李文

摘要：教室是開展學(xué)校教育的主要教學(xué)場(chǎng)所和構(gòu)成學(xué)校的基本組成單位，智慧教育的興起促進(jìn)了智慧教室的構(gòu)建。本文著眼于智慧教室的物理環(huán)境要素，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和無線接入技術(shù)，分別對(duì)智慧教室的空氣品質(zhì)、光環(huán)境、聲環(huán)境、熱環(huán)境和教學(xué)設(shè)備設(shè)施環(huán)境五個(gè)方面進(jìn)行探究，得出相關(guān)參數(shù)表，以供其他學(xué)習(xí)者參考。

關(guān)鍵詞：智慧教室；物理環(huán)境；構(gòu)成要素

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）09-0247-03

1引言

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，一些發(fā)達(dá)國(guó)家越來越重視將技術(shù)應(yīng)用到教育中，通過采用數(shù)字化學(xué)習(xí)技術(shù)打造智能化學(xué)習(xí)環(huán)境來提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，培養(yǎng)高素質(zhì)人才。我國(guó)《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011-2020）》中的工作方針之一 “探索現(xiàn)代信息技術(shù)與教育的全面深度融合”體現(xiàn)了教育信息化在我國(guó)教育改革與發(fā)展上的重要性。在我國(guó)教育信息化進(jìn)程中，運(yùn)用新技術(shù)構(gòu)建智慧學(xué)習(xí)環(huán)境以適應(yīng)信息時(shí)代的需求，是當(dāng)前教育技術(shù)研究必須重視的問題。

教室是開展學(xué)校教育的主要教學(xué)場(chǎng)所和構(gòu)成學(xué)校的基本組成單位，構(gòu)建智慧教室是教育信息化的必然趨勢(shì)。與此同時(shí)，智慧教室的空間設(shè)計(jì)也越來越引發(fā)大家的重視。智慧教室的空間設(shè)計(jì)應(yīng)包含括物理環(huán)境設(shè)計(jì)和空間環(huán)境設(shè)計(jì)。本文將從智慧教室的物理環(huán)境這一角度開展研究。

2智慧教室的認(rèn)識(shí)

2008 年“智慧地球”（ Smart Planet）[1] 概念提出后，“智慧”與“教育”的結(jié)合，使得該領(lǐng)域下，智慧校園、智慧教育、智慧教室開始迅速發(fā)展。我國(guó)相關(guān)領(lǐng)域?qū)τ凇爸腔劢淌摇钡母拍畈]有一個(gè)統(tǒng)一的解釋。黃榮懷、聶風(fēng)華、陳衛(wèi)東、王玉龍、程敏等人都分別對(duì)智慧教室的概念進(jìn)行了界定。例如，黃榮懷[2]提出智慧教室是一種“能優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容呈現(xiàn)、便利學(xué)習(xí)資源獲取、促進(jìn)課堂交互開展，具有情境感知和環(huán)境管理功能的新型教室”。聶風(fēng)華[3]等認(rèn)為“智慧教室是為教學(xué)活動(dòng)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。”但是，不論其如何定義，利用新興技術(shù)構(gòu)建教與學(xué)的環(huán)境，促進(jìn)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)和相關(guān)技能的提高，這是對(duì)于智慧教室概念的共通之處。這就凸顯了智能設(shè)備和新技術(shù)在智慧教室中的重要作用。那么，如何利用智能設(shè)備和新技術(shù)去構(gòu)建一個(gè)舒適的、智能的、促進(jìn)學(xué)習(xí)的物理環(huán)境呢？這個(gè)物理環(huán)境是什么樣的呢？

3物理環(huán)境的應(yīng)用技術(shù)

技術(shù)作為整個(gè)智慧教室的核心，直接關(guān)系智慧教室的“智慧性”[4]。目前智慧教室在其物理環(huán)境設(shè)計(jì)中到底到會(huì)應(yīng)用哪些技術(shù)？

