高校智慧教室建設存在的問題和對策研究

馬俊興, 王鵬程, 侯 峰, 宋 偉, 張碧波, 張 棟

(河南財政金融學院 信息化辦公室,河南 鄭州 450046)

0 引言

國家教育部《關于加強高等學校本科教學工作提高教學質量的若干意見》中指出,在教學活動中應用現代信息技術,是提高教學質量的重要手段和措施。高校的人才培養、教學的手段和方法必須適應信息技術發展的要求。隨著國家《教育信息化2．0行動計劃》《中國教育現代化2035》《“十四五”數字經濟發展規劃》《關于推進教育新型基礎設施建設構建高質量教育支撐體系》等與教育信息化有關的指導性文件的持續發布,我國教育信息化不斷發展和進步。高校教學改革的深入推進和教育部大力推動課堂教學革命,高等教育的理念正在從“以教為中心”向“以學為中心”轉變,小班化教學、翻轉課堂、混合式教學等新型教學模式不斷普及。為了提升課堂教學質量,滿足師生在信息化環境中創新型教學活動的需求,大力建設智慧教室已經成為高校教育教學改革和校園信息化建設的必然選擇。升級改造多媒體教室成為智慧教室成為各類學校提升教學信息化應用的典型標志,智慧教室對于提升智慧教學的水平、沉淀優質教學資源等作用不斷彰顯。學校建設有智慧教室,代表著學校有與教育信息化相適應的新的基礎教學環境。然而,由于我國高等學校信息化基礎設施建設存在的差異性,目前高等學校智慧教室建設技術方案始終游離在每個學校各自實踐與探索、各個生產廠家的論壇與實踐之中。雖然很多高校也建成了不同數量、不同規模和形態的智慧教室,為學校打造了智慧教學環境的基礎,但沒有形成成熟的技術方案,造成智慧教室建設和后期使用管理中存在著各種的問題,因此,梳理存在的問題,分析原因,形成科學的解決方案,對于建設高質量智慧教室具有重要的決策價值和指導作用。

1 高等學校智慧教室建設現狀

1.1 智慧教室類型和功能

當今,計算機技術和現代通訊技術不斷更新,教室配置計算機、投影、音響等多媒體設備已經成為現代化教學的必要手段、實現提升教學質量的剛性需求,成為國內外流行的PBL(problem-based learning)和TBL(team-based learning)兩種教學方法綜合應用的重要模式。據2022年12月數據統計,河南省38所本科高等學校均建設有智慧教室,覆蓋率達到100%。智慧教室從建設結構上各具特色,包括研討型、雙屏互動、多視窗互動、網絡互動、沉浸式互動等類型,但實質上可以從課堂教學適用功能上分為演示型(一級)、交互型(二級)與實踐型(三級)三類,即按照設備功能級別分為基礎型、拓展型、高級型[1]。演示型智慧教室適合于學術報告和大班額授課等師生人數較多的教學環境,而交互型與實踐型智慧教室適合于師生人數較少,便于開展師生互動、研究討論的教學環境。智慧教室建設的理念與PBL和TBL兩種教學方法的基本思想高度契合。表1列出了目前3種不同類型智慧教室的特征和具備的功能。

表1 智慧教室建設類型和功能

演示型智慧教室環境設計主要立足滿足高校通識課、公共課程大班額教學的建設思路,以常態化錄播功能為智慧特征,教學功能模塊一般定位于設備智能管控、課程錄制、教學數據分析等。為了有效縮小教室內師生之間的距離感,方便學生更好地參與課堂教學,部分學校采用了扇形布局方式構成的環形階梯教室和多屏視窗顯示方式構成的矩形布局教室,教室終端設備一般包含觸摸一體機顯示系統、擴音系統、中控系統、常態化錄播系統、語音廣播系統、多視窗互動控制系統等。其中,通過多視窗互動控制系統,同一個屏幕可以同時展示和對比多個教學資源,實現高難度復雜問題的全方位展示,這樣的設備配置方便了機械、材料、醫學相關專業課教學,可以使教學內容更加形象生動。

