陈欣然

摘 要智慧教室是混合式教学模式改革中伴随的学校学习环境变革的重要支撑，随着信息技术的发展，智慧教室的构建从理论，到技术，到应用都越来越成熟。本文从智慧教室的构建原则、构建内容、构建技术和未来研究趋势等方面进行了闡述，为学校，特别是高校构建智慧教室提出了思路。

【关键词】智慧教室 混合式教学 物联网 云计算 大数据分析

在《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）》的指导下，我国教育界一直不断探索推进信息技术对教育发展的革命性影响，利用先进的信息技术及相关设备，改善教学条件和方法，从学生创新思维提升、知识技能增强和综合素质提高等方面培养人才，都是当代教育发展的重要目标。在这个背景下，智慧教室建设成为越来越多学校讨论的一个问题，如何利用信息化理念和信息技术，打造高水平、高智能化和高实用性的教室，对学校的教学环境进行优化与重构，从而提升教学效果，已经成为了当代教育技术研究的一个重点课题。

国外关于智慧教室的研究最早起源于1988年，由罗纳德·雷西尼奥提出的“Smart-Classroom”（Rescigno，R.C，1988）。国外对智慧教室的早期研究多集中于智慧教室建设的技术、硬件设备的效能等问题，近年来则从智慧教室的功能上进行研究，并有多个实施案例。国内对于智慧教室的研究则多集中于理论探讨，实践案例较少，而且实践案例大多集中于中小学智慧教室的建设，很少涉足大学的智慧教室建设问题。近年来，随着“混合式教学”、“翻转课堂”等教学模式在大学的应用，笔者认为，大学对智慧教室的需求比中小学更加迫切。本文从智慧教室的构建原则、构建内容、构建技术和未来研究趋势等方面进行了阐述，为学校，特别是高校构建智慧教室提出了思路。

1 智慧教室构建原则

当年，罗纳德·雷西尼奥提出的“Smart-Classroom”是一个在传统教室嵌入个人电脑、交互式光盘视频节目、闭路电视、VHS程序、卫星链接、本地区域网络和电话调至解调器的教室。随着技术的发展，如今的智慧教室的含义已经演变为对学习环境的一种界定，笔者认为，智慧教室是借助云计算技术、物联网技术、大数据技术、虚拟现实技术和人工智能技术，建设的一种软硬件结合的智慧学习空间，其核心是打造师生互动教学环境，贯彻“以学生为中心”的教学理念，推动混合式教学、翻转课堂等新型教学模式改革，最终目的依然是激发学生的学习兴趣，提高教学质量。智慧教室不仅仅包括硬件环境的打造，也应该包括学习资源的建设。

构建智慧教室是当代学生对学习环境发展的新诉求，是实现教学模式改革的支撑条件。智慧教室的构建应该有机融合科学技术与教育发展，考虑以下构建原则：

1.1 功能完整性

当今的智慧教室涵盖了普通授课、录播直播、智能控制、多屏互动、虚拟现实教学、智能控制等多个功能。国内智慧教室的研究总结出了SMART模型，即从内容呈现（Showing）、环境管理（Manageable）、资源获取（Accessible）、及时互动（Real-time Interactive）、情境感知（Testing）等五个维度建设智慧教室。

1.2 标准化和规范性

智慧教室会引入各种教学资源，计算机、平板、互动一体机等各种教学设备需要无缝接入，这就要求智慧课室所有软硬件产品均需要遵照国际或国家相关标准和规范，同时考虑到智慧教室信息资源的充分共享，还应考虑信息的安全性和隔离措施。

1.3 可管理性和可维护性

为了便于智慧教室的日常运行维护和管理，在构建时就应该考虑到良好的可管理性和可维护性。智慧教室中的所有软硬件系统必须具备安装简便、调试简单、维护简单和使用简便的特性，最大程度的保证授课的使用效率，优化教学效果。

