顏琳

摘 要 隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計算等新技術(shù)的日趨成熟，智慧教育的推行促使以智慧教室為代表的學(xué)習(xí)環(huán)境設(shè)計與應(yīng)用得到廣泛關(guān)注。通過對智慧教室概念特征的歸總，對比傳統(tǒng)多媒體教學(xué)環(huán)境的弊端得到智慧教室的微觀需求，在SMART模型的基礎(chǔ)之上設(shè)計出智慧教室的系統(tǒng)架構(gòu)，歸結(jié)一般智慧教室的必備系統(tǒng)設(shè)備。

關(guān)鍵詞 大數(shù)據(jù)；智慧教室；多媒體教室；教學(xué)資源

中圖分類號：G652 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2018）08-0018-03

1 引言

20世紀(jì)80年代以來，在計算機、多媒體、互聯(lián)網(wǎng)各代信息技術(shù)風(fēng)潮的推動下，簡單黑板加粉筆的傳統(tǒng)教室經(jīng)歷了一系列演變：從起初應(yīng)用音響、投影儀等設(shè)備的多媒體教室，到網(wǎng)絡(luò)化階段將網(wǎng)絡(luò)接入教室，豐富教學(xué)資源的同時也拓展了教學(xué)活動的空間。21世紀(jì)，隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等新技術(shù)的推出并日趨成熟，智慧教育孕育而生，相應(yīng)地，具備智慧技術(shù)與應(yīng)用的智慧教室成為未來教室發(fā)展的必然形態(tài)。

2 智慧教室的概念特征

Smart-Classroom最早是1988年由國外學(xué)者Rescigno在《教育技術(shù)的實際執(zhí)行》一文中提出的[1]。當(dāng)時他所定義的Smart-Classroom就是嵌入個人電腦、交互式光盤視頻節(jié)目、閉路電視、VHS程序、衛(wèi)星鏈接、本地區(qū)域網(wǎng)絡(luò)和電話調(diào)制解調(diào)器的傳統(tǒng)教室[1]。到2008年，隨著“智慧地球”（2008年11月，時任IBM首席執(zhí)行官彭明盛在《智慧地球：下一代的領(lǐng)導(dǎo)議程》一文中首次提出“智慧地球”的概念）理念的提出，在教育領(lǐng)域關(guān)于智慧教室的研究得到廣泛關(guān)注。懷利·旺（Wylie Wong）認(rèn)為，智慧教室能提供多種呈現(xiàn)技術(shù)和教學(xué)工具來豐富教學(xué)內(nèi)容，為教師施展多樣的教學(xué)方式帶來便利，同時激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深學(xué)習(xí)體驗的效果；在師生交互過程采用更為自然的交互手段替代原有的鍵盤束縛。陳衛(wèi)東認(rèn)為，智能教室是一個利用智能空間技術(shù)控制操作教室的聲、光、電設(shè)備，適合多種教學(xué)方式并能實現(xiàn)師生交互、人機交互活動的增強型教室[2]。黃榮懷等人認(rèn)為，在傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及人工智能技術(shù)充分發(fā)展的信息時代，教室環(huán)境應(yīng)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，具有情景感知和環(huán)境管理功能的新型教室，這種教室被稱為智慧教室[3]。筆者認(rèn)為，智慧教室是在物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)支持下推動發(fā)展的新型教室形態(tài)。

智慧教室能捕獲、記錄、分析學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)過程中產(chǎn)生的一系列數(shù)據(jù)，形成各類型的學(xué)習(xí)風(fēng)格報告，由此制訂個性化學(xué)習(xí)方案，向?qū)W習(xí)者推送差異化學(xué)習(xí)內(nèi)容，做到因材施教的同時，也讓學(xué)習(xí)者在各自適應(yīng)的學(xué)習(xí)起點下不斷完善發(fā)展自我能力，最終實現(xiàn)真正意義上的智慧教學(xué)。用智慧的技術(shù)提供智能化服務(wù)，實現(xiàn)智慧管理，這是智慧教室有別于多媒體教室和網(wǎng)絡(luò)化教室的主要特征[4]。

