智慧教室环境下中小学智能课桌椅功能需求分析

王镇 陈桂华

中南林业科技大学材料科学与工程学院 长沙 410004

0 引言

教育在我国现代化建设中具有基础性、先导性、全局性的地位和作用[1]，为加快教育现代化建设，国务院印发了《中国教育现代化2035》，提出了“加快信息化时代教育变革”的战略任务[2]。教育信息化支撑引领了教育现代化建设，智慧教育是由高度信息化支持发展的教育新形态，代表了未来教育变革的方向。教育部发布的《教育信息化2.0 行动计划》提出“智慧教育创新发展行动”，以期探索新技术支持下教育的模式变革和生态重构，形成引领教育改革发展的新途径、新模式[3]。智慧教育的发展离不开智慧学习环境的构建，作为创新教学场所的智慧教室是智慧教育的重要组成部分。智能课桌椅的出现为传统课桌椅赋予了信息技术并拓宽了应用场景，不仅是智慧教室空间设计的一部分，更是技术设计的一部分。

1 智能课桌椅功能设计概述

课桌椅可以从不同方面进行分类：桌面造型、使用教室、使用年龄段、使用人数配置、使用材质、可否升降或移动组合等，从技术和使用功能出发则可以将课桌椅分为传统课桌椅和智能课桌椅。课桌椅的智能化是普遍认为的设计趋势，智能课桌椅相较传统课桌椅来说是一种功能的升级，它既包含了传统课桌椅坐卧存储的基础功能又开发拓展出创新功能。当前课桌椅的设计主要从人机工程学角度出发，对功能需求以及技术运用关注不够。市面上的智能桌椅更多是家用学习桌椅，忽视了教室才是学生日常学习的主要场所。普通教室用课桌椅系列是学校中最常见、使用频率最高、使用时间最长的课桌椅系列[4]，课桌椅的智能化真正值得我们重视研究。

智能课桌椅的设计应满足功能适应用户需求、工程尺寸合理、材料绿色环保、外观造型美观、工艺精良、质量可靠结构安全、成本经济市场领先等，其中功能设计是智能课桌椅设计的核心，关系到智能课桌椅“智能”的发挥和技术的选用。智慧教育背景下的教学形式、学习行为、教育应用技术要求学习空间向动态可变、无缝衔接、沉浸参与方向转变[5]，情境的复杂性和活动的多样性要求课桌椅的功能更多元智能，而不局限在凭倚坐卧和储存的基础性功能。智能课桌椅应以学习者为中心进行设计，系统化分析影响其功能设计的各个要素，充分关注学习者的多样化需求。基于前期的调研访谈和相关资料整理，智能课桌椅功能需求可划分为利益相关者需求与智慧教室课堂设计需求，以下从这两个维度具体分析各项需求以及对应的功能指标。

2 智能课桌椅功能需求分析

2.1 课桌椅利益相关者需求

2.1.1 中小学学生群体需求

中小学是初小高小以及初中高中的合称，中小学生处于6 ～18 岁，年龄跨度较大，不同成长期的学生具有不同的群体特征以及不同的功能需求，比如中学生相比小学生来说发育更成熟、心理更追求独立个性、自制力更强、抽象思维能力更强、学习任务更重，因此可按学生年龄段分别设计具有不同功能特色的智能课桌椅系列。

中小学阶段是一个人健全体质、塑造性格和培养行为习惯的关键时期，课桌椅的功能需要体现人机适应性，使青少年的生理特征、心理特征和思维认知与桌椅各设计元素相适应，帮助学生健康成长。人机适应性与学生生理特征关系最为密切，中小学生在成长阶段的生理特征主要有以下特点。

1）身材发育差异明显。表现在学生身体发育快，男女生发育特点不同，不同年龄甚至同一个年龄的学生个体身材差异大，学生的身高体重体型有很大差别。

2）骨骼和肌肉未发育完全。学龄期学生的骨骼和肌肉处于生长发育阶段，因骨骼和肌肉支撑力不足，学生易疲劳，从而导致不健康的坐姿，造成近视、脊柱弯曲、胸部畸形等疾病的发生。

基于以上生理特征，课桌椅的尺寸规格需要与学生身材相匹配，满足科学选配适合型号的需要，桌椅的功能尺寸和部件倾斜角皆可调节。课桌椅具备合理的尺寸规格是保证学生良好坐姿的基础。据统计小学生一天中有1/3 的时间是在学校度过的，而其中有5 小时是始终处于坐姿状态的[6]，在坐姿时间内75%的学生坐姿行为不健康，并且错误的坐姿习惯导致疲劳用眼比率上升，这使近视眼疾病已经成为青少年群体的普遍现象，因此课桌椅有必要应用技术来对学生即时监督劝导及纠正其不良坐姿。

