高校研讨型智慧教室的构建与应用*

吕恋生，杨再明，张 凯

（中国矿业大学 公共教学服务中心，江苏 徐州 221116）

在智慧校园建设进程中，构建智慧教室是高校改善教学环境、提高课堂教学质量的必然选择。近年来，形式多样、功能丰富的智慧教室相继建成，以中国矿业大学为例，现已投入使用的智慧教室以智能集成技术、多点触控技术为支撑，以中央控制系统为中枢，集课堂教学、设备控制、自动录播、远程巡课等功能于一体。在硬件设施基础上部署了具备课堂板书、多媒体展示、在线互动等功能的教学软件。在智慧教室，教师可以利用先进的教学设备开展更具个性化、更符合学生学习发展规律的教学活动，相较传统教室更能促进学生全面发展。不可否认智慧教室在教学过程中发挥了积极作用，但是智慧教室在具备越来越多教学功能的同时，其设备复杂程度与操作难度也相应增加，虽然呈现给师生的交互界面比较人性化，但是其管理与维护工作相对繁杂，建设成本也是需要审慎思考的问题，加之高校教室需要同时承担教学与考试任务，国家考试对考场有统一的标准化要求，与凸显个性化的智慧教室存在出入，因此大批量建设此类智慧教室并不现实，为走出目前智慧教室建设存在的困境，需要思考更契合应用实际的建设方案。

一、智慧教室的研究现状

智慧教室概念的提出与教育信息化建设步伐的加快和教育教学理论研究水平的提升密切相关，两者分别从技术方面和理论方面为智慧教室的研究构建提供支撑。国内较早采用的智慧教室概念是黄怀荣等提出的“SMART”模型，该模型较为全面地概括了智慧教室的五大特征，包括内容呈现（Showing）、环境管理（Manageable）、资源获取（Accessible）、即时互动（Real-time Interactive）和情境感知（Testing），简写为“SMART”。[1]也有学者从不同角度作为切入点提出了智慧教室的概念，如陈卫东等认为未来课堂是在相关的理论和技术支持下，充分发挥课堂各组成要素的作用，在教与学的实施中促进人的认知、技能、情感、学习与发展的活动及环境。[2]不难看出，智慧教室的概念表述虽有不同，但是涉及的要素却类似，主要有人、知识或资源、技术、环境等，智慧教室的构建就是探讨如何将这些要素充分融合利用，以期在教育教学中发挥其最大优势。

目前，发达国家在智慧教室建设方面将信息系统高度集成，简化设备操作，着力打造智能学习系统，配套研发的数字教材体现智慧理念，创新学习活动，同时重视师生信息技术能力培养，努力实现人机协同。[3]近年来国内高校在智慧教室的实际构建方面也在加快步伐，出现了很多功能完善独具特色的智慧教室。例如，华中师范大学的智慧教室通过教学内容的优化呈现、学习资源的便利获取、设备移动化，促进实时课堂的交互开展。该智慧教室具有情境感知和环境管理等功能，突出课堂教学设计和组织的作用，适应信息化环境下翻转课堂、研究型教学活动和教学个性化的趋势。[4]厦门大学的智慧教室结合Crestron 系统，实现实时录播、在线学习、富媒体分享、多终端学习、跨终端互动、课堂即时表决等功能，通过课堂分组讨论，满足组内合作学习与教学互动的多层次需求。[5]中国矿业大学的智慧教室由双轨教学系统、智能交互系统、高清直录播系统、设备智能控制系统等组成，在环境设计、软硬件设施配备方面将传统教学方式与现代化教学方式深度融合，实现了以电子资源展示为主，以板书、重难点标注为辅，以在线互动、随堂测试、小组学习等为亮点的多种教学方式的整合，满足了不同学科教学的需求。

