面向珠寶教學(xué)的智慧教室構(gòu)建

李振華，朱密華，楊強根，張榮紅

(1.中國地質(zhì)大學(xué)計算機學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.中國地質(zhì)大學(xué)信息化工作辦公室，湖北 武漢 430074；3.中國地質(zhì)大學(xué)珠寶學(xué)院，湖北 武漢 430074)

課堂是教育教學(xué)改革的主戰(zhàn)場，是國家中長期教育規(guī)劃中實現(xiàn)教育現(xiàn)代化、培養(yǎng)創(chuàng)新型人才、創(chuàng)建學(xué)習(xí)型社會的重要載體，也是高校教學(xué)提檔升級的重要內(nèi)容。

2018年5月2日，習(xí)近平總書記與北京大學(xué)師生座談并發(fā)表重要講話，提到“隨著信息化不斷發(fā)展，知識獲取方式和傳授方式、教和學(xué)關(guān)系都發(fā)生了革命性變化”[1]，這個講話指明了信息化對教育教學(xué)的革命性作用。2018年10月8日，教育部發(fā)布《教育部關(guān)于加速建設(shè)高水平本科教育，全面提高人才培養(yǎng)能力的意見》中提出 “重塑教育教學(xué)形態(tài)”“推動課堂教學(xué)革命。以學(xué)生發(fā)展為中心，通過教學(xué)改革促進(jìn)學(xué)習(xí)革命，積極推廣小班化教學(xué)、混合式教學(xué)、翻轉(zhuǎn)課堂，大力推進(jìn)智慧教室建設(shè)，構(gòu)建線上線下相結(jié)合的教學(xué)模式。因課制宜選擇課堂教學(xué)方式方法，科學(xué)設(shè)計課程考核內(nèi)容和方式，不斷提高課堂教學(xué)質(zhì)量。積極引導(dǎo)學(xué)生自我管理、主動學(xué)習(xí)，激發(fā)求知欲望，提高學(xué)習(xí)效率，提升自主學(xué)習(xí)能力?！盵2]

教室作為教育教學(xué)的重要載體，是國家中長期教育規(guī)劃中實現(xiàn)教育現(xiàn)代化、培養(yǎng)創(chuàng)新人才、創(chuàng)建學(xué)習(xí)型社會的關(guān)鍵媒介，還是教育信息化體系架構(gòu)的核心組成內(nèi)容。智慧教室將教學(xué)范式、信息技術(shù)、教學(xué)空間進(jìn)行深度融合，既符合國家和社會發(fā)展的宏觀需求，也滿足了學(xué)校對教學(xué)創(chuàng)新與實踐的需要。近年來，全國高校都在積極推進(jìn)智慧教室建設(shè)，智慧教室正作為新型學(xué)習(xí)空間，正成為激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的新型教學(xué)模式的載體走入越來越多的課堂。

高校智慧教室的建設(shè)方興未艾。僅以三盟科技股份有限公司一家的智慧教室建設(shè)成果為例，該公司于2019年已參與300余所高校的智慧教室建設(shè)，累計建設(shè)智慧教室10 000余間。其中985、211院校21所，百間以上大規(guī)模建設(shè)的有24 所[3]。湖北省具有代表性的有華中科技大學(xué)和華中師范大學(xué)，經(jīng)實地考察發(fā)現(xiàn)，智慧教室深受師生歡迎，特別是華中科技大學(xué)，智慧教室使用率極高，教室有學(xué)生學(xué)習(xí)，走廊和大廳的學(xué)習(xí)空間也是爆滿，更重要的是，學(xué)習(xí)方式也非常多樣，已難以區(qū)分哪間教室在上課、哪間教室是討論、哪間教室是自學(xué)，也難以區(qū)分課間休息時間和上課時間，因為總有學(xué)生在學(xué)習(xí)。據(jù)其智慧教室工作人員稱，他們甚至區(qū)分不了工作日和休息日，學(xué)習(xí)已成為一種常態(tài)化的過程，達(dá)到了“處處可學(xué)、時時可學(xué)、人人在學(xué)”的目的。