2 智慧教室构建内容

智慧教室在设计时应该围绕教学服务、师生发展服务等方面，设计包括环境设计和功能模块设计两个方面。

2.1 环境设计

智慧教室在环境设计上要求充分考虑教师在课堂教学活动中与学生的互动环节，完美体现“以学生为中心”的教学理念，给学生自主支配的课堂时间和空间，最大限度地激活学生的智慧、思维和潜能。因此，在环境设计中需要考虑活动课桌椅以及环境智能控制两个方面。活动的课桌椅可以根据教学需要随时拼成常规教室或讨论小组的研讨教室形式，另外，还需要考虑多个研讨小组同时研讨时需要配置多个交互终端，如平板、触摸式一体机或白板等设备，供每个研讨小组各自浏览教学资源或开展相应的讨论；在环境智能控制中，需要从课室的易管理性和易用性出发，从对课室所有软硬件设备的集中管理、门禁系统的智能管控、教室环境的智能管控（包括空调、灯光、音量等的一键式管控）以及与身份认证系统的对接等方面考虑。最终实现课室设备精细化控制，满足高效、灵活、有序的课室设备集中管理，保证不同用户有不同的设备控制权限，具备课室的多媒体设备控制授权。

2.2 功能模块设计

2.2.1 课程录播系统

智慧教室需要实现课堂直播和教学过程录播的功能，因此在设计时需要同时考虑直播和录播两种方式。在常规课室中，学生都是规则面对老师而坐，因此录播和直播的实现方式均比较简单，在智慧教室中，学生的座位随时都有可能调整，因此需要考虑多机位建设，在课室中建设多个标准机位，常态化录制，可以完成课堂的全过程实况拍摄，无需人工投入即可直播和录播。直播录播模块采用高清录播系统，由视频采集系统、音频采集与处理系统、跟踪系统和导播系统组成。建设时考虑采用图像识别跟踪技术，师生无须佩戴任何设备，可以按照授课逻辑自主对老师行为、学生行为、电脑画面进行跟踪拍摄，并自动制成优质的教学视频，真实记录整个教学过程，给视频观看者置身真实授课现场的完美体验。

2.2.2 多屏互动教学系统

为了满足课堂小组研讨式教学的需求，智慧教室需要构建多屏互动教学系统。采用多台触摸式一体机，将教学内容投放到多个教学屏幕上，使坐在不同方位、不同角度的学生能够清晰地观看到教学内容；而在小组研讨时，则每一台触摸式一体机针对一个小组，为小组内部的讨论和演示服务。

2.2.3 智慧教室软件系统

智慧教室软件系统的设计应充分考虑各种新型教学模式的特点，特别是混合教学和小组讨论式学习的特点，将课前、课中和课后的需求一体化考虑，建设智能备课系统、智能讲课系统和电子书包系统等软件系统，为智慧教室教与学提供服务。智能备课系统应考虑动态性、开放型和灵活性的原则，改变传统的备课系统中基于顺序结构的流程设计，能够根据学生的学习情况实时调整授课顺序，改变授课内容，而且还可以在课前将学习资源和学习效果分发给学生，让学生能在课前就获得学习的资源并测试学习效果；在智能讲课系统中，教师可以根据智能备课系统中获得的学生自测的结果进行智能化分组，根据不同组别学生的学习情况，有针对性地发送不同层次的内容和学习资源，开展个性化、差异化的教学。另外，通过智能讲课系统，辅助多屏互动教学设备，还可以随时开展各种小组讨论，将讨论过程记录下来，形成新的课程记录，并可以方便地进行讨论结果的展示或小组作业、作品的演示。第三，智能讲课系统还需要提供各种虚拟教具及特效工具，为教师提高教学效率和提供情景式教学服务；电子书包集成了电子教材、同步课堂、电子作业、在线测验、电子笔记、辅导答疑、在线资源、虚拟学习场景及协作工具等功能，可以作为学生的自主学习工具，按需學习并能实现随时随地泛在学习、精准学习。以上三者在设计时需要统一考虑，最好是能在一个大平台中包括三个子系统。

