武侯区教室声光环境智能化改造破解教育难点问题研究

阳涌 梁建朋

摘  要 为保护师生的视力、听力，解决师生的职业病症结，成都市武侯区秉持“大处着眼、小处着手”的策略，充分利用技术创新，针对性启动“校园雪亮工程”和“教室清听工程”，对教育教学的声光环境进行系统改造。

关键词 教室声光环境;校园雪亮工程;教室清听工程;智慧教育;智慧教育服务

中图分类号：G481    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2021）09-0045-03

0  前言

2019年5月，成都市武侯区入选教育部首批“智慧教育示范区”创建项目，开启智慧教育建设新征程。武侯区围绕育人目标，追求“为学生提供适应的教育”，系统推进“智慧教学新生态、智慧教育服务新样态、智能教育治理新形态”三大项目。其中，智慧教育服务通过对教育环境、教育资源和教育数据等进行供给侧改革，破解教育教学和教育治理的难点、痛点问题，为教师融合教学、学生个性学习、管理者高效治理创造更好条件。构建智慧教育服务新样态，武侯区秉持“大处着眼、小处着手”的策略，坚守服务定位，充分利用技术创新，将教學一线和课堂作为首要关切。经过广泛的实地调研和访谈，收集师生对教育环境和教学条件的真实反馈，总结出存在于“视”“听”两大日常当中的现实问题，针对性启动“校园雪亮工程”和“教室清听工程”，对教育教学的声光环境进行系统改造。

1  教室声光环境改造的背景

1.1  视、听问题成为师生的职业病症结

2015年，我国首份系统研究视觉健康的白皮书《国民视觉健康报告》指出：近视已成为我国的“国病”，如果不能有效干预，预计到2020年，我国5岁以上人口的近视发病率将增长到50.86%～51.36%，其中在基础教育阶段发病的比例达到60%以上，不良的教室照明环境是导致学生视力下降的主要原因之一。对于这一问题，习近平总书记曾连续作出重要指示，要求“全社会都要行动起来，共同呵护好孩子的眼睛，让他们拥有一个光明的未来”。

根据《岭南心血管疾病》杂志刊登的统计数据，教师最常见的职业病是慢性咽喉炎，在对22所医院五官科的调查统计中，81%的慢性咽喉炎患者为教师，主要的发病原因是超负荷用嗓，包括用嗓时长超负荷和声量超负荷。教师为确保教室中各个方位的学生能够准确听取教学内容，往往需要提高音量、进行多次重复，对咽喉和声带构成较大压力，日积月累之下导致病变，课时较多的主要学科教师表现得尤为明显。

1.2  声光改造是教学生态系统性变革的基础保障

教与学的变革，本质上与社会经济发展相关，教育事业与社会经济发展高度匹配，才能培养出适应时代、引领时代、变革时代的领军人才。传统的与工业化时代相适应的规模化、标准化教育，无法满足学生成长的要求，也无法适应社会发展的需要，教学生态的系统性变革不可避免。

新时代的教育注重培养学生的创新精神和创造能力，让每个学生能够突破时空限制，随时随地获取适应自身发展、自身特长和自身身心特点的个性化教育。这就要求教师在教学方法、教学组织形式或者教学内容组合方面进行融合创新，利用多种多样的技术手段和智能终端辅助开展教学探索，大胆进行尝试。然而，开展分组合作、自主探究、人机交互等各种形式的创新教学，必须将学生进行一定程度的分散，客观上加重了教师的用嗓负担;利用平板电脑、电子白板等终端设备，又会引起家长和社会对学生用眼健康的顾虑。同时，受到声光环境影响，普通教室内无法进行课堂录制，教师和学生的教学语言和教学行为无法进行常态化的数据采集，不利于开展伴随式分析，精准提升教师的教学能力。因此，良好的声光环境是教师开展教学创新探索的基础保障。

1.3  智能技术的发展为声光环境改造提供了条件

人类发展进入新时代，以大数据和人工智能为代表的新技术深刻改变着社会经济发展的方方面面，在教育领域的应用由浅入深，逐渐成为教育变革的重要组成部分和推动力量。人工智能与声光技术相结合，形成红外感应自适应调光、蓝牙光控、恒照度控制、智能噪声消除算法、神经网络模型智能算法、智能防啸叫算法、高保真扩声系统等技术和方案，这些技术、方案为声光环境的智能化改造提供了条件。

2  声光环境改造的内容

2019年7月，全国信息技术标准化技术委员会教育技术分技术委员会《信息化教学环境视听健康设计要求》标准开始提到教室声环境的建设规范，表明国家层面开始重视教室声光环境的改善问题。武侯区根据国家指引，立足区域实情，结合技术现状，于2020年初开展技术论证，形成成熟方案，以“先试点再铺开”的方式推进，试点包括校内试点和整校试点，取得良好效果。武侯区声光环境智能化改造的主要内容可概括为“两工程、三防范、四消除”：“两工程”指的是“校园雪亮工程”和“教室清听工程”;“三防范”指的是光环境防眩光、防蓝光、防频闪;“四消除”指的是声环境消除噪声、消除失真、消除混响、消除失衡。

