新型智慧化教学环境构建与应用研究

智慧化教学环境是培养数智化人才的重要支撑，也是推动教学模式和学习方式变革的根本基石和关键条件[1]。近年来，随着人工智能、大数据、区块链等信息技术的飞速发展，教育正在迈向一个全新的阶段——智慧化，构建一个具有创新性的、可持续性的、高效的智慧化教学环境已成为当务之急[2]。因此，研究如何构建新型智能化教学环境，推进信息技术与教学融合，提升智慧教学改革成效，成为了当前智慧教学改革研究的热点问题[3]。

一、智慧教学环境建设背景

（⟶） 国家对智慧化教学的要求

目前，各大高校正在积极探索信息化与教育教学的深度融合，智慧化教学环境的建设和升级发展已逐渐成为教育信息化推进的主要趋势[4]。近年来，党中央围绕“数字中国”战略做出多次重要部署。

《教育信息化十年发展规划（2011-2020 年）》突出强调信息技术与教学深度融合的重要性，并提出构建智慧化教学环境的目标[5]。随着《教育信息化2.0 行动计划》的颁布，我国的教育信息化已经正式迈入2.0 时代，《计划》号召教育界探索智慧教育创新发展的实施路径[6]。为了更好地推进智慧教育发展，国家有关部门大力推进智慧学习环境的构建，在移动互联网、人工智能、大数据等技术的支持下，智慧学习环境成为智慧教育的核心组成部分[7]。2021 年7 月21 号，教育部等六部门发布了《关于推进教育新型基础设施建设构建高质量教育支撑体系的指导意见》的政策文件[8]，正式明确教育新基建在助推产教深度融合中的“数字底座”作用，并提出到2025 年，建立完善、集约高效、安全可靠的教育新型基础设施体系的目标。面对新一轮科技革命浪潮，教育要主动变革、积极作为，用数字化转型助推教育强国建设，努力办好人民满意的教育。近年来，高等教育部门着力推进高校智慧化教学环境的建设，各个学校也积极的开展着相关的智慧化教学改革，努力的朝着《中国教育现代化2035》的战略目标前进。

（二）目前智慧教学存在的问题

智慧化教学最显著的特点是充分利用人工智能、大数据等智能信息技术，强调高度的交互性和人性化的设计，进而促进教学模式的革新。目前智慧化教学虽然取得了一定成效，但仍然面临着一些不容忽视的问题：

1.教学设备操作便捷性不高

相对于传统教室，智慧教学环境的功能更加丰富，这就要求教师具备一定的信息素养，以充分利用设备和资源。然而，在实际应用过程中，不同专业、年龄的教师信息技术能力参差不齐，不能灵活使用教学设备，从而对教学效果产生负面影响。因此需将智慧教学环境中诸多新功能进行充分整合和优化，设计出便捷、友好的使用流程和操作界面，便于教师充分理解和掌握。

2.优质教学资源共享度不高

高校各个校区分属不同的管理主体，在师资力量、教学设施等资源配置上存在不均衡现象，校区之间缺乏有效的沟通和协作机制，难以实现教学经验和资源的共享，最终导致教育质量不一。因此需通过建立网络平台或教师流动等方式，促进优质教学资源的共享和传播，加强各校区之间的管理协同，实现教学决策和资源配置的统一协调，鼓励和支持校区之间的教师交流、学生互访和联合教研活动，提高教育整体水平。

3.师-生-机互动不足

智慧课堂的核心价值之一在于利用技术增强教学互动，提升学习效率与体验。然而，现实中人机互动不足的问题却相当普遍，成为制约其潜力发挥的重要瓶颈。课堂互动形式主要局限于签到、投票等低阶认知活动，缺乏需要深度思考、协作、创造力的复杂互动，如深度讨论、项目协作、批判性分析等。主要原因在于传统的智慧教室设计提供的互动反馈或学习路径往往是大一统的、标准化的，无法根据学生的即时反应、学习风格、知识漏洞进行深度个性化的引导和互动。

二、新型智慧教学环境设计

（一）建设理念和设计原则

1. 建设理念

本校进行智慧教学环境建设，是在深入的调研和丰富的实践基础上逐步推进的，并最终形成独特的建设理念，该理念包含三个核心要素：

物理空间方面：革新传统的教室概念，重构传统学习空间，塑造全新设计的教室布局，旨在营造一个更加舒适的学习环境，以支持和促进课堂教学的创新与变革[9]。

网络空间方面：整合物联网、大数据、人工智能等前沿科技，建立一个智能化的信息技术网络环境，以提高教学效率和质量。

创新能力培养方面：为学生创造积极的学习氛围，鼓励学生的参与、创新和自我激励，通过教育体系和课外活动，系统地对学生进行创新思维、问题解决技能和实践能力的训练，以培育他们未来能够成为适应社会发展，具备独立思考能力、创造力的人才。