2.2.4 虚拟现实实训系统

2016年被公认为中国虚拟现实技术发展的元年，VR技术在全球的科研、教育、娱乐、建筑等各方面急速发展。在教育界，VR/AR技术能很好的解决教育资源供给与适应性服务能力不足等问题，在智慧教室的建设中融入VR/AR实训设备，将会大大提高课堂教学的效果，通过模拟实际世界，学生沉浸式学习，可以极大地提升学生的学习积极性。目前，大部分智慧教室中的虚拟现实应用主要集中在增强现实（AR）的应用中，将教材的内容做成AR资源，学生利用平板或手机在课堂上观看资源，进行学习，这种模式适用于对现实世界直观的认知式学习；未来的课堂将会大量采用虚拟现实（VR）和混合现实（MR）技术，将教学内容虚拟化，学生通过头盔、手柄等设备，在虚拟现实资源中进行实操，掌握实际的技能，这种模式更适用于需要掌握实操技能的课程学习。

2.2.5 智慧教室中的AI应用

近年来，阿尔法狗（AlphaGo）挑战人类职业围棋选手不断取得胜利，2017年更是战胜了数十位知名围棋高手，AI逐渐走入人们的视野。AI应用于教育也在教育界引起了多方关注，AI在辅导孩子学习、批改作业等方面都在探索从感知层次、构建知识层次到认知层次的应用。在智慧教室建设时，AI的应用可以考虑从教育大数据、物联感知、人机交互、生物特征识别、自适应学习等方面入手探索应用。例如，可以研究从教室直播中抓取学生的脸部反映，从而判断学生对所学知识点的掌握情况，从学生课堂上的随堂测验中分析教师的授课效果，人机交互进行课堂内容的深度学习，等等。

3 智慧教室构建技术

智慧教室的建设与信息技术的发展息息相关，国内外在研究智慧教室的建设时也大多以技术研究为重点，关注点大多在如何利用新兴技术创建教与学的环境，促进资源个性化呈现、教学交互多元化，实现学习者的学习和相关技能的提高上。智慧教室用到的技术涵盖了物联网、云计算、大数据、智能技术等一系列先进的IT技术。

3.1 物联网在智慧教室构建中的应用

物联网技术是将任何物品与互联网连起来，进行信息交换和通讯，达到智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的网络。物联网技术的发展，为智慧教室的建设带来了颠覆性的应用，是智慧教室真正实现“智慧”两字的基础。通过物联网实时感知学生的课堂教学活动状态，实时记录教学效果反馈，再进行智能处理，最终通过教学资源平台和移动学习平台向教师和学生推动有用的信息，以促进教与学的提高。例如，可以在智慧教室中利用RFID系统，用射频IC卡、手机、指纹、人脸等手段进行身份识别，解决课堂考勤的问题；通过教室里安装的摄像头，可以实时捕捉到学生移动的轨迹和各种动作，再辅以大数据分析，可以为教师的授课进度、教学内容提供指导，实现因材施教；还可以通过温湿度传感器或光敏仪等感知教室的温湿度和光线，对教室内的窗帘、灯光、空调等进行实时调控，为师生营造更加良好的教与学的环境，等等。

3.2 云计算在智慧教室构建中的应用

云计算是分布式计算、并行计算、网络存储、虚拟化、负载均衡等传统计算机和网络技术发展融合的产物，是近年来IT届讨论的热点之一。云计算在教育领域的应用大多集中在数据中心建设和数字校园统一门户建设中，应用于智慧教室的研究还出于初级阶段。在智慧教室建设中，云计算技术主要应用在以下几个方面：

3.2.1 “云”资源库

凭借云计算“超大规模”、“虚拟化”、“高可靠性”等特点，在智慧教室建设中被大量使用的网络教学平台、电子书包、电子教材等一系列教学资源平台广泛地被存储在云平台上。智慧教室中的电子化学习资源具有数据量大、数据类型多等特点，利用云平台，可以解决多种大量数据存储的问题，同时解决了教学资源跨平台访问、开放性和共享性的问题。

3.2.2 云桌面

传统教室需要为师生上课配置PC机，存在着维护量大、数据安全性不高等问题，智慧教室中采用瘦客户端+显示器的模式，所有的计算及资源均在云服务器上实现，每个师生只需按照各自的需要分配一个云桌面，作为终端显示教师的课件、视频等教学内容。云桌面的引入一方面可以解决过去传统教室电脑维护工作量繁重的问题，维护人员只需要维护云服务器即可，不再需要维护单个PC机；另一方面也解决了数据安全性的问题，传统教室的数据依靠U盘传递，滋生了很多的病毒，导致数据丢失或被黑客入侵获取等问题，云桌面的数据全部都存储在云服务器中，师生上课时只需要从服务器获取数据，不再需要U盘等介质传输数据，从而解决了数据安全性的问题。第三方面，云桌面还可以解决多终端的问题。云桌面可以让师生通过任何设备终端（普通PC机、平板、手机等）登录云服务器，使用自己的桌面资源，还可以实现个性化的学习。