3 智慧教室的微觀需求

傳統(tǒng)教學(xué)環(huán)境偏向于知識理解與回憶等簡單目標(biāo)的培養(yǎng)，但隨著培養(yǎng)目標(biāo)由知識理解向能力培養(yǎng)的轉(zhuǎn)變，多媒體教室顯現(xiàn)出不足之處，對智慧教室提出的需求則越發(fā)凸顯，主要集中表現(xiàn)在以下幾個方面。

空間結(jié)構(gòu)的靈活性要求 傳統(tǒng)教室內(nèi)講臺與學(xué)生課桌椅的位置固定，整體結(jié)構(gòu)較為封閉。“秧苗式”的桌椅擺置使得教學(xué)模式難以改變，導(dǎo)致學(xué)生的自主地位難以得到突出。傳統(tǒng)教學(xué)過程多是依照教師課前準(zhǔn)備的教案流程按部就班地進(jìn)行，無法根據(jù)學(xué)生的實質(zhì)性反應(yīng)及時地做出教學(xué)調(diào)整。大多數(shù)教師為便于播放教學(xué)課件或資料，始終駐足在操作臺前，未多走動，達(dá)不到有效的師生互動效果。智慧教室則強調(diào)連通性原則，打破固定黑板與講臺桌椅的限制，給予可靈活調(diào)整的教學(xué)結(jié)構(gòu)，將教的過程與學(xué)的過程無縫銜接，從而促進(jìn)教師與學(xué)生的有效互動。

隨堂資源的及時保存需求 比起以往教學(xué)的黑板板書，在多媒體環(huán)境下的教師更傾向于將教學(xué)內(nèi)容直接靜態(tài)投影在幕布上。這樣的學(xué)習(xí)方式使學(xué)生無暇顧及新舊知識間的聯(lián)系與對比，知識疑點的堆積導(dǎo)致認(rèn)知活動受到阻礙。在教學(xué)過程中，由于系統(tǒng)的孤立性與技術(shù)的阻礙，學(xué)生的課堂筆記、師生互動對話內(nèi)容、教師的教學(xué)靈感與課堂反思等寶貴的生成性教學(xué)資源都未能得到收集保存。智慧教室環(huán)境引入智能黑板、師生交互軟件系統(tǒng)等智能設(shè)備，這些設(shè)備的使用既能保留投影幕布的作用效果，也增加了板書保存功能，可以捕捉教師迸發(fā)的靈感內(nèi)容。

個性化教學(xué)的精準(zhǔn)化要求 傳統(tǒng)教學(xué)環(huán)境下技術(shù)的缺乏使得教學(xué)數(shù)據(jù)收集困難，教師往往對學(xué)生的個性化教學(xué)環(huán)節(jié)無從下手。而智慧教室環(huán)境建立在精準(zhǔn)數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，為教學(xué)創(chuàng)建有效方案，提供了多種收集各類教學(xué)數(shù)據(jù)的工具途徑，便于教師研究分析學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，做到真正的因材施教，確保教學(xué)效果達(dá)到課程目標(biāo)。

4 智慧教室系統(tǒng)模型構(gòu)建

智慧教室是借助各種計算技術(shù)、智能技術(shù)構(gòu)建的智慧學(xué)習(xí)空間。目前，國內(nèi)外的智慧教室多在空間創(chuàng)新與技術(shù)優(yōu)化方面下功夫。在與賽格德大學(xué)合作的教室建設(shè)項目中，微軟公司根據(jù)學(xué)習(xí)空間設(shè)計原則，認(rèn)為構(gòu)思未來教室在保障核心技術(shù)——“智慧”的同時，應(yīng)該具備多屏顯示、色彩豐富、桌椅移動靈活等空間布局特點。陳衛(wèi)東教授提出，未來課堂的學(xué)習(xí)支持系統(tǒng)模型，通過云服務(wù)等技術(shù)解決設(shè)備之間的數(shù)據(jù)共享問題，實現(xiàn)資源優(yōu)化，促進(jìn)個性化學(xué)習(xí)的發(fā)展。黃榮懷教授等人曾構(gòu)建出智慧教室的“SMART”模型，將智慧具體展現(xiàn)在優(yōu)化的內(nèi)容呈現(xiàn)、系統(tǒng)化的環(huán)境管理、便捷的資源獲取、及時性的課堂互動、人性化的情景體驗等五個維度上，充分突出了信息技術(shù)在教學(xué)過程中良好的作用效果。

