2.3 典型的智慧学习环境

云、网、端一体化的智能学习空间在具体领域的体现，便形成了典型的智慧学习环境，如智慧教室、智慧图书馆等。

2.3.1 智慧教室

教室是教与学活动发生的主要场所，对学生知识建构和情感培养有重要的作用。随着信息技术的发展和教与学理论及实践的推进，课堂教学逐步由“单一的教师讲授”向“自主、合作、探究”的学习方式转变。但是由于传统教室设备、布局、空间、理念的束缚，难以体现“以学生为中心，坚持学生主体地位”的思想，难以满足学生创新能力的培养要求。随着传播学、心理学、人体工学、科学技术、教学论的有机融合，构建促进学生自主、探究、协作能力和心智能力全面发展的未来教室势在必行。

从传统教室到未来教室的发展历程经历了“以教为中心”“以学为中心”“以人体工学为中心”三个阶段[28]。在“以教为中心”的教室环境下，教师是课堂的中心，黑板、粉笔、课本是基础设施，教室采用“插秧式”的布局方式（见图2.17）。教师处于教室的最前方，采用讲授的教学方式，教师注意力难以平均化。学生座位固定，难以展开小组协作交互，师生交互受教师的控制比较严重，生生交互程度弱。

虽然“以教为中心”的传统教室能够提高教师对课堂的控制力和教学效率，有利于教育的传播与普及，但是它仍然存在一些缺陷：一是不够灵活，对教师讲授型的方式较为友好，却不能很有效支持其他类型的学与教的过程；二是难以照顾学生差异化，不能很好体现以学生为本的教育理念；三是不够人性化，教室布局死板、紧密，不利于学生心理状态的调整，也不利于师生之间的交流。新时代我们需要培养具备创新素养、创造力和国际视野的人才，然而现有课堂教条化、模式化、单一化、静态化的特点导致学生无论是在课堂物理环境上还是在心理环境上均需要做出相应的改变才能满足要求，因此相应的学与教的环境也应系统性地随之改善。

在“以学为中心”的教室环境下，学生是课堂的中心，计算机、投影仪、平板电脑、电子白板、电子书包等是基础设施，教室采用小组灵活化的布局方式（见图2.18）。教师不再局限于课堂最前方，而是可以移动并及时给予学生个性化的反馈。学生可以根据教学内容和活动的需要，灵活地移动桌椅开展小组协作活动。平板电脑、电子白板、电子书包使知识的呈现丰富生动，同时记录学生学习进度，以便提供及时修正服务。

未来教室的发展与建设均体现了“以学为中心”的教育理念，教室的设计与空间布局着重围绕加强学生交互、开展灵活性的教学活动与学习活动、帮助学生学习等要点进行。在未来教室的研究与建设上，研究者将先进的科学技术与现代教育理念相结合，融入未来教室中，在教学理论上以系统理论、学习理论、教学论、传播理论、学科教学理论等为指导思想，在空间设计上注重教室（学习）空间的灵活性（Flexibility）、舒适性（Comfort）、感官刺激（Sensory stimulation），强调学习空间色彩、布局等方面的重要性；强调技术支持（Technology support）和非中心化（De-centeredness）；强调学习空间要能够支持共同学习和知识共建，如图2.19所示。

在未来教室的建设与实现上，需要在教学理论、学习理论、学生认知规律、学生身体健康发展等各种理论的指导下，对教室格局、设施装备、空间位置、教室功能等做出科学的布局和规划。因此在建设未来教室时以下几点需要我们考虑并得以满足：

（1）打破传统教室格局，空间设计感和未来感强，富有创意。

（2）设施先进齐全，智能化，人性化，交互性强，便于更新和维护，具有高度可持续性。

（3）高速无线网络覆盖，资源丰富、开放，易于获取和共享。

（4）教室功能多元化，适应性强，适合不同教学方式的灵活应用。

（5）桌椅等设计符合人体工学，安全环保，有益于人体健康。

（6）有完备的安全保护系统。

目前，一些发达国家在未来教室的研究与建设上做出了许多努力，建成了比较有代表性的智慧教室，并投入到教学中，开展了一些教学实践活动。中国在智慧教室的理论构建、教室建设、智慧教室应用等方面进行了研究，一些高校和科研机构在未来教室建设上做出了许多贡献，取得了一些成绩。表2.1所示为部分国家未来教室建设的亮点归纳。

