智慧教室多屏互动交互策略研究

张凯 吕恋生 杨康

收稿日期：2023-08-31

基金项目：2022年度中国矿业大学“教育数字化”教学研究课题（2022ZX22）；2019年江苏省高校教育信息化研究课题（2019JSETKT081）

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.07.021

摘  要：基于多屏的互动与协助是人机交互的核心部分，文章在研究多屏技术发展现状的基础上，以中国矿业大学智慧教室建设为例，对多屏互动交互策略进行了研究，构建了一个操作简单、交互性强、可共享的多屏互动的智慧化学习环境。通过对师生使用多屏互动智慧教室的效能调查研究，初步表明多屏互动智慧教室得到了广大师生的认可，对于提升教学、学习效果有着积极的推动作用。

关键词：智慧教室；触控屏幕；多屏互动；交互策略

中图分类号：TP311.5；TP316.5 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2024）07-0095-06

Research on Multi-screen Interaction Strategy of Smart Classroom

—Taking China University of Mining and Technology as an Example

ZHANG Kai， LYU Liansheng， YANG Kang

（Public Teaching Service Center， China University of Mining and Technology， Xuzhou  221116， China）

Abstract： The interaction and assistance based on multi-screen is the core part of human-computer interaction. On the basis of studying the current situation of the development of multi-screen technology， this paper takes the smart classroom construction of China University of Mining and Technology as an example， conducts research on multi-screen interaction strategy， and builds a multi-screen interaction smart learning environment that is simple to operate， highly interactive and shareable. Through the investigation and research on the effectiveness of teachers and students using the multi-screen interaction smart classroom， it initially shows that the multi-screen interaction smart classroom is recognized by the majority of teachers and students， and has a positive role in promoting the teaching and learning effects.

Keywords： smart classroom; touch screen; multi-screen interaction; interaction strategy

0  引  言

以信息技术为代表的现代教育技术在教学中扮演越来越重要的角色，教室作为教与学的主要场所，将信息技术（ICT）与教室进行深度融合，构建全新的教学环境应用于课堂教学，成为一个学校信息化建设的核心任务之一。“新高教40条”均明确指出“要加快建设以学习者为中心的智慧教室教学支持环境建设”[1]。在高等院校中，智慧教室的建设情况也成为评价高校教育信息化建设的重要指标之一。

在智慧教室建设过程中，呈现教学内容的显示设备一直是使用率最高的教学媒体。基于多屏的互动与协助是人机交互的核心部分，教学内容的呈现和课堂的深度互动成为智慧教室建设过程大家关注的重点之一。在科技研发企业的解决方案和各大高校建设案例之中，我们不难发现，多屏似乎成为智慧教室建设必不可少的部分。但在过去几年智慧教室实际建设和应用过程中，虽然很多智慧教室都采用了多屏互动模式，但操作太复杂，多屏幕很多时候仅仅成了多视角的显示设备，并没有真正用起来做分组互动协作达到深度互动的目的。如何将智慧教室中多块触控屏、交互式电子白板、控制显示屏、计算机、移动终端等设备有机地结合起来，结合各类教学模式的特点，本文以中国矿业大学为例，为智慧教室提供一个操作简单、交互性强、可共享的多屏互动的智慧化学习环境，以期给多屏互动智慧教室建设提供参考。

1  教室的多屏技术发展现状

在多媒体教室中，教室前方一般会配置计算机、投影机及幕布等设备来显示老师的教学内容。根据教室的大小，讲台区域会安装采2或4推拉黑板，老师交替书写教学内容，这样可以给学生一定思考缓冲区，类似于“多块黑板+投影显示”的配置模式仍然是目前多媒体教室建设的主流，这是传统多媒体教室多屏显示的一种体现。在这种配置模式下，教师无法与投影进行直接交互，学生的自带设备也很难与之相连接并且交互，多媒体系统仅仅是教师演示多媒体课件的一种手段，老师需要不断地往返于计算机、黑板、投影幕之间，不断操作设备，很难实现深层次的互动与交流的效果，在教学中应用传统多媒体教室的弊端也日益凸显，教学方式由传统的“人灌”过度到了“机灌”阶段。

