高校智慧教学环境建设研究与实践

文｜陆冷飞 唐伟方

教学环境是教学活动开展的场所，新时期构建基于人工智能、大数据、物联网等最新技术的智慧教学环境已成为时代发展和教育教学改革的内在需求。文章构建了高校智慧教学环境建设模型，包括智慧教室、智慧实验室以及与其配套的统一的智慧教学云平台的功能设计，以中国药科大学智慧教学云平台支撑下的多类型智慧教学环境建设为例，给出了该模型的具体实践方案。

一、引言

高校进行人才培养模式改革，以推进课堂教学革命为着力点，而构建新型教学环境是实现教与学方式变革的基础，智慧教学环境是信息技术发展的必然结果，对教与学有着革命性影响。《教育信息化2.0 行动计划》提出构建一体化的“互联网+教育”大平台,大力推进智能教育，开展以学习者为中心的智能化教学支持环境建设，利用智能技术加快推动人才培养模式、教学方法改革，探索泛在、灵活、智能的教育教学新环境建设与应用模式。《教育部关于加快建设高水平本科教育全面提高人才培养能力的意见》强调要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，推动形成“互联网+高等教育”新形态。未来是新兴技术与教育教学深度融合创新的变革时代，各国高等教育正面临巨大的挑战与变革压力，疫情更是加速了这些趋势的到来。因此，构建新型智慧教学环境是时代发展和教育改革的内在需求，是高等教育领域实现新技术与教育高度融合，促进智慧教育实现的有力支撑。

二、建设总体架构设计

智慧教学环境应该以先进的教学理念为指导，紧跟时代要求，以学生为中心，围绕支持学生的学为主体来进行设计。从空间环境设计、技术环境设计等方面构建和谐统一的整体设计方案，以支持学校教学模式改革，实现学习空间的智能化、可重构性和无限延伸性。智慧教学环境建设总体框架设计如图所示。

图 智慧教学环境建设架构

基础层。基础层分两部分。第一部分为教室、实验室等教学环境中的硬件设施，包括物理环境的装修、活动桌椅、传感器设施、摄像头等；第二部分为网络及服务器部分，包括教学专网、服务器集群等。基础层是智慧教学环境建设的基础工程，能确保教学环境舒适、空间灵活组合、教学活动顺畅开展、全过程数据自动记录可靠与安全。

服务层。服务层主要是基于基础设施利用云计算、大数据，视频结构化技术、学习分析技术、行为分析技术等数据挖掘技术为应用层的智慧教室、智慧实验室、智慧评价、智慧管理等提供支撑和综合技术服务。

应用层。依托基础层、服务层建设智慧教学环境相关的各类应用系统，包括智慧教室、智慧实验室、综合智慧教学云平台等。应用层是智慧教学环境建设的核心，该层具体负责智慧教学相关的全部功能的实现，实现统一的教学资源、活动、评价、管理等数据的采集、分析与呈现，以及各项管理流程的信息化。

终端层。终端层是指用户（教师、学生、督导、领导等）层面使用的多类型终端，包括电脑、手机、平板等，是用户与智慧教学环境进行交互的关键一环，其友好性决定了智慧教学环境的人性化与用户黏性。

三、建设实践

中国药科大学智慧教学环境建设最早起步于2012年的教室可视化录播系统建设，实现了所有教室的全自动视频直录播，属于国内建设起步较早的高校之一。随着信息技术的发展及智慧教室建设的兴起，根据智慧教室建设的新理念、国内外高校建设的成功经验，结合教学及管理实际需求，学校于2017年开始第一期的智慧教室改造，共建成23间智慧教室，2019年第二期建成31间智慧教室，同年智慧实验室一期建成25间，2022年第三期建成37间智慧教室，并以智慧教室、智慧实验室为载体，开发建设了一体化的智慧教学云平台。

（一）智慧教室

智慧教室是以现代教育思想为指导，以新一代信息技术为支撑，对教室空间进行整体设计，集多屏显示、智能管控、直录播、协作互动等功能为一体，对教学过程的各种信息与情境进行感知、记录、分析，支持多种教与学的新型课堂教学环境，它是物理环境与网络虚拟环境高度融合应用于课堂教学的场所，是现代化软硬件技术的合理应用及其与教学深度融合应用的综合体；通过桌椅重组、线上线下结合等形式实现学习空间的灵活重构与无限延伸；通过先进智能设备与数据挖掘算法实现教与学活动的全自动感知、记录、分析和决策；实现了人、技术、资源和环境的高度耦合，是智慧教学开展的主要场地和载体。中国药科大学打造了多种类型智慧教室。

