智能教室建设的探索与实践

谢舒潇, 陈毓超, 刘　冠

(暨南大学 网络与教育技术中心, 广东 广州　510632)



智能教室建设的探索与实践

谢舒潇, 陈毓超, 刘冠

(暨南大学 网络与教育技术中心, 广东 广州510632)

当前智能教室建设的一般框架应包括身份认证、泛在网络、智能交互显示、学习情境记录、知识管理分享、学习分析评价、智能空间分布、智能环境控制、智能控制平台和开放扩展等模块。各校可根据自身实际情况,按照需求分析、方案设计、功能实现3个步骤设计、规划和建设本校的智能教室,为教师教学创新和高素质人才培养搭建重要的平台。

智能教室； 泛在网络； 知识分享； 学习评价

教室是课堂教学活动实施的主要场所,“粉笔+黑板”的教室形态是传统班级讲授制的典型体现。随着教育的发展和科技的进步,教室的功能也在不断发展、完善。在互联网高速发展的今天,教室不仅要作为教学的物理空间,而且更要作为承载教学创新的载体参与到教学活动中,促进学生全面发展。智能教室就是顺应这种时代要求而产生的一种新型教室形态,它的出现为信息时代的教育教学改革提供了更多可能,越来越受到教育界的重视。

1　智能教室建设的探索

智能教室建设作为信息化教学环境建设的热点领域,在世界范围内受到了广泛的重视和关注,世界许多国家的学校、政府和企业，根据自己对未来教育教学发展的理解和期望,对智能教室的建设开展了许多卓有成效的研究和探索,形成了一些各具特色的建设案例。

20世纪80年代,美国的“明日苹果教室”可以看作是早期的智能教室,在该教室中技术被视为学习、思考、协作、通信的工具和媒介。教师和学生可以随时在教室中使用包括计算机、摄像机、照相机、扫描仪、DVD刻录机、调制解调器、在线通讯服务和数据库、结构化教学资源以及相关集成环境等各种设备和软件,来支持、帮助教学活动的开展[1]。

美国费城学区和微软公司的“未来学校”利用信息技术和多向多重活动墙,创造了“无边界和无课本的智能教室”。校舍采用智能传感技术,屋顶、玻璃、窗户等都能吸收光能和热能,雨水也被收集利用,教室的空气质量和能源使用采集情况都有实时监控,节能环保。整个校园架构无线网,教室中使用互动智能板上课,学生每人配备笔记本电脑,教学活动依托微软公司开发的主题资源和网上资源开展,学生既可以在教室中学习,也可以在校园的任何地方及家中进行非固定作息的个别化进度的学习[2]。

麻省理工学院的TEAL教室将实验室与教室合为一体。教室以圆桌小组学习为布局,讲台位于教室中心,配有8台投影机和13套摄录系统,学生桌椅与实验装置相连,每组配备电脑、虚拟仿真实验系统、网络教学系统。整个教室建立了一个高度互动的实验和讨论环境,学生既可以进行真实和虚拟的实验,也可以相互合作,进行无障碍的沟通和交流[3]。

哈佛大学与乔治梅森大学“River City”,利用信息技术打造了以19 世纪美国工业化城市为原型的基于虚拟环境体验的虚拟城市。学生通过操作电脑中人物角色参与城市生活,开展各种基于问题的个人和团队的体验式、协作式学习和科学探究学习[4]。

澳大利亚维多利亚州打造“没有围墙的智能教室”,教室配备高速互联网、互动电子白板、装有学习资源的上网本、屏幕投影系统、桌上触摸屏和摄录系统,教室中桌椅可以任意移动,学生不是固定一个座位,可以以个人、小组或其他方式任意组合进行学习。教室的不同空间也可以随意开合,便于几个教师协作授课、有针对性地授课或整班授课等[5]。

日本2010年起进行“未来学校推进事业”,用技术造就智能教室。在智能教室中师生配置平板电脑,教师的平板电脑可以查看学生的界面,并随时投放在电子黑板上,一个屏幕可以同时显示多个学生界面。利用平板电脑的摄像头,学生可以和其他教室,甚至其他学校的学生一起上课,互相交流,开展互教互学合作学习。该“未来学校”利用云计算服务架设了专门的协同教育平台,可以随时调用云资源,同时还具有协同合作办公系统、家长教员信息共享系统等[6]。

