王鎮(zhèn) 陳桂華

中南林業(yè)科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 長(zhǎng)沙 410004

0 引言

教育在我國(guó)現(xiàn)代化建設(shè)中具有基礎(chǔ)性、先導(dǎo)性、全局性的地位和作用[1]，為加快教育現(xiàn)代化建設(shè)，國(guó)務(wù)院印發(fā)了《中國(guó)教育現(xiàn)代化2035》，提出了“加快信息化時(shí)代教育變革”的戰(zhàn)略任務(wù)[2]。教育信息化支撐引領(lǐng)了教育現(xiàn)代化建設(shè)，智慧教育是由高度信息化支持發(fā)展的教育新形態(tài)，代表了未來(lái)教育變革的方向。教育部發(fā)布的《教育信息化2.0 行動(dòng)計(jì)劃》提出“智慧教育創(chuàng)新發(fā)展行動(dòng)”，以期探索新技術(shù)支持下教育的模式變革和生態(tài)重構(gòu)，形成引領(lǐng)教育改革發(fā)展的新途徑、新模式[3]。智慧教育的發(fā)展離不開(kāi)智慧學(xué)習(xí)環(huán)境的構(gòu)建，作為創(chuàng)新教學(xué)場(chǎng)所的智慧教室是智慧教育的重要組成部分。智能課桌椅的出現(xiàn)為傳統(tǒng)課桌椅賦予了信息技術(shù)并拓寬了應(yīng)用場(chǎng)景，不僅是智慧教室空間設(shè)計(jì)的一部分，更是技術(shù)設(shè)計(jì)的一部分。

1 智能課桌椅功能設(shè)計(jì)概述

課桌椅可以從不同方面進(jìn)行分類：桌面造型、使用教室、使用年齡段、使用人數(shù)配置、使用材質(zhì)、可否升降或移動(dòng)組合等，從技術(shù)和使用功能出發(fā)則可以將課桌椅分為傳統(tǒng)課桌椅和智能課桌椅。課桌椅的智能化是普遍認(rèn)為的設(shè)計(jì)趨勢(shì)，智能課桌椅相較傳統(tǒng)課桌椅來(lái)說(shuō)是一種功能的升級(jí)，它既包含了傳統(tǒng)課桌椅坐臥存儲(chǔ)的基礎(chǔ)功能又開(kāi)發(fā)拓展出創(chuàng)新功能。當(dāng)前課桌椅的設(shè)計(jì)主要從人機(jī)工程學(xué)角度出發(fā)，對(duì)功能需求以及技術(shù)運(yùn)用關(guān)注不夠。市面上的智能桌椅更多是家用學(xué)習(xí)桌椅，忽視了教室才是學(xué)生日常學(xué)習(xí)的主要場(chǎng)所。普通教室用課桌椅系列是學(xué)校中最常見(jiàn)、使用頻率最高、使用時(shí)間最長(zhǎng)的課桌椅系列[4]，課桌椅的智能化真正值得我們重視研究。

智能課桌椅的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足功能適應(yīng)用戶需求、工程尺寸合理、材料綠色環(huán)保、外觀造型美觀、工藝精良、質(zhì)量可靠結(jié)構(gòu)安全、成本經(jīng)濟(jì)市場(chǎng)領(lǐng)先等，其中功能設(shè)計(jì)是智能課桌椅設(shè)計(jì)的核心，關(guān)系到智能課桌椅“智能”的發(fā)揮和技術(shù)的選用。智慧教育背景下的教學(xué)形式、學(xué)習(xí)行為、教育應(yīng)用技術(shù)要求學(xué)習(xí)空間向動(dòng)態(tài)可變、無(wú)縫銜接、沉浸參與方向轉(zhuǎn)變[5]，情境的復(fù)雜性和活動(dòng)的多樣性要求課桌椅的功能更多元智能，而不局限在憑倚坐臥和儲(chǔ)存的基礎(chǔ)性功能。智能課桌椅應(yīng)以學(xué)習(xí)者為中心進(jìn)行設(shè)計(jì)，系統(tǒng)化分析影響其功能設(shè)計(jì)的各個(gè)要素，充分關(guān)注學(xué)習(xí)者的多樣化需求。基于前期的調(diào)研訪談和相關(guān)資料整理，智能課桌椅功能需求可劃分為利益相關(guān)者需求與智慧教室課堂設(shè)計(jì)需求，以下從這兩個(gè)維度具體分析各項(xiàng)需求以及對(duì)應(yīng)的功能指標(biāo)。