智慧教室能够将先进的教学设备融于一室，利用现代科技手段最大化地满足教师教学需求。其优越的软硬件设施能够记录学生学习过程、识别学习情境、联接学习社群、感知物理环境，这四项功能对实现教与学过程中的智能决策、学习资源的智能推送、教与学效果的智能评价以及个别化教学都是至关重要、不可替代的。[6]从现有智慧教室的应用效果来看，其对教与学的全过程都能够起到积极的促进作用，建设智慧教室的必要性毋庸置疑。但是随着越来越多智慧教室的建成与投入使用，从维护与管理的角度考虑，逐渐暴露出一些值得思考的问题。

智慧教室部署的教学设备数量是传统多媒体教室的数倍，对于师生来说其操作界面简捷易懂，但是对于维护人员来说，设备之间衔接复杂、关联性强，出现故障排查解决都需要更加专业的技术知识，对人员素质提出新的要求。此外，教室在承担教学任务的同时也要承担各类考试任务，包括国家级考试，对教室内的布局、音视频采集设备等都有统一的标准要求。加之智慧教室的建设成本较高，综合考虑，此类教室难以实现大批量建设，但是智慧教室在教学中体现的优势是有目共睹的，传统黑板加投影幕布型的多媒体教室无法与之媲美，因此需要从教学效果、管理维护、构建成本、多元应用等方面综合考虑，设计构建符合多种需求、普适性强的新型智慧教室。

本文以中国矿业大学为例，设计构建了研讨型智慧教室，该类教室在具备智慧教室基本功能的前提下综合考虑多方因素，以一键式、自动化、远程控制为技术基础，利用软件平台实现互动式、个性化教学，既满足教师需求又利于管理维护。

二、研讨型智慧教室的设计与构建

1.设计理念

大学课堂更加注重学生思维创新能力和课程实践能力的培养，识记性的知识点逐渐减少，学生不再是单纯地接受新知识，而是在具备一定知识储备的基础上进行思辨创新、学以致用。因此，学生在课堂上是否能够充分参与、各抒己见显得尤为重要。目前学校很多传统多媒体教室依然采用固定桌椅，受教室环境及基础设施的限制，课堂上师生之间的互动大多限于口头问答，若学生希望利用板书绘图形式阐释自己的观点，则需要费一番周折才能走出座位。这种现状无形中导致教师减少提问次数或简化互动方式，致使教师无法即时获知学生的学习反馈，难以根据学生“学”的效果及时调整“教”的手段，势必影响最终的教学质量。所以，无论是从课堂教学需求角度，还是从现代化教学设备更新角度，智慧型教室的建设都是高校教学设施优化升级时应当关注的焦点，也是智慧校园建设的趋势。

近年学校已经试点建设了一部分智慧教室并投入使用，在教学效果方面获得了较好的反馈。根据先期探索的经验和使用情况分析，智慧教室能够充分满足教学改革的需求，与翻转课堂、案例教学、研讨教学等不同教学模式深入融合，在课堂上发挥其积极作用，鉴于此，在后续的教室升级改造过程中，将逐渐增加新型智慧教室建设的数量。但是，若大批量建设智慧教室，一个新的问题必须考虑，即如何进行有效的管理维护。智慧教室的教学设备无论是从数量还是从技术层面来说，维护难度都是传统多媒体教室的数倍，对管理模式和人员素质都提出新的挑战，这是在设计构建时不可回避的问题之一。高校在进行常规教学的同时还承担着各类考试任务，如全国大学英语等级考试、研究生入学考试以及所有课程的期中期末考试，各类考试对考场设备、桌椅数量布局都有标准的要求，因此在大批量设计构建智慧教室时，既要考虑学生个性化发展又要满足考场标准化需求，保证教室能够提供多元服务。此外，现有的智慧教室建设成本较高，在大批量建设时还需关注建设成本等问题。