①物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是通過將任何物體與互聯(lián)網(wǎng)連接，實(shí)現(xiàn)智能化、自動(dòng)化的互聯(lián)和交互，涵蓋了信息識(shí)別、讀取、傳送、處理、存儲(chǔ)、應(yīng)用的全過程，為教育信息化、自動(dòng)化、現(xiàn)代化提供更加理想的解決方案[5]。在智慧教室中，通過各種傳感器使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能自動(dòng)啟動(dòng)照明、空調(diào)、窗簾、投影機(jī)等設(shè)備，自動(dòng)調(diào)節(jié)照明亮度、溫度、濕度等，能實(shí)現(xiàn)學(xué)生身份自動(dòng)識(shí)別、自動(dòng)考勤等。

②無線接入技術(shù)。無線接入技術(shù)RIT（radio interface technologies） 無線接入技術(shù)指通過無線介質(zhì)將用戶終端與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)連接起來，以實(shí)現(xiàn)用戶與網(wǎng)絡(luò)間的信息傳遞。借助無線接入技術(shù)，智慧教室的軟件、硬件系統(tǒng)和設(shè)備之間進(jìn)行無縫連接，多個(gè)智慧終端的無縫切換，為教師學(xué)習(xí)者提供了一個(gè)無縫連接的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境[6]。

4智慧教室的物理環(huán)境設(shè)計(jì)

本文認(rèn)為智慧教室的空間設(shè)計(jì)主要包括物理環(huán)境設(shè)計(jì)和空間環(huán)境設(shè)計(jì)。物理環(huán)境，是指研究對(duì)象周圍的環(huán)境[7]。葉瀾認(rèn)為，影響課堂教學(xué)師生狀態(tài)的物理要素之一就是教室條件[8]，比如室內(nèi)的溫度、濕度、噪音和采光等。劉強(qiáng)[9]等指出教室物理環(huán)境包括包括空氣品質(zhì)、光環(huán)境和聲環(huán)境。針對(duì)智慧教室利用新興技術(shù)促進(jìn)教學(xué)的特征，智慧教室的物理環(huán)境要素除了空氣品質(zhì)、光環(huán)境和聲環(huán)境，還應(yīng)包括熱環(huán)境和教學(xué)設(shè)備設(shè)施環(huán)境，如圖1。

4.1 物理環(huán)境要素探究

1）空氣質(zhì)量

室內(nèi)空氣品質(zhì)是指在某個(gè)具體的環(huán)境內(nèi)，空氣中某些要素對(duì)人群工作、生活的適宜程度[10]。對(duì)室內(nèi)空氣品質(zhì)評(píng)價(jià)時(shí)，一般選擇會(huì)危害人體健康的、相對(duì)穩(wěn)定、易檢測(cè)且能代表室內(nèi)污染的污染物作為評(píng)價(jià)因子[11]。針對(duì)智慧教室的情況，結(jié)合室內(nèi)空氣品質(zhì)的評(píng)價(jià)因子，智慧教室的空氣品質(zhì)評(píng)估最終選取教室環(huán)境的二氧化碳（CO2）、臭氧（O3）、甲醛、揮發(fā)性有機(jī)物（TVOC）、可吸入顆粒物（PM10）、氡、菌落數(shù)等7個(gè)指標(biāo)。

