智能教室建設的探索與實踐

謝舒瀟, 陳毓超, 劉　冠

(暨南大學 網絡與教育技術中心, 廣東 廣州　510632)

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智能教室建設的探索與實踐

謝舒瀟, 陳毓超, 劉冠

(暨南大學 網絡與教育技術中心, 廣東 廣州510632)

當前智能教室建設的一般框架應包括身份認證、泛在網絡、智能交互顯示、學習情境記錄、知識管理分享、學習分析評價、智能空間分布、智能環境控制、智能控制平臺和開放擴展等模塊。各校可根據自身實際情況,按照需求分析、方案設計、功能實現3個步驟設計、規劃和建設本校的智能教室,為教師教學創新和高素質人才培養搭建重要的平臺。

智能教室； 泛在網絡； 知識分享； 學習評價

教室是課堂教學活動實施的主要場所,“粉筆+黑板”的教室形態是傳統班級講授制的典型體現。隨著教育的發展和科技的進步,教室的功能也在不斷發展、完善。在互聯網高速發展的今天,教室不僅要作為教學的物理空間,而且更要作為承載教學創新的載體參與到教學活動中,促進學生全面發展。智能教室就是順應這種時代要求而產生的一種新型教室形態,它的出現為信息時代的教育教學改革提供了更多可能,越來越受到教育界的重視。

1　智能教室建設的探索

智能教室建設作為信息化教學環境建設的熱點領域,在世界范圍內受到了廣泛的重視和關注,世界許多國家的學校、政府和企業，根據自己對未來教育教學發展的理解和期望,對智能教室的建設開展了許多卓有成效的研究和探索,形成了一些各具特色的建設案例。

20世紀80年代,美國的“明日蘋果教室”可以看作是早期的智能教室,在該教室中技術被視為學習、思考、協作、通信的工具和媒介。教師和學生可以隨時在教室中使用包括計算機、攝像機、照相機、掃描儀、DVD刻錄機、調制解調器、在線通訊服務和數據庫、結構化教學資源以及相關集成環境等各種設備和軟件,來支持、幫助教學活動的開展[1]。

美國費城學區和微軟公司的“未來學校”利用信息技術和多向多重活動墻,創造了“無邊界和無課本的智能教室”。校舍采用智能傳感技術,屋頂、玻璃、窗戶等都能吸收光能和熱能,雨水也被收集利用,教室的空氣質量和能源使用采集情況都有實時監控,節能環保。整個校園架構無線網,教室中使用互動智能板上課,學生每人配備筆記本電腦,教學活動依托微軟公司開發的主題資源和網上資源開展,學生既可以在教室中學習,也可以在校園的任何地方及家中進行非固定作息的個別化進度的學習[2]。

麻省理工學院的TEAL教室將實驗室與教室合為一體。教室以圓桌小組學習為布局,講臺位于教室中心,配有8臺投影機和13套攝錄系統,學生桌椅與實驗裝置相連,每組配備電腦、虛擬仿真實驗系統、網絡教學系統。整個教室建立了一個高度互動的實驗和討論環境,學生既可以進行真實和虛擬的實驗,也可以相互合作,進行無障礙的溝通和交流[3]。

哈佛大學與喬治梅森大學“River City”,利用信息技術打造了以19 世紀美國工業化城市為原型的基于虛擬環境體驗的虛擬城市。學生通過操作電腦中人物角色參與城市生活,開展各種基于問題的個人和團隊的體驗式、協作式學習和科學探究學習[4]。

澳大利亞維多利亞州打造“沒有圍墻的智能教室”,教室配備高速互聯網、互動電子白板、裝有學習資源的上網本、屏幕投影系統、桌上觸摸屏和攝錄系統,教室中桌椅可以任意移動,學生不是固定一個座位,可以以個人、小組或其他方式任意組合進行學習。教室的不同空間也可以隨意開合,便于幾個教師協作授課、有針對性地授課或整班授課等[5]。

日本2010年起進行“未來學校推進事業”,用技術造就智能教室。在智能教室中師生配置平板電腦,教師的平板電腦可以查看學生的界面,并隨時投放在電子黑板上,一個屏幕可以同時顯示多個學生界面。利用平板電腦的攝像頭,學生可以和其他教室,甚至其他學校的學生一起上課,互相交流,開展互教互學合作學習。該“未來學校”利用云計算服務架設了專門的協同教育平臺,可以隨時調用云資源,同時還具有協同合作辦公系統、家長教員信息共享系統等[6]。

韓國近年來著力建設“智能學校”,推進“智能教育”。智能學校是指學生從上學到放學的所有活動全部通過電子系統來實現的學校。智能學校安裝電子黑板、帶電腦的電子講桌、無線AP等設備,學生統一配備個人平板電腦和數字教科書系統。課堂上,教師利用電子黑板可調出數字教科書,在電子黑板上寫下的內容會馬上傳輸到學生的平板電腦上,學生也可在平板電腦上寫下自己的反饋與教師互動[7]。