1 智慧教室的定義與功能

智慧教室英文名為“Smart Classroom”，也有稱為“Intelligent Classroom”“Classroom of Future”和“Classroom of Tomorrow”[4]?？刹榈降难芯孔钤缬?988年[5]，美國加利福利亞州惠內(nèi)梅學(xué)區(qū)的工作人員C.Rescigno，為七年級的科學(xué)課程首次給出了Smart Classroom的定義：集個人電腦、交互式激光光盤視頻節(jié)目、閉路電視、VHS節(jié)目、衛(wèi)星下行鏈路、局域網(wǎng)和電話調(diào)制解調(diào)器于一體的高科技的課程設(shè)施。從當(dāng)時的信息技術(shù)水平來看，所謂的智慧教室就是一個連網(wǎng)的多媒體教室。

從我國智慧教室的發(fā)展情況看，最早的文獻(xiàn)見于2011年，上海市發(fā)布《上海市中等職業(yè)教育信息化建設(shè)行動計劃(2011～2015)》[6]，提出創(chuàng)建若干智慧教室，改革傳統(tǒng)教學(xué)方法和模式，集電子課程教學(xué)、移動學(xué)習(xí)、網(wǎng)絡(luò)教研、遠(yuǎn)程協(xié)作共享等多功能為一體。針對智慧教室，不同的學(xué)者也給出了不同的定義。黃榮懷等[4]認(rèn)為，智慧教室是利用傳感技術(shù)、人工智能技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、富媒體技術(shù)等來裝備教室和改善學(xué)習(xí)環(huán)境的一種方式；聶風(fēng)華等[7]認(rèn)為，智慧教室是為教學(xué)活動提供智慧應(yīng)用服務(wù)的教室空間及其軟硬件裝備的總和；孫健[8]認(rèn)為，高校智慧教室是在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)教室與多媒體教室的基礎(chǔ)上，充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)后形成的一種全新的教學(xué)環(huán)境；涂偉等[9]認(rèn)為智慧教室建設(shè)要符合教學(xué)的需求，符合課程的特點，大學(xué)與中學(xué)、小學(xué)的智慧教室建設(shè)，其側(cè)重點不同，環(huán)境布局、設(shè)備選型、交互模式都有所區(qū)別；李恒等[10]認(rèn)為，智慧教室將信息手段融入教育教學(xué)活動，是信息化教學(xué)和未來教室的一種重要形式，利用智慧教室推動教學(xué)改革，使課堂教學(xué)變得更有效率。

上述的內(nèi)容或者從物理組成、或者從功能、或者從目的進(jìn)行了智慧教室的定義，筆者結(jié)合前人研究，給出一個完整的定義：智慧教室是利用現(xiàn)代信息技術(shù)、現(xiàn)代教育技術(shù)裝備、現(xiàn)代優(yōu)秀教學(xué)理論、現(xiàn)代優(yōu)秀教學(xué)資源等為傳統(tǒng)教室賦能，旨在促進(jìn)新型教育理念、新型學(xué)習(xí)方式、新型教學(xué)模式、新型課堂結(jié)構(gòu)、新型評價模式等的變革，實現(xiàn)“人人樂學(xué)、處處可學(xué)、時時能學(xué)”，并有效地提高教育教學(xué)質(zhì)量和水平的新型學(xué)習(xí)環(huán)境。這里特別強調(diào)學(xué)習(xí)環(huán)境的概念，傳統(tǒng)的教室自然是教學(xué)空間，大廳、走廊、室外乃至大自然都是廣闊的教學(xué)空間。

2 珠寶教學(xué)的特點

2.1 珠寶專業(yè)教學(xué)的培養(yǎng)目標(biāo)

