以应用为导向的智慧教室建设研究

李春林 李文莉

摘 要：智慧教室对学生知觉、认知、能力、素养的提升发挥着重要作用。本文首先分析了信息时代对学习环境的要求，认为教学内容的精彩呈现、教学活动氛围的智能营造、师生之间的流畅互动、学习过程的自动记录、学习行为的及时分析与反馈是智慧教室的主要特征。其后，本文详细阐述了智慧教室建设的主要模块及功能，包括教室学习空间、智慧教学系统、自动录播系统、智能管理系统等。最后，本文分析了常见典型智慧教室的特征。智慧教室建设，融合了各种先进技术，为更好地促进学生的理解、记忆、交流、表达、展示，提供了一个良好的学习环境。

关键词：智慧教室；高效互动；空间设计；智能录播；智慧教学

中图分类号：G434 文献标志码：A 文章编号：1673-8454（2018）09-0070-04

随着信息时代的到来，计算机、移动终端、交互式白板、液晶电视、投影仪、摄像机等信息化设备开始大量进入教室，物联网、云计算、大数据、在线教学平台、信息化教学APP、工具软件在课堂教学中也得到了广泛的应用。众多的设备和技术，复杂的线路连接，使教室成了各类先进设备、软件的堆砌。对大多数老师来说，教室各类信息化设备让他们感觉到不知所措。研究表明，智慧教室的家具配备、技术装备、空间布局显著影响技术在教学中的作用。[1]如何合理有效地使用各种信息化软件和设备，让学生在优美舒适的教室中，轻松愉快地学习精彩呈现的各种教学内容，简单方便地开展各种交流、协作、探究活动，及时得到需要的学习资源，有针对性地开展教学，是智慧教室建设重点关注的问题。

一、智慧教室的特征

1.简单易用，功能强大

传统多媒体教室的配备与控制，在实践应用中由于种种原因得不到应用。[2]随着越来越多的设备进入教室，各类设备的相互独立性增加了操作的难度，影响了这些设备在教室的应用。[3]教师稍微一个不小心的操作，就可能出现设备不能正常工作的情况。比如，电脑画面无法投影、声音无法播放、网络无法连接、系统无法访问等。智慧教室的建设，需要考虑设备的可靠连接、故障的快速解决，让系统能迅速回复到处是的正常初始状态。为此，智慧教室通过面板将智慧教室所有设备、系统集中在一起，提供一站式服务。通过一键操作、场景定制、默认参数等快速操作，让智慧教室能够迅速处于最佳状态。课堂教师教学活动场景可以设定为讲解、练习、讨论、体验等。在讲解活动中，系统自动播放PPT，并在讲台大屏幕广播，学生的屏幕则处于广播锁屏状态。在练习活动中，系统自动切换到在线教学平台，学生通过各类终端完成学习，教师的教师端自动打开，可以监控学生的练习情况，对一些优秀学生作业进行投屏讲解。在3D体验活动中，教师灯光、窗帘、自动关闭，教师端智能切换到3D播放界面，学生桌椅中的存放的3D眼镜自动打开，学生戴上眼镜，就可以在教师引导下开展3D仿真教学了。人工智能在智慧教室的使用，通过传感器、指纹识别、人脸识别等技术，实现对学生情况的快速掌握。

2.灵活布局，环境优雅

传统教室由黑板、讲台、课桌椅等构成，色彩单调，布局单一，不利于学生学习主动性、积极性的发挥。智慧教室空间设计是指依据教育学和心理学原理，营造出最有利于学生心理和行为的氛围，从而不断激发学生的创新能力。空间设计具有灵活性、多样化、智能化、舒适化等特点。空间设计需要精心选择各种组合要素，墙面、地面、顶面的色彩、纹理、文字、陈设等进行审慎的构思，把握住环境美的“度”，过于浓妆艳抹则庸俗，过于简单乏味则单调。智慧教室的材料应该环保，通风好，可以配备新风系统，保证教室的舒适。

智慧教室的桌椅可以根據授课内容和任务要求进行灵活的调整，可以随意拆分组合，既可以是集体听课模式，也可以是小组学习模式。旋转桌椅提供了更加便捷的学习交流模式，轻便的360度旋转，只需要轻轻一拉，周围的四个同学就可以形成一个学习小组。移动黑板为小组讨论、互动交流提供了硬件保障。移动黑板采用滑轮设计，每个成员都可以方便地在移动黑板上进行推算演绎，交流讨论，随时记录迸发的灵感。移动显示是一个32寸小型液晶电视，方便小组同学根据个性化进度进行观摩、训练。