2.1  声环境改造：教室清听工程

2.1.1  声场改造  武侯区教室声场改造的目标是通过物理环境建设和技术辅助，打造自然、舒适的教室声场，主要包括三个方面：一是尽可能地去除掉噪声，二是最大限度降低混响，三是扩大并保真声音传递，即零噪声、低混响、自然声传递。

去除噪声方面，主要通过利用内置的常见噪声模型，智能识别去除教室内外的噪声，保持正常人声不被减损，并在实践操作中不断训练扩大模型中的噪声内容，采集并建立突发噪声模型，提高噪声识别能力。目前，改造后的教室已经初步实现外部噪声的彻底阻断隔离，不被系统拾取;同时，利用教室内吸音设备，吸收教室内部的噪声，实现内部噪声不被放大，满堂噪声控制在平均45分贝以下。

降低混响方面，运用智能音频参考技术，将回声、漫反射声等混响在形成拖音前动态识别并减除;同时，自动检测声音通道，智能阻止通道内声音循环，避免啸叫。目前，改造后教室内混响时长限制在0.4～0.8秒。

自然声传递方面，利用智能识别技术和高保真扩声技术滤除干扰音和电器化声音，使人声保持原汁原味，更加清晰自然。

2.1.2  智能优化  针对师生对声音传播的要求，武侯区选用AIoT（人工智能+物联网）扩声主机、高保真音箱，利用智能技术对声环境开展三个方面的优化：一是无感体验;二是智能拾音和扩音;三是均衡传输。

无感体验方面，运用吊麦拾音，取代传统的手持、耳挂式的扩音设备，同时采取自动化技术，对扩声系统进行统一云端管理，教师无须进行开、关机操作，无须进行软硬件维护，不产生额外工作量;学生方面，清晰获取纯净人声，无干扰、无电器声，不会产生听觉上的负担。

智能拾音和扩音方面，智能识别教室内外的噪声和干扰音，进行针对性拾取和扩声传输。比如教室内进行小组讨论或全班齐读，学生群体发声，声音嘈杂，声量较大，智能识别之后，不进行扩声。又比如教师抽学生回答问题，学生回答问题的声音也可以同步拾取，扩声传递，实现“只扩人声，不扩噪声”“只扩个体，不扩群体”。

均衡传输方面，进行大量实践尝试，以常规教室为固定模型，采用“计算机软件进行辅助分析（EASE软件）+现场实际调测”相结合的方法，多次试验后，获得常规教室的最佳声环境模型，以模型参数和经验对照，得出教室声环境建设和优化的最佳方案，据此开展拾音、放声单元的布局安装;同时，根据教师和学生的使用反馈，进行扩声系统灵敏度调节，实现声音的“无死角、原生态”传输，满足师生教学需要。

2.1.3  智能管控  武侯区采取“分散建设、统一管理”的模式，构建区校两级扩声云平台，基于扩声系统应用场景，对物理分散、规模部署的扩声主机和业务进行统一云管理、云运维，具有故障报警、分级分区管理功能。在应用过程中，学校负责软、硬件集中管理，区域进行数据采集和分析，汇聚扩声业务应用数据进行统计分析，沉淀优化应用策略。

目前，武侯区扩声系统运行主要设有三个方面的策略，分别是时间策略、条件策略和预计划策略：时间策略是指设定扩声系统在指定时间段工作，时间段外自动关闭;预计划策略是指事先导入较长时间的既定计划安排，如学校作息时间表，扩声系统据此启用和休眠;条件策略是指设定一些事件或触发机制，比如考试、课间操、广播等情况下，智能取消扩声。

2.2  光环境改造：校园雪亮工程

武侯区光环境改造着眼两大目标：一是在自然光线变化的条件下，保证教室内各个方位学生桌面的灯光照度恒定，且达到国家标准;二是适应学生视力保护的需要，建设防蓝光、防频闪、防目眩的“三防护眼”光环境。

2.2.1  恒定照度  经过空间策略和照度计算，在教室内安装九盏直下式面板灯和三盏黑板灯，改善光源条件，利用红外感应、蓝牙控制、自适应调光等智能技术，对教室内的灯光照度进行智能感知和自动调节，确保教室内学生桌面上的灯光照度保持恒定状态，不受自然光线变化、教室空间布局变化的影响。目前，武侯区改造后的教室，学生桌面的平均照度恒定在333 LX（LX即勒克斯，照度的国际单位。1流明的光通量均匀分布在1平方米面积上的照度，就是1勒克斯），达到国家标准的300 LX，高标准满足日常教学需求。建立光线3D效果图和伪色表现模型，精确设计灯具安装点位，确保教室内光线均衡一致，学生桌面的照度均匀稳定。目前，武侯区改造后的教室，学生桌面照度均匀值为0.78，优于国家标准的0.7。