交互型智慧教室環境設計立足于滿足分組討論、互動教學、翻轉課堂等小班額教學的建設思路,教學功能模塊進一步豐富。交互型智慧教室是演示型智慧教室的設備升級和功能升級。它在滿足演示型智慧教室所有功能的基礎上,進一步加強了人機交互技術、大數據分析技術與教學的融合建設,圍繞實現智慧感知、智慧控制、雙向交流、智能分析等,豐富了教育教學形式。

實踐型智慧教室設計主要立足于構建學校機械、通信、藝術、醫學、體育等與實踐結合十分緊密的實踐型教學場景教室建設思路,不僅具備交互型智慧教室全部功能模塊,而且進一步融入5G、云計算、大數據、物聯網、人工智能、虛擬現實/增強現實等新技術。以信息化技術應用于教學為基礎,以深化教學改革為目標,突出線上線下混合教學模式,為實現一流課程、實踐性課程專屬教學場景的特色教學目標,打造更加符合不同專業特點、不同課程特點,符合高等學校專業教學特色需要的教學環境。

1.2 智慧教室技術架構和安全體系

2018年,國家頒布并實施了《智慧校園建設總體框架(GB/T 36342-2018)》《多媒體教學環境設計要求(GB/T 36447-2018)》,對教室供配電系統、照明系統、信息網絡等基礎條件和音頻系統、視頻系統、智能化控制系統以及系統集成都提出了明確要求。智慧校園建設的總體框架,規定了智慧教學環境、智慧教學資源、智慧校園管理、智慧校園服務、信息安全體系等系統架構及基本要求;多媒體教學環境設計要求規定了包括智慧教室在內的環境設計要求。

圖1是目前普遍認可的智慧教室總體架構圖,分為基礎設施層、支撐平臺層、教學應用層、用戶層和信息安全體系等。

圖1 智慧教室總體架構

基礎設施層是智慧教室平臺的基礎設施保障,提供通信網絡、廣泛的物聯感知和海量數據匯集存儲,為智慧教室的各種應用提供基礎支持,為大數據挖掘、分析提供支撐,包括智慧教室信息化基礎設施、數據庫與服務器等。智慧教室的基礎設施層可獨立部署,也可以部署在智慧校園的基礎設施層。由于各個高校數字化校園建設情況的差異性,目前很多高校智慧教室的基礎設施層采用獨立部署。

支撐平臺層是體現智慧教室云計算及其服務能力的核心層,為智慧教室的各類應用服務提供統一用戶認證管理、資源服務、數據服務和支撐以及無償開放接口服務。

教學應用層是智慧教室應用與服務的內容體現,建立在支撐平臺層的基礎之上,負責構建智慧教室的管理、服務等各種應用,為師生的教學活動提供必要的支撐服務,包括智慧教室管理、智慧課堂教學、教學資源管理以及教學數據管理等應用單元。

用戶層即為教師、學生、管理者和操作員等用戶群體提供終端支撐接入訪問的信息門戶。訪問者通過統一認證的平臺門戶,使用各種瀏覽器、PC(personal computer)客戶端及移動終端安全訪問,隨時隨地掌控智慧教學環境的運行狀態。

信息安全體系是貫穿智慧教室總體框架多個層面的安全保障系統,為應用系統數據安全提供技術支撐。

1.3 智慧教室存在的問題和原因

從智慧教室的技術架構可以看出,智慧教室不同于普通的多媒體教室,智慧教室建設不僅涉及大量的硬件、軟件和軟件,還涉及大量的運行調試和安全測試。經對河南省近60所高等學校智慧教室建設的調查,發現智慧教室存在的問題,宏觀上看主要體現在重建設,輕應用、輕管理,從微觀上看,智慧教室的用戶層使用不夠便捷,教師上課需要花費一定的時間啟動設備,設備沒有實現一鍵上課狀態,教學應用層、支撐平臺層等兼容性不夠,造成新的信息孤島,智慧教學效果沒有達到預期智慧教學、智慧分析的目標。