综合上述因素，在总结现有智慧教室建设经验、使用反馈以及管理维护情况的基础上，学校设计构建了研讨型智慧教室，以满足日益提高的教学改革和管理创新要求。研讨型智慧教室以智能简捷、易于管理、个性化与标准化相统一为设计理念，兼顾课堂教学、标准化考试、管理维护、建设成本等多方面因素。

针对师生而言，智能简捷的操作是基本要求，无论研讨型智慧教室的功能多么先进，面向用户呈现的必须是人性化的友好界面，否则就会增加操作负担，违背服务教学的初衷。因此在设计时采用一键式、自动化的方式，通过智能控制系统将硬件设备集成，教师使用时只需插卡验证身份即可开启所有设备。针对维护人员而言，易于管理是首要标准，在大批量投入使用以后，单一设备的精密度与多设备之间的关联性都会呈几何级数增加，故障诊断与排查远比维修繁杂，因此在设计构建时引进远程管理平台，既可以控制设备开关，又可以实时显示各个设备的运行状态，出现故障即时预警。个性化与标准化相统一是针对教室功能而言的，研讨型智慧教室通过软硬件结合的方式，围绕以学为中心，努力建设智能化、互动式、开放型、多样性的智慧教学环境，师生可根据课程需要自由选择教学方式，为学生创造更多参与课堂活动的机会，促进互动交流，使课堂更具个性，同时在空间上适当保留传统教室的空间格局，配备活动式桌椅，当需要承担考试任务时，可以快速将教室恢复为考场，满足标准化考试需求。

2.系统构建

研讨型智慧教室由中央控制系统、双屏教学系统、无线扩音系统、高清录播系统、在线巡课系统、智慧班牌系统、标准化考场系统、远程设备管理系统组成。

中央控制系统作为软硬件设备智能集控中枢，主要承担用户身份认证、设备自动化控制、内部设备与外部平台衔接等任务。研讨型智慧教室采用可编程中控，可根据需要选择相应的功能，并且预留扩展接口，为将来教室进一步升级改造预留空间。双屏教学系统是与师生交互的最直观界面，利用云白板软件将双屏互连，在硬件设备与用户之间架设桥梁，承担最重要的教学功能。无线扩音系统由麦克风、功放、音箱组成，其开启或关闭由中央控制系统根据课程安排统一控制，为任课教师提供服务。高清录播系统由摄像机、拾音器、跟踪半球、录播主机、音频处理器、跟踪主机组成，其主要功能是用影像记录课堂教学情境，逐步积累形成视频资源库，为教师教学反思和学生自学复习提供资料。在线巡课系统在教室端以录播系统的硬件设备为支撑，在服务器端与教务系统的课表对接，为教学督导提供便利。智慧班牌系统是为方便学生查询教室使用情况，合理安排自习教室而部署的，能够提供课表查询、室内实景浏览、通知公告发布、考试信息提醒、设备故障报修等服务，预留的摄像头在后期可拓展人脸识别、课程签到等功能。标准化考场系统是按照教育考试主管部门的统一标准部署的，包括考场监控摄像头、无线信号屏蔽仪、语音广播、远程电源控制器等设备，与其他教学设备保持相对独立，由考点主控室负责调度管理。远程设备管理系统与中央控制系统进行联网，可在教室端与服务器端实现对教学设备的双向控制，远程解决设备故障，并实时显示设备的运行状态，为管理人员日常维护和集中检修提供参考和帮助。

研讨型智慧教室的硬件设备集成如图1 所示，主要从供电、网络连接、图像与声音传输、信号控制等层面部署。教师在上课时，将校园卡插入读卡器，所有设备自动开启，教师开始授课，高清录播系统同步记录课堂教学情境，并推送至在线巡课系统。

研讨型智慧教室配备的软件平台包括中央控制软件、远程设备管理软件、跟踪录播云台、云白板教学软件等。其中大部分软件用于设备自动控制，教师在课堂上只需打开云白板教学软件进行授课，无需额外操作即可轻松使用智慧教室提供的各类功能。