以中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)珠寶學(xué)院為例，該院設(shè)有兩個本科專業(yè)：寶石及材料工藝學(xué)和產(chǎn)品設(shè)計(珠寶首飾設(shè)計)。其培養(yǎng)目標(biāo)分別為：(1)寶石及材料工藝學(xué)的培養(yǎng)目標(biāo)是培養(yǎng)具有良好的思想品德、社會公德和職業(yè)道德，具有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)作風(fēng)和健康的體魄，能運用現(xiàn)代科學(xué)知識、現(xiàn)代寶石學(xué)理論和技能以及先進(jìn)科技手段，為社會主義現(xiàn)代化建設(shè)服務(wù)，從事寶玉石鑒定、商貿(mào)和經(jīng)營管理、首飾工藝及其管理，具有開拓創(chuàng)新精神和實踐能力的高級技術(shù)人才；(2)產(chǎn)品設(shè)計(珠寶首飾設(shè)計)的培養(yǎng)目標(biāo)是培養(yǎng)具有良好的思想品德、社會公德和職業(yè)道德、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)作風(fēng)、健康的體魄，能運用現(xiàn)代科學(xué)知識、珠寶設(shè)計與工藝技能及先進(jìn)科技手段，為社會主義現(xiàn)代化建設(shè)服務(wù)，從事首飾設(shè)計、寶石款式設(shè)計、珠寶廣告設(shè)計、珠寶企事業(yè)形象設(shè)計，具有開拓創(chuàng)新精神的高級技術(shù)人才。

這兩個作為實踐性很強的專業(yè)，均強調(diào)了思想品德、先進(jìn)科技手段和開拓創(chuàng)新精神。然而，傳統(tǒng)的教室設(shè)計面向的是滿堂灌的教學(xué)方式，有了多媒體和互聯(lián)網(wǎng)后，無非是人灌的基礎(chǔ)上加上了機灌，帶來教學(xué)設(shè)計上的實質(zhì)性變化不大，對上述培養(yǎng)目標(biāo)的支持仍然不足。

2.2 珠寶專業(yè)的教學(xué)需求

珠寶是典型的交叉性學(xué)科，專業(yè)的現(xiàn)代教學(xué)既有一般性工學(xué)學(xué)科和藝術(shù)學(xué)科的教學(xué)特點，又有自身的獨特需求。

2.2.1 強交互性

珠寶教學(xué)的交互性體現(xiàn)在三個方面：老師與學(xué)生的交互，學(xué)生和學(xué)生的交互，課堂和室外的現(xiàn)場交互。前兩個交互要求教室的布局應(yīng)該是“桌餐式”，老師作為主持人，每個討論小組圍繞一張桌子進(jìn)行研討。課堂與室外現(xiàn)場的交互則要求每桌至少有一臺會議設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程交互，特別適宜于老師在野外采風(fēng)、珠寶產(chǎn)地和市場實習(xí)等教學(xué)環(huán)節(jié)，學(xué)生可在室內(nèi)觀看并現(xiàn)場提出觀察要求，而不是像以前提前拍好視頻再拿回學(xué)校播放，有些細(xì)節(jié)學(xué)生想細(xì)看也看不了，想和老師討論也不行。

2.2.2 高呈現(xiàn)性

在珠寶教學(xué)過程中，經(jīng)常碰到實物又小又少又貴重的情形，學(xué)生只能傳閱，又慢又怕弄壞還看不出所以然，如果有寶石顯微鏡，將實物投影到大屏上，并多角度地向?qū)W生進(jìn)行現(xiàn)場展示，效果顯然好得多。而珠寶首飾工藝教學(xué)經(jīng)常是微觀視角下的細(xì)節(jié)演示，傳統(tǒng)的學(xué)生里外三層的圍觀顯然滿足不了教學(xué)需求。這要求教室應(yīng)該有顯微設(shè)備和投影設(shè)備。