智慧教室內(nèi)的二氧化碳主要來自于師生的呼出氣體，當(dāng)超出一定濃度范圍后，會(huì)出現(xiàn)頭暈頭痛，濃度過高時(shí)，會(huì)導(dǎo)致死亡。臭氧來自于室外的光化學(xué)煙霧，其次，智慧教室內(nèi)的復(fù)印機(jī)、空氣負(fù)離子發(fā)生器、紫外燈等在使用的過程中都會(huì)產(chǎn)生臭氧，濃度高時(shí)會(huì)誘發(fā)嚴(yán)重病變。智慧教室在裝修過程中所選用的建筑材料、裝飾物、家具等都會(huì)產(chǎn)生甲醛和揮發(fā)性有機(jī)物，嚴(yán)重時(shí)可致癌?？晌腩w粒物一半來自于大氣中的懸浮顆粒物，當(dāng)教室通風(fēng)換氣時(shí)，顆粒物進(jìn)入室內(nèi)進(jìn)而污染室內(nèi)空氣質(zhì)量，濃度高時(shí)對(duì)人群呼吸道患病和人體免疫功能的損害明顯。氡來自于智慧教室的建筑材料，比如石膏、水泥、磚沙等，極易引發(fā)肺癌。一般室內(nèi)環(huán)境中都會(huì)出現(xiàn)各種菌落群，加拿大的調(diào)查認(rèn)為，室內(nèi)空氣質(zhì)量問題中有 21%是因生物污染引起的，主要包括細(xì)菌和真菌、霉菌、軍團(tuán)菌、病毒等。結(jié)合國(guó)家相關(guān)規(guī)定，得出智慧教室的空氣質(zhì)量指標(biāo)表，如表1。

利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和無線接入技術(shù)，我們可在智慧教室內(nèi)安裝內(nèi)空氣質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)空氣質(zhì)量，并及時(shí)采取相應(yīng)措施進(jìn)行智能調(diào)控。

2）光環(huán)境

智慧教室人工照明應(yīng)該在照明標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求下進(jìn)行智慧照明的建設(shè)。根據(jù)GB50034-2013《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[12]中教育建筑照明標(biāo)準(zhǔn)，我們認(rèn)為照明質(zhì)量指標(biāo)主要包括相關(guān)色溫、桌面照度、照度均勻度、眩光、亮度對(duì)比度、顯色指數(shù)等[13]。根據(jù)我國(guó)建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合相關(guān)研究文獻(xiàn)得出，智慧教室的相關(guān)光照指數(shù)值如表2所示。需要注意的是，我國(guó)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定教室桌面照度標(biāo)準(zhǔn)為 300lx，色溫為3300～5300K，但嚴(yán)永紅和關(guān)楊等[14]在做照度和視疲勞研究中指出，使用色溫為4000K光源，照度值為750 lx時(shí)，最能降低學(xué)生的視疲勞和腦疲勞，所以對(duì)比國(guó)家光照標(biāo)準(zhǔn)，智慧教室的光環(huán)境在照度值和色溫指標(biāo)上做出了相應(yīng)變化。

通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和無線接入技術(shù)，在智慧教室室內(nèi)安裝光照度自動(dòng)測(cè)量智能系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量，并根據(jù)設(shè)定的相關(guān)光照指數(shù)自動(dòng)進(jìn)行燈光調(diào)控。

3）聲環(huán)境

這里的聲環(huán)境不僅指安靜的室內(nèi)外環(huán)境，還應(yīng)滿足該教室內(nèi)的聲環(huán)境不會(huì)使人感到煩躁和疲倦。教室空間設(shè)計(jì)要盡量減少噪聲污染，避免不利反射聲，提高語言清晰度。智慧教室聲環(huán)境的指標(biāo)主要包括噪音等級(jí)、語言聲壓級(jí)、信噪比和混響時(shí)間。我國(guó)《民用建筑隔聲設(shè)計(jì)規(guī)范》[15]中規(guī)定了學(xué)校建筑中各種教學(xué)用房和教學(xué)輔助用房的允許噪音等級(jí)以及混響時(shí)間，按照該規(guī)范內(nèi)對(duì)房間的分類，參考彭建新[16]的語言清晰度研究，得出智慧教室的聲環(huán)境指標(biāo)如表3所示。

