高校智慧教學(xué)環(huán)境建設(shè)研究與實(shí)踐

文｜陸冷飛 唐偉方

教學(xué)環(huán)境是教學(xué)活動(dòng)開展的場(chǎng)所，新時(shí)期構(gòu)建基于人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等最新技術(shù)的智慧教學(xué)環(huán)境已成為時(shí)代發(fā)展和教育教學(xué)改革的內(nèi)在需求。文章構(gòu)建了高校智慧教學(xué)環(huán)境建設(shè)模型，包括智慧教室、智慧實(shí)驗(yàn)室以及與其配套的統(tǒng)一的智慧教學(xué)云平臺(tái)的功能設(shè)計(jì)，以中國藥科大學(xué)智慧教學(xué)云平臺(tái)支撐下的多類型智慧教學(xué)環(huán)境建設(shè)為例，給出了該模型的具體實(shí)踐方案。

一、引言

高校進(jìn)行人才培養(yǎng)模式改革，以推進(jìn)課堂教學(xué)革命為著力點(diǎn)，而構(gòu)建新型教學(xué)環(huán)境是實(shí)現(xiàn)教與學(xué)方式變革的基礎(chǔ)，智慧教學(xué)環(huán)境是信息技術(shù)發(fā)展的必然結(jié)果，對(duì)教與學(xué)有著革命性影響?！督逃畔⒒?.0 行動(dòng)計(jì)劃》提出構(gòu)建一體化的“互聯(lián)網(wǎng)+教育”大平臺(tái),大力推進(jìn)智能教育，開展以學(xué)習(xí)者為中心的智能化教學(xué)支持環(huán)境建設(shè)，利用智能技術(shù)加快推動(dòng)人才培養(yǎng)模式、教學(xué)方法改革，探索泛在、靈活、智能的教育教學(xué)新環(huán)境建設(shè)與應(yīng)用模式?！督逃筷P(guān)于加快建設(shè)高水平本科教育全面提高人才培養(yǎng)能力的意見》強(qiáng)調(diào)要打造適應(yīng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、自主管理、自主服務(wù)需求的智慧課堂、智慧實(shí)驗(yàn)室、智慧校園，推動(dòng)形成“互聯(lián)網(wǎng)+高等教育”新形態(tài)。未來是新興技術(shù)與教育教學(xué)深度融合創(chuàng)新的變革時(shí)代，各國高等教育正面臨巨大的挑戰(zhàn)與變革壓力，疫情更是加速了這些趨勢(shì)的到來。因此，構(gòu)建新型智慧教學(xué)環(huán)境是時(shí)代發(fā)展和教育改革的內(nèi)在需求，是高等教育領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)新技術(shù)與教育高度融合，促進(jìn)智慧教育實(shí)現(xiàn)的有力支撐。

二、建設(shè)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

智慧教學(xué)環(huán)境應(yīng)該以先進(jìn)的教學(xué)理念為指導(dǎo)，緊跟時(shí)代要求，以學(xué)生為中心，圍繞支持學(xué)生的學(xué)為主體來進(jìn)行設(shè)計(jì)。從空間環(huán)境設(shè)計(jì)、技術(shù)環(huán)境設(shè)計(jì)等方面構(gòu)建和諧統(tǒng)一的整體設(shè)計(jì)方案，以支持學(xué)校教學(xué)模式改革，實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)空間的智能化、可重構(gòu)性和無限延伸性。智慧教學(xué)環(huán)境建設(shè)總體框架設(shè)計(jì)如圖所示。

圖 智慧教學(xué)環(huán)境建設(shè)架構(gòu)

基礎(chǔ)層。基礎(chǔ)層分兩部分。第一部分為教室、實(shí)驗(yàn)室等教學(xué)環(huán)境中的硬件設(shè)施，包括物理環(huán)境的裝修、活動(dòng)桌椅、傳感器設(shè)施、攝像頭等；第二部分為網(wǎng)絡(luò)及服務(wù)器部分，包括教學(xué)專網(wǎng)、服務(wù)器集群等?；A(chǔ)層是智慧教學(xué)環(huán)境建設(shè)的基礎(chǔ)工程，能確保教學(xué)環(huán)境舒適、空間靈活組合、教學(xué)活動(dòng)順暢開展、全過程數(shù)據(jù)自動(dòng)記錄可靠與安全。