另外一個高呈現(xiàn)性的場景是(手繪)設(shè)計，為調(diào)動學(xué)生積極參與到設(shè)計討論中，最大限度培養(yǎng)學(xué)生開放性思維，頭腦風(fēng)暴是必不可少的設(shè)計實踐環(huán)節(jié)，學(xué)生在A4紙上或者iPAD的設(shè)計須即時呈現(xiàn)，且全班共享，全班就某個設(shè)計進(jìn)行討和優(yōu)化，并能迅速地切換到下一個同學(xué)的設(shè)計，這同樣要求教室布有投影和多個顯示設(shè)備。

2.2.3 深沉浸性

珠寶教學(xué)非常強調(diào)開拓創(chuàng)新精神和實踐能力的培養(yǎng)，促使學(xué)生獨立思考和探究，學(xué)生應(yīng)該自始自終地參與和沉浸于課堂教學(xué)之中，教學(xué)目的也從知識傳授轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰μ嵘?。以珠寶設(shè)計及加工為例，如何設(shè)計、怎么加工、成品效果如何，這些環(huán)節(jié)需要較長的時間和材料準(zhǔn)備才能完成。而對于學(xué)生而言，老師鼓勵他們大膽開拓，讓其通過實踐驗證設(shè)計的可行性。因此，教學(xué)條件須配備虛擬仿真系統(tǒng)，線上線下互動完成整個教學(xué)過程。如有條件，配備適當(dāng)?shù)腣R(Virtual Reality,虛擬現(xiàn)實技術(shù))設(shè)備，虛擬出相應(yīng)的實驗室，不用擔(dān)心材料的浪費和實驗安全，也可以跨越時間和空間尺度進(jìn)行實驗設(shè)計。

2.2.4 隱教育性

教室既是一個教學(xué)的場所，更是一個育人的陣地，珠寶專業(yè)教學(xué)目標(biāo)的第一條就是“培養(yǎng)具有良好的思想品德、社會公德和職業(yè)道德”，這就要求在課堂教學(xué)中強調(diào)思政教育，強調(diào)學(xué)生的人格養(yǎng)成，然而傳統(tǒng)的教室設(shè)計是單向教學(xué)型，一個典型的表現(xiàn)就是個別能講的學(xué)生搶占發(fā)言機會，而多數(shù)學(xué)生無法表達(dá)和討論，支持不了師生互動，更難支持團(tuán)隊合作和單個學(xué)生觀點的表達(dá)，無法實現(xiàn)良性地沖突、競爭、討論、共識、合作等過程中的情緒管理、意志毅力、品格品行等人格養(yǎng)成。這種教室的設(shè)計應(yīng)該支持小組討論，講臺的地位也退居為次要地位，老師的角度應(yīng)該轉(zhuǎn)換為主持人角色，學(xué)生成為課堂的主角。

3 珠寶教智慧教室的設(shè)計

根據(jù)珠寶教學(xué)的強交互性、高呈現(xiàn)性、深沉浸性和隱教育性的教學(xué)特點，現(xiàn)有的教室形態(tài)顯然承載不了上述教學(xué)要求，需根據(jù)珠寶專業(yè)現(xiàn)代教學(xué)的特點，設(shè)計出符合現(xiàn)代教學(xué)教育特點的新型智慧教室。

3.1 教室布局

很顯然，珠寶專業(yè)教室不能采用原來的傳授型教室模式，應(yīng)該支持探究式、討論形式教學(xué)模式，因此，教室宜采用可以移動的小組組合式布局，并排放置長方形或圓形桌，每桌由一個小組圍坐。講臺置于教室前方或者教室中間，甚至可以撤除，教師需要講授時，到任一討論桌上講授即可。

以下分別展示了珠寶智慧教室的幾種模式。圖1為分組式教室布局，是最常見也是最節(jié)約空間的一種教室布局形式；圖2為環(huán)繞式教室布局，講演者位于教室中央，四周被學(xué)生環(huán)繞；圖3為圍坐式教室布局，這種布局既強調(diào)講常者的中心地位，又兼顧了分組討論或?qū)嶒灥倪M(jìn)行；圖4為放射型教室布局，比圖3更強調(diào)講演者的作用。