韩国近年来着力建设“智能学校”,推进“智能教育”。智能学校是指学生从上学到放学的所有活动全部通过电子系统来实现的学校。智能学校安装电子黑板、带电脑的电子讲桌、无线AP等设备,学生统一配备个人平板电脑和数字教科书系统。课堂上,教师利用电子黑板可调出数字教科书,在电子黑板上写下的内容会马上传输到学生的平板电脑上,学生也可在平板电脑上写下自己的反馈与教师互动[7]。

我国也在积极推进智能教室的建设。清华大学的智能教室根据场地设计成扇形,教室安装人脸识别系统和RFID考勤机,具有温湿度和光照传感器。教室全Wifi覆盖,双屏显示,配有实时录播、视频会议、智能设备控制、增强现实、云教学资源、移动学习管理等系统,与学生的平板电脑、手机等终端一起组成了一个虚实结合的个性化学习空间[8]。此外,清华大学还建设了基于智能平台、虚拟出席和透明人机接口等技术的增强型实时远程交互智能教室[9]。

华中师范大学联合北京师范大学等机构,合作开发了基于starC云端以学习者为中心的智能教室。该教室以具有自主知识产权的PGP电子双板为核心,结合高清视音频交互系统、课堂直录播系统、远程课堂同步系统、基于IPTV的网络教育服务系统等,实现了双轨展示、自由板书、知识可视、多元互动等功能[10],还建设有互动参与式的Hstar云平台,实现物理、资源、社交3个空间的结合[11]。目前在北京、广东、江苏各地中小学已经建设了1 400多间该类型的教室。

智能教室建设各有特点,有的侧重营造交互式学习环境,有的侧重设备集成,有的侧重通过改变空间、布局和结构扩展教室功能,有的侧重虚拟情境的设置,还有的侧重理论与实践教学的结合等。虽然智能教室的构成各不相同,但其总的发展趋势是在以人为本的教学理念下,利用多种新技术建设一个能将技术、资源、环境、人和教学活动有机结合的,设备先进、功能完善、资源丰富、交互广泛、灵活多样、舒适环保、自由开放的,有利于教学创新的教学环境。

2　当前智能教室的一般构成

智能教室要以促进学习者认知、能力、技能和情感的发展和完善为出发点,整合应用多种科技新成果,使知识的呈现更丰富立体、教学资源的获取更便捷顺畅、师生的交互参与更灵活高效、学习分析评价和诊断更真实准确、学习环境更舒适自在,能支持多种教学模式的自适应、泛在、开放教学空间。为此,参考国内外智能教室建设案例,结合教学实际,提出当前智能教室建设的一般构成框架,如图1所示。

师生通过身份认证系统进入智能教室,智能环境控制模块随之自动开启,将教室环境(声、光、电、色、温、湿度等)依据师生的需要进行设定。

图1　通用智能教室构成框架图

整个教室被无线泛在网络覆盖,所有的设备通过泛在网络与智能控制平台相连接,智能控制平台是智能教室的指挥控制中心,它协调调度各软、硬件设备和系统之间的链接、通信和协作,使教室成为一个和谐统一的智能整体。

教室的空间布局和桌椅等设施能根据教学模式和学生特点,进行多种形式的划分、分割、排列和组合,从而灵活地形成讲授区、讨论区、协作区、实践区、创新区等多个不同的布局结构和不同的排布方式,尽可能地延伸多样化的学习空间,满足教学的不同需要。

教室中集成了多种智能显示交互系统,包括互动智能触控屏、交互式电子白板、互动投影、3D 电视(投影)、实物展台以及平板电脑、电子书包、笔记本电脑、智能手机等终端设备。这些显示交互系统形成了多通道、多屏幕、多角度的显示格局,不仅能为学生展现丰富多彩的教学内容,而且教师和学生可以利用这些设备轻松地访问知识管理共享模块,进行教学资源和知识的获取、利用、重组和分享,开展个性化、协作式、探究式等多种类型的学习与交互活动,实现人机之间、人人之间和人与资源及环境之间的广泛、多元、高效的互动。