当代的中小学生是在优越环境中成长起来的新生代群体，社会整体生活水平的提升也使得学生更加注重精神层面的需求，课桌椅的设计同样需要充分考虑学生的心理感受。儿童在成长期逐渐独立，性别认知和自我认同感加强，他们会更加注重学习用具的个性化与独特性，以此来展现个性表现自我。儿童大脑神经系统兴奋和抑制转换较快，导致儿童情绪冲动多变不够稳定、思维活跃、自制力有限、注意力容易不集中，这就要求课桌椅功能设计时要引导儿童情绪稳定以及注意力集中。儿童对新鲜事物敏感好奇，其审美情趣是即兴化、主观化、游戏化的，功能最好游戏化设计以表现课桌椅应有的活泼气息。课桌椅功能设计要具有直观易用性以符合中小学生群体的思维认知模式，在学生操作时无沉重的学习负担，且不必过多关注技术，具有人机交互自发性以形成和谐一致的协作关系。

健康在青少年生活、学习、成长和发展中具有重要价值，家庭、学校、社会各方应积极践行“健康第一”的教育理念。中学生因升学压力，日常学习负担更重，更容易长时间坐姿学习从而导致健康问题，因此课桌椅有必要具备久坐学习提醒功能，使学生及时了解健康状态并帮助缓解人体疲劳。享有充足的睡眠时间才能促进学生身心健康发展，近年来我国教育部门对中小学生睡眠管理工作愈发重视，提倡有条件的地方和学校应保障学生必要的午休时间。睡眠工程的备受关注塑造了课桌椅的新形态，从“趴着睡”到“躺着睡”，可躺睡课桌椅保证了学生更好的午休睡眠质量。

2.1.2 教师及教务管理者需求

中小学课桌椅配置工作常存在教室桌椅型号与高度单一、排列不科学等问题，为推动课桌椅的科学规范配置，各级教育主管部门制定了课桌椅配置指导的相关标准和文件。中小学课桌椅的主要使用者是学生群体，但课桌椅配置工作的具体实施则涉及企业、学校教师以及各级教务管理人员，只有考虑各方需求才能真正落实相关标准，为学生创建良好的成长学习环境。

课桌椅是学校各个教室的基本设施，其配置调整涉及的工作量较大、工序繁杂，并且设备管理和日常维护往往需要一定的资金和人力投入。智能课桌椅可应用物联网技术规范简化桌椅配置流程并便于教务人员统一管理，日常维护讯息通过网络及时报修以延长设备使用寿命。

2.2 智慧教室课堂设计需求

2.2.1 智慧教室概述

随着信息技术的发展和媒体设备在传统教室中的应用，教室形态的发展轨迹经历了从传统教室—电子教室—多媒体教室—数字网络教室—智慧教室的演变[7]，教育现代化对中小学教室重构的诉求正推动着智慧教室的研究与应用。智慧教室是借助新兴信息化技术而构建的虚拟与现实结合的教与学环境，该空间包含了一系列的软硬件装备，可实现分析学习行为、支持多元学习方式、便捷获取教学资源等功能应用，其功能体现在内容呈现、环境管理、资源获取、即时交互和情境感知五个方面[8]。

近年来国内外校企合作研究，提出了许多智慧教室的技术设计解决方案，方案涵盖了多种教学设备的集成自动化以及软件系统平台的开发与整合应用，但在这些解决方案包含的教育装备中却很少见到课桌椅的身影，课桌椅与整个技术设计方案毫无联系。智慧教室中的课桌椅往往由教育家具企业提供，其定位只是从其灵活组合性出发来设计教室空间布局，对课桌椅的功能设计潜力重视不够。课桌椅是教室中必不可少的基础设施，它可作为信息技术嵌入的载体实现其他教学设备所不具备的功能，加速智慧教室的推广和发展。

2.2.2 PST 框架分析需求

课桌椅是智慧教室课堂设计的一部分，课堂设计常使用PST（Pedagogy-Space-Technology）框架进行系统化分析评估，PST 包含了教学法、空间、技术三个相互联系的要素，教学法理念和目标的实现需要具体的教学空间和相应的信息技术支持，而教学空间通过嵌入技术来实现功能的扩展从而支持教学法，三者之间的关系如图1 所示。智能课桌椅的功能需要建立设备与教学法、空间、技术三者之间的和谐关系，将三个方面所涉及到的功能需求有机结合以共同支持智慧教室的课堂设计。

图1 PST 框架三要素之间的关系

从教学法的维度看，智慧教室课堂设计是课前、课中、课后的一体化设计，它以学习者为中心，为学生提供不同类型的学习体验。传统教室环境限制了教学模式的进步，而智慧教室空间技术则重塑了教学模式，智慧教室的教学模式除了现代课堂所用的讲授类、小组协作类、自主探究类教学模式以外，还包括情境探究、游戏化学习、远程协同、研讨型和体验型等教学模式。一些中小学存在教学资源不足和教室资源紧张的问题，除了必要的功能教室外，普通教室若分别专用于多媒体授课、讨论课、自习或考试等教学环节会造成教室资源的极大浪费，因此课桌椅需要提供相应的功能服务以满足不同教学模式课堂活动的特殊需求，实现多教学环节共享。智慧教育强调的不再是以教师教评讲授为主，课堂教和评的活动也是为了更多促进学生学习的活动，而互动是智慧教室课堂活动开展的核心，智能课桌椅可利用交互技术提供多元的教学互动应用来帮助课堂各对象之间进行互动，如集成互动反馈系统以促进教师与学生群体之间的互动，整合全息投影技术使学生与知识资源之间更直观地互动。