圖1 分組式教室布局示意圖Fig.1 Layout diagram of grouping classroom

圖2 環(huán)繞式教室布局示意圖Fig.2 Layout diagram of surrounding classroom

圖3 圍座式教室布局示意圖Fig.3 Layout diagram of seat-surrounding classroom

圖4 放射式教室布局示意圖Fig.4 Layout diagram of emanant classroom

3.2 顯示設(shè)備

整個教室僅一塊教學(xué)顯示大屏顯然不夠，至少n+1塊顯示屏，其中n為討論桌數(shù)目，保留每個小組都能擁有一塊獨立的顯示設(shè)備，然后全班共一個大屏。顯示大屏建議采用智慧黑板，它既支持現(xiàn)有的多媒體觸控顯示的教學(xué)形式，又同時支持傳統(tǒng)的粉筆板察模式，且能將黑板內(nèi)容直接電子化，滿足多場景教學(xué)需求。各分組的顯示屏采用一般的液晶屏即可，但在性能上必須支持無線投屏，可供學(xué)生的筆記本、iPAD、手機上的信息方便連接并顯示。此外，所有顯示設(shè)備必須全部聯(lián)網(wǎng)且與互聯(lián)網(wǎng)相連，便于遠(yuǎn)程交互和網(wǎng)絡(luò)資源的獲取。

3.3 音頻設(shè)備

擴音設(shè)備一組，依教室大小分置于教室前面角落或前后角落均放置，保障整個教室能均勻收聽即可。擴音設(shè)備與中控相連，由中控設(shè)備控制信號輸出。拾音設(shè)備則按需配備，最簡單的方式是一個微型麥克風(fēng)，比如配一個無線領(lǐng)夾話筒，誰講話給誰用，但如果需要較好的拾音效果的話，在天花板上放置一組吊麥或雷達(dá)麥，可自動跟蹤聲源，甚至可分頻段過濾優(yōu)化頻譜，達(dá)到語音清晰保真的目的。

3.4 攝錄設(shè)備

為遠(yuǎn)程教學(xué)或遠(yuǎn)程交互，更為了存儲教學(xué)資源，攝像機也是智慧教室的標(biāo)配之一。智慧教室的攝像機應(yīng)采用定位錄像和云臺錄像相結(jié)合的方式，多角度多層次地記載教學(xué)情況。定位錄像按教室全景前后布置，經(jīng)費充?；虼_有需要時，每個討論組加再設(shè)一臺；云臺錄像采用教室對角布設(shè)，用于追蹤和特寫。

3.5 儀器設(shè)備

對于珠寶這種實驗性很強的學(xué)科，教學(xué)課和實驗課不應(yīng)像傳統(tǒng)教學(xué)一樣截然分開，合二為一的教學(xué)模式具有更好的教學(xué)效果。其配備的基本設(shè)備：(1)高拍儀是一種應(yīng)用廣泛的實物投影儀，亦稱為多媒體實物展臺，被稱為“備課王”，它可掃描各類掃描各類文件(書頁)以及立體實物，進(jìn)行拍照或錄像，并顯示到顯示大屏上；(2)珠寶顯微鏡是觀察樣品的表面特征和內(nèi)部特征及肉眼無法觀察的細(xì)節(jié)特征等的重要設(shè)備。操作員可以一邊操作，一邊講解，同時，相應(yīng)的觀察畫面同步在教室內(nèi)各顯示設(shè)備上顯示；(3)在沉浸式教學(xué)中，適當(dāng)配備一些VR設(shè)備非常有效。VR設(shè)備一般指虛擬現(xiàn)實頭盔，亦稱為VR眼鏡、3D頭盔等，戴上頭盔后，左右眼分別接受不同顯示屏的圖像，左右耳分別接受兩邊的聲音，以形3D影像和立體聲音，仿佛身臨其境，如加上VR手套，則可直接對虛擬物品進(jìn)行設(shè)計和加工。

