大數(shù)據(jù)時(shí)代智慧教室系統(tǒng)構(gòu)建

顏琳

摘 要 隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)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(jì)與應(yīng)用得到廣泛關(guān)注。通過(guò)對(duì)智慧教室概念特征的歸總，對(duì)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(jì)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(lèi)號(hào)：G652 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2018）08-0018-03

1 引言

20世紀(jì)80年代以來(lái)，在計(jì)算機(jī)、多媒體、互聯(lián)網(wǎng)各代信息技術(shù)風(fēng)潮的推動(dòng)下，簡(jiǎn)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(shí)也拓展了教學(xué)活動(dòng)的空間。21世紀(jì)，隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)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(lái)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(guó)外學(xué)者Rescigno在《教育技術(shù)的實(shí)際執(zhí)行》一文中提出的[1]。當(dāng)時(shí)他所定義的Smart-Classroom就是嵌入個(gè)人電腦、交互式光盤(pán)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(shí)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(lái)豐富教學(xué)內(nèi)容，為教師施展多樣的教學(xué)方式帶來(lái)便利，同時(shí)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深學(xué)習(xí)體驗(yàn)的效果；在師生交互過(guò)程采用更為自然的交互手段替代原有的鍵盤(pán)束縛。陳衛(wèi)東認(rèn)為，智能教室是一個(gè)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(shí)現(xiàn)師生交互、人機(jī)交互活動(dòng)的增強(qiáng)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(shí)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(kāi)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(chēng)為智慧教室[3]。筆者認(rèn)為，智慧教室是在物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)支持下推動(dòng)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(guò)程中產(chǎn)生的一系列數(shù)據(jù)，形成各類(lèi)型的學(xué)習(xí)風(fēng)格報(bào)告，由此制訂個(gè)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(shí)，也讓學(xué)習(xí)者在各自適應(yīng)的學(xué)習(xí)起點(diǎn)下不斷完善發(fā)展自我能力，最終實(shí)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(shí)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(shí)理解與回憶等簡(jiǎn)單目標(biāo)的培養(yǎng)，但隨著培養(yǎng)目標(biāo)由知識(shí)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(duì)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(gè)方面。

空間結(jié)構(gòu)的靈活性要求 傳統(tǒng)教室內(nèi)講臺(tái)與學(xué)生課桌椅的位置固定，整體結(jié)構(gòu)較為封閉?！把砻缡健钡淖酪螖[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(guò)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(wú)法根據(jù)學(xué)生的實(shí)質(zhì)性反應(yīng)及時(shí)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(tái)前，未多走動(dòng)，達(dá)不到有效的師生互動(dòng)效果。智慧教室則強(qiáng)調(diào)連通性原則，打破固定黑板與講臺(tái)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(guò)程與學(xué)的過(guò)程無(wú)縫銜接，從而促進(jìn)教師與學(xué)生的有效互動(dòng)。

隨堂資源的及時(shí)保存需求 比起以往教學(xué)的黑板板書(shū)，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(wú)暇顧及新舊知識(shí)間的聯(lián)系與對(duì)比，知識(shí)疑點(diǎn)的堆積導(dǎo)致認(rèn)知活動(dòng)受到阻礙。在教學(xué)過(guò)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(dòng)對(duì)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(shū)保存功能，可以捕捉教師迸發(fā)的靈感內(nèi)容。

個(gè)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(duì)學(xué)生的個(gè)性化教學(xué)環(huán)節(jié)無(wú)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(lèi)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(jì)算技術(shù)、智能技術(shù)構(gòu)建的智慧學(xué)習(xí)空間。目前，國(guó)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(xiàng)目中，微軟公司根據(jù)學(xué)習(xí)空間設(shè)計(jì)原則，認(rèn)為構(gòu)思未來(lái)教室在保障核心技術(shù)——“智慧”的同時(shí)，應(yīng)該具備多屏顯示、色彩豐富、桌椅移動(dòng)靈活等空間布局特點(diǎn)。陳衛(wèi)東教授提出，未來(lái)課堂的學(xué)習(xí)支持系統(tǒng)模型，通過(guò)云服務(wù)等技術(shù)解決設(shè)備之間的數(shù)據(jù)共享問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)資源優(yōu)化，促進(jìn)個(gè)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(shí)性的課堂互動(dòng)、人性化的情景體驗(yàn)等五個(gè)維度上，充分突出了信息技術(shù)在教學(xué)過(guò)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(shí)時(shí)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(shí)時(shí)收錄生成性信息，實(shí)行個(gè)性化資源推送與共享；在交互上，簡(jiǎn)易有效的人機(jī)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(shí)現(xiàn)線上線下雙互動(dòng)，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(shí)現(xiàn)個(gè)性化發(fā)展提供強(qiáng)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(tái)，將智慧教室系統(tǒng)分為環(huán)境硬件裝置、網(wǎng)絡(luò)識(shí)別系統(tǒng)、中控管理系統(tǒng)、即時(shí)交互系統(tǒng)、實(shí)時(shí)收錄系統(tǒng)、資源云平臺(tái)（如圖1所示）。

