智能教室建设的关键技术与实现

谢舒潇

摘 要 智能教室是信息时代教学环境发展的必然趋势，当前智能教室建设应在借鉴国内外代表性案例的基础上，从硬件设备、软件资源和创意环境三方面着手，融合智能交互显示系统、云学习资源、泛在网络、智能环境等多种新技术，构建一个功能完善、资源丰富、交互广泛、灵活多样、绿色舒适的智能空间，以促进教学创新和学生的全面发展。

关键词 智能教室；智能交互显示系统；智能终端；泛在网络；创意环境

中图分类号：G481 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2015）12-0047-03

在信息技术高速发展的今天，人们对教室环境及功能提出更高期望，要求教室不仅要作为教学的空间，而且要更多地参与到教学过程中，通过对各种信息化教学设备的智能连接，提高学生、教师和教室的互联度，营造更加开放、灵活的学习空间，推进教师的教学创新和学生智能化学习水平的提高。智能教室在这样的背景下应运而生，并越来越地受到人们的重视。

1 智能教室的定义

智能教室也称为“智慧教室”“未来教室”，在英文中常用Smart Classroom、Intelligent Classroom、Future

Classroom等表达。智能教室还是一个发展中的概念，还没有统一的定义。澳大利亚Darrell Fraser认为：智能教室是利用新的授课与学习技术，包括互动电子白板、装有学习资源和软件的电脑、视频会议系统、摄像头、屏幕和投影系统以及桌上触摸屏等，为师生创建灵活、多用途场所的新型教室，便于开展面向不同学生的个性化学习[1]。台湾《启动学习革命》一书中认为，未来教室=无所不在的学习环境+电子书包+随意教室+远距实验室+高互动教室+相连教室[2]。胡卫星等认为智能教室是新科学技术发展并应用于学校课堂教育的产物，它是一种以泛在网络环境等先进科技为基础，以合适的数字化课程和资源为前提，以互动为核心，实现教与学过程最优化的新学习环境与空间[3]。

综合上述观点，笔者认为智能教室是在现代以人为本教学理念下，将网络、通讯、传感、触控、人工智能、环境控制等多种先进技术融合在一起，所构建的一个设备先进、功能完善、资源丰富、交互广泛、灵活多样、绿色舒适，有利于教学创新和人全面发展的教学环境和智能空间。

2 国内外智能教室建设的典型案例

智能教室建设是当前教育信息化的一个热点研究领域，世界各国的政府、学校、企业对于智能教室的建设进行了许多有益的探索。下面列出智能教室建设的一些典型案例。

1）美国费城学区和微软公司的“无边界、无课本课堂”：校园架构无线网络，学生使用Smartboard上课，教学活动依托微软公司开发的主题资源和网上资源开展，学生可在校园的任何地方进行非固定作息的个性化学习[4]。

2）美国麻省理工学院TEAL教室：教室多屏幕展示，以小组为布局，桌椅与实验装置相连，每组配电脑和视频记录设备，配备3D和2D虚拟仿真实验系统、个人实时回馈系统和网络教学系统[5]。

3）英国杜伦大学“未来派课堂”：多点触控、多用户智能课桌与智能黑板组成全面协作的协同网络，支持个别化和协作学习[6]。

4）新加坡“未来学校”：集成互动白板、播客、博客、平板电脑、无线上网、3D仿真学习环境和启发式在线学习代理，在线为学习者提供教育信息和解决问题的方案[7]。

5）日本东京大学KALS教室：教室分为工作区、等候区等五个概念区域，可根据需要进行调整；教室四面都安装了无线投影仪，可支持16名学生同时展示作品；配置豆瓣型桌椅，配备交互式电子白板、平板电脑和学生个人反馈装置[5]。

6）台湾南湖小学智能教室：教学主控计算机四部、LCD屏幕六面、桌椅六组、摄录像机六部，搭配实时互动系统、在线编辑系统、电子白板教学系统、无线广播系统[8]。

7）清华大学智能教室：在Smart Platform（智能平台）协调下，利用虚拟出席、透明人机接口和经历记录技术把普通教室增强为实时交互远程教室[9]。

8）华东师范大学智能教室：基于泛在网络实现手提设备的无线接入，教室采取多通道显示，能进行课堂实录和远程互动教学，教学资源与情境虚实结合，桌椅便于移动和组合，采用智能控制技术，实现光、声、温度、教学设备的控制[10]。

9）华中师范大学智能教室：教室配备电子双板，具备视音频交互录播系统，教室布局灵活，建设Hstar云平台，实现物理空间、资源空间、社交空间的结合[11]。

综合上述案例，可以看出虽然各智能教室的构成不完全相同，但其总的发展趋势是利用信息、通讯、电子等技术的新成果，营造一个能将人、技术、资源、环境和教学活动有机结合的自由、开放、创新的教学空间，从而打破课堂教学中传统讲授式的单一格局，使课堂教学活动变得生动、多样、有趣、高效。