2 智能課桌椅功能需求分析

2.1 課桌椅利益相關(guān)者需求

2.1.1 中小學(xué)學(xué)生群體需求

中小學(xué)是初小高小以及初中高中的合稱，中小學(xué)生處于6 ～18 歲，年齡跨度較大，不同成長(zhǎng)期的學(xué)生具有不同的群體特征以及不同的功能需求，比如中學(xué)生相比小學(xué)生來(lái)說(shuō)發(fā)育更成熟、心理更追求獨(dú)立個(gè)性、自制力更強(qiáng)、抽象思維能力更強(qiáng)、學(xué)習(xí)任務(wù)更重，因此可按學(xué)生年齡段分別設(shè)計(jì)具有不同功能特色的智能課桌椅系列。

中小學(xué)階段是一個(gè)人健全體質(zhì)、塑造性格和培養(yǎng)行為習(xí)慣的關(guān)鍵時(shí)期，課桌椅的功能需要體現(xiàn)人機(jī)適應(yīng)性，使青少年的生理特征、心理特征和思維認(rèn)知與桌椅各設(shè)計(jì)元素相適應(yīng)，幫助學(xué)生健康成長(zhǎng)。人機(jī)適應(yīng)性與學(xué)生生理特征關(guān)系最為密切，中小學(xué)生在成長(zhǎng)階段的生理特征主要有以下特點(diǎn)。

1）身材發(fā)育差異明顯。表現(xiàn)在學(xué)生身體發(fā)育快，男女生發(fā)育特點(diǎn)不同，不同年齡甚至同一個(gè)年齡的學(xué)生個(gè)體身材差異大，學(xué)生的身高體重體型有很大差別。

2）骨骼和肌肉未發(fā)育完全。學(xué)齡期學(xué)生的骨骼和肌肉處于生長(zhǎng)發(fā)育階段，因骨骼和肌肉支撐力不足，學(xué)生易疲勞，從而導(dǎo)致不健康的坐姿，造成近視、脊柱彎曲、胸部畸形等疾病的發(fā)生。

基于以上生理特征，課桌椅的尺寸規(guī)格需要與學(xué)生身材相匹配，滿足科學(xué)選配適合型號(hào)的需要，桌椅的功能尺寸和部件傾斜角皆可調(diào)節(jié)。課桌椅具備合理的尺寸規(guī)格是保證學(xué)生良好坐姿的基礎(chǔ)。據(jù)統(tǒng)計(jì)小學(xué)生一天中有1/3 的時(shí)間是在學(xué)校度過(guò)的，而其中有5 小時(shí)是始終處于坐姿狀態(tài)的[6]，在坐姿時(shí)間內(nèi)75%的學(xué)生坐姿行為不健康，并且錯(cuò)誤的坐姿習(xí)慣導(dǎo)致疲勞用眼比率上升，這使近視眼疾病已經(jīng)成為青少年群體的普遍現(xiàn)象，因此課桌椅有必要應(yīng)用技術(shù)來(lái)對(duì)學(xué)生即時(shí)監(jiān)督勸導(dǎo)及糾正其不良坐姿。