筆者認(rèn)為，智慧教室應(yīng)具備學(xué)習(xí)支持、智能環(huán)境、交互工具等功能，在環(huán)境管理上能根據(jù)實時溫濕度與學(xué)生數(shù)的比例，智能調(diào)節(jié)教室的溫濕度與明亮度，達(dá)到適宜學(xué)生學(xué)習(xí)的舒適環(huán)境；在資源獲取上，實時收錄生成性信息，實行個性化資源推送與共享；在交互上，簡易有效的人機交互為學(xué)生創(chuàng)造一定的自主探究空間，提供便捷的信息獲取服務(wù)，達(dá)到顯著的教學(xué)效果；在學(xué)習(xí)支持上，實現(xiàn)線上線下雙互動，將泛在式學(xué)習(xí)與系統(tǒng)化學(xué)習(xí)相結(jié)合，為學(xué)生實現(xiàn)個性化發(fā)展提供強有力的支持。

在SMART模型基礎(chǔ)上，筆者構(gòu)建6+1模型，以智能數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)作為主要數(shù)據(jù)共享平臺，將智慧教室系統(tǒng)分為環(huán)境硬件裝置、網(wǎng)絡(luò)識別系統(tǒng)、中控管理系統(tǒng)、即時交互系統(tǒng)、實時收錄系統(tǒng)、資源云平臺（如圖1所示）。

智能數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)作為其余六個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)連接橋梁，用于實時采集教學(xué)過程中大量的信息數(shù)據(jù)，建立龐大的數(shù)據(jù)庫，利用采集器和嵌入式裝置，將視音頻、監(jiān)控、教學(xué)資源等轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)信號存入數(shù)據(jù)庫，方便管理員隨時調(diào)用。

環(huán)境硬件裝置，顧名思義，指教室智能環(huán)境下的多種設(shè)備，如桌椅配置、電力設(shè)備、控溫空調(diào)、燈光照明等。傳統(tǒng)多媒體教室的布局多為填鴨式，課桌椅笨重死板，不利于隨意移動，局限學(xué)生的互動行為。智慧教室的課桌椅應(yīng)用人體工程學(xué)原理，使其符合青少年身體尺度的同時更加多樣化。經(jīng)過多種形狀拼接比對，梯形狀的桌子能夠依據(jù)教學(xué)活動的需求，隨意組合拼接為多種互動形式的桌形。自帶滾輪的活動椅搭配拼接課桌，實現(xiàn)小組互動中的多種組合形式。合理的設(shè)備布局，能提高教室空間的有效利用率。在配電上保障供電安全，實行檢測斷電裝置。

有實驗研究得出過結(jié)論：空氣、溫度、光線、聲音、顏

色、氣味等是環(huán)境的物理因素，這些因素直接影響師生的身心活動[4]。對這些因素的管理實時監(jiān)控，保證室內(nèi)空氣無毒無害無異味；傳感器實時檢測室內(nèi)的噪聲、光線、溫度、濕度等參數(shù)，并根據(jù)預(yù)設(shè)的參數(shù)進(jìn)行智能調(diào)節(jié)，將室內(nèi)聲、光、溫、氣等調(diào)節(jié)至適宜狀態(tài)。整個硬件設(shè)施系統(tǒng)旨在為師生提供適宜的智能化教學(xué)環(huán)境，以使外界因素對教學(xué)產(chǎn)生的干擾達(dá)到最小值。

網(wǎng)絡(luò)識別系統(tǒng)包括網(wǎng)絡(luò)的輸入輸出、人體識別等子系統(tǒng)。智慧教室內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)既有無線的，也有有線的，配合教學(xué)設(shè)備需求設(shè)定。人體識別系統(tǒng)作為傳感裝置，可以用于紅外線感應(yīng)人體密度，配合調(diào)節(jié)教學(xué)環(huán)境適宜度使用；也可以用于考勤信息的收集，通過校園卡信息采集、指紋、人臉識別等感應(yīng)記錄進(jìn)出課堂。

