智慧教室3D模型的設計與開發

張艷艷+楊成

摘要：智慧學習環境建設成為智慧教育領域的研究熱點，智慧教室作為一種典型的智慧學習環境已成為人們關注的重點。為解決智慧教室建設造價過高等問題，提供一種全新視角的方法。通過對智慧教室的概念、功能和構成進行深入研究，設計并開發了基于3D平臺的智慧教室模型。該模型具有方便建設者進行造價預測和效果體驗等功能，滿足了智慧教室建設的相關需求。

關鍵詞：智慧教育；智慧教室；3D模型

DOIDOI：10.11907/rjdk.172907

中圖分類號：G434

文獻標識碼：A文章編號文章編號：1672-7800（2018）001-0216-05

Abstract：The construction of intelligent learning environment has become a research hotspot in the field of wisdom education. As a typical intelligent learning environment， smart classroom has become the focus of attention. In order to solve the problems such as the high price of smart classroom construction and so on， a new perspective method is provided . Through in-depth research on the concept， function and composition of the smart classroom， a smart classroom model based on 3D platform is designed and developed. The model has the functions of facilitating builders cost forecasting and effect experience， and meets the requirements of the smart classroom construction.

Key Words：education wisdom；wisdom of the classroom；the 3D model

1智慧教室

1.1智慧教室概念

智慧教室又稱未來教室或智能教室。查爾斯·斯[1]（Skipton，2006）認為智慧教室就是基于電子或技術增強的教室。黃榮懷[2]認為，智慧教室環境是利用多種智能技術（如傳感技術、網絡技術等），優化教學內容呈現，便利學習資源的獲取并及時有效促進課堂交互的、具有情景感知和環境管理功能的教室。陳衛東[3]認為，智慧教室就是依靠智能空間技術實現對計算機、交互白板等硬件設備以及聲、光、電等物理環境的控制與操作，使其有利于資源獲取、方便人機交互、豐富學習方式的教學活動場所。

智慧教室就是借助于物聯網技術、全息投影技術、傳感技術、數據挖掘技術、云計算技術以及人工智能技術等，結合物理和虛擬空間、線上和線下、遠程和本地資源，促進人與環境的和諧，構建智能且適應現代學習者實現個性化學習、開放式學習以及智慧學習的高度智能學習空間。智慧教室最顯著的特征就是“立體式智慧”體現，包括智慧的交互系統、智慧的自動化系統、智慧的管理系統以及智慧的教學系統（教學方式、教學策略、教學資源等）[4]。

1.2智慧教室功能

智慧教室不同于傳統教室，除了具有傳統教室最基本的功能之外，還包括以下功能。

1.2.1虛擬現實功能

智慧教室的虛擬現實功能可以給學習者創造一種“真實”情景。使用者佩戴VR眼鏡、數據手套等傳感設備或利用鍵盤、鼠標等輸入設備，便可實時交互，感知和操作虛擬世界中的各種對象[5-6]，置身于虛擬世界。除此之外，虛擬現實技術還具有演示、實驗、數字場景漫游和技能訓練功能。虛擬現實技術的應用豐富了智慧教室功能，培養了學生的高階思維。

1.2.2預警功能

可視化管理對學生平時的簽到、作業提交、錯題記錄、教學評價、資源上傳、課堂互動等可量化的幾大模塊信息進行可視化的直觀展示，從而根據可視化結果采取措施進行教學過程干預或教學效果預測。其它如設備信息管理，包括設備的運行狀況、安全性指數以及開關機等狀態信息，通過可視化功能結合視頻監控功能，可以觀測智慧教室中基礎設備的整體運行情況，及時發現問題，減少不必要的損失。

1.2.3深度交互功能

“智慧教室”的交互功能不僅體現在教師與學生之間的交互，而且體現在教師與家長、家長與孩子之間的交互，如圖1所示。

在課堂教學中，教師利用智能交互設備將教學內容發送到大屏幕，學生利用平板電腦等移動終端參與在線交流，實現不同學生不同小組以及不同班級與教師的互動交流。教師通過移動終端將教學任務推送至學生終端，完整記錄每個學生的作答情況。學生根據教師的推送進行作答，之后將完成情況提交至教師端。教師根據學生作答情況進行單個輔導，解答疑難問題。此過程使得互動交流對象范圍不再局限，師生課堂互動更加廣泛深入。課后教師通過移動終端將學生的完成情況一鍵推送給學生家長，家長通過查看報告單幫助學生查缺補漏，與學生共同學習，加強了家長與學生的全面溝通交流，實現更和諧的互動。通過教師端將學生的可視化課堂表現圖表（注意力、思考次數、任務完成情況等）推送至家長端，增強了學校和家庭之間的互動交流，共同關注學習者的學習動態。