学习情境记录模块通过图像跟踪、语音跟踪、智能视频分析、网真视频会议等技术,实现多路视音频信号的智能录制和远程交互,它能够自动地将教学和交互过程真实、完整地记录、直播、存储和发布,并可与云教学资源平台进行无缝链接,满足师生教学、反思和观摩的需要。

学习分析评价模块利用数据跟踪和数据挖掘技术,可以对学生的学习路径、学习行为、学习历程进行跟踪、记录、统计、分析和测评,为学生和教师改进学习、完善教学、实施个性化和差异化教学提供参考和依据。

开放扩展模块利用相应软件接口技术,可将智能教室与教务管理系统、实验室管理系统、智慧校园相关业务及其他学校、机构的有关系统进行连接[12],扩展智能教室的功能和空间。

虽然该智能教室框架功能较完善、设备较齐全,但考虑资金、技术等因素,在当前智能教室的实际建设中,应根据自身的需求,有所侧重地进行智能教室的建设。

3　智能教室建设的实现步骤

3.1需求分析

正确、完整的需求分析直接关系到智能教室建设的成功与否。需求分析要根据学校的教学需要,对智能教室的用途、功能给出明确的定位。需求分析时要有一定的前瞻性,但也不能一味地求新、求全,既要从教学教改的发展考虑,也要考虑当前师生的需求和经济能力,不能脱离实际。我校为了改善学校教学现代化设施,开展现代教育技术在教学中应用的体验与创新研究,进一步提升学校教师的信息化教学能力,需要建设具有先进师生交互系统,能为讨论式、协作式、网络远程教学等多种教学模式的实施提供良好环境,并可以用于教师教学技能培训的智能教室。

3.2方案设计

根据需求分析,我校将智能教室的功能和技术方案规划为:在无线网络支持下由智能交互显示系统、电子表决系统、教师学生终端、智能录播(视频会议)系统加上多功能可移动的桌椅和教室整体环境设计,构建一个以人本、交互和创新为核心的形式多变、资源丰富、有利于教学改革和创新的智能化学习环境。

3.3功能实现

功能实现是通过可行的技术将设计方案现实化。图2是我校现代化教学体验中心的功能实现示意图。

图2　暨南大学现代化教学体验中心示意图

该智能教室建设成容纳30人的小班教室,以方便开展各类以交互为核心的教学活动。智能交互显示系统由2块72寸高清互动智能显示屏拼接而成,接缝≤0.5 mm,整屏分辨率为3 840×1 080,支持10点以上的手/笔触控。这套系统集电子白板、多媒体多屏展示、网络交互、智能触控等功能为一体,可实现多媒体教学资源的单屏/分屏和组合显示、电子板书(绘图)、多媒体叠加书写、多人同时书写、远程多媒体显示等,配合软件更可以实现多种触摸式智能双向交互。

从与当前系统的兼容性和先进性两方面考虑,该教室选用了笔记本电脑和iPad两种设备作为教师与学生开展教学活动和交互的主要终端。同时为了丰富交互类型,还配置了无线表决系统,表决终端采用2.4 G双向数字RF无线网络通讯,无方向性、响应速度快,可多个教室同时使用,液晶屏支持中文、英文、图片等多种显示,配合管理软件可实现电子点名、电子出题、答题、投票统计、现场评分等功能。

智能录播系统采用了3部高清云台摄像头,配合图像跟踪系统、智能切换系统和录播管理系统,实现课堂的同步录制、实时直播、实时导播、在线点播以及教师、学生、板书之间的自动切换、自动跟踪和远程多方交互等,录制下来的资源可直接存储到云资源服务器中。

在网络接入上采用了无线网络覆盖,智能交互显示系统、智能终端和智能录播系统都可以利用该无线网络访问资源服务器、接入互联网和彼此联通。

多功能可移动桌椅是智能教室人性化设计的重要体现。参考了大量资料,我们自行设计了如图3所示的四边可折叠的课桌,通过选择边沿的折、放及多张的组合，可将桌子排列出多种不同形状,满足不同教学模式的需要。