麻省理工学院（MIT）在20世纪90年代末开展了一项技术促进活动学习（TEAL）的项目，在大一的物理教学中实施教育创新，建设智能化教室，加强学生的互动参与，设计并开发了“以学为中心”的未来教室[29][30]。MIT建设了2个空间为3000平方英尺的TEAL教室（见图2.20），教室内镶嵌了13个白板和8个视频投影机与屏幕。每个教室的中心位置设置了一个教师工作站，周围环绕着13个圆桌，每个圆桌能容纳9名学生。不同知识层次的学生混合在一个组里，以促进同伴教学，每个组使用计算机来查看演讲幻灯片和收集实验数据。TEAL 在不同背景的学生中使用了各种评估技术，证明了互动参与的有效性。使用TEAL教室后，与传统教学相比，低、中、高分数段的学生成绩在平均归一化后提高了一倍。这些发现在其他大学的学生表现中得到了验证。

“以人体工学为中心”的教室环境将人体工程学应用到教室空间设计中，并体现以人为中心的设计理念，如图2.21所示为北京师范大学设计并创建的未来教室。在这样的教室环境下，各种技术和设备不是随意安放在教室中，而是充分考虑了温度、光线、湿度等因素，并随学习内容、学习活动的变化而改变。课桌可以随意移动和拼接。教学形式更加多样化、和谐化、智能化。

未来教室需要高端技术的支持，必须配置交互式智能一体机、录播系统、应答系统、教育云平台，并且人手一台平板电脑，这样能检测学生的学习进度，做到实时反馈、智能判断与分析，进而推送教学资源，实现个性化学习。广州市东山培正小学在未来教室的实践方面取得了良好的效果，其通过建立智慧教室辅助教师和学生开展个性化学习，实现以学生为中心的教学，并总结出在未来教室环境开展教学活动的“smart”（sending、micro lessons、assessment、reading、testing）个性化学习模式[31]。

2.3.2 智慧实验室

智慧实验室是专门服务于科学（如物理、化学、生物等学科）教学的专用教室之一。利用传感器，数字化实验系统能够探测、感受外界的信号、物理条件（如光、热、湿度、温度等）或化学组成，并将探知的信息转化成数字信号输出，弥补传统实验的缺陷，充分体现了数字化实验系统集数据记录、数据分析和自动控制等功能于一体的优势，实现了实验数据采集的数字化和自动化、数据处理和数据分析的智能化，很好地解决了传统科学实验中“定性实验多，定量实验少；验证实验多，探究实验少”的问题。智慧实验室为有效实现信息技术与科学教学的整合提供了新的平台，为学生探究科学规律提供了新的契机。

在智慧实验室环境下，通过使用不同的教学资源能够灵活地开展多种类型的教学活动和实验活动，如高精度实时采集数据、数据可视化呈现、自动记录数据、分析处理数据、辅助生成实验报告、教师演示实验、分组实验、分组讨论、传统学习活动等（见图2.22）。

智慧实验室环境主要由传感器、数据采集器、信号发生器、实验设备、计算机和数据采集分析软件系统构成。该环境还可以扩展多种设备，如扩音器、视频展示台、互动反馈系统、液晶书写屏、中控、多网合一、录课软件等，具体情况如表2.2所示。

由于不同的学科需要的实验室功能不同，需要的实验器材和设备也不尽相同，因此在智慧实验室的建设方面要考虑学科特征，考虑不同实验的功能需求，根据实验人数、实验室空间标准、设备标准等要求，设计智慧化的物理实验室、化学实验室、生物实验室或数学探究实验室等。

例如，智慧数学探究实验室以图形计算器为核心，融合了其他相关教育技术和产品，如计算机、投影仪、数据采集器、传感器（物理、化学、生物等）、课堂管理软件、教学云技术服务等，并兼具灵活方便的可移动特征。智慧数学探究实验室的系统结构如图2.23所示。