1.3.1 沒有實現一鍵進入教師上課狀態問題和原因分析

智慧教室在建設的過程中,圍繞教、學、管、評、測智慧的實現,融入了智慧教學模塊、評教系統、評學系統、錄播系統等多個軟件和中控管理系統、功放、投影等硬件設備,縱觀智慧教室目前建設情況,仍存在與智慧校園相似的“功能齊全、使用繁瑣”的操作不方便問題[2]。教師需要花費一定的時間操作多個系統和設備,才能進入上課狀態,學生學習過程也需要切換不同的平臺和系統,獲取教學任務及學習資源,教學和學習入口沒有很好地做整合,尚沒有實現一鍵進入教室上課狀態的要求。這無形中增加了師生的使用成本,也表明了技術賦能教學不夠智慧。產生上述問題的原因,是智慧教室建設過程中,對后期使用的便捷考慮不全面。智慧教室建設過程中,沒有充分考慮師生后期使用的智慧化,僅重點滿足于智慧化功能的實現,卻忽視了對后期系統運行調試、操作流程設計、界面優化的高度重視。

1.3.2 信息孤島問題和產生原因

信息孤島問題是數字化校園和智慧教室建設存在的共性問題。由于高校智慧教室分批次建設、智慧校園多年的升級和改造,增加的應用系統和設備導致了對接標準、設備接口的差異性和設備選型兼容性問題,導致了資源和數據共享的困難以及整合的瓶頸,進而導致應用系統與學校原有的智慧校園相關應用系統不能實現無縫對接,導致數據采集與深度挖掘的準確性受到影響。

1.3.3 智慧教學效果沒有達到預期智慧教學、智慧分析教學的目標問題和產生原因

從目前已經建成和使用的智慧教室看,無論哪種類型的智慧教室,都不同程度存在智慧教學效果沒有達到預期智慧教學、智慧分析教學的目標,主要原因是管理者和教師沒有掌握智慧教室技術。智慧教室管理是雙向管理,仍停留在傳統教室教學管理、教室應用 “各自為政”的層面上[3]。智慧教室管理是技術人員管理與服務、智慧教室使用條件一體化的管理,需要技術管理人員不僅懂技術、懂管理,而且要懂教育教學的基本規律;教師需要不斷提升信息化素養,不僅需要掌握新技術新設備基本操作的方法,而且要達到智慧教室環境下對教學的基本要求。目前,技術管理和服務存在的突出問題,是技術管理人員停留在設備安全運行管理層面,對于智慧教學設計、教學流程掌握不夠充分;教師使用智慧教室存在的問題是,缺乏對智慧教室使用應有的準備,沒有充分提供智慧教學環境對教學準備的要求,造成智慧教室的管理和使用效果遠遠不能達到智慧教學效果。

2 智慧教室建設應用問題解決對策

智慧教室建設旨在提升教學質量。為解決在智慧教室建設過程中存在的問題,核心是充分做好智慧教室建設頂層設計。在總體規劃階段,應結合學校教學工作的實際需求,完成整體需求分析和可行性操作的報告,在建設實施階段,應編制詳細的實施方案,明確建設內容、建設計劃和建設流程。在建設過程中,要加強對技術管理人員的應用培訓,要圍繞智慧教育教學應用,對智慧教室的管理者和使用者等相關人員開展專題培訓活動,技術管理人員要對建成的智慧教室環境、功能和性能等方面進行全面的檢查驗收。智慧教室建設完成后,制定切實可行的智慧教室運營維護方案,以確保智慧教室的安全運行,從而有效提高教學質量。