1.2.4個性化服務功能

桌面云終端系統利用可見紅外線的視覺系統設計，融合全息投影技術、數據挖掘技術和學習分析技術，共享云服務器軟硬件資源，為每個學習者提供個性桌面，無需下載安裝操作系統[7]。云桌面可根據不同學生的觸度記錄，分析學習者的學習興趣和學習習慣，進而推送學習資源，制定出一套適合學習者的學習方法。桌面云端系統與教室主屏幕相連，教師通過主屏幕可看到所有學生的任務完成情況。云桌面的記錄、存儲、推送等功能，為學生個性化學習創造了條件和平臺。endprint

1.2.5創新服務功能

北京豐信達科技有限公司針對教學設計了一款可觸控的“智慧黑板”，可實現無縫切換、同步疊加互動、隨意書寫、批注重點等功能，在解決以往教學模式不足的基礎上進行了創新。“創客空間”為學生提供一個思維創作、協作交流、綠色分享的學習環境。智慧教室一般包含“創客空間”。將教室的某一區域作為學生動手創新的平臺，讓學生在思考中實現自己的創意，從而培養學習者的創新意識和創新能力，成為具有國際競爭力的創新人才。

1.3智慧教室構成

智慧教室包括虛擬環境和物理環境兩部分，如圖2所示。

1.3.1虛擬環境

智慧教室的虛擬環境包括虛擬軟件系統、虛擬仿真系統、增強現實系統等。虛擬軟件系統包括虛擬社區、虛擬云存儲，主要用于連接虛擬空間與物理空間，發揮橋梁作用；虛擬仿真系統可以為學習者創造場景，增強與虛擬世界的互動，達到身臨其境的效果。

1.3.2物理環境

智慧教室的物理環境包括硬件系統、軟件系統和教室自然環境。硬件系統是教室的整個支撐框架，是智慧教室必不可少的組成部分，為智慧教室的整體運行起到重要作用。智慧教室的硬件除了一般硬件（如講桌、書柜等）外，還有其它特殊功能的設備，如路由器、平板電腦、計算機、感應器、3D打印機、移動充電車、VR虛擬眼鏡等。其中路由器主要為整個智慧教室提供網絡環境，平板作為學生最常用的終端，是最基本的硬件設備。計算機一般用來完成平板電腦無法完成的工作，感應器主要用在人員識別以及設備安全管理方面。3D打印機用來實現創作作品，移動充電車可保證移動終端電量充足，VR眼鏡用來進行情境教學，幫助學生創設一種與學習主題相關的情境，激發學習興趣。

智慧教室的軟件系統包括教學系統軟件和管理系統軟件兩部分。教學系統軟件包括錄播資源平臺、智慧教室集控平臺、互動云平臺、信息管理服務平臺、個性化學習平臺、教育資源管理系統、網絡閱卷系統以及教學質量檢測與評價系統等，是為學習者提供優質資源的平臺。管理系統軟件主要包括教學管理軟件和設備管理軟件。管理軟件主要用于對學生各方面行為信息的管理、預警和反饋。在硬件設備方面主要對其進行安全性管理，保證智慧教室人員和設備的安全。

智慧教室的自然環境指光照、溫度、空氣等。與一般教室相比，智慧教室具有燈光控制系統和通風換氣系統。燈光控制系統可為學習者提供適宜的照明亮度和色溫，對大腦起到“啟動”或“刺激”作用，從而達到提高學習效率、緩解視力及腦疲勞的效果；通風換氣系統可為學習者提供合適的照明亮度和適宜的空氣質量。良好的空氣能夠為師生提供一個舒適、宜人的環境，滿足師生舒適健康地進行教學活動。

2智慧教室3D模型設計

2.1設計理念

新時代的教室要在滿足教學需求的基礎上，根據學生的學習風格和學習特點提供一種高度智能化的教學環境。目前許多學校都在積極申報建設未來教室，90%以上學校對使用未來教室開展交互式、討論式和探究式教學充分肯定[8]。但是，智慧教室造價很高，一般配置齊全的智慧教室要在百萬以上，難于普及。為此，本文提出基于3D平臺的智慧教室虛擬模型，以幫助建設者提前估價，提供有價值的參考依據。

2.2設計原則

2.2.1先進性

與普通模型不同的是，智慧教室的3D模型在其外觀和功能上均體現先進性。根據設計意圖，結合市場上暢銷的樣式，對模型的外觀造型進行創新實現，為模型添加最有質感的材質、最新的配置。