利用CAS（计算机代数系统）可实现推理，体现思维过程；动态几何通过抓移、旋转、采集数据、拼接等动作，可进行多维分析，猜想结论；联系课堂知识与实际生活，可研究各种表示法，发现数据的统计规律，并通过构建模型、随机模拟实验，理解和预测实际生活中的现象。

智慧数学探究实验室以“图形计算器+传感器+数据采集器”为构建要素，秉持数学建模思想，通过图形计算器与物理、化学、生物传感器的连接，实现对更广泛学科知识的综合探究。其表现为要求学生提出假设、采集数据、建立模型、得出结论，在实验过程中通过运用图形计算器的图形、数据分析等功能，展现、拟和并验证实时实验数据。

实验室的编程软件应能帮助学生进行自主编程，包括联系生活中的数学图形，利用日常数据进行数学推理和探究。编程结果模块化并进行二次开发，能更有效地节约时间，并提供不同的研究思路，从而方便其他学生在现有主题探究基础上进行再探究和再创新。

2.3.3 智慧图书馆

智慧图书馆以建设图书馆资源数字化加工、信息智能采集与整合、信息内容管理、信息发布与全文检索、智能感知、个性化信息服务等应用系统为应用目的，构建数字图书馆信息采集、信息管理与信息服务平台，实现馆藏文献存储的数字化、知识服务的智能化、馆际资源共享的最大化。智慧图书馆是广泛互联的图书馆，实现馆馆相连、网网相连、库库相连、人物相连；是融合共享的图书馆，实现三网融合、跨界融合、新旧融合、多样融合[32]。智慧图书馆具有三大特点：一是智慧互联，实现信息的全面感知、人-馆-书的立体互联、图书馆-馆员-读者之间的共享协同；二是智能高效，实现馆建、藏书等方面的节能低碳，实现感知和应对危机的灵敏便捷，实现跨应用、跨区域、跨平台的整合集群；三是快捷便利，实现无线泛在的借阅服务，实现同一空间一体化的阅读学习，实现图书馆-馆员读者之间个性化、智能化互动[33]。

智慧图书馆的建设应该实现其互联、便利和高效的特点，搭建多网融合的互联网络，配置便利高效的设施设备，提供安全可靠的使用环境，整合数字资源、图书馆实体资源、信息平台、应用工具等，使图书馆能够满足用户的实际需求。在智慧图书馆的建设过程中，需要借助多种信息技术、数字技术提供全方位的支持，例如，依靠云计算实现安全可靠、快速的信息存储和信息处理，依靠互联网、物联网等实现智能互联和识别，以及通过其他各种数字化服务系统来实现图书馆管理和读者服务工作。

当前智慧图书馆正在大量引进机器人图书管理员（见图2.24），小机器人按照儿童阅览区需求定制，可满足读者咨询解答、馆藏书目检索、讲故事等需求。针对开馆时间、借阅证办理、借阅规则等日常问题，读者只需要面对机器人直接语音询问，机器人即做出相应回答，如需要查询书目，读者报出检索书名，机器人自行分析后，可显示图书馆馆藏书目的索书号信息。借书可通过机器人自助办理，还书可直接还到机器人管理的书架上，也可通过机器人托盘办理。门口设有实时数据显示屏，可统计每天的到馆人次。图书没有办理借阅手续出门时，门禁系统报警，自动门不会开。如遇到特殊情况可通过紧急报警系统联系管理员。智慧图书馆可基于机器人实现无人值守、24小时开放。

2.3.4 智慧校园

智慧校园是以云计算、普适计算和物联网等新一代信息技术为基础，对校园的基础设施、教学内容、教育活动、教育信息等进行以人为本的数字化改造，并通过网络互联而构建的虚实融合、信息无缝流通、智能适应的均衡化生态系统；是通过技术与教育的深度融合来最优化地提高学生和教师的教学、生活质量，促进师生全面发展的现代化成长环境。

