间及智慧硬件设备为基础，以教学软件平台为核心，涵盖智慧辅学、自主学习等平台的一体化实验教学环境，承担了通用、专用外语实验教学，实践训练等多方面工作，发挥了至关重要的作用。

4.2 循环优化的智慧实验教学模式设计

依托智慧外语实验室，以理工科实验的教学形式，以各个实验项目为基本单元，打破以教师为中心的教学方式，通过语言实验的形式为学生创造情境化的外语实验教学环境，构建了“课前学情分析—实验设计—课中情境构建—实验实施—课后综合评价—教学反馈—导学内容再设计”的循环优化的智慧实验教学模式（见图3），实现了学生由“填鸭式”向主动学习的转变。

图3 循环优化的智慧实验教学流程

（1）课前准备阶段。教师根据学生实际准备预习素材。以英语听说实验项目为例，课前教师对上课学生的整体英语水平进行分析，并根据考察结果、教学目标及听说任务，选取、准备试听练习素材，提前上传至教学软件平台；学生进行课前预习，发现问题，为课堂上完成听说任务做好准备。课前准备阶段，教师应进行实验教学设计，以餐厅点餐情景模拟实验项目为例，让学生熟练使用餐厅选择、服务员、就餐者的常用对话句式等，同时明确评价标准，做好语言实验具体实施的各环节准备工作。对于已多次开展的实验项目，还应根据上次实验结果的教学反馈和教学要求进一步优化实验内容。

（2）课堂教学阶段。教师将视听说等方面教学内容进行剖析，在实验平台导入实验项目，讲解实验任务要求，进行典型案例演示，为学生创造真实语言情境。学生从语言实验平台获取听说训练任务，根据实验要求开展听说综合技能训练，完成语言实验过程，并将实验脚本、实验要求的音视频录像文件提交至教学平台。教师可结合课堂示例，依托智能终端设备及辅助教学平台引导学生在语言训练中保持与同学、老师之间的合作、互动与交流，使学生在互动交流中深入思考、把握听说要点、习得经验。

（3）评价与反馈阶段。学生完成听说训练任务后，在教学平台提交实验内容，并对实验内容进行客观自评，之后其他同学、教师对该实验内容进行评价。教学平台分析、权衡后给出综合评价结果；之后教师通过系统查询所有学生的综合评价结果，以及课后学生自学情况，依此衡量实验教学设计是否合理，实验项目训练是否有效等教学情况，并将这些反馈信息迭代到下次的教学设计中，调整设计思路及项目内容，实现实验教学全过程的循环优化，促进实验教学效果的“螺旋式”提升［16］。

4.3 智慧外语实验室应用效果分析

为检验智慧外语实验室运行效果，选取大二、大三英语专业的10 个实验项目，采取专家评审、问卷调查、访谈等形式对实验室进行应用实践分析。

（1）专家评价。邀请7 名专家（其中，外语专业教师3 人、本科教学督导员2 人，实验人员1 人、信网办信息技术专家1 人）对智慧外语实验环境、智慧教学平台及各类实验教学软件进行评价。外语专业教师、本科教学督导员及实验人员采取跟踪听课形式，重点考察教师教学、师生互动、系统运行、学生使用等情况；信息技术专家通过听取建设情况汇报、试用信息系统等，重点对智慧教学系统及各类软件进行评价，填写“智慧外语实验室专家评价表”。评价表采用李克特5级量表法，非常同意、同意、不确定、不同意、非常不同意分别计5、4、3、2、1 分。专家评价结果见表4。专家对智慧外语实验室整体评价为：①对整体实验环境给予充分肯定，认为一体化建设的实验教学环境，具备安全及可延展性，能够满足教学实验、学生训练等多种教学活动需要；②对于软件系统的可操作性，专家认为智慧教学平台、教学软件等均选取具备顶尖技术的同一厂家系列产品，系统间运行流畅，功能兼容性好；③对实验过程及效果评价，通过教学实验平台，教师能精确掌握和诊断学生的学习动态，反思、及时调整教学行为，师生、生生间互动性更强，实验教学效果显著提升。

表4 专家对智慧外语实验室评价结果

（2）学生评价。向外国语学院大二、大三两个年级共174 名学生发放了“智慧外语实验室应用评价及满意度调查问卷”，并与部分学生面对面访谈，内容涉及空间满意度、软件系统使用、学习效果［17］等方面，回收问卷160 份。调查结果显示，超96%学生认为智慧外语实验室环境协调，空间体验感良好，对智慧实验空间满意度较高；软件系统使用方面，超95%学生对软件系统的使用整体评价较高，认为智慧实验平台及各类专业软件很实用，且衔接流畅，操作简单；学生学习效果方面，超93%学生认为实验教学情境创设更加逼真，课堂互动性更强，自主学习及听说训练针对性更强，学习积极性更高，能够取得更好的学习效果。学生访谈结论也显示，相较于传统语音室，智慧外语实验室更能满足全过程、多样化、自主化的教学需求，学生能更好地参与课堂教学任务，关注自身不足，更易于外语知识的获取及技能提升。学生调查问卷统计结果见表5。

表5 智慧外语实验室应用评价及满意度调查问卷

5 结语

智慧外语实验室作为一种新形态，既是技术的升级换代，更重要的是为智慧教学、智慧实验提供了智慧空间及载体，优化了实验教学的流程、体系和方式，加强了外语技能训练、促进了自主学习。我校将物联网、云计算、大数据和人工智能等信息技术与实验教学有机融合，探索并架构了智慧外语实验室，构建了智慧化外语实验教学及智能化管理环境，并依托设计智慧实验教学模式，使课堂实验更具针对性，教学效果明显提升。智慧外语实验室建设是一项长期的系统工程，未来，我校将随着外语学科发展、人才培养需求的变化以及技术的发展，进一步拓展、完善语言实验室建设，深入探索如何更有效支撑实验教学质量提升，以智慧环境及管理赋能智慧实验教学，切实促进外语专业复合型创新人才的培养。