智能數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)作為其余六個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)連接橋梁，用于實(shí)時(shí)采集教學(xué)過(guò)程中大量的信息數(shù)據(jù)，建立龐大的數(shù)據(jù)庫(kù)，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(hào)存入數(shù)據(jù)庫(kù)，方便管理員隨時(shí)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(dòng)，局限學(xué)生的互動(dòng)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(shí)更加多樣化。經(jīng)過(guò)多種形狀拼接比對(duì)，梯形狀的桌子能夠依據(jù)教學(xué)活動(dòng)的需求，隨意組合拼接為多種互動(dòng)形式的桌形。自帶滾輪的活動(dòng)椅搭配拼接課桌，實(shí)現(xiàn)小組互動(dòng)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(shí)行檢測(cè)斷電裝置。

有實(shí)驗(yàn)研究得出過(guò)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(dòng)[4]。對(duì)這些因素的管理實(shí)時(shí)監(jiān)控，保證室內(nèi)空氣無(wú)毒無(wú)害無(wú)異味；傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)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(gè)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(duì)教學(xué)產(chǎn)生的干擾達(dá)到最小值。

網(wǎng)絡(luò)識(shí)別系統(tǒng)包括網(wǎng)絡(luò)的輸入輸出、人體識(shí)別等子系統(tǒng)。智慧教室內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)既有無(wú)線的，也有有線的，配合教學(xué)設(shè)備需求設(shè)定。人體識(shí)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(guò)校園卡信息采集、指紋、人臉識(shí)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(yùn)行能耗、現(xiàn)場(chǎng)錄制等更高效快捷。同時(shí)，智慧教室內(nèi)涉及各類(lèi)型大數(shù)據(jù)，對(duì)大數(shù)據(jù)進(jìn)行智能化采集分析，便于管理人員通過(guò)可視化界面查看運(yùn)行狀況和管理操作。

即時(shí)互動(dòng)系統(tǒng)主要分為教學(xué)互動(dòng)和人機(jī)互動(dòng)兩大部分。智慧教室應(yīng)能支持人機(jī)之間的自然互動(dòng)，要做到設(shè)備界面簡(jiǎn)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(jī)、實(shí)物展臺(tái)等設(shè)備，學(xué)生端配備筆記本電腦、iPad、智能手機(jī)、電子書(shū)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(shí)可根據(jù)教學(xué)需要實(shí)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(shí)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(shí)記錄的互動(dòng)效果。引進(jìn)點(diǎn)陣筆等互動(dòng)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(duì)教學(xué)進(jìn)度任務(wù)及時(shí)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(dòng)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(yùn)動(dòng)，地理課程中海洋、山脈、湖泊一切盡在眼前。

實(shí)時(shí)收錄系統(tǒng)具有課堂錄制、實(shí)時(shí)應(yīng)答、檔案電子化等功能，支持錄制整個(gè)課堂的全部教學(xué)過(guò)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(dòng)對(duì)話與信息反饋，加強(qiáng)互動(dòng)效果。將學(xué)生檔案轉(zhuǎn)為電子存儲(chǔ)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(shí)做出正確選擇提供數(shù)據(jù)支持。

資源云平臺(tái)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(tái)，不僅可以節(jié)省教材占用空間，讓教與學(xué)的活動(dòng)場(chǎng)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(shí)通過(guò)對(duì)實(shí)時(shí)收錄系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，對(duì)比學(xué)生實(shí)時(shí)學(xué)習(xí)情況，為學(xué)生提供智能化的個(gè)性化教育服務(wù)。

5 結(jié)論

在大數(shù)據(jù)時(shí)代背景下，作為一個(gè)智慧教室的系統(tǒng)參考模型，抓取教與學(xué)活動(dòng)過(guò)程的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效分析，是發(fā)展未來(lái)教育的必經(jīng)之路。而環(huán)境硬件裝置、網(wǎng)絡(luò)識(shí)別系統(tǒng)、中控管理系統(tǒng)、即時(shí)互動(dòng)系統(tǒng)、實(shí)時(shí)收錄系統(tǒng)、資源云平臺(tái)等六大分系統(tǒng)也缺一不可。在實(shí)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(gè)系統(tǒng)，需要根據(jù)實(shí)地條件與需求進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整與改進(jìn)。

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