3.6 業(yè)務(wù)應(yīng)用

根據(jù)北京市高等教育學(xué)會發(fā)布的團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)《高等學(xué)校智慧教室建設(shè)技術(shù)要求》(T/BAHE-202001)[11]，業(yè)務(wù)應(yīng)用是指在智慧教室內(nèi)實現(xiàn)教學(xué)、管理、服務(wù)的各應(yīng)用系統(tǒng)的集合，用于構(gòu)建教學(xué)應(yīng)用環(huán)境、支撐開展線上線下教學(xué)活動、實施教學(xué)設(shè)備遠(yuǎn)程管控、實現(xiàn)教學(xué)全過程管理、提升教學(xué)服務(wù)質(zhì)量與體驗等功能。業(yè)務(wù)應(yīng)用包括設(shè)備運行與管控系統(tǒng)、教學(xué)活動支持系統(tǒng)、教學(xué)分析與評價系統(tǒng)等。

在智慧教室的建設(shè)過程中，業(yè)務(wù)應(yīng)用是容易被忽視但其實又是很重要的組成部分，沒有資源庫、數(shù)據(jù)庫和各類業(yè)務(wù)系統(tǒng)的支持，所謂的智慧教室只是一個加強版的多媒體教室而已。當(dāng)然，在智慧教室完整的設(shè)計中，除了上述6個方面要考慮外，還有環(huán)境感知與控制系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)與信息設(shè)施、安全體系、規(guī)范與管理制度等方面，限于篇幅，在此不再一一贅述。

圖5 智慧教室效果圖Fig.5 A design of the smart classroom

4 結(jié)語

“人灌+機灌”顯然不是珠寶專業(yè)現(xiàn)代教學(xué)追求的模式，多媒體+互聯(lián)網(wǎng)的教室也承載不了珠寶教育教學(xué)的功能，智慧教室必將成為珠寶教育教學(xué)的新一代載體。

珠寶專業(yè)的現(xiàn)代教學(xué)既有一般性工學(xué)學(xué)科和藝術(shù)學(xué)科的教學(xué)特點，又有自身的獨特需求，其教學(xué)特點為強交互性、深沉浸性、高呈現(xiàn)性和隱教育性。交互性體現(xiàn)在三個方面：老師與學(xué)生的交互，學(xué)生和學(xué)生的交互，課堂和野外的交互；珠寶教學(xué)中，經(jīng)常有實物又小又少又貴重的情形，同時，各類(手繪)設(shè)計，均需要即時呈現(xiàn)，且全班共享；珠寶教學(xué)目的需從知識傳授轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰μ嵘D(zhuǎn)變，學(xué)生應(yīng)該自始自終地參與和沉浸于課堂教學(xué)之中；課堂教學(xué)中要強調(diào)思政教育，實現(xiàn)良性地沖突、競爭、討論、共識、合作等過程中的情緒管理、意志毅力、品格品行等人格養(yǎng)成。

相比與傳統(tǒng)的多媒體教室，珠寶教學(xué)的智慧教室的設(shè)計建議為：教室宜采用可以移動的小組組合式布局；顯示屏個數(shù)為n+1，n為小組數(shù)，1為智慧黑板；拾音與擴音設(shè)備均應(yīng)遍布全室；攝像機應(yīng)該采用定位錄像和云臺錄像相結(jié)合；高拍儀、珠寶顯微鏡為標(biāo)配，VR設(shè)備可適當(dāng)選配；與智慧教室的硬件建設(shè)相適應(yīng)，也應(yīng)加強設(shè)備運行與管控系統(tǒng)、教學(xué)活動支持系統(tǒng)、教學(xué)分析與評價系統(tǒng)等的建設(shè)，此外，環(huán)境感知與控制系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)與信息設(shè)施、安全體系、規(guī)范與管理制度等方面也是智慧教室建設(shè)的必備部分。