智慧教室環境下中小學智能課桌椅功能需求分析

王鎮 陳桂華

中南林業科技大學材料科學與工程學院 長沙 410004

0 引言

教育在我國現代化建設中具有基礎性、先導性、全局性的地位和作用[1]，為加快教育現代化建設，國務院印發了《中國教育現代化2035》，提出了“加快信息化時代教育變革”的戰略任務[2]。教育信息化支撐引領了教育現代化建設，智慧教育是由高度信息化支持發展的教育新形態，代表了未來教育變革的方向。教育部發布的《教育信息化2.0 行動計劃》提出“智慧教育創新發展行動”，以期探索新技術支持下教育的模式變革和生態重構，形成引領教育改革發展的新途徑、新模式[3]。智慧教育的發展離不開智慧學習環境的構建，作為創新教學場所的智慧教室是智慧教育的重要組成部分。智能課桌椅的出現為傳統課桌椅賦予了信息技術并拓寬了應用場景，不僅是智慧教室空間設計的一部分，更是技術設計的一部分。

1 智能課桌椅功能設計概述

課桌椅可以從不同方面進行分類：桌面造型、使用教室、使用年齡段、使用人數配置、使用材質、可否升降或移動組合等，從技術和使用功能出發則可以將課桌椅分為傳統課桌椅和智能課桌椅。課桌椅的智能化是普遍認為的設計趨勢，智能課桌椅相較傳統課桌椅來說是一種功能的升級，它既包含了傳統課桌椅坐臥存儲的基礎功能又開發拓展出創新功能。當前課桌椅的設計主要從人機工程學角度出發，對功能需求以及技術運用關注不夠。市面上的智能桌椅更多是家用學習桌椅，忽視了教室才是學生日常學習的主要場所。普通教室用課桌椅系列是學校中最常見、使用頻率最高、使用時間最長的課桌椅系列[4]，課桌椅的智能化真正值得我們重視研究。

智能課桌椅的設計應滿足功能適應用戶需求、工程尺寸合理、材料綠色環保、外觀造型美觀、工藝精良、質量可靠結構安全、成本經濟市場領先等，其中功能設計是智能課桌椅設計的核心，關系到智能課桌椅“智能”的發揮和技術的選用。智慧教育背景下的教學形式、學習行為、教育應用技術要求學習空間向動態可變、無縫銜接、沉浸參與方向轉變[5]，情境的復雜性和活動的多樣性要求課桌椅的功能更多元智能，而不局限在憑倚坐臥和儲存的基礎性功能。智能課桌椅應以學習者為中心進行設計，系統化分析影響其功能設計的各個要素，充分關注學習者的多樣化需求。基于前期的調研訪談和相關資料整理，智能課桌椅功能需求可劃分為利益相關者需求與智慧教室課堂設計需求，以下從這兩個維度具體分析各項需求以及對應的功能指標。

2 智能課桌椅功能需求分析

2.1 課桌椅利益相關者需求

2.1.1 中小學學生群體需求

中小學是初小高小以及初中高中的合稱，中小學生處于6 ～18 歲，年齡跨度較大，不同成長期的學生具有不同的群體特征以及不同的功能需求，比如中學生相比小學生來說發育更成熟、心理更追求獨立個性、自制力更強、抽象思維能力更強、學習任務更重，因此可按學生年齡段分別設計具有不同功能特色的智能課桌椅系列。

中小學階段是一個人健全體質、塑造性格和培養行為習慣的關鍵時期，課桌椅的功能需要體現人機適應性，使青少年的生理特征、心理特征和思維認知與桌椅各設計元素相適應，幫助學生健康成長。人機適應性與學生生理特征關系最為密切，中小學生在成長階段的生理特征主要有以下特點。

1）身材發育差異明顯。表現在學生身體發育快，男女生發育特點不同，不同年齡甚至同一個年齡的學生個體身材差異大，學生的身高體重體型有很大差別。

2）骨骼和肌肉未發育完全。學齡期學生的骨骼和肌肉處于生長發育階段，因骨骼和肌肉支撐力不足，學生易疲勞，從而導致不健康的坐姿，造成近視、脊柱彎曲、胸部畸形等疾病的發生。

基于以上生理特征，課桌椅的尺寸規格需要與學生身材相匹配，滿足科學選配適合型號的需要，桌椅的功能尺寸和部件傾斜角皆可調節。課桌椅具備合理的尺寸規格是保證學生良好坐姿的基礎。據統計小學生一天中有1/3 的時間是在學校度過的，而其中有5 小時是始終處于坐姿狀態的[6]，在坐姿時間內75%的學生坐姿行為不健康，并且錯誤的坐姿習慣導致疲勞用眼比率上升，這使近視眼疾病已經成為青少年群體的普遍現象，因此課桌椅有必要應用技術來對學生即時監督勸導及糾正其不良坐姿。

