博雅智慧教室系統(tǒng)環(huán)境搭建初探

孟延豹

隨著信息和通信技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)環(huán)境已經(jīng)發(fā)生了很大的變化。技術(shù)使得學(xué)生的正式學(xué)習(xí)能力提高了，并且也為學(xué)生課外的非正式學(xué)習(xí)提供了可能和保障，“技術(shù)成為生存必須的環(huán)境”。（余勝泉，2010）

早在2006年，我國學(xué)者鐘國祥等就提出，智能學(xué)習(xí)環(huán)境是從建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論、混合學(xué)習(xí)理論、現(xiàn)代教學(xué)理論出發(fā)，以學(xué)生學(xué)習(xí)為中心，由相匹配的設(shè)備、工具、技術(shù)、媒體、教材、教師、同學(xué)等構(gòu)成的，一個智能性、開放式、集成化的數(shù)字虛擬現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)空間。它既支持學(xué)生學(xué)習(xí)的自主建構(gòu)，又提供適時(shí)的學(xué)習(xí)指導(dǎo)。這樣的智能學(xué)習(xí)環(huán)境在今天已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)，這就是當(dāng)前方興未艾的智慧教室。

作為智慧教室，首先應(yīng)能感知學(xué)習(xí)地點(diǎn)和時(shí)間，識別學(xué)習(xí)者的認(rèn)知特點(diǎn)和個性特征，提供合適的學(xué)習(xí)資源，裝備便利的互動工具，自動記錄學(xué)習(xí)過程和評測學(xué)習(xí)成果，以促進(jìn)有效學(xué)習(xí)的發(fā)生。在這一認(rèn)識的基礎(chǔ)上，智慧教室的研究意義主要有以下三點(diǎn)。其一，智慧教室是一種場所、活動空間或工具，是一種智慧學(xué)習(xí)環(huán)境，它能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，能通過活動引導(dǎo)學(xué)生主動建構(gòu)知識，同時(shí)強(qiáng)調(diào)對概念的理解。其二，智慧教室能提供豐富的學(xué)習(xí)資源，由學(xué)生自主驅(qū)動，允許便捷的互動交流，支持不同學(xué)習(xí)群體之間有意義的交互。其三，智慧教室能夠滿足學(xué)習(xí)者個性化、自適應(yīng)的學(xué)習(xí)需求，并自動記錄和分析學(xué)習(xí)過程，進(jìn)而為學(xué)習(xí)者提供學(xué)習(xí)建議和幫助。

智慧學(xué)習(xí)環(huán)境的特征

1.可獲取性

智慧學(xué)習(xí)環(huán)境的可獲取性可從兩個方面來理解。一是指學(xué)生隨時(shí)隨地從智慧學(xué)習(xí)環(huán)境中獲取相關(guān)學(xué)習(xí)內(nèi)容的可能性和便利性。在課上或課外、校園內(nèi)或校園外，相關(guān)的學(xué)習(xí)內(nèi)容可無縫分發(fā)并呈現(xiàn)在學(xué)生的智慧課本上，如電子書包、智能學(xué)習(xí)終端。二是智慧學(xué)習(xí)環(huán)境可獲取學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的相關(guān)數(shù)據(jù)，如學(xué)習(xí)進(jìn)度、學(xué)習(xí)態(tài)度、學(xué)習(xí)效果等，并以此構(gòu)建學(xué)生的認(rèn)知模型，為學(xué)生的長期學(xué)習(xí)提供個性化、有針對性的支持服務(wù)。這些數(shù)據(jù)的獲取可以為學(xué)生、教師、家長和教育行政部門的教育教學(xué)決策提供可靠依據(jù)。