我國也在積極推進智能教室的建設。清華大學的智能教室根據場地設計成扇形,教室安裝人臉識別系統和RFID考勤機,具有溫濕度和光照傳感器。教室全Wifi覆蓋,雙屏顯示,配有實時錄播、視頻會議、智能設備控制、增強現實、云教學資源、移動學習管理等系統,與學生的平板電腦、手機等終端一起組成了一個虛實結合的個性化學習空間[8]。此外,清華大學還建設了基于智能平臺、虛擬出席和透明人機接口等技術的增強型實時遠程交互智能教室[9]。

華中師范大學聯合北京師范大學等機構,合作開發了基于starC云端以學習者為中心的智能教室。該教室以具有自主知識產權的PGP電子雙板為核心,結合高清視音頻交互系統、課堂直錄播系統、遠程課堂同步系統、基于IPTV的網絡教育服務系統等,實現了雙軌展示、自由板書、知識可視、多元互動等功能[10],還建設有互動參與式的Hstar云平臺,實現物理、資源、社交3個空間的結合[11]。目前在北京、廣東、江蘇各地中小學已經建設了1 400多間該類型的教室。

智能教室建設各有特點,有的側重營造交互式學習環境,有的側重設備集成,有的側重通過改變空間、布局和結構擴展教室功能,有的側重虛擬情境的設置,還有的側重理論與實踐教學的結合等。雖然智能教室的構成各不相同,但其總的發展趨勢是在以人為本的教學理念下,利用多種新技術建設一個能將技術、資源、環境、人和教學活動有機結合的,設備先進、功能完善、資源豐富、交互廣泛、靈活多樣、舒適環保、自由開放的,有利于教學創新的教學環境。

2　當前智能教室的一般構成

智能教室要以促進學習者認知、能力、技能和情感的發展和完善為出發點,整合應用多種科技新成果,使知識的呈現更豐富立體、教學資源的獲取更便捷順暢、師生的交互參與更靈活高效、學習分析評價和診斷更真實準確、學習環境更舒適自在,能支持多種教學模式的自適應、泛在、開放教學空間。為此,參考國內外智能教室建設案例,結合教學實際,提出當前智能教室建設的一般構成框架,如圖1所示。

師生通過身份認證系統進入智能教室,智能環境控制模塊隨之自動開啟,將教室環境(聲、光、電、色、溫、濕度等)依據師生的需要進行設定。

圖1　通用智能教室構成框架圖

整個教室被無線泛在網絡覆蓋,所有的設備通過泛在網絡與智能控制平臺相連接,智能控制平臺是智能教室的指揮控制中心,它協調調度各軟、硬件設備和系統之間的鏈接、通信和協作,使教室成為一個和諧統一的智能整體。

教室的空間布局和桌椅等設施能根據教學模式和學生特點,進行多種形式的劃分、分割、排列和組合,從而靈活地形成講授區、討論區、協作區、實踐區、創新區等多個不同的布局結構和不同的排布方式,盡可能地延伸多樣化的學習空間,滿足教學的不同需要。

教室中集成了多種智能顯示交互系統,包括互動智能觸控屏、交互式電子白板、互動投影、3D 電視(投影)、實物展臺以及平板電腦、電子書包、筆記本電腦、智能手機等終端設備。這些顯示交互系統形成了多通道、多屏幕、多角度的顯示格局,不僅能為學生展現豐富多彩的教學內容,而且教師和學生可以利用這些設備輕松地訪問知識管理共享模塊,進行教學資源和知識的獲取、利用、重組和分享,開展個性化、協作式、探究式等多種類型的學習與交互活動,實現人機之間、人人之間和人與資源及環境之間的廣泛、多元、高效的互動。

學習情境記錄模塊通過圖像跟蹤、語音跟蹤、智能視頻分析、網真視頻會議等技術,實現多路視音頻信號的智能錄制和遠程交互,它能夠自動地將教學和交互過程真實、完整地記錄、直播、存儲和發布,并可與云教學資源平臺進行無縫鏈接,滿足師生教學、反思和觀摩的需要。

學習分析評價模塊利用數據跟蹤和數據挖掘技術,可以對學生的學習路徑、學習行為、學習歷程進行跟蹤、記錄、統計、分析和測評,為學生和教師改進學習、完善教學、實施個性化和差異化教學提供參考和依據。

開放擴展模塊利用相應軟件接口技術,可將智能教室與教務管理系統、實驗室管理系統、智慧校園相關業務及其他學校、機構的有關系統進行連接[12],擴展智能教室的功能和空間。