2.1 智慧教室應達到智慧教學、設備智慧管理、教學資源展現和應用的智慧功能

在智慧教室方案設計上要充分考慮硬件設備之間的整合,減少不必要的軟硬件投入,讓教室中的每一個系統、每一臺設備都能充分發揮智慧功能。在產品選型時,應選擇軟硬件兼容性高的產品,達到調試方便、一鍵操作多設備、安全運行啟動的目標。例如,當教師進入教室時,系統應立即響應,根據學校管理需要,或向師生展現本教室任課教師、課程名稱、教學班級、教學考勤率等基本情況,或為教師智慧啟動教學課件,或為師生展現上次教學內容重點難點等與教學任務執行有關的數據。教師上課過程中,系統不僅能夠錄制課程視頻,而且能夠將教師音頻轉化文字、并挖掘教學的重點和難點,對于教師上課過程師生互動教學實時形成完整的教學質量分析報告,給教師反思教學效果提供有效參考[4]。教師上課結束,系統應能夠實時生成與課程名稱一致的視頻名稱和對應二維碼,師生通過平板電腦、手機等移動終端,或掃描二維碼能夠自主學習和下載,或自動推送到師生預留的移動終端。

2.2 在教學應用層面,智慧教室建設者應為教師執行OBE(outcome based education)教育理念提供智慧支撐

教學應用層是智慧教室應用的核心內容,在智慧教室建設技術方案和實踐中,要充分體現智慧課堂教學、教學資源管理、教學數據管理等應用單元的“智慧”。同時,平臺應具備第三方平臺數據的接入功能,實現資源統一管理、一鍵共享的目標。通過一個平臺即可完成教學全流程的工作,包括備課、教學、資源管理、數據統計分析、在線學習等,實現教學前、中、后全流程的數據采集和資源沉淀。此外,還應全方位地對數據進行統計、分析和深度挖掘,為教學管理提供全面的、科學的數據支撐。

2.3 智慧教室管理的技術人員應具備設備管理維護和現代化教學的理念

技術人員不僅是智慧教室安全運行的維護者,同時也是執行學校教育理念、智慧教學過程的服務者[5]。技術人員要轉變管理和服務的理念,在加強設備安全運行的同時,要熟悉智慧教學過程。要立足于教學過程管理智慧化、資源沉淀智慧化的管理理念,完善設備運行管理,梳理和調試設備運行中的問題和原因,具備智能化的資源處理和優化、資源的智能審核等能力,掌握教學過程中音頻與字幕的智能添加和編輯等技術。

2.4 加強教師對智慧教室使用的培訓,提升教師智慧教學素養

智慧教室不僅為教師個人個性化教學、教學靈感、教學創新搭建了理想的平臺,也為教學管理和學生學習效果數據分析提供了有效的幫助。教師要理解,現代化教學已經從教學信息化設備與教學應用、信息化支撐與教育賦能,上升到信息化引領與教育變革的階段,教師、學生及教育管理者的數字化能力的培養,是時代賦予教育工作者應具備的基本能力。因此,教師要參與智慧教室的管理和維護,不僅要熟悉基于OBE教育理念下的現代化教學手段[6],更需要進行智慧教學的實踐,需要教師要了解智慧教室場景,參加智慧教室使用培訓[7],要通過培訓加強對智慧教育教與學的深度理解,清楚為實現智慧教育,在智慧教室的環境下教學教師需要準備的教案、習題和答案等規范化的素材。

3 結語

智慧教室的作用是實現智慧教育。深入推進智慧教室建設研究[8],持續發現和解決智慧教室建設中的共性問題,對于實現智慧教育目標,構建智慧學習環境、改革傳統的教學方式具有十分重要的意義。高質量的智慧教室是實現高質量智慧教育、共享不同學科優質教育資源的保障。目前,智慧教室建設還在探索之中,加強智慧教室建設理論與實踐研究,優化智慧教室使用效果,要注重結合高等教育的教育新理念。在技術架構上,要充分發現和利用可集中控制的分布式智能空間與移動終端,將人工智能、虛擬仿真、大數據分析等新一代信息技術成果融入智慧教室建設之中,實現設備自動化管理和分析,實現教學資源和利用的大數據分析,實現師生實時在線自學、互動、互學等多種教學模式,是未來智慧教室建設的方向。