随着智慧校园建设的不断深入，根据教学模式变革与创新的需要，大量新兴技术在课堂中被引入和应用，用先进的信息化教学装备取代传统教学装备，高校围绕智慧教室的建设与应用探索开始快速发展[2，3]。智慧教室的教学系统建设不再采用单一的投影机和黑板进行教学，引入了电子白板、触控一体机、平板电脑、智能手机等多种设备进行教学。屏幕由具有显示功能向具有交互功能的屏幕转变，单屏显示向多屏显示技术发展和单触屏技术向多触屏技术发展[4]。如何实现这些设备的多屏幕、多平台跨界互联互动，实现课堂教学中多屏互动、教学资源共享与同步，支持参与式教学、探究式教学、协作学习、混合式学习等多种教学模式成了智慧教室建设必须考虑的核心问题。

2  智慧教室多屏互动概述

智慧教室的多屏主要是指教室内老师用于多媒体教学展示用的屏幕、学生分组用来组内讨论和汇报分享的小组屏幕、师生自带的终端设备屏幕以及多媒体设备终端控制屏幕。互动是指各屏幕之间进行的广播、共享、协作，利用不同的显示策略实现教学互动时各个屏幕可以辅助进行画面和数据等的传输交互，来支持不同的教学模式。但由于目前多屏互动技术多种协议之间互不兼容，各个屏幕、师生、资源实现互动有一定的技术壁垒，给多屏互动的智慧教室建设带来了诸多的不便。

多屏互动智慧教室既要实现多种不同操作系统和终端设备互相连接[5]，又要实现跨平台屏幕共享，资源同步、远程控制，满足教师与学生间交互式教学，学生之间合作学习、探究学习、协作学习等多种教学情境，为智慧教室提供多屏互动的智慧化学习环境[2]。但是不能为了多屏幕之间交互而交互，为了互动而互动，最好的技术呈现方式是要给老师最适合、最简便、最实用的极简教育技术，不能让老师忙于多屏互动技术的学习和操作，而是将设备系统进行集成，根据教学模式的转换，老师进行一键切换，将技术消隐在课堂的背后。

3  智慧教室多屏交互策略设计

多屏互动模式也是在满堂灌教学模式（以老师为中心）向互动式翻转课堂模式（以学生为中心）转变时的一种理想模式。根据智慧教室的屏幕的使用者不同，一般分为老师用屏幕、学生用屏幕、自带终端设备屏幕。

3.1  主屏交互策略

在智慧教室建设过程中，老师用的屏幕主要是智能交互触控一体机、交互式电子白板等。以中国矿业大学为例，老师的主讲屏幕是配置两个智能交互触控一体机，配合双屏交互教学软件，实现了屏幕的四种显示模式。双屏互动教学系统由液晶触控屏、计算机、混合矩阵、双屏交互教学软件等软硬件构成，主要实现教学内容四种模式（镜像、关联、板书、自定义）的双轨展示，实现教学内容之间的意义关联与参照[6]。

镜像显示模式双屏呈现相同的内容，辅屏显示内容始终与主屏内容保持一致，可以有效拓展显示视野，在教学中可以解决教室反光带来的问题，减少因反光等环境因素导致在教室两边的同学有时看不清的问题，使各个位置的学生都能清晰地看到呈现的知识点，如图1所示。

关联显示模式在左右双屏两个窗口按一定的逻辑关系来呈现多页显示文档（如PPT、PDF）内容。按上下页逻辑关系显示文档内容，可以实现前后页的联动显示，这种处理方式可以使学习者拥有足够的时间对比文稿前后页的内容，进行做笔记、思考、推论等学习活动，有效实现了教学中知识点间的衔接。同时，也可以将特定页锁定在某个屏幕上作为主屏展示，另一屏作为副屏来呈现与此知识点相关联的知识，进行意义关联教学或对比和参照教学，方便老师图文并茂地讲解知识点，让教学更加直观。