1．高端多屏研讨型

通过高端的装修环境和信息化设备营造能满足多个小组同时研讨、展示的探究式教学环境。它配备8块互动展示屏幕（含教师屏2块，学生屏6块）、可灵活变形的梯形活动桌椅、智能灯光窗帘控制、吸音墙面、互动课堂软件、智慧电子板书系统、无线投屏系统等。集中授课时能清晰看到教学内容，分组研讨时各组学生能够单独演示并同步多个屏幕，可实现无感知考勤、分组合作学习、双屏对比教学、电子无线板书、课堂互动、学生评教等。

2．演讲报告厅型

为中小型学术报告、活动演讲等教学活动提供一个高端舒适的场所。它配备一块大型的LED高清大屏幕、演讲式讲台、主席台、电子白板、智能灯光控制、吸音墙面、高级音响系统、高级折叠桌椅、无线投屏系统等。可实现大屏幕高清展示、多终端无线投屏、智能书写显示、互动教学等，适合学术报告、演讲、观摩等多种应用模式。

3．学术交流型

该类型教室改变了常规的讲台在教室前方的布局，将讲台从教师前方转移到长边一侧，以讲台为圆心，采用环形座位的布局设计，配备高端实木固定弧形桌及活动椅子，吸音墙面装修、三块大屏幕智能一体机、演讲讲台等。该教室的设计目标是为了拉近教师与学生之间的直线距离，通过座位布局使每排学生到教师的距离相等，有利于师生开展自由的学术交流和互动。

4．微课制作室

为全校教师提供一个全自动录制微课视频的场所，配备广播级摄像机、自动抠像设备、虚拟场景系统及智能灯光环境、提词器、互动大屏，多屏监控显示，教师面对摄像头能够观察自己讲课的仪态仪表，讲课效果等。集老师自主练习讲课、微课制作于一体，具有智能感知、3D虚拟场景、虚拟抠像等功能，能轻松制作高质量的三维虚拟微课视频，同时还可在线网络直播。

5．灵活多变PBL型

打破传统的固定桌椅布局，更换成可移动、拼接的活动桌椅，适应不同规模下的智慧教学。配备智能一体机大屏幕、互动教学平台、教室前后均配备玻璃白板供板书，教室墙面、桌椅色彩风格搭配多种多样，以满足不同学科各种类型的PBL、研讨式、探究式等教学模式需要。

（二）智慧实验室

智慧实验室是以物联网技术为核心，实现实验室的智能化、安全化、可视化管理，资源的互联，人员的互动协作，以及开放实验室的设备、教学、科研资源的高度信息共享。根据学校实验教学实际，结合视频、大数据技术，实现实验教学的演示、记录，传输，互动和过程性评价，为教师、学生、管理人员提供统一的信息化硬件环境及软件平台。

1．高清示教

受实验室空间限制，教学时容纳观摩人数有限，教师往往需要分组给学生多次重复演示。通过在讲台、实验台安装高清摄像头及显示屏幕，实现教师的演示操作高清直播与录制，学生可在实验桌前实时观摩，课后观看录制视频回顾学习。学生操作也可直播和录制，教师可将任何实验组的操作投到大屏进行讲解和点评，课后学生上传实验报告，教师进行批改时查看学生操作视频，做到实验报告与现场操作同时展现，使实验过程性评价更加直观和合理。所有教师的教学演示视频以及学生的实验现场视频均存储在云录播资源平台，作为教与学评价的依据。同时还配备有智慧板书、交互大屏、互动教学、过程性评教等设备和平台，实现智慧实验教学。

2．实验室管理

对接教务实验课表，将实验项目、学生分组进行编排，实现实验教学管理过程全信息化。药学实验室的特殊性，对实验室安全及仪器设备管理的要求更高，通过建设专用网络，配备门禁系统、RFID、实验设备控制系统、防护对讲等实现实验室门禁、各类设备、大型仪器的一体化智能管理，以及实验设备设施使用的时间与过程数据的采集等，同时配备监控探头、温度、湿度、消防、空气质量智能传感器，实时监控实验室的设备、环境状况，出现异常可即时报警。

（三）智慧教学云平台

智慧教学环境建设的核心任务之一是基于智慧教室、智慧实验室等硬件环境建立适应学校教学实际的统一的智慧教学云平台，该平台是将最新信息技术、硬件设施与课堂教学深度融合的关键，是开展智慧教学的线上主要阵地。智慧教学云平台的目标是为高校教师、学生、质量监督者、教学管理者四种角色提供人性化的教学与管理服务；为课程教学中的课前、课中、课后、结课分析四个阶段提供全过程的流程支持、数据记录与统计分析；为教学实现教学资源共享、教师与学生的科学评价、师生良性互动、学生精准学业帮扶四种功能。包含以下几个子平台。