2. 设计原则

在构建智慧化教学环境时，需将实际教育需求为核心[10]，明确建设目标，进行周密的顶层规划，分阶段逐步实施，成立高效的设计团队，并通过公开招标的方式，挑选出最合适的系统集成供应商，实施全程质量管理，严格管控项目风险。智慧化教学环境的建设主要遵循以下5 项原则：

可操作性：通过充分整合和优化智慧教室的功能，打造出简洁、直观的用户体验和操作界面。

便捷性：教师可以根据需要灵活选择适宜的设备组合，来适应不同的学科和教学方式，更有效地传达教学内容。

整体性：智慧教学环境需要与学校现有的其他技术基础设施和平台无缝链接，确保这些系统和设备能够高效地融合并实现有效的互联互通。

互动性：智慧教学环境中，应致力于营造一个互动性强的学习空间，能够促进教师与学生积极进行互动。安全性：针对不同的应用需求和多样化的网络通信环境，应制定相应的策略，确保资源的安全性、隐私性和高效性。

这些原则可以帮助构建一个功能强大而又易于管理的智慧教学环境，为学生和教师提供更加个性化、高效便捷及丰富多彩的教学体验。

（二）框架构建

在分析智慧教学现存问题的基础上，结合智慧教学理论与实践的相关研究成果，本研究提出了智慧教学环境框架，如图1 所示。该框架主要分为智慧教学空间、智慧教学管理平台、智慧教学应用和智慧教学决策，分别对应智慧化教学的教学环境、数据管理中心、教学支撑体系和教育大脑四个部分[11]。

教育大脑教师画像 教学互动分析 学生画像 在线学习分析综合画像 教学质量评测出 学生成绩分析 课程学习预警 成绩分析 个性化学习内 包智能助教 智能学 容推荐 教学督导 教学行为分析课堂行为分析教学行为分析 爱课堂 课程行为分析 课程学习预警教学支撑体系课程教学 评 督导评价 智慧感知 教室融合课堂互动 课堂评价 智能管理 信息融合P 4智慧教学 课程管理 个性化 AI辅助学习 智慧评价 OBE管理 达成分析 互联互通 系统融合应用 智能教研 绩效评价 评价反馈 数据融合. 教室通 校校通 校际通数据管理中心智能语音 目标检 巡课监控系统 教学督导系统识别系统 测系统 流本科课程 在线开放课程 教务管理系统 视讯交互系统人现别 图识别 教学 安 化药业 智系统教学环境宝 智慧教室 教 教授工作室 □ 校本课程 元宇实 元宇宙虚拟物理空间 精品课程 全息课堂 实验实训室 网络空间 雨课堂 学习通 仿真平台

1. 智慧教学空间

智慧教学空间主要包括物理空间和网络空间。物理空间包括智慧教室、虚拟仿真教室、教授工作室、精品课堂录播室、全息课堂、实验实训室等。通过精品课程录播室可以为学生提供线上优质的教学资源；借助虚拟仿真实验室和全息课堂能够为学生营造真实的教学情景，使学生身临其境，增强教学体验[12]。

网络空间包括校本课程平台、虚拟仿真平台以及雨课堂、学习通等第三方学习平台等，这些平台可以连接到物理空间中，实现课堂数据接入。教师可以借助校本课程平台、学习通和雨课堂来对学生的选必修课程进行线上教学，学生依靠这些平台完成课程预复习、章节测试以及考试，并根据学习数据在课程结束时获得最终成绩。元宇宙实验室和元宇宙虚拟仿真平台可以根据教学需要向学生提供特定的情景来辅助教学。

2. 智慧教学管理平台

建设综合性教学管控平台，依托人工智能、云计算、大数据、专业视频处理等新一代技术能力，实现对全校数字化教学资源进行统一和专业化管理，保障优质数字化资源的永久保存和持续沉淀。主要包括AI 智能平台、教学资源管理平台、智慧教学服务平台等教学平台。