图3　桌子折起和展开的效果及两种排列方式举例

在教室的环境设计中综合考虑了空间、场地、气候等因素,教室色彩采用了中性色(灰色加浅绿色)的主体搭配设计,使整个教室给人以宁静、清凉的感觉。考虑到视频拍摄和学习者心理的需要,教室的灯光采用三基色筒灯+吸顶灯+彩色灯槽的灯光设计,并可以根据需要调节灯光的亮度和进行不同的组合。对于教室的电力和声音系统,采取隐藏式布线,分别在墙面和地面设计了若干电源插座,以保证桌椅不同排列时的电力供应。此外,该教室设计功能还包括了对教师进行教学技能的培训。除了利用智能录播系统外,我们还在教室中设计了一面镜子墙,教师可以利用它进行教学模拟训练,同时还从视觉上延展了教室空间。

4　结语

智能教室是信息时代教学环境发展的必然趋势,它汇聚了最新的科技成果,具有技术先进、功能多样、操作简便、资源丰富、多屏显示、多元互动、虚实结合等诸多特征[13],为课堂教学改革与创新营造了一个广阔的创意空间,带来了教学理念、教学结构和教学模式的根本性变革。

References)

[1] 佚名.“明日苹果教室”(ACOT)研究报告(择要)[J].中小学信息技术教育,2002(8):108-110.

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[3] 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.

[4] 陈仕品，刁永锋.多用户虚拟学习环境River City 的项目分析及其启示王建明[J].电化教育研究,2011(7):61-66.

[5] Myke Bartlett.教室内外的改革:来自澳大利亚维多利亚的经验[J].敖琼,译.上海教育,2010(23):46-47.

[6] 李哲,张海.“未来学校”中孕育的希望(一):破冰启航:日本总务省“未来学校推进事业”综述[J].中国信息技术教育,2013(1):117-119.

[7] 马菲.韩国IT巨头紧盯智能教育2015年普及电子教科书[EB/OL].(2013-09-07).http://tech.huanqiu.com/it/2013-09/4332479.html.

[8] 宋述强,聂风华,钟晓流.智慧教室:概念特征、系统模型与建设案例[J].现代教育技术,2013(7):5-8.

[9] 谢伟凯.智能空间关键支撑技术的研究博士论文[D].北京:清华大学,2003.

[10] 连迅,刘来兵.华中师范大学创建“未来教室”引领教育信息化[EB/OL].(2015-05-08). http://news.xinhuanet.com/2015-05/08/c_1115219354.htm.

[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):6-11.

[12] 王玉龙,蒋家傅.以需求为导向的智慧教室系统构建[J].现代教育技术,2014(6):99-105.

[13] 陈卫东,叶新东,张际平.智能教室研究现状与未来展望[J].远程教育杂志,2011(4):39-45.

Exploration and practice for construction of smart classroom

Xie Shuxiao, Chen Yuchao, Liu Guan

(Network & Educational Technology Center, Jinan University, Guangzhou 510632, China)

The general frame of the current construction of the smart classroom should include the identity authentication,ubiquitous network,intelligent interactive display,learning situation record,knowledge management and sharing,learning analysis and evaluation,intelligent spatial distribution,intelligent environment control,intelligent control platform, open expansion module, etc. The school can refer the general framework of the construction of smart classroom,consider the actual situation of their own,according to the needs analysis,scheme design,function to achieve the three steps,design,planning and construction of the school’s smart classroom,to build an important platform for teachers teaching innovation and high quality personnel training.

smart classroom; ubiquitous network; knowledge sharing; learning evaluation

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.06.057

2015-11-21修改日期：2015-12-28

广东省教育科学“十二五”规划教育信息技术研究专项2014年度课题(14JXN025)；广东省高等教育教学改革项目2013年重点项目“教师教学发展视角下高校教师信息化教学能力培养的研究与实践”

谢舒潇(1975—),女,辽宁丹东,硕士,高级实验师,研究方向为现代化教学环境建设和信息化教学应用.

E-mail：tmmxsx@jnu.edu.cn

G481

A

1002-4956(2016)6-0221-04

实验室建设与管理