4）熱環(huán)境

熱環(huán)境主要是指室內(nèi)的空氣環(huán)境，主要包括室內(nèi)的溫度、濕度、風(fēng)速等因素。室內(nèi)熱環(huán)境的熱源主要是室內(nèi)的設(shè)備、照明和人員等產(chǎn)生的影響[17]。智慧教室內(nèi)部設(shè)備量較大，產(chǎn)生的影響也較大。舒適的熱環(huán)境能夠使人保持良好的知覺和智力水平，身體機(jī)能狀態(tài)最好。實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境溫度在21～24°C，學(xué)生學(xué)習(xí)狀態(tài)最好，學(xué)習(xí)效率最高。其次，室內(nèi)濕度在30%～80%最好，太過潮濕或干燥的室內(nèi)濕度會(huì)影響學(xué)習(xí)情緒。多位學(xué)者研究得出，當(dāng)溫度在21°C到24°C之間，濕度為45%～65%之間，室內(nèi)風(fēng)速在0.1米/秒～0.2米秒的時(shí)候（如表4所示），人腦思考問題的能力最敏捷、準(zhǔn)確，精神狀態(tài)最好，在此種環(huán)境下學(xué)習(xí)效率最高[17]。所以在學(xué)習(xí)空間的建設(shè)中盡量營(yíng)建舒適的熱環(huán)境。在該教室內(nèi)，通過傳感器技術(shù)對(duì)溫度、濕度和風(fēng)速進(jìn)行檢測(cè)，并通過智能設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)調(diào)控，使室內(nèi)保持最舒適的學(xué)習(xí)狀態(tài)。

5）設(shè)備設(shè)施環(huán)境設(shè)計(jì)

智慧教室的設(shè)備設(shè)施環(huán)境主要包括基礎(chǔ)設(shè)施、教學(xué)教學(xué)設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。智慧教室基礎(chǔ)設(shè)施包括講臺(tái)、活動(dòng)桌椅、燈、空調(diào)、加濕器、窗簾、儲(chǔ)物柜等。基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)智能教學(xué)設(shè)備一般包括：服務(wù)器、路由器、交換機(jī)、中控智能主機(jī)、電子白板、液晶高清顯示屏、用戶終端（手機(jī)、電腦、平板等）、投影儀、音響、話筒、攝像頭、和視頻錄播設(shè)備等。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備還應(yīng)包括傳感器、RFID、紅外探測(cè)模塊、空氣質(zhì)量檢測(cè)器等。智慧教室的物理環(huán)境構(gòu)建是基于多種信息技術(shù)的應(yīng)用，如無線接入、多點(diǎn)觸控、泛在計(jì)算技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、便攜式移動(dòng)手持設(shè)備、可穿戴電腦技術(shù)等，其內(nèi)部設(shè)備及其功能要充分體現(xiàn)教室的智慧性。

5總結(jié)

信息技術(shù)的不斷發(fā)展使學(xué)習(xí)空間具有了更多的形式，教室作為主要學(xué)習(xí)環(huán)境，其發(fā)展也將越來越傾向于信息化智能化，構(gòu)建智慧教室也就成為教育信息化的必然趨勢(shì)。智慧教室的物理環(huán)境的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)較易確定，我國(guó)在教學(xué)建筑方面已有一系列成熟的量化標(biāo)準(zhǔn)，智慧教室的物理環(huán)境除了要達(dá)到國(guó)家及教育行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求外，還應(yīng)結(jié)合近年來有關(guān)教室物理環(huán)境的相關(guān)論文研究，進(jìn)行部分參數(shù)調(diào)整，使該標(biāo)準(zhǔn)值更能滿足并適應(yīng)學(xué)生生活、學(xué)習(xí)與成長(zhǎng)的需要。此外，智慧教室作為一種自適應(yīng)的學(xué)習(xí)環(huán)境，能根據(jù)環(huán)境變化智能調(diào)節(jié)自身特性并使相關(guān)系統(tǒng)能按照一些設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)工作在最優(yōu)狀態(tài)。