（1）AI 智能平台：如智能语音识别系统、目标检测系统、人脸识别、图像识别、文字识别、智能语音交互等。这些平台可以为学生提供更好的学习体验，提高教学效果。

（2）教学资源管理平台：作为学校统一资源管理的平台，致力于汇聚各类来源的优质教学资源，如一流本科课程、在线开放课程、课程教学、数字化教材、实验案例、虚拟仿真实验课程和虚拟仿真教育研习等。资源管理平台支持标签管理、标签检索、分类管理、加工制作、教学资源内容审核及确权使用。同时，可为上层应用提供教学资源、知识资源调用服务，提供与国家智慧教育平台、省级试点智慧教育平台的资源对接，实现与各级平台之间的资源共享和协同，实现资源“能进能出、能上能下”。

（3）智慧教学服务平台：该平台通过为全校师生创建账户，搭建了一个可在任意地点、任意时间进行学习的综合型学习环境，支持个性化和适应性学习。巡课监控系统可对学生的课堂情况进行检查，教学督导系统能够对教师的教学进行适当的评价；视讯交互系统可以解决远程教学的难题，完善师生因地域因素产生的教学弊端；教务管理系统主要是学校教务管理的信息化系统，它可以帮助学校管理学生信息、教师信息、课程信息、成绩信息等[13]。而微格教学技能训练和智慧录播主要是对师范生的教学技能进行检测评价，通过技能训练展示和视频录播能够很好的收到反馈信息，进而提升教学技能；可视化综合管理平台能够为教学的各个方面提供可视化的信息，便于学校管理；环境监测管理是对整个校园环境，主要是对学生的教室学习环境进行管理监测，对于维持智慧教学环境，保证教学质量有很大的作用。

智慧教学空间为智慧教学管理平台提供各种软硬件支持，从而实现“教室通”、“校区通”和“校际通”，提高教学效率和教学质量。

3. 智慧教学应用

智慧教学应用主要包括智慧教学、个性化学习、智慧评价、OBE 管理和知识图谱，打造集“教、学、评、管、融”为一体的应用平台，为“以学为中心”的教学模式和“个性化学习”方式提供应用支撑[14]。

（1）“教”——智慧教学应用体系构建符合学校教学特色的综合性平台，以此打通线上、线下、远程、面授、课程、资源教学全场景服务。能够开展课程建设和共享，满足课堂师生互动，开展翻转教学，能够支持全校所有教室师生互动，支撑校内各类教学教室环境下的互动教学、分组教学，支持线上教学及直播授课，最终构建服务于全校的整体智慧教学平台。在虚拟教研方面可以为教师提供原子化知识库，提升教研效率和体验，辅助交叉学科课程快速构建，提供虚拟教研功能，满足教师集体备课，以及教学资源和课程共建共享需求。同时，在教师培育环节，满足“全员全覆盖学习”和“职业生涯全过程教育”需求。

（2）“学”——个性化学习应用体系，面向学习者提供的一体化、智能化、数据化的在线学习平台，除了提供混合学习、在线学习等任务型学习模式之外，更重要的是通过AI 技术辅助手段，形成个性化知识推荐、知识点碎片化学习应用，提供泛在化学习、个性化学习的学习平台，同时给予学生充分发挥兴趣探索的空间，培养探究式学习的主动性，培养终身学习习惯，构建服务于全校整体的网络学习空间。

（3）“评”——智慧评价利用信息化手段准确反馈教学情况，改进教学方案，提高教学质量，通过建设教学质量管理平台，结合“互联网+教学评价”理念，融合大数据分析等先进的技术手段，构建科学且系统的教学质量评估框架。兼顾各个专业和学科的独特性，通过规划、评估、分析和反馈四个阶段的规范化操作流程，支持各类教学评价活动，包括教学监督、课堂评估、同行互评、绩效评定以及学生对教师的评价，确立全面、系统、良性循环的教育质量管理机制。

（4）“管”——OBE 管理，结合人才培养方案，分析出教学成果，进而组织、分解、关联教学目标，根据目标的关联性进行课程设计和学习路径设计，分解到各个学习单元，汇总形成每一个单元的评价指标和维度，教师在平台中进行备课、教学、反馈，自动生成的数据可用来进行教学分析[15]。教学分析的结果性数据反馈给课程组织人员和课程实施阶段，进行教学迭代周期的小闭环，在短周期内进行教学质量提升。

（5）“融”——互联互通，融合“互联网+教育”的全新教育教学理念，以云计算和大数据为基础，建设新型课堂教学环境。教室部署数智化底座，无缝和云平台对接，配备高密度无线AP，支持移动终端高并发互动。教师通过课堂互动教学系统，可以与学生进行全方位互动。