板书关联模式，一个屏显示教学资源内容，面向学生展示教学内容，另外一个屏为电子白板功能，相当于传统课堂中的黑板，满足教师在课堂教学过程中板书的需求，对教学内容进行针对性讲解。板书关联模式为老师提供方便的交互式电子白板，系统支持多种形式的书写模式，如手写输入、键入文字输入、作图，等等，可自主调控笔触、色彩、大小等，提供的常用图形有圆形、三角形、矩形、六边形、星形等，快速调用可以帮助理科的教师快速、规范地绘制图形。利用以上功能老师可以轻松实现板书的书写、标注、验算、推理等，同时，老师在白板上的所有板书内容都可以做数字化的保存，能作为一种教学资源保存下来，也方便老师在课后进行教学反思。

自定义模式是两个屏可以自定义教学资源。教师在授课过程中，可能用到不止一种教学资源，这种情况下可以先后打开两个需要使用的教学资源，进行双屏展示。例如当老师需要进行某种教学软件演示时，一个屏幕可以打开教学软件进行操作演示，另一个屏幕可以展示与相关的演示文稿、软件操作手册、软件操作视频等。

3.2  辅屏交互策略

智慧教室配置多块智能交互一体机同步显示老师的教学内容，扩大显示视野，学生在教室内的任何角度都可以看清老师展示的教学内容。通过中央控制系统控制视频矩阵实现屏幕之间的信号切换，可以实现不同屏幕的广播，交互投送学习内容。教师作为课堂教学模式的重要组织角色，可以对各分组讨论的内容进行广播展示，把分小组的学习结果统一展现在教学触摸大屏和小组触摸大屏上，通过对学习结果的共同探讨完成课堂上的师生互动。在教学广播阶段，可使学生的屏幕变成主屏幕，让学生直接进行教学演示、师生角色“一秒”互换，通过空间上、设备上的种种变化，模糊了教师和学生之间“主导-从属”的关系界限，使学生更加积极地参与到课堂中来[7]。

利用矩阵信号之间的切换实现分组教学，每路信号都可以作为师生交流互动的一体机或分组讨论时学生的演示、互动屏幕，方便老师和学生进行教学和分组研讨。各小组之间可以通过分组触摸大屏，把其他小组形成的学习结果内容呈现在自己的分组触摸大屏上，进行小组间的讨论、反思、总结，以保障在合作学习、协作探究、互动教学的过程中，师生可高效协作、随性表达思路和灵感，促进大家一起共同完成课程进度，如图2所示。

3.3  主辅屏交互策略

教师可将一体机显示屏画面共享广播到多个分组一体机显示屏上，各个屏幕画面同步变化，学生可通过分组屏近距离学习、批注、研讨。教师可将某个小组屏幕画面共享到其他所有显示屏幕上，使当前小组成员向全班学生讲解组内研讨结论，教师可将两个或多个小组画面同时抓取展示在教室主屏幕上，完成对比分析讲评。

3.4  自带设备交互策略

通过无线投屏系统实现笔记本、手机、平板、实物展台等教学终端上的教学内容可以共享到教师触摸屏或小组触摸大屏上，在课堂上，教师可选择小组电脑、实验装置操作画面、教师手机资源、教师电脑PPT等不同教学内容，以多视窗的方式同屏展示，多屏同步显示同样内容，方便汇报展示，亦可以每个屏幕都通过无线投屏显示特定的内容，对比展示、通过触摸大屏板书、标注形成交流与协作。系统交互支持单屏幕画面显示、2画面、3画面、4画面、9画面等画面任意选择切换，同时可支持悬浮窗口模式显示设备画面，多种模式让教师授课更便捷。

在多屏智慧教室学习环境中，师生可以在教室的任一角落，在移动终端屏幕上进行触控、书写等操作，直接无线投屏在大屏幕上，实现远距离控制大屏幕，避免了传统课堂只能在讲台操控的不便[8]。老师与学生在教学过程中，教与学的交互也不只有分组研讨一种，学生可以自带设备（BYOD）参与课堂，如：利用手机和雨课堂智慧教学工具参与课堂互动，通过实时答题、习题、随机点名、抢答、弹幕、红包等功能实现全员参与，提高课堂活跃程度。同时可根据课堂实时生成的报告，了解学生的学习情况，以便开展下一轮的教学活动。在分组模式下，分组的学生各自可以将自己的笔记本、PAD或手机投屏到所在组的副屏，进行组内的展示和讨论。每个屏幕可以实现小组多屏互动，支持多人同时投送到屏幕上比对讨论学习，实现高难度复杂问题的全方位对比展示和互动协助，有效丰富了分组教学、协作学习的互动方式，使教学手段更加丰富，加深学生对知识的理解和把握[9]。