本文針對(duì)智慧教室的物理環(huán)境設(shè)計(jì)做出了一個(gè)探索性的研究，分別對(duì)智慧教室的空氣品質(zhì)、光環(huán)境、聲環(huán)境、熱環(huán)境和教學(xué)設(shè)備設(shè)施環(huán)境五個(gè)方面進(jìn)行探究。在智慧教室內(nèi)利用先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)傳感技術(shù)和無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將互聯(lián)網(wǎng)和實(shí)體物理設(shè)施之間以及設(shè)備與設(shè)備之間有機(jī)地連接成一個(gè)整體，創(chuàng)建智慧的物理環(huán)境，為學(xué)習(xí)者提供更加安全、便利、舒適、健康、有效的學(xué)習(xí)環(huán)境。但由于自身知識(shí)的局限性，本文的研究層次還較為淺薄，還需要進(jìn)一步探討。同時(shí)，希望本文能為以后基于智慧教室的構(gòu)建提供一個(gè)參考。

注釋：

[1] GB/T 17094-1997室內(nèi)空氣中二氧化碳衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)

[2] GB/T 17094-1997室內(nèi)空氣中二氧化碳衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)

[3] GB/T 18883-2002室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

[4] GB50325-2010民用建筑工程室內(nèi)環(huán)境污染控制規(guī)范

參考文獻(xiàn)：

[1] IBM 智慧地球的“智慧成長(zhǎng)”[EB /OL].[2014-10-6].http： / /www. 5lian.cn / html /2012 / guojiwulianqiye_0321 /31685.html.

[2] 黃榮懷，胡永斌，楊俊鋒，肖廣德.智慧教室的概念及特征[J].開放教育研究，2012，18（02）：22-27.

[3] 聶風(fēng)華，鐘曉流，宋述強(qiáng).智慧教室：概念特征、系統(tǒng)模型與建設(shè)案例[J].現(xiàn)代教育技術(shù)，2013，23（07）：5-8.

[4] 張亞珍，張寶輝，韓云霞.國(guó)內(nèi)外智慧教室研究評(píng)論及展望[J].開放教育研究，2014，20（01）：81-91.

[5] 鄭廣成，朱翠苗.基于物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)的智慧教室建構(gòu)的研究[J].軟件工程，2016，19（09）：44-46+33.

[6] 鹿星南.論智慧學(xué)校建設(shè)的支持系統(tǒng)及其構(gòu)建策略[J].天津師范大學(xué)學(xué)報(bào)（基礎(chǔ)教育版），2017，18（03）：18-22.

[7] 高丹丹. 予教學(xué)以最優(yōu)化的環(huán)境——未來課堂設(shè)計(jì)[J]. 中國(guó)信息技術(shù)教育，2012（09）：74-78.

[8] 葉瀾.讓課堂煥發(fā)出生命活力——論中小學(xué)教學(xué)改革的深化[J].教育研究，1997（9）：3-8.

[9] 劉強(qiáng)，王連龍，楊杰. 教室教學(xué)環(huán)境的構(gòu)成要素研究[J]. 現(xiàn)代教育技術(shù)，2016，26（08）：55-61

[10] 沈晉明.室內(nèi)污染物與空氣品質(zhì)評(píng)價(jià)[J].通風(fēng)除塵，1995（4）：10-13.

[11] 于乃云. 室內(nèi)空氣品質(zhì)評(píng)價(jià)與污染物控制[D].青島科技大學(xué)，2014.

[12] GB50034-2013建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S].

[13] 高帥.教室光環(huán)境研究綜述[J].照明工程學(xué)報(bào)，2013，24（S1）：94-100.

[14] 嚴(yán)永紅，關(guān)楊，劉想德，劉煒.教室熒光燈色溫對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)效率和生理節(jié)律的影響[J].土木建筑與環(huán)境工程，2010，32（04）：85-89.

[15] GB 50118-2010 民用建筑隔聲設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[16] Peng J X.Chinese speech intelligibility at different speech sound pressure levels and signal-to-noise ratios in simulated classrooms[J]. Applied Acoustics，2010，71（4）：386-390.

[17] 陳巧云.高等院校高效率學(xué)習(xí)空間的設(shè)計(jì)研究[D].東北林業(yè)大學(xué)，2014.