智慧校园应重点建设智慧教室、智慧备课室、智慧语音室、智慧图书馆（学校）、智慧实验室等智慧型功能室；对现有网络设备进行升级与改造，普及高速无线校园网；建设基于 RFID 技术和传感器技术的智慧型教育装备，使其能实现各类物体的互联、识别，以及智能化的数据传递服务；将RFID应用于教育管理领域，如学生行踪管理、门禁系统管理、图书管理等；将传感器应用于课程内外教学中，如实验活动的开展、学生听课状况的记录、学生健康安全的监测等方面。智慧校园强调“以服务为核心，以管理为支撑”的理念，实现智能感知、资源组织、信息交换、管理逻辑与科学决策等，实现向用户提供更好的服务功能[34]。智慧校园建设的核心主要有四点：建立智能学习环境；实现教育活动信息及相关支持系统的数字化；构建信息无缝流通的教育信息生态；提供以人为本的信息化智能服务。图2.25所示为一个典型的智慧校园建设框架。

作为北京市首批智慧校园实验学校，北京市丰台区师范学校附属小学运用现代教育理论和信息技术，通过对教学过程和教学资源的设计、开发、记录、评价和管理，打造智慧课堂、智慧文化，建设智慧校园[35]。它以iPad系统软件为支撑，通过思维导图的方式，建立学生的知识框架，以及与这个框架相匹配的树状思维模型，它把教师、教材、学生、工具及围绕这些点所形成的资源全部融合在一起。在这个模式中，教师精心设计学生思维与知识间的联系，联系的核心方式是交互，通过交互能够使不同层面的学生、不同爱好的学生、不同智商水平的学生都能达到他们的最近发展区域。基于智慧终端的交互式学习模式突出了以学生为主体、以学生发展为中心的学生思维建构过程，以及学生对于自己学习效果的理解过程等特点。北京市三批智慧校园实验学校在教与学、学生成长、教师发展、评价诊断、资源建设、学校管理、家校互动等方面积极探索。智慧校园的建设与应用不但给传统学校的教育、教学、科研和管理工作带来了变革，也对教师与学生的工作、学习、生活产生了深远影响，从而深化了教育领域的综合改革。

智慧校园通过智能感知环境和综合信息服务平台，能为学校与外部世界提供一个相互交流和相互感知的接口，能提供基于角色的个性化定制服务，让学校成为开放的学习社区，可以支持移动学习、大规模协同学习等多种学习活动。

智慧校园要通过信息技术来分担大量烦琐的、机械的、简单重复的教学与学习任务及管理任务，让师生将更多的心理资源（如注意力、创造力、动力系统）投入到更复杂的、更有价值的教学和学习任务中来，从而促进学生批判能力、创造能力、协作能力、平衡能力、问题解决能力等各种能力的发展。智慧化的数字校园是对校园教育与学习系统实施的重大结构性变革，具有如下核心特征：智能学习环境的主动适应；教育信息的无缝流通；教育业务的智能协同；优质教育资源的按需供给；学习机会的人人平等。

韩国世宗市从2012年开始推出智能学校，吸引了大批教师和学生家长。智能学校通过电子系统对学生从上学到放学的所有活动进行全部记录处理，继而实现教育业务的全面数字化[36]。智能学校里安装了72英寸的电子黑板、带有计算机的电子讲桌及无线AP天线等设备，还给学生们统一配备了平板电脑。上课时学生们一按平板电脑的键盘，老师的电子讲桌画面就立刻显示出学生的出勤情况。课堂上，老师用电子笔在电子黑板上写下的话会马上传输到学生的平板电脑上，学生也可在平板电脑上写下自己的反馈与老师互动（见图2.26）。

韩国世宗市计划将150多所学校全部建设成智能学校，到目前为止，智能学校每个班级的学生为25人。这种全新的教育模式受到了学生、教师和家长的欢迎。在智能学校上课的学生说，用高科技手段上课很有意思，能调动自己的兴趣和积极性，和老师也能更好地交流。学生家长则表示，有了智能学校，学生不用再背着沉重的书包上下学，学生们互相交换意见也很方便。在智能学校授课的教师认为，在智能化课堂上，教师能够准确地把握每个学生的学习情况，实现一对一教学。