2.2.2真實性

智慧教室的3D模型嚴格按照相應硬件設備實物的大小、尺寸、內部組成等進行制作，以達到真實設備的效果，具有極高的虛擬仿真性。比如：平板電腦的模型制作，參考目前最新一代mini5款式，按照1：10的尺寸比例，采用銀色的金屬材質貼圖，結合最高配置的平板電腦內部組成部件，實現模型整體的高度仿真，從而增加體驗過程的真實性。

2.2.3交互性

智慧教室3D模型的交互性主要體現在運作方面，包括人員識別、機器監控等。人員識別功能需要攝像頭和感應器的相互協作。因此，在模型制作時，設計了易于交互的按鈕和感應燈，更為直觀地展示了模型之間的互動性。

2.2.4實用性

智慧教室的3D模型遵循實用性原則，在體現先進性、真實性以及交互性的基礎上進一步達到實用性效果。在模型設計完成后，進一步篩選模型，保留最有意義的模型，保證每個模型都能發揮作用，體現價值。

2.3功能模塊

智慧教室的3D模型主要包括監控模塊、互動模塊、服務模塊、空調控制模塊和燈光控制模塊，如圖3所示。

基礎模塊包括門、墻、窗戶、窗簾、講桌、椅子、天花板、地板等教室最基本的組成部分；監控模塊對教學過程和教學設備具有監控功能，可用于人員識別、學習者動作捕捉、學習過程追蹤、遠程教學以及評價等方面，還可對教室進行監控。監控模塊設計的模型有攝像頭和感應器；互動模塊設計用來展現機器與機器、人際和人機之間互動。機器與機器交互主要指利用感應技術、智能技術等實現機器之間相互協作、相互監控的功能；人際之間除了小組合作互動外（線下），還強調線上的強交互；人機之間的交互趨于高度智能化、自然化。互動模塊主要設計的模型有PC機、平板電腦、VR眼鏡、顯示屏和智能高清中控；服務模塊主要是為實現最優化的教學內容呈現以及最便利的教學資源獲取，相關模型為移動充電車、3D打印機、路由器、智能電源控制器等；空調控制模塊主要用來調節智慧教室內部環境溫度，幫助學習者營造一種舒適的學習環境，相關模型為中央空調和空調控制器；燈光控制系統可為學習者提供適宜的照明亮度和色溫，對大腦起到“啟動”或“刺激”作用，達到提高學習效率，緩解視、腦疲勞的效果。

3智慧教室3D模型開發

3.1技術路線endprint

在3D軟件的基礎上進行設計與開發智慧教室模型：①根據相關資料和案例，深入了解智慧教室的用途、構成、模式以及對智慧教室實體的考察研究，在避免現有缺點的同時進行創新功能設計；②設計智慧教室的整體框架，考慮其合理性、科學性和實用性，為接下來的工作提供指導方向和基本保障；③在整體框架確定之后，需要認真、深入地探討其功能構成，在保證科學合理的基礎上盡可能體現出智慧教室的創新特征，設計出符合學生學習特點和學習風格的教室；④劃分功能模塊，設計單個模型，比如門、窗等屬于基礎模塊，空調等屬于控制模塊，劃分模塊有利于設計和進一步開發；⑤根據設計模型逐一開發實現；⑥挑選材質，進行模型貼圖，嚴格按照模型實體的設計原則和標準參數進行；⑦完成所有模型的整合，將所有模型按照邏輯模塊劃分整合在一個場景中，調整位置、距離；⑧根據智慧教室的功能設計完成模型的動畫，如感應到人進入教室時，攝像頭和感應燈就自動360度旋轉識別人體特征，完成身份驗證功能；⑨整體動畫渲染，完成開發。

3.2開發環境

智慧教室的3D模型開發軟件有3Dmax2013+Adobe Photoshop cs6。

3.2.13Dmax

3Dmax軟件用于做3D效果，比如三維動畫、三維模型、建筑三維動畫等，廣泛應用于廣告、影視、角色動畫、電影特技等領域。軟件功能完善、工作靈活、易學易用、制作效率高且效果逼真，是較為高級的三維制作軟件[9]。結合軟件本身優勢與智慧教室模型的設計思路，根據其功能與需求，將其應用于3D智慧教室的開發。

3.2.2Adobe Photoshop

應用Adobe Photoshop cs6進行輔助設計。PS是Adobe公司制作的目前最成功的圖片編輯器，也是目前運用最廣泛的圖片編輯軟件，具有剪輯文件、合成圖片以及三維圖片制作等功能。使用PS對開發完成的模型進行貼圖等細節處理，使模型更加逼真，提供最佳的視覺體驗。

