博雅智慧教室系统环境搭建初探

孟延豹

随着信息和通信技术的发展，传统的学习环境已经发生了很大的变化。技术使得学生的正式学习能力提高了，并且也为学生课外的非正式学习提供了可能和保障，“技术成为生存必须的环境”。（余胜泉，2010）

早在2006年，我国学者钟国祥等就提出，智能学习环境是从建构主义学习理论、混合学习理论、现代教学理论出发，以学生学习为中心，由相匹配的设备、工具、技术、媒体、教材、教师、同学等构成的，一个智能性、开放式、集成化的数字虚拟现实学习空间。它既支持学生学习的自主建构，又提供适时的学习指导。这样的智能学习环境在今天已经成为现实，这就是当前方兴未艾的智慧教室。

作为智慧教室，首先应能感知学习地点和时间，识别学习者的认知特点和个性特征，提供合适的学习资源，装备便利的互动工具，自动记录学习过程和评测学习成果，以促进有效学习的发生。在这一认识的基础上，智慧教室的研究意义主要有以下三点。其一，智慧教室是一种场所、活动空间或工具，是一种智慧学习环境，它能激发学生的学习兴趣，能通过活动引导学生主动建构知识，同时强调对概念的理解。其二，智慧教室能提供丰富的学习资源，由学生自主驱动，允许便捷的互动交流，支持不同学习群体之间有意义的交互。其三，智慧教室能够满足学习者个性化、自适应的学习需求，并自动记录和分析学习过程，进而为学习者提供学习建议和帮助。

智慧学习环境的特征

1.可获取性

智慧学习环境的可获取性可从两个方面来理解。一是指学生随时随地从智慧学习环境中获取相关学习内容的可能性和便利性。在课上或课外、校园内或校园外，相关的学习内容可无缝分发并呈现在学生的智慧课本上，如电子书包、智能学习终端。二是智慧学习环境可获取学生学习过程中的相关数据，如学习进度、学习态度、学习效果等，并以此构建学生的认知模型，为学生的长期学习提供个性化、有针对性的支持服务。这些数据的获取可以为学生、教师、家长和教育行政部门的教育教学决策提供可靠依据。

2.可感知性

教学的主体是参与教与学活动的人，所以智慧学习环境的设计更多体现了对教师和学生体验的关注。这种学习体验一方面是感知物理环境，具体表现在利用传感器对空气、温度、光线、声音、颜色、气味等物理因素进行检测和控制，让师生始终处于最理想的物理环境中。另一方面，桌椅上的智能传感器能够检测学生的姿态是否正确，并给予及时提醒和纠正。

3.可管理性

构建智慧学习环境是一个系统工程。从工程角度，涉及网络设计、空间设计、供电设计等多方面。要做到内容统一管理，硬件设备安全可靠、绿色环保，所以设施应具备节能、可持续发展的特性，同时符合无障碍设计要求。

4.可评价性

目前，学校采用的评价方式大多是终结性评价，其目的是在课程结束时测试学生是否掌握了学习内容。实际上，对学生的学习过程需要持续不断地进行形成性评价。智慧学习环境下，可利用技术手段收集学生在阅读教材和辅导书籍、参与课堂互动和小组协作学习等方面的痕迹，这将有益于科学、准确地评价学生的学习效果。

5.强交互性

智慧学习环境下，能实现师生间和学生间高效的互动。课堂教学的交互过程是学生意义建构的过程（皮亚杰，1925）。智慧学习环境支持虚拟或面对面的课堂教学、合作学习、小组讨论、基于项目的学习等，能够有效促进学生以不同方式建构知识，进行有意义的学习。

智慧教室的系统组成

按功能来划分，智慧教室由内容呈现系统、学习资源系统、教学交互系统和环境感知系统组成。这四个系统共用教室内的信息资源和各种软硬件资源，在完成各自功能的同时，相互联动与协调。