2.可感知性

教學(xué)的主體是參與教與學(xué)活動的人，所以智慧學(xué)習(xí)環(huán)境的設(shè)計(jì)更多體現(xiàn)了對教師和學(xué)生體驗(yàn)的關(guān)注。這種學(xué)習(xí)體驗(yàn)一方面是感知物理環(huán)境，具體表現(xiàn)在利用傳感器對空氣、溫度、光線、聲音、顏色、氣味等物理因素進(jìn)行檢測和控制，讓師生始終處于最理想的物理環(huán)境中。另一方面，桌椅上的智能傳感器能夠檢測學(xué)生的姿態(tài)是否正確，并給予及時(shí)提醒和糾正。

3.可管理性

構(gòu)建智慧學(xué)習(xí)環(huán)境是一個系統(tǒng)工程。從工程角度，涉及網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、空間設(shè)計(jì)、供電設(shè)計(jì)等多方面。要做到內(nèi)容統(tǒng)一管理，硬件設(shè)備安全可靠、綠色環(huán)保，所以設(shè)施應(yīng)具備節(jié)能、可持續(xù)發(fā)展的特性，同時(shí)符合無障礙設(shè)計(jì)要求。

4.可評價(jià)性

目前，學(xué)校采用的評價(jià)方式大多是終結(jié)性評價(jià)，其目的是在課程結(jié)束時(shí)測試學(xué)生是否掌握了學(xué)習(xí)內(nèi)容。實(shí)際上，對學(xué)生的學(xué)習(xí)過程需要持續(xù)不斷地進(jìn)行形成性評價(jià)。智慧學(xué)習(xí)環(huán)境下，可利用技術(shù)手段收集學(xué)生在閱讀教材和輔導(dǎo)書籍、參與課堂互動和小組協(xié)作學(xué)習(xí)等方面的痕跡，這將有益于科學(xué)、準(zhǔn)確地評價(jià)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

5.強(qiáng)交互性

智慧學(xué)習(xí)環(huán)境下，能實(shí)現(xiàn)師生間和學(xué)生間高效的互動。課堂教學(xué)的交互過程是學(xué)生意義建構(gòu)的過程（皮亞杰，1925）。智慧學(xué)習(xí)環(huán)境支持虛擬或面對面的課堂教學(xué)、合作學(xué)習(xí)、小組討論、基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)等，能夠有效促進(jìn)學(xué)生以不同方式建構(gòu)知識，進(jìn)行有意義的學(xué)習(xí)。

智慧教室的系統(tǒng)組成

按功能來劃分，智慧教室由內(nèi)容呈現(xiàn)系統(tǒng)、學(xué)習(xí)資源系統(tǒng)、教學(xué)交互系統(tǒng)和環(huán)境感知系統(tǒng)組成。這四個系統(tǒng)共用教室內(nèi)的信息資源和各種軟硬件資源，在完成各自功能的同時(shí)，相互聯(lián)動與協(xié)調(diào)。

1. 內(nèi)容呈現(xiàn)系統(tǒng)

內(nèi)容呈現(xiàn)系統(tǒng)是智慧教室的重要部分，也是開展課堂教學(xué)的基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)良好的內(nèi)容呈現(xiàn)系統(tǒng)可以提高教學(xué)內(nèi)容的傳遞效果。內(nèi)容呈現(xiàn)系統(tǒng)通常由黑板、投影儀、電視、電子白板、移動終端、無線機(jī)頂盒、擴(kuò)音設(shè)備等組成（如圖1），其基本功能如下：

（1）實(shí)現(xiàn)對室內(nèi)視覺、聽覺呈現(xiàn)相關(guān)軟硬件的管理。

（2）呈現(xiàn)教師的演示文稿、教學(xué)軟件、操作過程等。

（3）呈現(xiàn)學(xué)生的作品、操作過程等。

（4）完成語言擴(kuò)聲和音樂擴(kuò)聲。

內(nèi)容呈現(xiàn)系統(tǒng)包括相互關(guān)聯(lián)、協(xié)同工作的視覺呈現(xiàn)子系統(tǒng)和聽覺呈現(xiàn)子系統(tǒng)。