3.精彩呈现，共享课堂

传统多媒体教室，影音质量差，图像不清晰，直接影响学生的学习兴趣。有的老师甚至只是简单的利用投影显示文本，将大段的文本直接投影到屏幕上，严重影响了多媒体教室的使用。智慧教室采用先进的影音设备，超高分辨率和超大视野，让画面呈现更清晰、更逼真。功放系统中最大的灵活性无风扇设计，完全无噪音产生。音箱有落地、书架、中置、入墙、挂壁、嵌入等形式，可以轻松隐藏在教室的任何角落，提供前所未有的声音体验。在享受高品质音响的同时，漂亮的外观也是智慧教室精美的装饰品。

在智慧教室里，教师和学生的电脑、移动终端里的学习资源，可通过Miracast和airplay等无线投屏神器实现共享；多部4K高清摄像头，可自动跟踪老师上课情况，对老师讲授的内容实行云录播，学生可随手“点播”录播视频，查看“回放”。借助智慧教室里的远程交互系统，还可轻松实现跨地区交互，实施远程教学。

4.高效互动，深度体验

传统教室互动效率比较低，缺乏必要的技术设备促进学生之间的互动。智慧教室的互动系统包括人机互动和教学互动两个方面。人机互动主要指师生可以便利操作各类互动设备。互动设备应该具有操作简单、功能全面、导航清晰、容错性高、对误操作应该有相应提示或者具备一键复原的动能。良好的人机互动，可以促使师生更好地利用智慧教室的各种设备，而不用担心损坏设备。教学互动指教学平台上师生之间的互动。教室发布指令，学生通过各种设备进行反馈。随着教学平台功能的增强，教学互动变得更加简单和具有趣味性。常见的教学互动有课堂举手、抢答、摇一摇选人、随机小组划分、线下小组划分、点赞、互评、头脑风暴、作业、测试、签到、答疑等等。

5.数据分析，个性教学

智慧教室里，老师利用电子白板演示课件，学生用答题设备对问题做出自己的选择。整节课上，每个学生操作的每个步骤都会被系统记录下来，后台可以进行精确分析，为每个学生生成一份教学效果诊断书。

二、智慧教室的构造及功能模块

1.内容呈现系统

内容呈现是智慧教室最基本的功能，主要设计要求是清晰、舒适、符合学生的认知特点。内容呈现的设备可以划分为面向个人的呈现设备和面向集体的呈现设备，面向集体的内容呈现设备由投影仪、触摸一体机、白板、液晶电视、3D显示、虚拟现实系统等构成；面向个人的呈现设备有手机、平板电脑、PC等。所有设备通过无线网络连接在一起，由智慧教室管理系统进行统一管理。触摸一体机、平板电脑、手机屏幕可以实时共享，控制内容单屏、双屏或者多屏呈现。教师上课不用一直坐在讲台的电脑前操作，而是可以方便地利用遥控终端、手机、平板电脑操作，或者直接在触摸一体机前进行各种操作，与传统教学一样方便。3D显示可以更加逼真地演示各类模型的3D效果，虚拟现实系统让学习者在更广的视角中去学习知识，培养技能。

2.智能录播系统

智能录播系统不仅是课程资源建设的重要途径，也是教学行为分析的重要依据。自动录播系统由录播主机、定位跟踪仪、摄像头或摄像机、后台编辑系统、视频管理系统构成。智能录播系统通过图像识别，能够精确发现课堂中活动的老师和学生，并自动进行镜头切换。

课堂中的录像，根据不同的用途，可以分为课堂实录型、讲解型和虚拟演播型。课堂实录是智能跟踪教师的讲解和学生的发言、讨论，既有全景式的课堂教学场景，更有教师、学生的特写，还有电脑、板书的信号。讲解型主要录制教师的活动，包括讲解、板书和电脑信号。虚拟演播型主要录制教师的信号，教师背景采用绿幕或者蓝幕，系统自动将绿幕、蓝幕抠出，替换为PPT背景、图片或者视频。各种不同的录制方式，有不同的用途。