服務(wù)層。服務(wù)層主要是基于基礎(chǔ)設(shè)施利用云計(jì)算、大數(shù)據(jù)，視頻結(jié)構(gòu)化技術(shù)、學(xué)習(xí)分析技術(shù)、行為分析技術(shù)等數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)為應(yīng)用層的智慧教室、智慧實(shí)驗(yàn)室、智慧評(píng)價(jià)、智慧管理等提供支撐和綜合技術(shù)服務(wù)。

應(yīng)用層。依托基礎(chǔ)層、服務(wù)層建設(shè)智慧教學(xué)環(huán)境相關(guān)的各類應(yīng)用系統(tǒng)，包括智慧教室、智慧實(shí)驗(yàn)室、綜合智慧教學(xué)云平臺(tái)等。應(yīng)用層是智慧教學(xué)環(huán)境建設(shè)的核心，該層具體負(fù)責(zé)智慧教學(xué)相關(guān)的全部功能的實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的教學(xué)資源、活動(dòng)、評(píng)價(jià)、管理等數(shù)據(jù)的采集、分析與呈現(xiàn)，以及各項(xiàng)管理流程的信息化。

終端層。終端層是指用戶（教師、學(xué)生、督導(dǎo)、領(lǐng)導(dǎo)等）層面使用的多類型終端，包括電腦、手機(jī)、平板等，是用戶與智慧教學(xué)環(huán)境進(jìn)行交互的關(guān)鍵一環(huán)，其友好性決定了智慧教學(xué)環(huán)境的人性化與用戶黏性。

三、建設(shè)實(shí)踐

中國藥科大學(xué)智慧教學(xué)環(huán)境建設(shè)最早起步于2012年的教室可視化錄播系統(tǒng)建設(shè)，實(shí)現(xiàn)了所有教室的全自動(dòng)視頻直錄播，屬于國內(nèi)建設(shè)起步較早的高校之一。隨著信息技術(shù)的發(fā)展及智慧教室建設(shè)的興起，根據(jù)智慧教室建設(shè)的新理念、國內(nèi)外高校建設(shè)的成功經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合教學(xué)及管理實(shí)際需求，學(xué)校于2017年開始第一期的智慧教室改造，共建成23間智慧教室，2019年第二期建成31間智慧教室，同年智慧實(shí)驗(yàn)室一期建成25間，2022年第三期建成37間智慧教室，并以智慧教室、智慧實(shí)驗(yàn)室為載體，開發(fā)建設(shè)了一體化的智慧教學(xué)云平臺(tái)。

（一）智慧教室

智慧教室是以現(xiàn)代教育思想為指導(dǎo)，以新一代信息技術(shù)為支撐，對(duì)教室空間進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，集多屏顯示、智能管控、直錄播、協(xié)作互動(dòng)等功能為一體，對(duì)教學(xué)過程的各種信息與情境進(jìn)行感知、記錄、分析，支持多種教與學(xué)的新型課堂教學(xué)環(huán)境，它是物理環(huán)境與網(wǎng)絡(luò)虛擬環(huán)境高度融合應(yīng)用于課堂教學(xué)的場(chǎng)所，是現(xiàn)代化軟硬件技術(shù)的合理應(yīng)用及其與教學(xué)深度融合應(yīng)用的綜合體；通過桌椅重組、線上線下結(jié)合等形式實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)空間的靈活重構(gòu)與無限延伸；通過先進(jìn)智能設(shè)備與數(shù)據(jù)挖掘算法實(shí)現(xiàn)教與學(xué)活動(dòng)的全自動(dòng)感知、記錄、分析和決策；實(shí)現(xiàn)了人、技術(shù)、資源和環(huán)境的高度耦合，是智慧教學(xué)開展的主要場(chǎng)地和載體。中國藥科大學(xué)打造了多種類型智慧教室。