3 当前智能教室建设的关键技术实现

参考国内外智能教室的建设与发展情况，智能教室一般应具备“智能大屏幕信息呈现”“多元高效互动”“丰富资源获取”“学习历程记录”“设备集成控制”“创意空间排布”和“智能环境控制”等功能。为实现这些功能，智能教室的建设可以从硬件设备、软件资源和创意环境三方面着手。

硬件设备 硬件设备是智能教室中不可或缺的组成部分。智能教室的硬件设备主要包括智能交互显示系统、智能录播（视频会议）系统、智能终端、应答反馈系统等。

1）智能交互显示系统。智能交互显示系统是智能教室重要的组成设备，从一定意义上说，它代表了课堂教学技术发展的新趋势。目前智能交互显示系统主要可以用交互式电子白板、互动智能平板、虚拟现实等技术实现。

①交互式电子白板。交互式电子白板将传统黑板书写与计算机多媒体显示的优点结合起来，教师和学生可以随意调用各种教学素材和应用软件来进行教学，还可以用感应笔或手指直接进行板书、绘图、编辑、保存、分享等操作。交互式电子白板所能提供的丰富教学手段和方便的人机交互方式，为课堂教学改革和创新提供了更广阔的空间。

②互动智能平板。互动智能平板是伴随着大屏幕显示技术和触控技术的快速发展而产生的，它集成了大屏幕显示、定位、信号传输、多媒体、手势感应、语音感应等多种技术的最新成果，不仅具有交互式电子白板的所有功能，还将投影、功放、电脑、中控等多种设备功能集于一体，解决了当前多媒体教室设备分散、连接杂乱、操作繁琐、设备协调与兼容性差等问题。尤其是配合大屏幕无缝拼接技术，既有效解决了大尺寸高清晰显示的难题，又实现了不受亮度影响的最佳书写效果，还可实现远程异地多方的可视化交互。互动智能平板对比交互式电子白板具有一定的技术优势，发展潜力巨大，但目前价格相对较高。

③虚拟现实和增强现实技术。虚拟现实和增强现实技术的飞速发展，为它们应用于教学提供了更多可能。在智能教室中应用3D互动投影、3D电视和AR等虚拟技术，也越来越受到教育工作者的关注，这些技术所具有的沉浸性、交互性和多感知性等特点，必将为教学带来新一轮的飞跃。目前这些虚拟技术还处在发展中，还存在价格高和视觉易疲劳等问题，但可以预见的是随着虚拟技术的不断进步，它将会越来越多地运用到智能教室的建设和教学中。

需要注意的是，在智能教室建设中经常集成多种智能交互显示系统，形成多屏显示的格局。多屏显示可以弥补单屏显示的显示尺寸和显示任务单一等固有不足，可以使计算机的多任务操作能力和人的多任务操作能力相匹配，做到人与环境交互的流畅体验，使信息技术与课堂教学达到无缝链接[12]。

2）智能终端。在智能教室的构成中终端设备是必不可少的。终端可以是联网的笔记本电脑、平板电脑、电子书包、智能手机等。这些终端设备是重要的个性化学习和交互工具，教师和学生既可以通过终端进行教学资源的获取、利用、重组、分享和创新，也可以通过终端进行师生、生生以及远程异地之间的交流和互动。智能终端的采用将教师和学生从传统教学“我讲你听”的格局中解放出来，极大地拓展了学习和交互空间，赋予师生前所未有的自由度。

3）智能录播与视频会议系统。智能录播系统是实现课堂真实记录的重要工具。智能录播系统通过图像识别跟踪、语音跟踪、鼠标点击跟踪和智能视频分析等技术实现多路视音频信号的自动录制、自动跟踪和自动切换，不仅能够将教师、学生、板书、数字化教学资源等整个教学活动真实地记录下来，而且可通过后台的软硬件控制系统直接将录制的视音频上传到云资源平台，实现网络直播和点播。除智能录播外，在智能教室的建设中还需引进视频会议技术，以便进行异地远程教学和交互。

软件资源 智能教室中除了包含多种类型的硬件设备外，还涉及很多软件模块和大量的教学资源，通过这些软件和资源一方面使硬件设备更好地统一协调工作，另一方面为学生提供丰富的学习资源和体验。

1）智能控制平台。智能控制平台是智能教室的神经中枢，它通过分布的软件模块之间相互的通信、协作和联接，将教室中的软、硬件设备统一、协调起来，构成一个智能整体，实现设备的集中控制和管理，共同为用户提供智能服务。智能控制平台的实现技术是普适计算、传感技术、智能代理、游牧服务、人工智能等多种先进技术的融合，通过这些技术的综合应用，将信息空间和物理空间有机结合在一起，为师生营造自由开放的智能环境。