中控管理系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)中控裝置和監(jiān)控。智慧教室內(nèi)軟硬件設(shè)備眾多，在管理上需要一定的工作量，采用可視化管理設(shè)備、運行能耗、現(xiàn)場錄制等更高效快捷。同時，智慧教室內(nèi)涉及各類型大數(shù)據(jù)，對大數(shù)據(jù)進(jìn)行智能化采集分析，便于管理人員通過可視化界面查看運行狀況和管理操作。

即時互動系統(tǒng)主要分為教學(xué)互動和人機互動兩大部分。智慧教室應(yīng)能支持人機之間的自然互動，要做到設(shè)備界面簡潔、功能明晰、可導(dǎo)航、易操作、貼合人體的使用習(xí)慣。學(xué)習(xí)內(nèi)容以多方位、多角度、多種媒體形式呈現(xiàn)，教師端配備電子白板、觸摸一體機、實物展臺等設(shè)備，學(xué)生端配備筆記本電腦、iPad、智能手機、電子書包等設(shè)備。智慧教室內(nèi)采用多屏顯示，保證每位學(xué)生都能夠清晰地看到教學(xué)內(nèi)容。內(nèi)容放映時可根據(jù)教學(xué)需要實現(xiàn)多屏同步、多屏異步及循環(huán)播放模式，讓學(xué)生能夠及時捕捉信息，在課堂內(nèi)有效地處理學(xué)習(xí)內(nèi)容，做到及時記錄的互動效果。引進(jìn)點陣筆等互動設(shè)備，將學(xué)生的學(xué)習(xí)情況或交流信息反饋給教師，有利于教師對教學(xué)進(jìn)度任務(wù)及時進(jìn)行調(diào)節(jié)。

虛擬VR技術(shù)的推廣也為智慧教室的互動效果增添了多彩的一筆?？梢越Y(jié)合學(xué)科需要，讓學(xué)生匹配VR設(shè)備，身臨其境般地感知科學(xué)的奧秘，如觀察生物課程中細(xì)胞的變化與微分子的運動，地理課程中海洋、山脈、湖泊一切盡在眼前。

實時收錄系統(tǒng)具有課堂錄制、實時應(yīng)答、檔案電子化等功能，支持錄制整個課堂的全部教學(xué)過程，便于教師與學(xué)生課后的教學(xué)回顧與反思。課堂應(yīng)答支持并記錄課堂中師生互動對話與信息反饋，加強互動效果。將學(xué)生檔案轉(zhuǎn)為電子存儲版，記錄學(xué)生學(xué)習(xí)行為的細(xì)節(jié)與進(jìn)度，為學(xué)生自主學(xué)習(xí)時做出正確選擇提供數(shù)據(jù)支持。

資源云平臺包括資源的云端獲取與處理。將資源整合成數(shù)據(jù)信息存放于教育云平臺，不僅可以節(jié)省教材占用空間，讓教與學(xué)的活動場所更為寬敞，又能使資源內(nèi)容極大豐富化和便捷化。智慧教室內(nèi)多種智能設(shè)備均能從云端獲取教育資源，豐富教學(xué)內(nèi)容，同時通過對實時收錄系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，對比學(xué)生實時學(xué)習(xí)情況，為學(xué)生提供智能化的個性化教育服務(wù)。

5 結(jié)論

在大數(shù)據(jù)時代背景下，作為一個智慧教室的系統(tǒng)參考模型，抓取教與學(xué)活動過程的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效分析，是發(fā)展未來教育的必經(jīng)之路。而環(huán)境硬件裝置、網(wǎng)絡(luò)識別系統(tǒng)、中控管理系統(tǒng)、即時互動系統(tǒng)、實時收錄系統(tǒng)、資源云平臺等六大分系統(tǒng)也缺一不可。在實際建設(shè)中，智慧教室所包含的具體細(xì)節(jié)設(shè)備遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止這七個系統(tǒng)，需要根據(jù)實地條件與需求進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整與改進(jìn)。

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