1．高端多屏研討型

通過高端的裝修環(huán)境和信息化設(shè)備營(yíng)造能滿足多個(gè)小組同時(shí)研討、展示的探究式教學(xué)環(huán)境。它配備8塊互動(dòng)展示屏幕（含教師屏2塊，學(xué)生屏6塊）、可靈活變形的梯形活動(dòng)桌椅、智能燈光窗簾控制、吸音墻面、互動(dòng)課堂軟件、智慧電子板書系統(tǒng)、無線投屏系統(tǒng)等。集中授課時(shí)能清晰看到教學(xué)內(nèi)容，分組研討時(shí)各組學(xué)生能夠單獨(dú)演示并同步多個(gè)屏幕，可實(shí)現(xiàn)無感知考勤、分組合作學(xué)習(xí)、雙屏對(duì)比教學(xué)、電子無線板書、課堂互動(dòng)、學(xué)生評(píng)教等。

2．演講報(bào)告廳型

為中小型學(xué)術(shù)報(bào)告、活動(dòng)演講等教學(xué)活動(dòng)提供一個(gè)高端舒適的場(chǎng)所。它配備一塊大型的LED高清大屏幕、演講式講臺(tái)、主席臺(tái)、電子白板、智能燈光控制、吸音墻面、高級(jí)音響系統(tǒng)、高級(jí)折疊桌椅、無線投屏系統(tǒng)等?？蓪?shí)現(xiàn)大屏幕高清展示、多終端無線投屏、智能書寫顯示、互動(dòng)教學(xué)等，適合學(xué)術(shù)報(bào)告、演講、觀摩等多種應(yīng)用模式。

3．學(xué)術(shù)交流型

該類型教室改變了常規(guī)的講臺(tái)在教室前方的布局，將講臺(tái)從教師前方轉(zhuǎn)移到長(zhǎng)邊一側(cè)，以講臺(tái)為圓心，采用環(huán)形座位的布局設(shè)計(jì)，配備高端實(shí)木固定弧形桌及活動(dòng)椅子，吸音墻面裝修、三塊大屏幕智能一體機(jī)、演講講臺(tái)等。該教室的設(shè)計(jì)目標(biāo)是為了拉近教師與學(xué)生之間的直線距離，通過座位布局使每排學(xué)生到教師的距離相等，有利于師生開展自由的學(xué)術(shù)交流和互動(dòng)。

4．微課制作室

為全校教師提供一個(gè)全自動(dòng)錄制微課視頻的場(chǎng)所，配備廣播級(jí)攝像機(jī)、自動(dòng)摳像設(shè)備、虛擬場(chǎng)景系統(tǒng)及智能燈光環(huán)境、提詞器、互動(dòng)大屏，多屏監(jiān)控顯示，教師面對(duì)攝像頭能夠觀察自己講課的儀態(tài)儀表，講課效果等。集老師自主練習(xí)講課、微課制作于一體，具有智能感知、3D虛擬場(chǎng)景、虛擬摳像等功能，能輕松制作高質(zhì)量的三維虛擬微課視頻，同時(shí)還可在線網(wǎng)絡(luò)直播。

5．靈活多變PBL型

打破傳統(tǒng)的固定桌椅布局，更換成可移動(dòng)、拼接的活動(dòng)桌椅，適應(yīng)不同規(guī)模下的智慧教學(xué)。配備智能一體機(jī)大屏幕、互動(dòng)教學(xué)平臺(tái)、教室前后均配備玻璃白板供板書，教室墻面、桌椅色彩風(fēng)格搭配多種多樣，以滿足不同學(xué)科各種類型的PBL、研討式、探究式等教學(xué)模式需要。