2）云学习资源。云学习资源是利用云技术构建的海量教学资源存储、极速运算和服务中心。师生利用任何联网的终端就可以快速地访问、查找和存储学习资源、共享应用软件，并可轻松实现不同设备间的互通互联、应用共享和数据同步，为师生开展各类教学活动提供智能化的支持和服务。

创意环境 环境心理学认为，人总是生活在一定的环境中，人的情绪和行为会受到外界环境的影响。智能教室不仅是一个融合先进技术的学习环境，更应是一个以人为本的创意智能空间。它在为教与学创设良好条件的同时，更应该关注人的发展，要能为人的认知、技能、情感的发展和创新行为的产生提供有力的支撑。

1）泛在网络。互动是智能教室的核心。泛在网络是智能教室交互互动开展的基础，它通过M2M无线网络技术、传感器网络、智能嵌入、NFC近程通信和RFID等相关技术提供了一个无所不在的网络接入环境，便于教师、学生与各种设备、资源和环境之间实现无缝的连接和广泛的互动。

2）智能环境。智能教室除了采用先进的技术促进人的学习外，在整体环境设计中更要以人为本，从人体的生理、心理等角度出发，对整个教室的色彩、灯光、声音、温度、湿度等进行设计和控制。如通过传感器自动感知和调节温、湿度；采用智能灯光技术，通过单灯、多灯组合、旋转等改变光照角度和模式，满足不同年龄、不同环境、不同季节、不同情感的照明需求，为学习者营造舒适的物理和心理学习环境。

3）自由的创意空间排布。心理学家米哈里·齐克森米哈里认为创意的空间排布有利于促进群体成员形成一种乐在其中的全身心投入状态，而人在这种状态中常常会爆发出惊人的创造力[13]。智能教室的空间布局要灵活、多变，富有创意，要能分出多个区域，如探究区、互动区、实践区、创新区等，而且这些区域并不是一成不变的，要能进行自由的分割和划分，以最大化地满足教学需要。智能教室中的桌椅要将功能、美观、舒适度等一起综合考虑，要能方便地移动、排布，能够为不同教学模式的实施提供多种形式的组合和排列，能将学生从传统教室的固有空间模式中解脱出来，通过自由的人性化创意学习空间，促进学生更好地投入到学习中，更加激发创造潜能。

以上，简要介绍了当前能运用到智能教室建设中的关键设备和相关技术。随着科技的进步，会有越来越多的新技术（如3D打印、智能机器人、体感技术、物联网技术等）运用到智能教室的建设中，将为课堂教学改革与创新营造更为广阔的创意空间。智能教室是信息时代教学环境发展的必然趋势，各学校应根据自身实际，综合考虑需求、功能、价格和未来发展等多方面因素，因地制宜地加快智能教室的建设，从而为教学创新和高素质人才培养搭建重要的平台。■

参考文献

[1]未来智能教室亮相世博会[N].计算机世界，2010-10-11（031）.

[2]陈德怀，林玉佩.启动学习革命：全球第一个网络教育城市亚卓市[M].台湾：远流出版社，1999：171-181.

[3]胡卫星，田建林.智能教室系统的构建与应用模式研究[J].中国电化教育，2011（9）：127.

[4]冯大鸣.21世纪先锋学校的创新及预示：对美国费城“未来学校”的考察与评析[J].全球教育展望，2007（6）：68.

[5]谢未，江丰光.东京大学KALS与麻省理工学院TEAL未来教室案例分析[J].中国信息技术教育，2013（9）：99-100.

[6]英国打造出触控交互式智能的“未来派课堂”[EB/OL].[2012-11-28].http：//www.misoft.com.cn/article-449-1.html.

[7]高燕.启发式在线学习代理[J].外国教育研究，2013（1）：

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[8]台北南湖小学未来教室应用分享[J].中国信息技术教育，2011（11）：7-8.

[9]谢伟凯.智能空间关键支撑技术的研究[D].北京：清华大学计算机系，2003：103-118.

[10]陈卫东.未来课堂设计与应用研究：教育技术研究的一个新领域[J].远程教育杂志，2010（4）：31.

[11]杨宗凯.未来教室 未来教师 未来教育：信息技术与教育的融合变革[J].中国现代教育装备，2014（11）：10.

[12]叶新东，陈卫东.多屏显示创建教学的心流空间[J]，电化教育研究，2011（10）：58.

[13]邓鹏.心流：体验生命的潜能和乐趣[J]，远程教育杂志，2006（3）：74.