雖然該智能教室框架功能較完善、設備較齊全,但考慮資金、技術等因素,在當前智能教室的實際建設中,應根據自身的需求,有所側重地進行智能教室的建設。

3　智能教室建設的實現步驟

3.1需求分析

正確、完整的需求分析直接關系到智能教室建設的成功與否。需求分析要根據學校的教學需要,對智能教室的用途、功能給出明確的定位。需求分析時要有一定的前瞻性,但也不能一味地求新、求全,既要從教學教改的發展考慮,也要考慮當前師生的需求和經濟能力,不能脫離實際。我校為了改善學校教學現代化設施,開展現代教育技術在教學中應用的體驗與創新研究,進一步提升學校教師的信息化教學能力,需要建設具有先進師生交互系統,能為討論式、協作式、網絡遠程教學等多種教學模式的實施提供良好環境,并可以用于教師教學技能培訓的智能教室。

3.2方案設計

根據需求分析,我校將智能教室的功能和技術方案規劃為:在無線網絡支持下由智能交互顯示系統、電子表決系統、教師學生終端、智能錄播(視頻會議)系統加上多功能可移動的桌椅和教室整體環境設計,構建一個以人本、交互和創新為核心的形式多變、資源豐富、有利于教學改革和創新的智能化學習環境。

3.3功能實現

功能實現是通過可行的技術將設計方案現實化。圖2是我校現代化教學體驗中心的功能實現示意圖。

圖2　暨南大學現代化教學體驗中心示意圖

該智能教室建設成容納30人的小班教室,以方便開展各類以交互為核心的教學活動。智能交互顯示系統由2塊72寸高清互動智能顯示屏拼接而成,接縫≤0.5 mm,整屏分辨率為3 840×1 080,支持10點以上的手/筆觸控。這套系統集電子白板、多媒體多屏展示、網絡交互、智能觸控等功能為一體,可實現多媒體教學資源的單屏/分屏和組合顯示、電子板書(繪圖)、多媒體疊加書寫、多人同時書寫、遠程多媒體顯示等,配合軟件更可以實現多種觸摸式智能雙向交互。

從與當前系統的兼容性和先進性兩方面考慮,該教室選用了筆記本電腦和iPad兩種設備作為教師與學生開展教學活動和交互的主要終端。同時為了豐富交互類型,還配置了無線表決系統,表決終端采用2.4 G雙向數字RF無線網絡通訊,無方向性、響應速度快,可多個教室同時使用,液晶屏支持中文、英文、圖片等多種顯示,配合管理軟件可實現電子點名、電子出題、答題、投票統計、現場評分等功能。

智能錄播系統采用了3部高清云臺攝像頭,配合圖像跟蹤系統、智能切換系統和錄播管理系統,實現課堂的同步錄制、實時直播、實時導播、在線點播以及教師、學生、板書之間的自動切換、自動跟蹤和遠程多方交互等,錄制下來的資源可直接存儲到云資源服務器中。

在網絡接入上采用了無線網絡覆蓋,智能交互顯示系統、智能終端和智能錄播系統都可以利用該無線網絡訪問資源服務器、接入互聯網和彼此聯通。

多功能可移動桌椅是智能教室人性化設計的重要體現。參考了大量資料,我們自行設計了如圖3所示的四邊可折疊的課桌,通過選擇邊沿的折、放及多張的組合，可將桌子排列出多種不同形狀,滿足不同教學模式的需要。

圖3　桌子折起和展開的效果及兩種排列方式舉例

在教室的環境設計中綜合考慮了空間、場地、氣候等因素,教室色彩采用了中性色(灰色加淺綠色)的主體搭配設計,使整個教室給人以寧靜、清涼的感覺。考慮到視頻拍攝和學習者心理的需要,教室的燈光采用三基色筒燈+吸頂燈+彩色燈槽的燈光設計,并可以根據需要調節燈光的亮度和進行不同的組合。對于教室的電力和聲音系統,采取隱藏式布線,分別在墻面和地面設計了若干電源插座,以保證桌椅不同排列時的電力供應。此外,該教室設計功能還包括了對教師進行教學技能的培訓。除了利用智能錄播系統外,我們還在教室中設計了一面鏡子墻,教師可以利用它進行教學模擬訓練,同時還從視覺上延展了教室空間。

4　結語

智能教室是信息時代教學環境發展的必然趨勢,它匯聚了最新的科技成果,具有技術先進、功能多樣、操作簡便、資源豐富、多屏顯示、多元互動、虛實結合等諸多特征[13],為課堂教學改革與創新營造了一個廣闊的創意空間,帶來了教學理念、教學結構和教學模式的根本性變革。

References)

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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

廣東省教育科學“十二五”規劃教育信息技術研究專項2014年度課題(14JXN025)；廣東省高等教育教學改革項目2013年重點項目“教師教學發展視角下高校教師信息化教學能力培養的研究與實踐”

謝舒瀟(1975—),女,遼寧丹東,碩士,高級實驗師,研究方向為現代化教學環境建設和信息化教學應用.

E-mail：tmmxsx@jnu.edu.cn

G481

A

1002-4956(2016)6-0221-04

實驗室建設與管理