从空间的维度看，智慧教室的空间环境由一系列基础设施构成，包括物理空间、桌椅教具、供配电、通风空调、声光照明等。良好的空间设计可营造出宜人的学习氛围，直接影响到学生的课堂情感体验，课桌椅可联动智慧教室环境控制系统来展示环境相关信息，体现出人与环境相适应的健康呵护功能。师生不仅在教室空间内进行不同的模式的教学活动，还会开展文娱和交友等活动，活动场景的多样性决定了教室需要具备灵活多变的空间布局形态，同时各功能区块联系便捷、高效复合。这要求课桌便于拼接组合成多种形式，桌椅皆具备灵活移动性，通过移动排列课桌椅实现空间布局的灵活调整和不同活动场景的便捷切换，从而体现智慧教室空间设计的开放性特征。

从技术的维度看，智慧教室是一个泛技术支持的学习环境，课堂活动都是在一些技术的支持下发生的，师生在与技术的互动过程中完成与资源的交互，教师借助资源进行教学内容的呈现和教学活动的组织，学生利用资源更有积极性完成学习任务[9]。课堂教学模式的变革与教学技术的应用演变是分不开的，课堂中所应用的技术经历了从操作复杂到智能易用、从互动形式单一到形式多元的变化过程。中小学建设的智慧教室类型与技术条件各不相同，汇总主要用到的技术有云端技术、物联网技术、智能环境控制技术、多屏显示技术、互动反馈技术、视讯会议技术、智能实录技术、情境感知与智能代理技术、虚拟现实技术、学习分析技术等。面对这一代的“数字土著”学习者，课堂会提供一系列的硬件设备和软件系统带给学生更多实践和体验的可能性，如虚拟现实设备将抽象知识与现实世界建立联系，使学习过程有趣神奇；云学习支持系统和云资源服务平台结合了多种交互学习终端，实现学生个性化学习；不同教学设备之间数据与应用共享并智能化集成控制。智能课桌椅是智慧教室技术设计的一部分，需要与不同教室的整体技术条件相适应，根据各学校的情况因地制宜，最大程度发挥技术的优势赋能现代化教学。它既可以依托相关技术独立提供智慧化的应用服务，也可以作为终端联动智慧教室环境中的一系列设备和系统，充分发挥课桌作为学生交互学习物理平台的优势。课桌椅作为学生日常学习接触最频繁的教育家具，可以充分感知收集深层次影响学习者学习行为的数据，并结合其他设备系统采集到的数据共同进行学习分析，它还可以对接云学习支持系统接收并展示教师发布的课堂任务，帮助学生进行自主学习管理，培养学生良好的学习习惯[10]。

3 智能课桌椅功能需求体系

功能需求体系的构建是功能设计开发的基础，智能课桌椅功能及实现技术的选用应围绕促进学习者的学习进行，使技术有效地与教育情境相结合。在综述相关文献和调研分析的基础上，本文尝试从利益相关者与课堂设计两个维度构建智慧教室环境下中小学智能课桌椅的功能需求体系，该体系内容如表1 所示。

在分析得出智能课桌椅功能需求体系的基础上，对需求所对应的功能进行归纳分类，可以得到智能课桌椅功能设计的七类主要功能：桌椅基础功能、人机适应功能、健康呵护功能、配置管理功能、移动拼合排列功能、教学互动功能、学习助手功能，各项功能的具体内容如表2 所示。

表2 智能课桌椅功能指标

该功能指标体系中的一级指标涵盖了智能课桌椅不同使用场景的功能需求，二级指标列举了一级指标所指的主要内容，每一项二级指标都可继续细分出更具体的下位功能。在进行功能设计时，要充分考虑学生物质和精神层面的双重需求，贯彻人性化操作、自发性交互、游戏化互动、个性化体验的功能设计理念。

4 结束语

通过对中小学智慧教室中智能课桌椅的功能需求进行系统化分析，得出了智能课桌椅的功能需求体系，使不同维度抽象的需求与智能课桌椅应具备的各类功能指标相对应。在得出功能需求体系的基础上，可依据不同教学条件或教学模式的需要设计研发出具有特色功能的智能课桌椅，同样也可进一步作用户调研，对功能优先级定量排序，针对关键功能进行设计研究。智能课桌椅助力课堂教与学活动的开展，有利于构建智慧教室健康乐学的学习环境，但当前关于智能课桌椅设计的理论与实践研究还很少，本文对功能需求方面的探析，希望为智能课桌椅的设计研发提供参照和启发。