三、研讨型智慧教室的特色

1.集教学与研讨于一体的双屏教学平台

图1 研讨型智慧教室系统集成

研讨型智慧教室的建设目的是为了利用科技化、智能化的教学设备辅助教学，为师生提供个性化、灵活多样的教学方式与手段。以学生为中心、充分给予学生参与机会的培养模式可以有效提升学生的深度学习水平、知识掌握水平、思维水平、元认知水平和研究能力。研讨型智慧教室采用的云白板双屏教学平台在满足教室传统教学需求的前提下，新增了同一文件多页展示、多种资源同步展示、多人同时板书、在线互动等功能，充分体现了“研讨”型智慧教室的特色。学生在课堂上的参与方式不再局限于师生问答，而是可以一对一、一对多、多对多地交流讨论，同时在阐述观点时也不再局限于口头表述，可以使用板书、图片、课件、音视频等多种形式。师生还可以利用教室内的无线局域网将笔记本电脑、手机等个人终端与显示屏直接互联，展示更加丰富多彩的教学内容。

2.简捷高效的在线巡课系统

高校教室数量与教学课程量都非常多，对教学质量的评估除了考试等量化评价以外，教学督导也是非常重要的一环，参加教学督导的教师都是各个学科的专家型人才，他们提出的建议对教师的成长帮助很大。但是受空间与时间的限制，督导教师能够到教室实地参与听课的情况很少，为了方便教学督导工作的开展，在线巡课系统与教室内的高清录播系统联网，在原有的硬件设备基础上增设服务器与软件平台，实现在线巡课，并且根据课表安排全程记录教学过程，实现教学资源的常态化录播，在为用户设置使用权限后，教师可以查看下载自己的教学视频用于教学反思与改进，对教学质量提升意义重大。与此同时，该系统与智慧班牌系统进行对接，将各个教室的实景画面实时显示在室外的智慧班牌上，学生可以随时查看，既可以选择感兴趣的课程旁听，也可以直观地找到空闲教室进行自习。

3.智能实用的远程设备管理系统

由于研讨型智慧教室是以普适性为建设目标，批量投入使用后软硬件设施的管理与运行维护量激增，若继续沿用现有的人工管理方式，无论是从工作人员的业务量还是从工作效率考虑都不现实，因此在建设研讨型智慧教室时同步部署了远程设备管理系统。该系统与教室内的智能中央控制系统对接，实时显示各个设备的运行状态，管理人员可以查看异常设备的预警信息，对故障进行预判，通过中央控制系统远程协助教师处理。目前研讨型智慧教室已经投入使用，根据故障情况统计，大多为操作层面的问题，通过远程协助可以迅速解决，显著提高工作效率，给师生带来更好的使用体验。

4.灵活自由的空间环境

在构建研讨型智慧教室前原有教室多为固定桌椅，无论是师生之间的交流还是学生与学生之间的交流都受到空间制约。为了给教学互动与学生研讨提供自由灵活的个性化空间，研讨型智慧教室采用带有万向轮的可拼接移动式桌椅，在课堂上可以根据小组活动的人数组合为不同形状，将室内空间环境与双屏教学平台相结合，学生可以实现线上线下共同研讨，课堂参与度的提高对教学质量的提升有积极的促进作用。同时，在举行各类考试时活动桌椅可以轻松移动，快速将以教学互动为主的研讨型智慧教室布置为标准化考场，实现教室的多元功能，合理有效利用教学资源。

四、结束语

研讨型智慧教室是在总结了学校现有智慧教室使用经验的基础上设计构建的，综合考虑了功能实用、操作简捷、利于管理等因素，将空间环境与软硬件教学设备结合，为师生开展课堂研讨、进行课堂互动提供充分支撑。目前已投入使用的研讨型智慧教室将为大批量教室改造提供一种参考模式，后续我们将对运维管理过程进行跟踪并深入研究，以期为大规模智慧教室建设提供更契合应用实际的解决方案。