當(dāng)代的中小學(xué)生是在優(yōu)越環(huán)境中成長(zhǎng)起來(lái)的新生代群體，社會(huì)整體生活水平的提升也使得學(xué)生更加注重精神層面的需求，課桌椅的設(shè)計(jì)同樣需要充分考慮學(xué)生的心理感受。兒童在成長(zhǎng)期逐漸獨(dú)立，性別認(rèn)知和自我認(rèn)同感加強(qiáng)，他們會(huì)更加注重學(xué)習(xí)用具的個(gè)性化與獨(dú)特性，以此來(lái)展現(xiàn)個(gè)性表現(xiàn)自我。兒童大腦神經(jīng)系統(tǒng)興奮和抑制轉(zhuǎn)換較快，導(dǎo)致兒童情緒沖動(dòng)多變不夠穩(wěn)定、思維活躍、自制力有限、注意力容易不集中，這就要求課桌椅功能設(shè)計(jì)時(shí)要引導(dǎo)兒童情緒穩(wěn)定以及注意力集中。兒童對(duì)新鮮事物敏感好奇，其審美情趣是即興化、主觀化、游戲化的，功能最好游戲化設(shè)計(jì)以表現(xiàn)課桌椅應(yīng)有的活潑氣息。課桌椅功能設(shè)計(jì)要具有直觀易用性以符合中小學(xué)生群體的思維認(rèn)知模式，在學(xué)生操作時(shí)無(wú)沉重的學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)，且不必過(guò)多關(guān)注技術(shù)，具有人機(jī)交互自發(fā)性以形成和諧一致的協(xié)作關(guān)系。

健康在青少年生活、學(xué)習(xí)、成長(zhǎng)和發(fā)展中具有重要價(jià)值，家庭、學(xué)校、社會(huì)各方應(yīng)積極踐行“健康第一”的教育理念。中學(xué)生因升學(xué)壓力，日常學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)更重，更容易長(zhǎng)時(shí)間坐姿學(xué)習(xí)從而導(dǎo)致健康問(wèn)題，因此課桌椅有必要具備久坐學(xué)習(xí)提醒功能，使學(xué)生及時(shí)了解健康狀態(tài)并幫助緩解人體疲勞。享有充足的睡眠時(shí)間才能促進(jìn)學(xué)生身心健康發(fā)展，近年來(lái)我國(guó)教育部門(mén)對(duì)中小學(xué)生睡眠管理工作愈發(fā)重視，提倡有條件的地方和學(xué)校應(yīng)保障學(xué)生必要的午休時(shí)間。睡眠工程的備受關(guān)注塑造了課桌椅的新形態(tài)，從“趴著睡”到“躺著睡”，可躺睡課桌椅保證了學(xué)生更好的午休睡眠質(zhì)量。

2.1.2 教師及教務(wù)管理者需求

中小學(xué)課桌椅配置工作常存在教室桌椅型號(hào)與高度單一、排列不科學(xué)等問(wèn)題，為推動(dòng)課桌椅的科學(xué)規(guī)范配置，各級(jí)教育主管部門(mén)制定了課桌椅配置指導(dǎo)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和文件。中小學(xué)課桌椅的主要使用者是學(xué)生群體，但課桌椅配置工作的具體實(shí)施則涉及企業(yè)、學(xué)校教師以及各級(jí)教務(wù)管理人員，只有考慮各方需求才能真正落實(shí)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，為學(xué)生創(chuàng)建良好的成長(zhǎng)學(xué)習(xí)環(huán)境。

課桌椅是學(xué)校各個(gè)教室的基本設(shè)施，其配置調(diào)整涉及的工作量較大、工序繁雜，并且設(shè)備管理和日常維護(hù)往往需要一定的資金和人力投入。智能課桌椅可應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)規(guī)范簡(jiǎn)化桌椅配置流程并便于教務(wù)人員統(tǒng)一管理，日常維護(hù)訊息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)及時(shí)報(bào)修以延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。