4. 智慧教学决策

作为教学体系中的高级组成部分，主要涵盖了一系列以人工智能和数据分析为核心的应用，主要包括智能助教、智能学伴、教学督导等，旨在提供全面的教学支持和管理。

（1）智能助教：在智能助教方面，可通过对教师进行画像分析，使学生全面了解教师基本信息，为课程学习做好基础准备。对学生成绩分析能够帮助教师很好的了解学生学习水平和学习能力，便于进行学习小组的划分，实施个性化教学。教师的教学评价可以借助教学行为和教学互动分析来实现，智能化完善教学评价系统，最后通过课程学习预警来达到促进教学活动进行的目的。

（2）智能学伴：与智能助教相辅相成的就是智能学伴，其通过学生画像来对学生进行全面的分析，并通过成绩分析、课堂学习行为分析和在线学习分析，结合智慧教学服务平台相关数据，从而得到学生的学习信息和效果，根据对学生的学习状况的掌握，指定个性化的学习目标和学习内容，实施个性化教学，促进学生全面发展[16]。

（3）教学督导：教学督导是对师生，也就是对整个教学过程所开展的教学质量分析和教学评价。在智能助教和智能学伴的基础上，得到综合画像分析，目的是进行教学质量测评。最后可通过教学行为分析和课堂行为分析相关数据得到综合的教学评价，最终根据评价结果来改进教学方式，从而提高教学质量。

智慧教学决策的构建依托于先进的信息技术，并通过对教育数据的深度挖掘和应用，极大地提高了教学的智能化水平和管理的科学性。有助于教师减轻工作负担，促进教育资源的优化配置，提升教育质量和效率。

（三）功能设计

1. 打造促进学生自主学习的“智课环境”

“智课环境”可实现实时录播，课堂多屏互动、“1+N”形式互动等，这些功能都可以激发学生的学习兴趣，调动学生学习的积极性，促进自主学习。

实时录播系统可以实现教室内老师、学生视频、音频和计算机动态屏幕内容同步录制、直播，可全面记录教学实况，并即时生成多媒体教学课件，为教育资源管理平台提供数据基础。课堂多屏互动实现了多屏信息展示与小组活动智慧化同步，能大大降低教师应用的技术门槛。通过物联控制系统的小组讨论功能，教师可以按照教学的需要完成小组展示或小组竞赛活动，教室中的大屏将会依据师生的活动进行教学信息智能化展示[17]，如图2 所示。

“1+N”形式互动中“1”代表主讲教室，而“N”代表多个远程听讲教室，主讲室的教学内容可以实时与其他听讲室进行音视频互动，允许多个教室同步进行同一课堂活动，或者在不同地点同时参与同一课程学习。“1+N”形式互动是基于互联网思维来设计移动授课和师生互动的新形式，支持不同形式的课堂教学，为以学生为中心的教学模式如“翻转课堂”和“研讨课堂”提供了理想的移动教学环境。

2. 开发支持教师实现个性化教学的“智授系统”

“智授系统”中教师可在线创建课程，将相关课程的教学资源迁移至线上，学生可观看相关资源进行课前预习、课后复习，并通过作业、考试等多种功能应用，监测学生学习情况，并进行相关成绩统计，帮助教师及时了解每个学生的学习情况。教务人员、教师可通过平台创建课程，支持通过与学校教务系统进行对接，获取授课老师及排课信息，自动创建相关课程。教师和学生在访问课程内容时，可通过导航栏对课程内容进行展示、控制和编辑[18]。

3. 研发基于学生行为分析的科学化管理“智为平台”

基于智慧教学空间创新应用，“智为平台”可全方位搜集并分析课堂内外的教与学相关数据，形成课堂教学诊断，错题统计分析报告、学生学习预警、学生综合成绩量表、班级综合表现雷达图等多样化的可视化结果[19]。根据各种教学评价，教师可掌握学生具体学习情况，并针对性地给予学生个性化的辅导，如向学生推送平台学习资源、录制微课一键发送给学生，或是根据班级学生情况进行分层分组，并在线组织学生进行学习等，从而实现精准化、个性化教学、差异化教学。

三、智慧教学环境应用

新型智慧化教学环境的建设对于设备资源管理、智慧教育教学、学生个性化学习，课堂督学督导、智能综合评价、AI 辅助教学等各个方面都提供一定的支持，有效地推动了教学空间一体化，教学方式多样化，教学分析精准化，教学评价合理化。