（二）智慧實(shí)驗(yàn)室

智慧實(shí)驗(yàn)室是以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為核心，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室的智能化、安全化、可視化管理，資源的互聯(lián)，人員的互動(dòng)協(xié)作，以及開放實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備、教學(xué)、科研資源的高度信息共享。根據(jù)學(xué)校實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)際，結(jié)合視頻、大數(shù)據(jù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的演示、記錄，傳輸，互動(dòng)和過程性評(píng)價(jià)，為教師、學(xué)生、管理人員提供統(tǒng)一的信息化硬件環(huán)境及軟件平臺(tái)。

1．高清示教

受實(shí)驗(yàn)室空間限制，教學(xué)時(shí)容納觀摩人數(shù)有限，教師往往需要分組給學(xué)生多次重復(fù)演示。通過在講臺(tái)、實(shí)驗(yàn)臺(tái)安裝高清攝像頭及顯示屏幕，實(shí)現(xiàn)教師的演示操作高清直播與錄制，學(xué)生可在實(shí)驗(yàn)桌前實(shí)時(shí)觀摩，課后觀看錄制視頻回顧學(xué)習(xí)。學(xué)生操作也可直播和錄制，教師可將任何實(shí)驗(yàn)組的操作投到大屏進(jìn)行講解和點(diǎn)評(píng)，課后學(xué)生上傳實(shí)驗(yàn)報(bào)告，教師進(jìn)行批改時(shí)查看學(xué)生操作視頻，做到實(shí)驗(yàn)報(bào)告與現(xiàn)場(chǎng)操作同時(shí)展現(xiàn)，使實(shí)驗(yàn)過程性評(píng)價(jià)更加直觀和合理。所有教師的教學(xué)演示視頻以及學(xué)生的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)視頻均存儲(chǔ)在云錄播資源平臺(tái)，作為教與學(xué)評(píng)價(jià)的依據(jù)。同時(shí)還配備有智慧板書、交互大屏、互動(dòng)教學(xué)、過程性評(píng)教等設(shè)備和平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)智慧實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

2．實(shí)驗(yàn)室管理

對(duì)接教務(wù)實(shí)驗(yàn)課表，將實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、學(xué)生分組進(jìn)行編排，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理過程全信息化。藥學(xué)實(shí)驗(yàn)室的特殊性，對(duì)實(shí)驗(yàn)室安全及儀器設(shè)備管理的要求更高，通過建設(shè)專用網(wǎng)絡(luò)，配備門禁系統(tǒng)、RFID、實(shí)驗(yàn)設(shè)備控制系統(tǒng)、防護(hù)對(duì)講等實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室門禁、各類設(shè)備、大型儀器的一體化智能管理，以及實(shí)驗(yàn)設(shè)備設(shè)施使用的時(shí)間與過程數(shù)據(jù)的采集等，同時(shí)配備監(jiān)控探頭、溫度、濕度、消防、空氣質(zhì)量智能傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)控實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備、環(huán)境狀況，出現(xiàn)異?？杉磿r(shí)報(bào)警。

（三）智慧教學(xué)云平臺(tái)

智慧教學(xué)環(huán)境建設(shè)的核心任務(wù)之一是基于智慧教室、智慧實(shí)驗(yàn)室等硬件環(huán)境建立適應(yīng)學(xué)校教學(xué)實(shí)際的統(tǒng)一的智慧教學(xué)云平臺(tái)，該平臺(tái)是將最新信息技術(shù)、硬件設(shè)施與課堂教學(xué)深度融合的關(guān)鍵，是開展智慧教學(xué)的線上主要陣地。智慧教學(xué)云平臺(tái)的目標(biāo)是為高校教師、學(xué)生、質(zhì)量監(jiān)督者、教學(xué)管理者四種角色提供人性化的教學(xué)與管理服務(wù)；為課程教學(xué)中的課前、課中、課后、結(jié)課分析四個(gè)階段提供全過程的流程支持、數(shù)據(jù)記錄與統(tǒng)計(jì)分析；為教學(xué)實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源共享、教師與學(xué)生的科學(xué)評(píng)價(jià)、師生良性互動(dòng)、學(xué)生精準(zhǔn)學(xué)業(yè)幫扶四種功能。包含以下幾個(gè)子平臺(tái)。