3.5  控制触摸屏交互策略

控制触摸屏是整个系统最重要、最方便的控制方式，是指令发送中心。控制触摸屏和中央控制系统配套使用，为方便个性化配置和交互策略的实现，一般采用可编程和自定义的解决方案，集成一键上课、下课、自习联动场景可编程管理按键，支持物联网智慧管控，实现对教学设备的控制、信号源切换以及对声音音量及话筒音量的调节，配套物联网模块可以实现对灯光、电源、温湿度、空调等物联网设备的管理，实时显示教室温湿度、PM2.5等数据信息。操作面板界面简单明了，不需要复杂的操作，通过点击屏幕功能按钮，即可轻松实现对教室设备的控制，让老师更专注于教学，如图3所示。

4  多屏互动智慧教室实施案例

4.1  多屏互动智慧教室构成元素

多屏互动智慧教室包括9大基础核心系统：多屏互动系统、无线投屏系统、互动教学系统、高清录播系统、扩声系统、物联网管控系统、教学云桌面系统、标准化考场系统、电子班牌系统。教室以教师端触控一体机、学生分组触控一体机为显示终端，以物联网控制系统为核心，搭配高清矩阵、无线AP、摄像机、录播系统和电子班牌等硬件设备（系统拓扑如图4所示），配备双屏互动教学软件、雨课堂智慧教学工具、无线投屏协助系统等多种互动教学软件。通过对教室空间进行整体设计和定义，以新一代信息技术为支撑，把智能集中控制、无线显示、电子双屏教学、场景生成系统、互动教学系统、环境采集等结合起来，实现师生、资源、技术、环境的最佳耦合，构建支持多种教与学的新型课堂教学环境[10]。

4.2  多屏互动智慧教室环境布局

多屏互动智慧教室打破了传统教室格局，需要对教室空间进行整体设计和定义，取消了教室内的“讲台”，老师和学生之间不再有高低之分，双方形成平等探讨的关系。改变教室的朝向，讲桌位于教室中央拉近师生距离、促进交互式交流。为了给教学互动与学生研讨提供自由灵活的个性化空间，智慧教室采用可拼接移动式桌椅，师生根据教学组织的形式及小组活动的人数将其组合为不同形状，将室内空间环境与多屏互动教学平台相结合，学生可以实现分组协作、线上线下共同研讨[11]。顶面采用块状结构吊顶，有效降低多人教学时产生的噪音，使空间更加安静。地面采用彩色拼接PVC地胶，使空间氛围更加活跃。灯光均匀布光，宁亮勿暗，保证室内的各个区域的光照亮度合理均匀。

4.3  多屏互动智慧教室设备系统构成

物联网控制系统通过程序化控制实现智慧教室内触摸一体机、扩声、班牌、录播主机、摄像机、灯光、空调、窗帘、新风系统等教学设备和基础设施智能化、个性化的控制。教学扩音系统实现有线和无线扩声，有线话筒在讲台范围内移动扩声，无线扩声采用红外对码方式，老师可根据个人习惯手持或挂戴在胸前扩音，方便教师的移动教学。录播系统可以根据课表实现教师画面、学生全景画面及电脑桌面的录制和声音实时采集，全方位常态化记录教学的全过程，满足教学管理部门的教学督导、评估，方便学生课后点播回看复习，教师用于教学反思，相互之间听课、议课、评课，促进教师教学能力发展。

智慧教室的不同方位配置多台交互式触摸一体机，集中授课时不仅便于不同方位的同学就近观看教学内容，而且更容易使同学们有沉浸式的体验感；分组研讨时各组学生可独立进行组内研讨分享，可实时将每位同学手机、平板、笔记本电脑上的图片、文件等资料通过无线连接的方式展示在一体机上，辅助研讨[12]。通过视频矩阵信号切换，可以实现不同信号源之间视频信号的切换，方便老师和学生进行教学和分组研讨。