視覺呈現(xiàn)子系統(tǒng)由各種無線終端（信號源）、無線機(jī)頂盒（轉(zhuǎn)換傳輸設(shè)備）、投影儀和電視機(jī)（顯示設(shè)備）構(gòu)成。無線終端通過局域網(wǎng)將畫面發(fā)送給無線機(jī)頂盒（Apple TV、小米盒子等設(shè)備），無線機(jī)頂盒連接到顯示設(shè)備，實(shí)現(xiàn)顯示功能。目前，也有部分設(shè)備支持Windows筆記本電腦直接投射到投影儀，但技術(shù)還不成熟。

聽覺呈現(xiàn)子系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)教學(xué)過程中的語言擴(kuò)聲和音樂擴(kuò)聲。語言擴(kuò)聲主要用于教室內(nèi)拾音、放大和揚(yáng)聲，一般采用以前置揚(yáng)聲器為中心的音響系統(tǒng)。音樂擴(kuò)聲主要用來播放音樂、歌曲等內(nèi)容，采用雙聲道、立體聲形式，有的采用多聲道和環(huán)繞立體聲形式，多以低阻抗的方式與揚(yáng)聲器配接。

2. 學(xué)習(xí)資源系統(tǒng)

學(xué)習(xí)資源系統(tǒng)包括學(xué)習(xí)資源存儲、分發(fā)系統(tǒng)和教學(xué)過程錄播系統(tǒng)。學(xué)習(xí)資源存儲、分發(fā)系統(tǒng)將開發(fā)的資源放置在云端，師生可在上課過程中實(shí)時(shí)同步課程資源，并保存教學(xué)過程中的生成性資源（如圖2）。此外，對于課堂教學(xué)過程，學(xué)習(xí)資源系統(tǒng)可實(shí)時(shí)錄制并存儲到云端。學(xué)習(xí)資源系統(tǒng)通常由各種無線終端、課堂教學(xué)資源、學(xué)習(xí)過程記錄、云服務(wù)平臺等構(gòu)成，可實(shí)現(xiàn)以下功能：上傳教師開發(fā)的教學(xué)資源、同步學(xué)生終端內(nèi)的學(xué)習(xí)資源、錄制師生的板書、存儲教學(xué)過程。

學(xué)習(xí)資源存儲、分發(fā)系統(tǒng)的主要功能是由教師將開發(fā)的數(shù)字化資源上傳到云服務(wù)平臺。

教學(xué)過程錄播系統(tǒng)是生成性資源錄入的主要輔助系統(tǒng)，主要是在現(xiàn)在學(xué)校流行的錄播系統(tǒng)上增加記錄學(xué)生學(xué)習(xí)軌跡與教師教學(xué)軌跡的功能（如圖3）。

3. 教學(xué)交互系統(tǒng)

教學(xué)交互系統(tǒng)是課堂教學(xué)過程中師生、生生交互的支持系統(tǒng)。該系統(tǒng)支持課堂講授、協(xié)作學(xué)習(xí)以及學(xué)生自主探究等多種學(xué)習(xí)方式，對于實(shí)施形成性評價(jià)具有重要價(jià)值。課堂交互系統(tǒng)通常由各種學(xué)習(xí)終端、云服務(wù)平臺組成（如圖4），可實(shí)現(xiàn)師生、生生的互動；小組討論和學(xué)習(xí)；學(xué)生個人的探究；學(xué)習(xí)過程、學(xué)習(xí)評價(jià)的記錄。

4. 環(huán)境感知系統(tǒng)