2.2 智慧教室課堂設(shè)計(jì)需求

2.2.1 智慧教室概述

隨著信息技術(shù)的發(fā)展和媒體設(shè)備在傳統(tǒng)教室中的應(yīng)用，教室形態(tài)的發(fā)展軌跡經(jīng)歷了從傳統(tǒng)教室—電子教室—多媒體教室—數(shù)字網(wǎng)絡(luò)教室—智慧教室的演變[7]，教育現(xiàn)代化對(duì)中小學(xué)教室重構(gòu)的訴求正推動(dòng)著智慧教室的研究與應(yīng)用。智慧教室是借助新興信息化技術(shù)而構(gòu)建的虛擬與現(xiàn)實(shí)結(jié)合的教與學(xué)環(huán)境，該空間包含了一系列的軟硬件裝備，可實(shí)現(xiàn)分析學(xué)習(xí)行為、支持多元學(xué)習(xí)方式、便捷獲取教學(xué)資源等功能應(yīng)用，其功能體現(xiàn)在內(nèi)容呈現(xiàn)、環(huán)境管理、資源獲取、即時(shí)交互和情境感知五個(gè)方面[8]。

近年來(lái)國(guó)內(nèi)外校企合作研究，提出了許多智慧教室的技術(shù)設(shè)計(jì)解決方案，方案涵蓋了多種教學(xué)設(shè)備的集成自動(dòng)化以及軟件系統(tǒng)平臺(tái)的開(kāi)發(fā)與整合應(yīng)用，但在這些解決方案包含的教育裝備中卻很少見(jiàn)到課桌椅的身影，課桌椅與整個(gè)技術(shù)設(shè)計(jì)方案毫無(wú)聯(lián)系。智慧教室中的課桌椅往往由教育家具企業(yè)提供，其定位只是從其靈活組合性出發(fā)來(lái)設(shè)計(jì)教室空間布局，對(duì)課桌椅的功能設(shè)計(jì)潛力重視不夠。課桌椅是教室中必不可少的基礎(chǔ)設(shè)施，它可作為信息技術(shù)嵌入的載體實(shí)現(xiàn)其他教學(xué)設(shè)備所不具備的功能，加速智慧教室的推廣和發(fā)展。

2.2.2 PST 框架分析需求

課桌椅是智慧教室課堂設(shè)計(jì)的一部分，課堂設(shè)計(jì)常使用PST（Pedagogy-Space-Technology）框架進(jìn)行系統(tǒng)化分析評(píng)估，PST 包含了教學(xué)法、空間、技術(shù)三個(gè)相互聯(lián)系的要素，教學(xué)法理念和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)需要具體的教學(xué)空間和相應(yīng)的信息技術(shù)支持，而教學(xué)空間通過(guò)嵌入技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)功能的擴(kuò)展從而支持教學(xué)法，三者之間的關(guān)系如圖1 所示。智能課桌椅的功能需要建立設(shè)備與教學(xué)法、空間、技術(shù)三者之間的和諧關(guān)系，將三個(gè)方面所涉及到的功能需求有機(jī)結(jié)合以共同支持智慧教室的課堂設(shè)計(jì)。

圖1 PST 框架三要素之間的關(guān)系

從教學(xué)法的維度看，智慧教室課堂設(shè)計(jì)是課前、課中、課后的一體化設(shè)計(jì)，它以學(xué)習(xí)者為中心，為學(xué)生提供不同類型的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。傳統(tǒng)教室環(huán)境限制了教學(xué)模式的進(jìn)步，而智慧教室空間技術(shù)則重塑了教學(xué)模式，智慧教室的教學(xué)模式除了現(xiàn)代課堂所用的講授類、小組協(xié)作類、自主探究類教學(xué)模式以外，還包括情境探究、游戲化學(xué)習(xí)、遠(yuǎn)程協(xié)同、研討型和體驗(yàn)型等教學(xué)模式。一些中小學(xué)存在教學(xué)資源不足和教室資源緊張的問(wèn)題，除了必要的功能教室外，普通教室若分別專用于多媒體授課、討論課、自習(xí)或考試等教學(xué)環(huán)節(jié)會(huì)造成教室資源的極大浪費(fèi)，因此課桌椅需要提供相應(yīng)的功能服務(wù)以滿足不同教學(xué)模式課堂活動(dòng)的特殊需求，實(shí)現(xiàn)多教學(xué)環(huán)節(jié)共享。智慧教育強(qiáng)調(diào)的不再是以教師教評(píng)講授為主，課堂教和評(píng)的活動(dòng)也是為了更多促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)的活動(dòng)，而互動(dòng)是智慧教室課堂活動(dòng)開(kāi)展的核心，智能課桌椅可利用交互技術(shù)提供多元的教學(xué)互動(dòng)應(yīng)用來(lái)幫助課堂各對(duì)象之間進(jìn)行互動(dòng)，如集成互動(dòng)反饋系統(tǒng)以促進(jìn)教師與學(xué)生群體之間的互動(dòng)，整合全息投影技術(shù)使學(xué)生與知識(shí)資源之間更直觀地互動(dòng)。