（一）教学空间一体化

教学空间经过重新设计，实现了“1+N”形式的课堂教学布局。在这种布局中，一个主讲教室与多个听讲教室相连，使得课程内容可以同步传达至不同地点的学习者，实现了教室通、校区通和校际通。

“教室通”是在新型 "_1+N" 智慧教学环境中，由主讲教室提供主要的教学内容，并和N 个听讲教室进行联通，由1 个授课教师和N 个助教进行教学活动，允许课堂外的专家或学者通过互联网加入课堂，为学生提供更广泛的知识视野和学习资源，解决优秀教师资源不足的问题。“校校通”是一种促进教育资源共享和教育信息交流的创新模式。现代高校实行分区管理已成为普遍现象，不同的学校可以同时拥有许多分校区。“1+N”智慧教学方式，通过建立跨区域的信息共享平台，各个校区可以共享优质教学资源，解决远程教学距离远、师资力量供给不足的弊端，实现资源优势互补，提升教育教学质量。“校际通”已经成为教育领域各个高校一种重要的合作模式，通过建立不同学校之间的合作机制和交流平台，推动教育资源的互联互通、教学经验的交流以及教师的专业发展。这种全方位的信息共享和沟通模式有助于提升教学质量、促进教育教学的信息化改革。

（二）教学方式多样化

“1+N”课堂教学环境支持多样化教学模式，旨在通过融合传统面授教学与现代网络技术，为不同学习需求的学生提供支持。教师可以利用新型教学环境，创新教学模式，比如“翻转课堂”、“项目式教学”、“跨学科教学”等多种教学方式，学生可以在课下通过网络平台自主学习课程内容，在课堂上进行深入讨论和实践操作。此外，“1+N”课堂教学环境支持公修课的大班教学和小班研讨，大班教学能够高效地传授基础知识和理论概念，而小班研讨则提供了更多的个性化关注和交流机会，使学生能够集中探讨问题、分享见解，从而促进其个性化学习和综合能力发展。

（三）教学分析精准化

智能分析系统支持不同角色用户基于智慧教育平台所汇聚的各类教学、教研、学习、实践等应用数据，如图3 所示。针对“课堂教学、学生综合素养、教师发展、在线课程、教学督导”等场景数据进行自动采集、清洗、建模、可视化分析，形成含柱状、雷达、折线图、报告等分析结果，及时为教师开展精准教学、学生个性化学习、管理者科学评价提供应用依据。系统同时提供各类评价工具，包括问卷发放、管理、统计，报表个性化制作与应用，评价音视频素材管理等，为各类智能评价业务提供应用支持。

1. 教学评价合理化

基于智慧教学空间创新应用，课堂教学质量监测平台可全面采集师生课上课下教与学数据，形成课堂教学诊断，错题统计分析报告、学生学习预警、学生综合成绩量表、班级综合表现雷达图等多样化的可视化结果，如图4 所示。根据各种教学评价，教师可掌握学生具体学习情况，并针对性地给予学生个性化的辅导，如向学生推送平台学习资源、录制微课一键发送给学生，实现精准化教学。学生课堂教学评价数据，客观地记录学生学习的过程，而期末成绩作为结果性评价，将过程性评价和结果性评价相结合，相较于传统单一考试决定成绩的方式，这种融合了多种评价方法的教学评估体系更为科学和合理[20]。

四、结语

本文通过分析智慧教学存在的问题，构建了“1+N”型智慧教学环境的基本框架，开发了智慧教学应用管理平台，促进了智慧教室与数字空间的融合，实现了线上与线下教学的整合，充分发挥了学生学习的自主性，提高了教学效果。随着新型教育基础设施的发展，未来智慧教学环境需要增强对教育数据的分析能力，不断完善以数据驱动的教学支持系统，并深度整合物联网、5G、人工智能、大数据和云计算等尖端技术，为教育教学改革提供支持，满足教师和学生的学习需求。

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基金项目：2021 年河南省本科高校智慧教学专项研究项目：基于智慧化教学环境的高校智慧教学模式创新实践研究；河南师范大学本科教育教学改革研究与实践项目（编号：202310）；2023 年度河南省普通本科高等学校智慧教学研究专项项目“基于智慧教学平台的“新工科”混合教学模式构建与应用研究”；河南省高等教育教学改革研究与实践项目（编号：2024SJGLX0559）。

作者简介：海本斋（1980.9—），男，回族，河南封丘人，硕士生导师，正高级实验师，研究方向为计算机应用、智慧教育。