3.2.3 云录播

智慧教室中重要的模块之一就是直播录播系统，传统的录播模式是采用分布式录播解决方案，存在着价格昂贵、后期合成编辑繁琐、一台录播主机无法实现多个机位同时全自动跟踪摄像等问题。云录播可以实现集中录制、分步录制，并支持多每天设备集中控制的功能；在录制过程中可以自动同步实现采集+处理+合成，不再需要后期合成编辑，将录播的工作量减到了极致；同时云录播还解决了视频传输和存储的统一管理问题。

3.3 大数据在智慧教室构建中的应用

大数据时代下的“智慧课堂”定义为：“以建构主义学习理论为依据，利用大数据、物联网、移动互联等新一代信息技术打造的智能、高效的课堂。”智慧课堂的核心——智慧教室中的大数据应用还是主要体现在大数据的分析上，利用大数据分析技术，可以对课前学习评价、课堂学习行为、课后作业等进行分析，实现对学习内容和资源的个性化推送，提高师生交流互动的效率，为混合式教学模式提供依据。例如，在课前预习中，大数据分析可以凭借对学生自测情况的分析为教师提供课堂教学活动轨迹的依据；在课堂教学中，教师可以对学生进行随堂测试，大数据分析系统可以自动实时分析出学生的学习效果，并对教学知识点的难易程度进行分析，为教师后续教学进度的调整提供依据；还有前文提到的通过摄像机自动识别学生课堂学习的行为，进行大数据分析，也可以甄别出学生的学习效果和知识点的难易程度等；对于课后作业、讨论等的大数据分析，则可以为个性化辅导和个性化学习提供有力佐证。

3.4 智能技术在智慧教室构建中的应用

近年来，人工智能在教育领域中的应用也被越来越多的学者所关注，目前大部分人工智能在智慧教育中的应用集中在感知层次，例如人工智能辅导学生学习、和用户进行一些简单的对话等。未来，人工智能在教育领域，特别是智慧教室建设中，将在构建知识层次和认知层次展开研究，例如利用人工神经网络的自学习功能实现深度学习和个性化自主学习，通过行为、情绪、语言等感知结果构建学习内容和方式，等等。可以预见，人工智能在智慧教室中的应用将是未来的发展趋势。

4 智慧教室构建未来研究趋势

随着IT技术软硬件的发展，智慧教室必将成为未来教育环境改革的趋势，无论是在智慧教室构建技术，还是在其应用上，都将获得突破，成为辅助现代教学模式改革的重要支撑。笔者认为，未来智慧教室的研究趋势将集中在以下方面：一是在理论上，将继续探索智慧教室在混合式教学改革中的作用，从而促进智慧教室软硬件建设的发展，更好地为教育教学模式改革服务，更好地促进学生的学习积极性。二是在智慧教室软硬件设计技术上，随着信息技术的发展，未来4-5年，增强现实技术、虚拟现实技术、混合现实技术、可穿戴技术、人工智能技术、3D打印技术将在智慧教室的建设中成为主流技术，而云计算机技术可以辅助从单一的智慧教室向多间智慧教室的发展，大数据分析技术则将成为评价学生学习效果的主要手段。三是在应用上，目前智慧教室在中小学校成功应用的案例较多，在高校还出于萌芽状态，实际上，大学生更注重能力的培养，自主学习已经成为习惯，混合式教学模式在大学更加容易成功，因此，智慧教室在高校的应用落地将成为未来几年的重中之重，越来越多的高校都将建成具有自己特色的智慧教室。四是在智慧教室的设计上，如何将脑科学和学习科学结合，融合心理学、建筑学、人体工学、深度学习等科学，更好地促进学生的全脑开发将成为未来研究的重点。

参考文献

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作者单位

广东省广州市第二中学 广东省广州市 510530