從空間的維度看，智慧教室的空間環(huán)境由一系列基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)成，包括物理空間、桌椅教具、供配電、通風(fēng)空調(diào)、聲光照明等。良好的空間設(shè)計(jì)可營(yíng)造出宜人的學(xué)習(xí)氛圍，直接影響到學(xué)生的課堂情感體驗(yàn)，課桌椅可聯(lián)動(dòng)智慧教室環(huán)境控制系統(tǒng)來(lái)展示環(huán)境相關(guān)信息，體現(xiàn)出人與環(huán)境相適應(yīng)的健康呵護(hù)功能。師生不僅在教室空間內(nèi)進(jìn)行不同的模式的教學(xué)活動(dòng)，還會(huì)開(kāi)展文娛和交友等活動(dòng)，活動(dòng)場(chǎng)景的多樣性決定了教室需要具備靈活多變的空間布局形態(tài)，同時(shí)各功能區(qū)塊聯(lián)系便捷、高效復(fù)合。這要求課桌便于拼接組合成多種形式，桌椅皆具備靈活移動(dòng)性，通過(guò)移動(dòng)排列課桌椅實(shí)現(xiàn)空間布局的靈活調(diào)整和不同活動(dòng)場(chǎng)景的便捷切換，從而體現(xiàn)智慧教室空間設(shè)計(jì)的開(kāi)放性特征。

從技術(shù)的維度看，智慧教室是一個(gè)泛技術(shù)支持的學(xué)習(xí)環(huán)境，課堂活動(dòng)都是在一些技術(shù)的支持下發(fā)生的，師生在與技術(shù)的互動(dòng)過(guò)程中完成與資源的交互，教師借助資源進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容的呈現(xiàn)和教學(xué)活動(dòng)的組織，學(xué)生利用資源更有積極性完成學(xué)習(xí)任務(wù)[9]。課堂教學(xué)模式的變革與教學(xué)技術(shù)的應(yīng)用演變是分不開(kāi)的，課堂中所應(yīng)用的技術(shù)經(jīng)歷了從操作復(fù)雜到智能易用、從互動(dòng)形式單一到形式多元的變化過(guò)程。中小學(xué)建設(shè)的智慧教室類型與技術(shù)條件各不相同，匯總主要用到的技術(shù)有云端技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、智能環(huán)境控制技術(shù)、多屏顯示技術(shù)、互動(dòng)反饋技術(shù)、視訊會(huì)議技術(shù)、智能實(shí)錄技術(shù)、情境感知與智能代理技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、學(xué)習(xí)分析技術(shù)等。面對(duì)這一代的“數(shù)字土著”學(xué)習(xí)者，課堂會(huì)提供一系列的硬件設(shè)備和軟件系統(tǒng)帶給學(xué)生更多實(shí)踐和體驗(yàn)的可能性，如虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備將抽象知識(shí)與現(xiàn)實(shí)世界建立聯(lián)系，使學(xué)習(xí)過(guò)程有趣神奇；云學(xué)習(xí)支持系統(tǒng)和云資源服務(wù)平臺(tái)結(jié)合了多種交互學(xué)習(xí)終端，實(shí)現(xiàn)學(xué)生個(gè)性化學(xué)習(xí)；不同教學(xué)設(shè)備之間數(shù)據(jù)與應(yīng)用共享并智能化集成控制。智能課桌椅是智慧教室技術(shù)設(shè)計(jì)的一部分，需要與不同教室的整體技術(shù)條件相適應(yīng)，根據(jù)各學(xué)校的情況因地制宜，最大程度發(fā)揮技術(shù)的優(yōu)勢(shì)賦能現(xiàn)代化教學(xué)。它既可以依托相關(guān)技術(shù)獨(dú)立提供智慧化的應(yīng)用服務(wù)，也可以作為終端聯(lián)動(dòng)智慧教室環(huán)境中的一系列設(shè)備和系統(tǒng)，充分發(fā)揮課桌作為學(xué)生交互學(xué)習(xí)物理平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)。課桌椅作為學(xué)生日常學(xué)習(xí)接觸最頻繁的教育家具，可以充分感知收集深層次影響學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)行為的數(shù)據(jù)，并結(jié)合其他設(shè)備系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)共同進(jìn)行學(xué)習(xí)分析，它還可以對(duì)接云學(xué)習(xí)支持系統(tǒng)接收并展示教師發(fā)布的課堂任務(wù)，幫助學(xué)生進(jìn)行自主學(xué)習(xí)管理，培養(yǎng)學(xué)生良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣[10]。