1．课程中心

课程中心是学校线上课程资源建设的集中展示门户。该平台提供课程资源建设后台及学校课程建设展示门户，为学校MOOC、SPOC、精品共享课、金课等提供对外展示平台。平台提供以学科门类、开设专业、课程群、开课单位等分类、搜索方式，每门课程的门户与云课堂平台打通，可汇聚展示该门课程在每学期的教学班级实际教学过程与成果情况。

2．云课堂平台

云课堂平台是师生开展日常课堂教学活动的互动工具，与课程中心的区别在于，它是利用课程中心的资源进行具体教学实施与应用层面的平台，而课程平台是课程资源建设及展示的平台。该平台以学期为单位，按课表中的教学班进行组织教学活动。该平台的功能贯穿课堂教学课前、课中、课后、结课分析的全过程，课前任课教师布置预习任务、资料发布、疑难解答、学情分析；课中师生之间进行实时互动、合作学习、研究性学习等；课后进行课后作业、个性化辅导、测试、学习调查等；结课分析是系统根据该课程教学过程中师生的活动记录，结合学生期末考试成绩，对整门课程进行教学质量分析，形成该门课程学期教学质量报告。该平台采集的教学过程性数据是教学大数据的主要来源，也是金课评价的重要数据支撑。

3．云录播资源平台

云录播资源平台是通过建设教学专网，为教室（含实验室）安装摄像头、录播中控、蓝牙扩声等相关设备，实现每个教室（实验室）的直播和录播功能，每个教室分别含三路视频（教师、学生、电脑）。该平台直接与教务课表实时对接，对教学活动进行全程直播与录制，因疫情不能返校学生在线同步学习，管理部门（校领导、教务处、校督导、同行专家）可通过网络观看教学直播、评价等。同时通过AI技术，实现教室前排就座率、到课率等的分析和统计，并支持对优质课堂教学视频进行处理，转入课程中心，或转入云课堂平台作为学生重修的课程资源。

4．评价中心

评价中心分为两大部分，一部分为教师教学评价，实现各主体（督导、领导、同行、学生、教师）的评教，支持指标分类设定，各主体可通过电脑端、手机端进行评价打分。重点支持课堂教学过程性评教，根据管理部门设置的指标及评教频率，系统按课表上课周次自动向学生发起评教活动，老师也可对学生发送评教问卷；另一部分为学生学习评价，主要是汇集云课堂平台中课堂教学活动采集的学习过程数据进行挖掘分析，得出分析报告及学生学习成果，同时学生的学习成果也作为教师教学质量和教学能力评价的重要客观依据。

5．管理服务中心

管理服务中心提供常用查询、教室及实验室设施维护等服务。包括电子班牌提供上课信息；查询终端提供教室占用情况；教学驾驶舱提供实时课程教学数据统计与图表化展示；教师培训提供项目、课程发布、预约、学分统计、培训总结等；学业支持提供学业分级预警，记录预警措施，分析预警学生的发展变化等，为学业辅导课程、个性化咨询等提供发布、预约和管理的渠道；设备与运维保障模块为智慧教室内的设备管理部门提供故障自动预警并记录、报修及管理等功能。

四、展望

中国药科大学开展的智慧教学环境建设实践为各高校提供了参考，今后学校将在以往建设经验以及教学应用反馈的基础上继续开展智慧教室、智慧实验室、智慧教学云平台的建设。智慧教学环境是高校一流课程建设过程中进行智慧教学改革的关键基础设施，推动高等教育新理念落地，实现新技术、新平台支撑下的新课堂教学，为学校探究式教学、案例教学、翻转课堂、合作学习等教学模式改革提供了软硬件环境的支撑，是一流课程实现的重要保障。然而智慧教学环境只是为信息技术与课堂教学深度融合、实现教学质量提高提供了技术支持，在智慧教学环境里上课，不一定就实现了智慧教学。各高校要重视智慧教学环境的建设，更应重视智慧教学环境的教学应用，未来，高校教师如何利用智慧教学环境来进行新的教学模式的改革；如何切实提高学生培养目标的达成度；如何利用智慧教学云平台中沉淀的数据进行大数据挖掘，为教师教学、学生的个性化学习、学校的智慧教学管理、人才培养方案的改革提供有力的数据与决策支持等，将成为高校智慧教学环境应用研究的重要方向。