1. 内容呈现系统

内容呈现系统是智慧教室的重要部分，也是开展课堂教学的基础。设计良好的内容呈现系统可以提高教学内容的传递效果。内容呈现系统通常由黑板、投影仪、电视、电子白板、移动终端、无线机顶盒、扩音设备等组成（如图1），其基本功能如下：

（1）实现对室内视觉、听觉呈现相关软硬件的管理。

（2）呈现教师的演示文稿、教学软件、操作过程等。

（3）呈现学生的作品、操作过程等。

（4）完成语言扩声和音乐扩声。

内容呈现系统包括相互关联、协同工作的视觉呈现子系统和听觉呈现子系统。

视觉呈现子系统由各种无线终端（信号源）、无线机顶盒（转换传输设备）、投影仪和电视机（显示设备）构成。无线终端通过局域网将画面发送给无线机顶盒（Apple TV、小米盒子等设备），无线机顶盒连接到显示设备，实现显示功能。目前，也有部分设备支持Windows笔记本电脑直接投射到投影仪，但技术还不成熟。

听觉呈现子系统可以实现教学过程中的语言扩声和音乐扩声。语言扩声主要用于教室内拾音、放大和扬声，一般采用以前置扬声器为中心的音响系统。音乐扩声主要用来播放音乐、歌曲等内容，采用双声道、立体声形式，有的采用多声道和环绕立体声形式，多以低阻抗的方式与扬声器配接。

2. 学习资源系统

学习资源系统包括学习资源存储、分发系统和教学过程录播系统。学习资源存储、分发系统将开发的资源放置在云端，师生可在上课过程中实时同步课程资源，并保存教学过程中的生成性资源（如图2）。此外，对于课堂教学过程，学习资源系统可实时录制并存储到云端。学习资源系统通常由各种无线终端、课堂教学资源、学习过程记录、云服务平台等构成，可实现以下功能：上传教师开发的教学资源、同步学生终端内的学习资源、录制师生的板书、存储教学过程。

学习资源存储、分发系统的主要功能是由教师将开发的数字化资源上传到云服务平台。

教学过程录播系统是生成性资源录入的主要辅助系统，主要是在现在学校流行的录播系统上增加记录学生学习轨迹与教师教学轨迹的功能（如图3）。

3. 教学交互系统

教学交互系统是课堂教学过程中师生、生生交互的支持系统。该系统支持课堂讲授、协作学习以及学生自主探究等多种学习方式，对于实施形成性评价具有重要价值。课堂交互系统通常由各种学习终端、云服务平台组成（如图4），可实现师生、生生的互动；小组讨论和学习；学生个人的探究；学习过程、学习评价的记录。

4. 环境感知系统

环境感知系统的使用有利于为学生营造一个健康、舒适的学习环境。该系统通常由温度传感器、气体成分传感器、压力传感器、光纤传感器组成（如图5）。其基本功能如下：感知室内温度，当温度超过预设范围时会给予警报，并启动温控设备；感知室内气体成分，当气体成分超过预设范围时给予警报，并启动新风设备；感知学生坐姿，当学生坐姿出现问题时，给予震动或声音提示；感知室内光线，光线过强或过弱时，开启窗帘或照明设备。

（1）气候监控系统。气候监控系统由三部分组成：室外气象站、室内空气感知系统和空气调节系统。室外气象站可测量风向、风速、温度、湿度等常规气象要素，并将气象信息及时传送到教室内空气感知系统，由其决定是否发布警报、自动调节窗帘控制进光量或启动空气调节系统。空气调节系统一般由进风、空气过滤、空气热湿处理、空气的输送和分配、冷热源等部分组成。

（2）气味监控系统。气味监控系统能够对教室内的一氧化碳、二氧化氮、苯、氨气、烟雾等有毒气体和物质进行探测，其核心设备是感烟式、感温式、感光式传感器。

（3）照明监控系统。在智慧教室中，照明监控系统有两个任务：一是环境照度控制，即根据日照情况自动调整窗帘和室内灯光的开关；二是照明节能控制，教室内划分为若干区域，安装6～8个光传感器，可以根据不同区域的光线，自助开关该区域的灯光，从而达到节能的目的。也可利用光电、红外传感器检测室内的人员活动情况，一旦人员离开教室，即自动关闭灯光，达到节能的目的。