3 智能課桌椅功能需求體系

功能需求體系的構(gòu)建是功能設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)，智能課桌椅功能及實(shí)現(xiàn)技術(shù)的選用應(yīng)圍繞促進(jìn)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)進(jìn)行，使技術(shù)有效地與教育情境相結(jié)合。在綜述相關(guān)文獻(xiàn)和調(diào)研分析的基礎(chǔ)上，本文嘗試從利益相關(guān)者與課堂設(shè)計(jì)兩個(gè)維度構(gòu)建智慧教室環(huán)境下中小學(xué)智能課桌椅的功能需求體系，該體系內(nèi)容如表1 所示。

在分析得出智能課桌椅功能需求體系的基礎(chǔ)上，對(duì)需求所對(duì)應(yīng)的功能進(jìn)行歸納分類，可以得到智能課桌椅功能設(shè)計(jì)的七類主要功能：桌椅基礎(chǔ)功能、人機(jī)適應(yīng)功能、健康呵護(hù)功能、配置管理功能、移動(dòng)拼合排列功能、教學(xué)互動(dòng)功能、學(xué)習(xí)助手功能，各項(xiàng)功能的具體內(nèi)容如表2 所示。

表2 智能課桌椅功能指標(biāo)

該功能指標(biāo)體系中的一級(jí)指標(biāo)涵蓋了智能課桌椅不同使用場(chǎng)景的功能需求，二級(jí)指標(biāo)列舉了一級(jí)指標(biāo)所指的主要內(nèi)容，每一項(xiàng)二級(jí)指標(biāo)都可繼續(xù)細(xì)分出更具體的下位功能。在進(jìn)行功能設(shè)計(jì)時(shí)，要充分考慮學(xué)生物質(zhì)和精神層面的雙重需求，貫徹人性化操作、自發(fā)性交互、游戲化互動(dòng)、個(gè)性化體驗(yàn)的功能設(shè)計(jì)理念。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)中小學(xué)智慧教室中智能課桌椅的功能需求進(jìn)行系統(tǒng)化分析，得出了智能課桌椅的功能需求體系，使不同維度抽象的需求與智能課桌椅應(yīng)具備的各類功能指標(biāo)相對(duì)應(yīng)。在得出功能需求體系的基礎(chǔ)上，可依據(jù)不同教學(xué)條件或教學(xué)模式的需要設(shè)計(jì)研發(fā)出具有特色功能的智能課桌椅，同樣也可進(jìn)一步作用戶調(diào)研，對(duì)功能優(yōu)先級(jí)定量排序，針對(duì)關(guān)鍵功能進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。智能課桌椅助力課堂教與學(xué)活動(dòng)的開(kāi)展，有利于構(gòu)建智慧教室健康樂(lè)學(xué)的學(xué)習(xí)環(huán)境，但當(dāng)前關(guān)于智能課桌椅設(shè)計(jì)的理論與實(shí)踐研究還很少，本文對(duì)功能需求方面的探析，希望為智能課桌椅的設(shè)計(jì)研發(fā)提供參照和啟發(fā)。