環(huán)境感知系統(tǒng)的使用有利于為學(xué)生營造一個健康、舒適的學(xué)習(xí)環(huán)境。該系統(tǒng)通常由溫度傳感器、氣體成分傳感器、壓力傳感器、光纖傳感器組成（如圖5）。其基本功能如下：感知室內(nèi)溫度，當(dāng)溫度超過預(yù)設(shè)范圍時(shí)會給予警報(bào)，并啟動溫控設(shè)備；感知室內(nèi)氣體成分，當(dāng)氣體成分超過預(yù)設(shè)范圍時(shí)給予警報(bào)，并啟動新風(fēng)設(shè)備；感知學(xué)生坐姿，當(dāng)學(xué)生坐姿出現(xiàn)問題時(shí)，給予震動或聲音提示；感知室內(nèi)光線，光線過強(qiáng)或過弱時(shí)，開啟窗簾或照明設(shè)備。

（1）氣候監(jiān)控系統(tǒng)。氣候監(jiān)控系統(tǒng)由三部分組成：室外氣象站、室內(nèi)空氣感知系統(tǒng)和空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)。室外氣象站可測量風(fēng)向、風(fēng)速、溫度、濕度等常規(guī)氣象要素，并將氣象信息及時(shí)傳送到教室內(nèi)空氣感知系統(tǒng)，由其決定是否發(fā)布警報(bào)、自動調(diào)節(jié)窗簾控制進(jìn)光量或啟動空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)。空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)一般由進(jìn)風(fēng)、空氣過濾、空氣熱濕處理、空氣的輸送和分配、冷熱源等部分組成。

（2）氣味監(jiān)控系統(tǒng)。氣味監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)淌覂?nèi)的一氧化碳、二氧化氮、苯、氨氣、煙霧等有毒氣體和物質(zhì)進(jìn)行探測，其核心設(shè)備是感煙式、感溫式、感光式傳感器。

（3）照明監(jiān)控系統(tǒng)。在智慧教室中，照明監(jiān)控系統(tǒng)有兩個任務(wù)：一是環(huán)境照度控制，即根據(jù)日照情況自動調(diào)整窗簾和室內(nèi)燈光的開關(guān)；二是照明節(jié)能控制，教室內(nèi)劃分為若干區(qū)域，安裝6～8個光傳感器，可以根據(jù)不同區(qū)域的光線，自助開關(guān)該區(qū)域的燈光，從而達(dá)到節(jié)能的目的。也可利用光電、紅外傳感器檢測室內(nèi)的人員活動情況，一旦人員離開教室，即自動關(guān)閉燈光，達(dá)到節(jié)能的目的。

智慧教室“SMART”概念模型

智慧教室的“智慧性”涉及教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化呈現(xiàn)、學(xué)習(xí)資源的便利獲取、課堂教學(xué)的深度互動、情境感知與檢測、教室布局與電氣管理等多個方面，可概括為內(nèi)容呈現(xiàn)（Showing）、環(huán)境管理（Manageable）、資源獲?。ˋccessible）、及時(shí)互動（Real-time Interactive）、情境感知（Testing）五個維度，簡寫為“SMART”。這五個維度正好體現(xiàn)了智慧教室（Smart Classroom）的特征，可稱為“SMART”概念模型（如圖6）。

在“SMART”概念模型中，“環(huán)境管理”（M）和“情境感知”（T）兩個維度是智慧教室裝備的共性要求?！碍h(huán)境管理”（M）維度要求智慧教室應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)對所有設(shè)備、系統(tǒng)、資源的監(jiān)控和管理?！扒榫掣兄保═）維度包括兩個方面，一是對室內(nèi)的空氣、溫度、光線、聲音、顏色、氣味等參數(shù)的監(jiān)控，為“環(huán)境管理”（M）提供依據(jù)；二是利用課堂錄播系統(tǒng)記錄教學(xué)過程，利用手持設(shè)備記錄交互過程、監(jiān)測學(xué)習(xí)結(jié)果，從而完成對學(xué)習(xí)過程的跟蹤。