4.4  多屏互动智慧教室智慧教学系统

雨课堂智慧教学工具可以实现师生之间的实时互动，教师可以通过雨课堂随时发布问题，学生可以通过手机进行即时回答，这种互动方式增加了学生的参与度，增强了课堂互动性[13]。答题的同时，雨课堂同步就可以统计出学生的答题情况，可以帮助教师快速掌握学生对课堂知识的接受程度。根据这些数据，老师可以在上课过程中及时调整自己的讲授进度，调整教学内容和方法。在课堂教学过程中，老师可以开启弹幕功能，学生可以随时在屏幕上发送自己的问题和看法，通过将学生的问题和评论实时显示在屏幕上，有效促进学生和老师之间的互动和交流。而对于老师来说，弹幕教学可以让他们更加实时地了解学生的学习情况，更准确地把握教学进度和重点难点，以便更好地指导学生，提高教学效果。

运用雨课堂智慧教学系统，在师生互动、翻转教学、精准教学分析等方面为课堂教学提供有效的支撑，通过雨课堂智慧教学系统可以实现课前（课堂预习）、课中（课堂教学）、课后教学（课后作业或考试）环节的融通，实现对“线上+线下”教学全过程的即时数据采集、云端分析处理和即时结果反馈，以全周期、全程的量化数据辅助教师判断分析学生学习情况[14]，帮助教师教学从经验主义向数据主义转换，帮助教师进行教学评估和改进，构建“互联网+”下完整的教学生态体系，如图5所示。

5  结  论

智慧教室作为一种创新的教学模式和学习环境，通过对智慧教室多屏互动设计、研究和实施，为师生提供了更加灵活和创新的教学方式和学习方式，有效支持学生进行协作学习、知识分享和交流讨论，促进学生之间的互动和合作，增强学习效果和兴趣，激发他们的创造力和解决问题的能力，有效培养学生的合作能力和创造力。对使用多屏互动智慧教室的师生的调查显示，43名老师中，98.28%的教师认为现有智慧教室功能能够满足教学需求，104名学生中，95.97%认为现有智慧教室功能可以满足他们的学习需求。对师生智慧教室的整体满意度、教室环境设计、操作便捷性、功能完备性、设备稳定性、学习支撑性、上课体验性等方面的满意度均超过了90%。65.12%的老师认为智慧教室在提升教学效果方面发挥了比较大或非常大的作用，但仍有30.23%的老师认为在提升教学效果方面发挥作用不大，甚至极少数（4.65%）老师认为智慧教室没有作用或者存在反作用；92.7%的学生认为在智慧教室上课对提升自己的学习效果有作用或很有作用，7.29%的学生认为在智慧教室上课对提升自己的学习效果没有作用。以上数据可以初步得出结论，多屏互动智慧教室满意度较高，得到了广大师生的认可，对提升教学、学习效果有着积极的推动作用。在对智慧教室未来需要改善的方面，操作便捷性是教师最希望改善的地方，占比达到31.58%；其次是设备稳定性和增加新功能，分别占比26.32%和21.05%，教室环境设计和教学支持服务方面的比例较低。诚然，多屏互动智慧教室的应用仍处于不断发展和完善的过程中，笔者需要进一步探索、研究和改进多屏互动智慧教室的各项功能和特点，以“操作简单，方便使用”为理念，“建用并举”为原则，更好地服务教学，提高教与学过程的便捷性和有效性，并进一步地提高教师的基于智慧教室的信息技术与课堂教学融合能力，推动智慧教室的应用。

参考文献：

[1] 张凯，杨再明，吕恋生，等.双屏智慧教室的建设与实践探究 [J].中国教育信息化，2021（5）：91-96.

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[13] 姜丹.基于电子书包的教师教学创新能力培养策略研究 [D].沈阳：沈阳师范大学，2015.

[14] 靳江艳，方忆湘，刘文学.基于学习通的计算机辅助设计课程在线教学实践 [J].科教导刊，2021（8）：95-96+101.

作者简介：张凯（1988—），男，汉族，河南周口人，工程师，硕士，研究方向：智慧教育、智慧教学环境、教育装备。