3.智慧教学系统

智慧教学系统能够便捷地使用各类信息化教学资源开展课堂教学，由备课系统、教学系统和综合评估系统三部分构成。

备课系统主要为课堂教学提供资源支持。系统为每一门课程建设一个门户，并提供基本的课程设计架构。教师只需要按照教学的要求，将相关的学习指导、课前自测、预习、课件、视频、动画、案例、作业、网络资源等上传到智慧教学系统制定的栏目中即可，大多数资源都以文件的形式上传，对于老师来说，可以非常方便地组织课堂教学资源。

教学系统由电脑端和移动端构成。教师既可以在讲台进行讲解，也可以手持手机或平板电脑进行讲解。手机画面可以智能投屏。手机端以PPT为核心，整合了课堂教学常用的資源和互动工具，包括资源调用、教学互动、粉笔、学生管理等部分构成。资源调用包括白版、图片、视频、拍照、实物展台、白板等功能，纸质文档或者学生在作业本上的练习，可以通过拍照的方式进行广播。课堂上学生的发言，或者一些实践性操作， 教室可以通过手机端的“实物展台”进行现场直播，也可以把手机屏幕当成黑板进行使用。教学互动功能包括签到、讨论、头脑风暴、提问、测验、作业等功能。教师在讲解PPT过程中，可以快速组织学生互动，互动结果通过实时的数据统计在大屏上显示。这样，教师在课堂教学过程中就可以根据学生的学习情况，有针对性地开展教学，增强了教学的科学性。粉笔功能可以对PPT、视频、图片进行圈点勾画，有利于学生掌握重点、突破难点。学生管理功能可以适时查看学生课堂学习情况，根据教学系统的建议，自动推送教学资源，开展个性化教学。

综合评估系统包括学习行为统计、学分构成、学习评估等模块，将学生课堂的各类行为记录下来，对学生学习的全过程进行评价。

4.智能管理系统

智能控制系统包括网络系统、中控系统、传感网络系统、考勤系统等。中控系统负责各类设备的启动与关闭，同时根据应用场景对各类设备进行智能化调节。网络系统是智慧教室能够流畅运转的关键，采用双Wifi模式。内置Wifi主要用于教室内部各个终端、显示屏与教师机之间的数据传送。外置Wifi主要用于调用学生的基础数据，存储学生的学习数据，对课堂的生成数据进行及时的备份。中控系统一般采用10寸触摸屏进行信号显示，部署于讲台上方，方便教师操作。中控系统既有各类设备的智能开光，也有根据应用场景如录播、讲解、讨论的开关。所有功能即可以自定义设置，如调节空调的温度，也可以快速使用默认设置。传感网络系统主要用于感知温度、光线、空气质量，根据相关的数据自动进行设备的启动和调节。考勤系统支持指纹考勤、人脸识别等多种模式。

三、智慧教室建设案例分析

智慧教室建设的需求是功能越多越好，但在实际应用中，由于教师的时间和精力很有限，往往只需要应用其中的特定功能。智慧教室如何根据场景进行定制是其中的关键。首先通过调查和实地走访，了解智慧教室的建设及应用现状，然后根据调查结果，重点选择集成商、设备供应商进行交流，再设计建设方案。将建设方案与学校的课程建设和教学改革相结合，确定建设的重点和目标。通过宣传、培训让一线教师了解智慧教室的作用，发现教师对教室的需求，并整合到建设方案中。经过多次交流、设计，最终形成建设方案图、效果图、应用场景图和各种场景的操作流程，经专家进行讨论，确定最终建设方案，然后进行实施。

智慧教室建设主要包括空间设计、内容呈现、互动教学、智能录播、虚拟现实、智能管理等方面的内容[4]，根据应用目标的不同，可以分为经济型、标准型、专业型、未来型四种智慧教室。

1.经济型智慧教室

经济型智慧教室包括内容呈现、互动教学两个部分。内容呈现设备包括电脑、超短焦投影仪和交互式电子白板。超短焦投影仪可以清晰呈现教学内容，不影响教师在屏幕前的讲解。交互式电子白板可以方便教师板书，对教学内容进行圈点勾画。即时互动系统主要由在线教学平台和学生的手机构成。市场上有大量免费简单好用的在线教学平台，如蓝墨云班课、职教云课堂等，借助这些平台，教师可以方便地整合教学资源，开展各种教学活动。