1．課程中心

課程中心是學(xué)校線上課程資源建設(shè)的集中展示門戶。該平臺(tái)提供課程資源建設(shè)后臺(tái)及學(xué)校課程建設(shè)展示門戶，為學(xué)校MOOC、SPOC、精品共享課、金課等提供對(duì)外展示平臺(tái)。平臺(tái)提供以學(xué)科門類、開設(shè)專業(yè)、課程群、開課單位等分類、搜索方式，每門課程的門戶與云課堂平臺(tái)打通，可匯聚展示該門課程在每學(xué)期的教學(xué)班級(jí)實(shí)際教學(xué)過程與成果情況。

2．云課堂平臺(tái)

云課堂平臺(tái)是師生開展日常課堂教學(xué)活動(dòng)的互動(dòng)工具，與課程中心的區(qū)別在于，它是利用課程中心的資源進(jìn)行具體教學(xué)實(shí)施與應(yīng)用層面的平臺(tái)，而課程平臺(tái)是課程資源建設(shè)及展示的平臺(tái)。該平臺(tái)以學(xué)期為單位，按課表中的教學(xué)班進(jìn)行組織教學(xué)活動(dòng)。該平臺(tái)的功能貫穿課堂教學(xué)課前、課中、課后、結(jié)課分析的全過程，課前任課教師布置預(yù)習(xí)任務(wù)、資料發(fā)布、疑難解答、學(xué)情分析；課中師生之間進(jìn)行實(shí)時(shí)互動(dòng)、合作學(xué)習(xí)、研究性學(xué)習(xí)等；課后進(jìn)行課后作業(yè)、個(gè)性化輔導(dǎo)、測(cè)試、學(xué)習(xí)調(diào)查等；結(jié)課分析是系統(tǒng)根據(jù)該課程教學(xué)過程中師生的活動(dòng)記錄，結(jié)合學(xué)生期末考試成績(jī)，對(duì)整門課程進(jìn)行教學(xué)質(zhì)量分析，形成該門課程學(xué)期教學(xué)質(zhì)量報(bào)告。該平臺(tái)采集的教學(xué)過程性數(shù)據(jù)是教學(xué)大數(shù)據(jù)的主要來源，也是金課評(píng)價(jià)的重要數(shù)據(jù)支撐。

3．云錄播資源平臺(tái)

云錄播資源平臺(tái)是通過建設(shè)教學(xué)專網(wǎng)，為教室（含實(shí)驗(yàn)室）安裝攝像頭、錄播中控、藍(lán)牙擴(kuò)聲等相關(guān)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)每個(gè)教室（實(shí)驗(yàn)室）的直播和錄播功能，每個(gè)教室分別含三路視頻（教師、學(xué)生、電腦）。該平臺(tái)直接與教務(wù)課表實(shí)時(shí)對(duì)接，對(duì)教學(xué)活動(dòng)進(jìn)行全程直播與錄制，因疫情不能返校學(xué)生在線同步學(xué)習(xí)，管理部門（校領(lǐng)導(dǎo)、教務(wù)處、校督導(dǎo)、同行專家）可通過網(wǎng)絡(luò)觀看教學(xué)直播、評(píng)價(jià)等。同時(shí)通過AI技術(shù)，實(shí)現(xiàn)教室前排就座率、到課率等的分析和統(tǒng)計(jì)，并支持對(duì)優(yōu)質(zhì)課堂教學(xué)視頻進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)入課程中心，或轉(zhuǎn)入云課堂平臺(tái)作為學(xué)生重修的課程資源。