3.3開發過程

主要開發基礎模塊、監控模塊、互動模塊、服務模塊、空調控制模塊以及燈光控制6個模塊。

基礎模塊主要針對門、墻、窗、地板、天花板等教室基本組成部件開發，開發工具為“標準基本體”。其中門、墻以及窗可直接在3D軟件中選擇模型，地板及天花板根據設計教室大小利用長方體制作。

監控模塊開發主要包括攝像頭和感應器。攝像頭使用圓柱體為底盤，以半球形為頂面，通過“布爾”操作進行底盤和頂面的鏈接。用球形柱體的顏色實現指示功能；感應器的開發與攝像頭的最大不同在于底座，其它開發過程類似。

互動模塊開發主要體現在各類移動終端、VR眼鏡、顯示屏、智能高清中控上。以平板電腦為例，查找平板電腦的相關信息，包括尺寸、按鍵大小以及功能。在3Dmax軟件中建模，先利用基本工具中的長方形，畫出長方體模型形狀，通過圓形工具與長方體進行“布爾”操作，完成平板電腦的返回鍵制作。再根據比例，使用“放樣”完成內部結構與屏幕，最后制作音量鍵和電源鍵等一系列按鍵，完成整個平板電腦的初步建模。其他設備的開發類似平板電腦。

服務模塊開發主要針對移動充電車、3D打印機、路由器、智能電源控制器等。其中3D打印機內部結構復雜，開發較麻煩。先以正方體為整體輪廓，然后通過各種模塊形狀進行內部鑲嵌，最后實現整體制作。

空調服務模塊主要對空調控制器開發。空調控制器屬于控制系統的一部分，其開發主要應用“基本幾何體”工具，通過長方體的變形、旋轉復制等完成。

燈光控制模塊的開發主要對燈管及燈光控制器進行開發，應用工具與方法與上述設備大同小異。

3.4開發效果

圖5是智慧教室3D模型整體框架效果。

圖6為3D打印機的模型展示，主要是幫助實現智慧教室的創新服務功能，為學習者提供鍛煉創新思維能力的平臺，解決教學模式固化的問題。

圖7為感應器模型界面，主要功能是幫助其它感應設備完成識別和預警作用。比如，通風換氣系統出現異常情況時，感應燈會自動接收異常信號并發出指示信號，從而達到預警效果。

圖8為平板電腦模型界面。平板電腦作為學生最常用的工具，是最基本的移動終端。

4智慧教室3D模型應用

4.1應用條件

智慧教室的3D模型一般應用于效果體驗、造價估算以及模型研究三個方面，只需要連接擁有視頻播放器的計算機，配戴耳機，點擊鼠標便能體驗智慧教室的微觀模型效果。用戶不需要安裝3Dmax軟件，也無需安裝插件。對于模型研究者和智慧教室建設，應用智慧教室3D模型需要安裝源文件程序，拆分單個模型具體研究，進而發現有用信息，進行相對準確的造價預算。

4.2應用前景

（1）對于智慧教室建設人員，可先通過建立3D模型事先設計，體驗智慧教室效果，多角度觀察其組成部件及具體模型布局，對智慧教室全方位進行跟蹤視覺體驗，把握智慧教室的整體框架，防止盲目建設和錯誤建設。

（2）對于建設智慧教室的學校，可提前進行智慧教室模型建立、提前進行估價以及提前發現問題，采取相應改進措施，可節省金錢和時間。

（3）對于智慧教室研究人員，可以更為詳細地展示整體框架。如在觀看過程中想要重點了解某個模型時，體驗者可以點擊模型，通過模型之間的交互性觀看詳細介紹，包括講解語音和字幕。

（4）對于教育企業人員，可通過設計此類產品，直接供學校或教育部門參考，提供一些功能展示講解，也可實現整體開發。

5結語

隨著科技的進步，智慧教室的建設將更加成熟，應用將更加廣泛。智慧教室智慧性的追求不僅局限于先進設備、智能系統、理論完善以及技術探討階段，更重要的是研究一種具有普遍適用的智慧教室建設方案，以及如何將此方案用于教學，提高學習效率，這也是未來智慧教室研究的重點。智慧教室的設計與開發是未來課堂、未來教育的一個制高點，其作用正日益顯現。要設計出適合于不同教學模式的智慧教室模型，以更好地推動智慧教育的發展。

參考文獻：

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（責任編輯：杜能鋼）endprint