2.标准型智慧教室

标准型智慧教室包括空间设计、内容呈现、互动教学、智能录播系统、智能管理等系统构成。空间设计以简洁大方为主，大部分设备、线缆采用隐藏式设计，整个教室可见部分就是讲台、桌椅、大屏。教室的后方角落，建设一间设计感超强的小屋，用于管理视频采编设备、无线网络设备、充电柜等设备。

内容呈现采用双触摸一体机设计，教室配置两个86寸触摸一体机，一个用来显示教师讲解PPT，一个用来开展互动教学。液晶电视显示效果清晰，书写流畅，自带操作系统，直接插入U 盘就可以开展教学。

互动教学系统包括云资源、教师PC端、教师移动端、学生移动端等部分构成。教师可以调用本地资源，也可以调用网络资源，并利用技术手段组织各种教学活动。

智能录播系统采用6路信号进行录制，包括电脑信号、板书信号、教师全景、教师特写，学生全景、学生特写。通过图像自动跟踪系统对信号进行采集和编辑。智能录播系统也可以根据教师指定方式进行录制。如讲演型、跟踪型、抠像型等等，确保录播的视频能够应用到课程教学中。

智能管理系统内置各种内容呈现模式，比如文本模式、PPT演讲模式、图片动画模式、影院模式、运动模式、三维全境模式等，系统根据各种模式自动调节呈现设备的亮度、对比度和色彩，根据学生的位置调整视角和清晰度。

3.VR智慧教室

VR智慧教室整合了标准智慧的各项功能，以VR智慧教学平台为核心，在重点、难点处设置了VR互动教学视频。教师带上VR眼镜，就可以在虚拟空间中演示各类场景和设备。虚拟教学平台可以分为步进式、自主式和综合性三类平台。步进式教学平台：进入场景之后，学习者根据字幕提示完成下一步操作。每一步有相关知识的讲解和操作提示。如果操作错误，有相关的提示。个性化自主学习平台：学习者进入场景之后，根据自己感兴趣的项目，在虚拟场景中通过手势进行选择查看相关的信息、图片或者视频。综合辅助虚拟教学平台整合了虚拟现实场景、三维仿真动画、PPT、视频、图片等资源，教师可以方便地在传统教学和VR教学之间切换，解决了VR教学使用麻烦的问题。

VR智慧教室广泛用于各类专业的课程教学之中。比如，“外语VR智慧教室”提供了各种虚拟情景，如班级演讲、酒店预订、空中服务、商务谈判、动员大会、主旨发言、甚至是联合国演讲等。学生在虚拟环境中进行训练，可以达到与真实场景类似的效果。“历史VR智慧教室”提供了盛大庆典、交流合作、重大项目、友好往来、农业生产、重大战役等各类场景，便于学习者理解历史典型事件以及战争成败的关键要素。“生物VR智慧教室”提供了空中、海洋、草原、高山等各类场景生物的生活场景，学习者可以进距离地了解各类生物的生活习性和生物之间的相互关系现。“安全教育VR智慧教室”通过提供高空坠物、交通事故、山体滑坡等各类惊心动魄的场景，增强学生的安全意识。

四、结束语

智慧教室为教学提供了一个舒适、灵活、开放、互动、高效的环境。智慧教室采用环保装修材料，空间设计充分考虑色彩、线条、纹理、插图、文字等要素，合理部署讲台、显示屏、网络等设备，充分考虑教师的多样性，采用可以折叠、拆分、组合的桌椅，使智慧教室能够根据课程与任务的需要进行改变。移动黑板、移动显示器、移动终端的应用有助于激发学生的灵感，促进学生的合作。智慧课堂教学系统无缝接入云端，使智慧教室相互连通，与学校的其他系统自然融合。智能录播系统自动记录课堂中师生的行為，产生有价值的资源。总之，智慧教室的建设，将先进的设备、平台、软件、工具以一种简单的方式呈现给师生，为教学活动的智慧开展打下坚实的基础。

参考文献：

[1]李葆萍.智慧教室中影响教师创新教学方法选择的因素探究[J].教师教育研究，2015（3）：50-55.

[2]李新平.浅论多媒体网络教室在教学应用中存在的问题及对策[J].中国现代教育装备，2006（3）：25-27.

[3]陈卫东，叶新东，张际平.智能教室研究现状与未来展望[J].远程教育杂志，2011（4）：39-45.

[4]黄荣怀，胡永斌，杨俊锋，肖广德.智慧教室的概念及特征[J].开放教育研究，2012（2）：22-27.

（编辑：王晓明）