同时，通过人体感应器和灯组联控技术，将教室划分为若干区域，自动检测教室人员活动情况和活动区域，无人时智能调光驱动电源自动进入设定的10%功率，无人活动区域的光照度自动调低到70%，教室无人或无人活动区域超过20分钟后，系统进入待机状态;随着学生进入教室，功率自动调升，灯组逐渐扩大，实现“按需照明”，节约能源。根据使用环境参数，实时控制LED灯具的亮度，达到极限节能的效果，比传统光环境节能60%～85%。

2.2.2  “三防”护眼  “三防”指的是防眩光、防频闪、防蓝光。眩光（UGR，即统一眩光值，是度量室内视觉环境中的照明装置发出的光对人眼造成不舒适感主观反应的心理参量）现象主要是因为灯管裸露在外，光線直接进入人眼产生眩光，使学生眼球肌肉不停调节来适应灯光的变化，造成注意力分散，降低学习效率，导致视觉疲劳，诱发近视。国家各类规范对LED教育照明中UGR的规定为19以下，武侯区采用第二代微晶防眩面板，将UGR限制在16以下，低于国家教育照明限制值15.7%。

普遍应用的LED灯由于响应速度快，不具备传统灯具的热惯性和余辉效应，因此深受电流波动的影响，导致光源闪烁。长期处在频闪光环境中，容易导致头疼、疲劳、视力下降、抑郁等不良生理反应，2017年央视“315晚会”曾曝光光源频闪带来的危害。武侯区建立“引入—实测—改进”路线图，与行业密切合作，持续引入最新技术，系统消除频闪问题，实现健康稳定的光环境。

武侯区光环境改造应用全光谱技术，其光谱结构与自然光光谱接近，显色指数（为了对光源的显色性进行定量评价，引入显色指数概念。以标准光源为准，将其显色指数定为100，其余光源的显色指数均低于100。《中小学校教室采光和照明卫生标准》中指出：教室照明光源的显色指数不宜小于80）达到95及以上，具备高标准的色彩还原力，天然消减有害蓝光。在保持各项照度、均匀度指标的前提下，为师生提供安全、豁免级的无蓝光照明体验。

3  声光环境改造的效益

3.1  育人为本，维护师生身心健康

武侯区智慧教育建设的重要原则是“遵循规律、育人为本”，致力于“为学生发展提供适应的教育”。充分利用人工智能、物联网等创新技术，着眼教学实践中的痛点和难点，开展“校园雪亮工程”“教室清听工程”，打造高质量、无伤害的声光环境，保护学生的眼睛，保护教师的嗓子，优化师生的视觉和听觉体验，切实维护师生身心健康。

3.2  降低师生身体负荷，提高教学效率

声光环境改造之后，教师在教的过程中不受噪声干扰，无须担心学生能否听见，不用多次重复同一句话、同一个知识点;学生在学的过程中不用担心视力受到损伤，不再受到光线模糊困扰。因此，在声光环境改造后，师生都可在轻松、自然、无感的状态下开展教学活动，降低生理和心理上的额外负担，专注于教学内容和过程，提高教学效率。此外，良好的声光环境让学生的动作和声音显现在明处，客观上有助于培养学生良好的言行习惯，减少教师维护课堂秩序的时间和精力。

3.3  深化智能技术教学应用，推进智慧教育

武侯区声光环境改造运用大量新技术和新装备，尤其是人工智能和物联网技术，是教学环境现代化、智能化的创新尝试。同时，改造声光环境的教室也具备开展线上直播、远程交互、教学数据采集等活动的条件。声光环境改造打开技术与教育的互动节点，形成“技术服务教育、教育融合技术”的良性循环，为打造教学新生态提供无限可能。

4  结语

什么样的教育是最好的教育？为社会、为国家培养人才的教育是最好的教育。什么样的智慧教育是最好的智慧教育？利用智能技术为师生解决痛点问题的智慧教育是最好的智慧教育。武侯区推进声光环境改造的“校园雪亮工程”“教室清听工程”，对比大投资、大项目的智慧教育建设，只是行动上的一小步，却是理念上的一大步。作为西部地区唯一的全国智慧教育示范区，武侯区将继续秉持“大处着眼、小处着手”的策略，从教师、学生的实际需要出发，直面教育教学中的痛点和难点，在“小处”创新，在“大处”突破，用最小的投入，带给师生最大的获得感。■