4．評(píng)價(jià)中心

評(píng)價(jià)中心分為兩大部分，一部分為教師教學(xué)評(píng)價(jià)，實(shí)現(xiàn)各主體（督導(dǎo)、領(lǐng)導(dǎo)、同行、學(xué)生、教師）的評(píng)教，支持指標(biāo)分類設(shè)定，各主體可通過電腦端、手機(jī)端進(jìn)行評(píng)價(jià)打分。重點(diǎn)支持課堂教學(xué)過程性評(píng)教，根據(jù)管理部門設(shè)置的指標(biāo)及評(píng)教頻率，系統(tǒng)按課表上課周次自動(dòng)向?qū)W生發(fā)起評(píng)教活動(dòng)，老師也可對(duì)學(xué)生發(fā)送評(píng)教問卷；另一部分為學(xué)生學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)，主要是匯集云課堂平臺(tái)中課堂教學(xué)活動(dòng)采集的學(xué)習(xí)過程數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘分析，得出分析報(bào)告及學(xué)生學(xué)習(xí)成果，同時(shí)學(xué)生的學(xué)習(xí)成果也作為教師教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)能力評(píng)價(jià)的重要客觀依據(jù)。

5．管理服務(wù)中心

管理服務(wù)中心提供常用查詢、教室及實(shí)驗(yàn)室設(shè)施維護(hù)等服務(wù)。包括電子班牌提供上課信息；查詢終端提供教室占用情況；教學(xué)駕駛艙提供實(shí)時(shí)課程教學(xué)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與圖表化展示；教師培訓(xùn)提供項(xiàng)目、課程發(fā)布、預(yù)約、學(xué)分統(tǒng)計(jì)、培訓(xùn)總結(jié)等；學(xué)業(yè)支持提供學(xué)業(yè)分級(jí)預(yù)警，記錄預(yù)警措施，分析預(yù)警學(xué)生的發(fā)展變化等，為學(xué)業(yè)輔導(dǎo)課程、個(gè)性化咨詢等提供發(fā)布、預(yù)約和管理的渠道；設(shè)備與運(yùn)維保障模塊為智慧教室內(nèi)的設(shè)備管理部門提供故障自動(dòng)預(yù)警并記錄、報(bào)修及管理等功能。

四、展望

中國藥科大學(xué)開展的智慧教學(xué)環(huán)境建設(shè)實(shí)踐為各高校提供了參考，今后學(xué)校將在以往建設(shè)經(jīng)驗(yàn)以及教學(xué)應(yīng)用反饋的基礎(chǔ)上繼續(xù)開展智慧教室、智慧實(shí)驗(yàn)室、智慧教學(xué)云平臺(tái)的建設(shè)。智慧教學(xué)環(huán)境是高校一流課程建設(shè)過程中進(jìn)行智慧教學(xué)改革的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施，推動(dòng)高等教育新理念落地，實(shí)現(xiàn)新技術(shù)、新平臺(tái)支撐下的新課堂教學(xué)，為學(xué)校探究式教學(xué)、案例教學(xué)、翻轉(zhuǎn)課堂、合作學(xué)習(xí)等教學(xué)模式改革提供了軟硬件環(huán)境的支撐，是一流課程實(shí)現(xiàn)的重要保障。然而智慧教學(xué)環(huán)境只是為信息技術(shù)與課堂教學(xué)深度融合、實(shí)現(xiàn)教學(xué)質(zhì)量提高提供了技術(shù)支持，在智慧教學(xué)環(huán)境里上課，不一定就實(shí)現(xiàn)了智慧教學(xué)。各高校要重視智慧教學(xué)環(huán)境的建設(shè)，更應(yīng)重視智慧教學(xué)環(huán)境的教學(xué)應(yīng)用，未來，高校教師如何利用智慧教學(xué)環(huán)境來進(jìn)行新的教學(xué)模式的改革；如何切實(shí)提高學(xué)生培養(yǎng)目標(biāo)的達(dá)成度；如何利用智慧教學(xué)云平臺(tái)中沉淀的數(shù)據(jù)進(jìn)行大數(shù)據(jù)挖掘，為教師教學(xué)、學(xué)生的個(gè)性化學(xué)習(xí)、學(xué)校的智慧教學(xué)管理、人才培養(yǎng)方案的改革提供有力的數(shù)據(jù)與決策支持等，將成為高校智慧教學(xué)環(huán)境應(yīng)用研究的重要方向。