隨著探究學(xué)習(xí)、小組協(xié)作學(xué)習(xí)等多種教學(xué)方式的提出，原本以支持知識傳授為主的教室環(huán)境無法滿足當(dāng)前課堂教學(xué)的實(shí)際需求，教室在設(shè)計(jì)上亟待改善。如果分別從內(nèi)容呈現(xiàn)、資源獲取和及時(shí)交互三個維度來增強(qiáng)教室的設(shè)計(jì)，可把教室建成“高清晰”型、“深體驗(yàn)”型和“強(qiáng)交互”型三種典型的智慧教室，其特征如下表所示。

三種類型的智慧教室比較表

1.“高清晰”型智慧教室

“高清晰”型智慧教室主要支持以講授為主的課堂教學(xué)，學(xué)生座位布局以“秧苗式”固定座位為主，對聽課人數(shù)無明確限制?？刹捎脽o線投影技術(shù)呈現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容，支持手勢識別的自然交互方式，應(yīng)根據(jù)教室空間大小來配置屏幕尺寸及個數(shù)。通常情況下，至少配置兩塊顯示屏幕來呈現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容?！半p屏配備”可有效加強(qiáng)多頁畫面的連接，是智慧教室的標(biāo)準(zhǔn)配置。學(xué)生可使用手持設(shè)備書寫筆記或?qū)⑵洚嬅嫱渡涞酱笃聊簧稀ＶС謳熒詿o線網(wǎng)的方式獲取課程計(jì)劃、教學(xué)內(nèi)容和相關(guān)教學(xué)資源。在教學(xué)過程中，學(xué)生可利用移動設(shè)備書寫筆記并實(shí)現(xiàn)在線儲存。交互方式則以師生交互為主，其他交互方式為輔。學(xué)生也可通過手持設(shè)備以電子投票、問題反饋的方式給予反饋。

2.“深體驗(yàn)”型智慧教室

該類智慧教室支持以“個人探究”為主的課堂教學(xué)，座位布局相對靈活，“秧苗式”或“圓形”布局均可，理想的班級規(guī)模為四十人左右。內(nèi)容呈現(xiàn)多以學(xué)生的計(jì)算機(jī)終端或手持設(shè)備為主，以教室內(nèi)的無線投影呈現(xiàn)為輔。學(xué)生可利用手持設(shè)備記錄筆記或反饋信息，并可將其畫面投射到大屏幕上，要求學(xué)生每人配備一臺計(jì)算機(jī)終端或移動手持設(shè)備。由于教室中覆蓋高速無線網(wǎng)絡(luò)，支持豐富的資源和教學(xué)工具的獲取，全面支持各種終端接入，能夠保證基于互聯(lián)網(wǎng)的虛擬實(shí)驗(yàn)、仿真教學(xué)等在線資源和學(xué)習(xí)分析工具的便利獲取和應(yīng)用。交互方式以生機(jī)交互為主，以師生交互、生生交互為輔，學(xué)生可通過計(jì)算機(jī)或手持設(shè)備以電子投票、問題反饋的方式給予反饋。

3.“強(qiáng)交互”型智慧教室

“強(qiáng)交互”型智慧教室支持以“小組協(xié)作”為主的課堂教學(xué)，理想的班級規(guī)模為四十人左右，空間布局以“圓形”布局為主，學(xué)生無固定座位，每個小組應(yīng)至少配備一臺計(jì)算機(jī)終端或手持設(shè)備，支持小組討論問題、繪制思維導(dǎo)圖等，其內(nèi)容呈現(xiàn)以小組終端為主。教室也可配備雙屏或多屏顯示，以呈現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容，其中至少裝備一塊具有觸控功能的屏幕，供師生面對全班學(xué)生做展示；支持無線方式傳輸小組協(xié)作的資源和工具，網(wǎng)絡(luò)傳輸速度以不影響小組協(xié)作為宜。這類教室特別強(qiáng)調(diào)以計(jì)算機(jī)為中介的生生交互，小組完成學(xué)習(xí)任務(wù)主要依賴小組討論，討論結(jié)果能夠以無線投影的方式投射到大屏幕上。

（作者單位：北京博雅新創(chuàng)科技有限公司）