智慧教室“SMART”概念模型

智慧教室的“智慧性”涉及教学内容的优化呈现、学习资源的便利获取、课堂教学的深度互动、情境感知与检测、教室布局与电气管理等多个方面，可概括为内容呈现（Showing）、环境管理（Manageable）、资源获取（Accessible）、及时互动（Real-time Interactive）、情境感知（Testing）五个维度，简写为“SMART”。这五个维度正好体现了智慧教室（Smart Classroom）的特征，可称为“SMART”概念模型（如图6）。

在“SMART”概念模型中，“环境管理”（M）和“情境感知”（T）两个维度是智慧教室装备的共性要求。“环境管理”（M）维度要求智慧教室应能够实现对所有设备、系统、资源的监控和管理。“情境感知”（T）维度包括两个方面，一是对室内的空气、温度、光线、声音、颜色、气味等参数的监控，为“环境管理”（M）提供依据；二是利用课堂录播系统记录教学过程，利用手持设备记录交互过程、监测学习结果，从而完成对学习过程的跟踪。

随着探究学习、小组协作学习等多种教学方式的提出，原本以支持知识传授为主的教室环境无法满足当前课堂教学的实际需求，教室在设计上亟待改善。如果分别从内容呈现、资源获取和及时交互三个维度来增强教室的设计，可把教室建成“高清晰”型、“深体验”型和“强交互”型三种典型的智慧教室，其特征如下表所示。

三种类型的智慧教室比较表

1.“高清晰”型智慧教室

“高清晰”型智慧教室主要支持以讲授为主的课堂教学，学生座位布局以“秧苗式”固定座位为主，对听课人数无明确限制。可采用无线投影技术呈现教学内容，支持手势识别的自然交互方式，应根据教室空间大小来配置屏幕尺寸及个数。通常情况下，至少配置两块显示屏幕来呈现教学内容。“双屏配备”可有效加强多页画面的连接，是智慧教室的标准配置。学生可使用手持设备书写笔记或将其画面投射到大屏幕上。支持师生以无线网的方式获取课程计划、教学内容和相关教学资源。在教学过程中，学生可利用移动设备书写笔记并实现在线储存。交互方式则以师生交互为主，其他交互方式为辅。学生也可通过手持设备以电子投票、问题反馈的方式给予反馈。

2.“深体验”型智慧教室

该类智慧教室支持以“个人探究”为主的课堂教学，座位布局相对灵活，“秧苗式”或“圆形”布局均可，理想的班级规模为四十人左右。内容呈现多以学生的计算机终端或手持设备为主，以教室内的无线投影呈现为辅。学生可利用手持设备记录笔记或反馈信息，并可将其画面投射到大屏幕上，要求学生每人配备一台计算机终端或移动手持设备。由于教室中覆盖高速无线网络，支持丰富的资源和教学工具的获取，全面支持各种终端接入，能够保证基于互联网的虚拟实验、仿真教学等在线资源和学习分析工具的便利获取和应用。交互方式以生机交互为主，以师生交互、生生交互为辅，学生可通过计算机或手持设备以电子投票、问题反馈的方式给予反馈。

3.“强交互”型智慧教室

“强交互”型智慧教室支持以“小组协作”为主的课堂教学，理想的班级规模为四十人左右，空间布局以“圆形”布局为主，学生无固定座位，每个小组应至少配备一台计算机终端或手持设备，支持小组讨论问题、绘制思维导图等，其内容呈现以小组终端为主。教室也可配备双屏或多屏显示，以呈现教学内容，其中至少装备一块具有触控功能的屏幕，供师生面对全班学生做展示；支持无线方式传输小组协作的资源和工具，网络传输速度以不影响小组协作为宜。这类教室特别强调以计算机为中介的生生交互，小组完成学习任务主要依赖小组讨论，讨论结果能够以无线投影的方式投射到大屏幕上。

（作者单位：北京博雅新创科技有限公司）