當代的中小學生是在優越環境中成長起來的新生代群體，社會整體生活水平的提升也使得學生更加注重精神層面的需求，課桌椅的設計同樣需要充分考慮學生的心理感受。兒童在成長期逐漸獨立，性別認知和自我認同感加強，他們會更加注重學習用具的個性化與獨特性，以此來展現個性表現自我。兒童大腦神經系統興奮和抑制轉換較快，導致兒童情緒沖動多變不夠穩定、思維活躍、自制力有限、注意力容易不集中，這就要求課桌椅功能設計時要引導兒童情緒穩定以及注意力集中。兒童對新鮮事物敏感好奇，其審美情趣是即興化、主觀化、游戲化的，功能最好游戲化設計以表現課桌椅應有的活潑氣息。課桌椅功能設計要具有直觀易用性以符合中小學生群體的思維認知模式，在學生操作時無沉重的學習負擔，且不必過多關注技術，具有人機交互自發性以形成和諧一致的協作關系。

健康在青少年生活、學習、成長和發展中具有重要價值，家庭、學校、社會各方應積極踐行“健康第一”的教育理念。中學生因升學壓力，日常學習負擔更重，更容易長時間坐姿學習從而導致健康問題，因此課桌椅有必要具備久坐學習提醒功能，使學生及時了解健康狀態并幫助緩解人體疲勞。享有充足的睡眠時間才能促進學生身心健康發展，近年來我國教育部門對中小學生睡眠管理工作愈發重視，提倡有條件的地方和學校應保障學生必要的午休時間。睡眠工程的備受關注塑造了課桌椅的新形態，從“趴著睡”到“躺著睡”，可躺睡課桌椅保證了學生更好的午休睡眠質量。

2.1.2 教師及教務管理者需求

中小學課桌椅配置工作常存在教室桌椅型號與高度單一、排列不科學等問題，為推動課桌椅的科學規范配置，各級教育主管部門制定了課桌椅配置指導的相關標準和文件。中小學課桌椅的主要使用者是學生群體，但課桌椅配置工作的具體實施則涉及企業、學校教師以及各級教務管理人員，只有考慮各方需求才能真正落實相關標準，為學生創建良好的成長學習環境。

課桌椅是學校各個教室的基本設施，其配置調整涉及的工作量較大、工序繁雜，并且設備管理和日常維護往往需要一定的資金和人力投入。智能課桌椅可應用物聯網技術規范簡化桌椅配置流程并便于教務人員統一管理，日常維護訊息通過網絡及時報修以延長設備使用壽命。

2.2 智慧教室課堂設計需求

2.2.1 智慧教室概述

隨著信息技術的發展和媒體設備在傳統教室中的應用，教室形態的發展軌跡經歷了從傳統教室—電子教室—多媒體教室—數字網絡教室—智慧教室的演變[7]，教育現代化對中小學教室重構的訴求正推動著智慧教室的研究與應用。智慧教室是借助新興信息化技術而構建的虛擬與現實結合的教與學環境，該空間包含了一系列的軟硬件裝備，可實現分析學習行為、支持多元學習方式、便捷獲取教學資源等功能應用，其功能體現在內容呈現、環境管理、資源獲取、即時交互和情境感知五個方面[8]。

近年來國內外校企合作研究，提出了許多智慧教室的技術設計解決方案，方案涵蓋了多種教學設備的集成自動化以及軟件系統平臺的開發與整合應用，但在這些解決方案包含的教育裝備中卻很少見到課桌椅的身影，課桌椅與整個技術設計方案毫無聯系。智慧教室中的課桌椅往往由教育家具企業提供，其定位只是從其靈活組合性出發來設計教室空間布局，對課桌椅的功能設計潛力重視不夠。課桌椅是教室中必不可少的基礎設施，它可作為信息技術嵌入的載體實現其他教學設備所不具備的功能，加速智慧教室的推廣和發展。

2.2.2 PST 框架分析需求

課桌椅是智慧教室課堂設計的一部分，課堂設計常使用PST（Pedagogy-Space-Technology）框架進行系統化分析評估，PST 包含了教學法、空間、技術三個相互聯系的要素，教學法理念和目標的實現需要具體的教學空間和相應的信息技術支持，而教學空間通過嵌入技術來實現功能的擴展從而支持教學法，三者之間的關系如圖1 所示。智能課桌椅的功能需要建立設備與教學法、空間、技術三者之間的和諧關系，將三個方面所涉及到的功能需求有機結合以共同支持智慧教室的課堂設計。

圖1 PST 框架三要素之間的關系

從教學法的維度看，智慧教室課堂設計是課前、課中、課后的一體化設計，它以學習者為中心，為學生提供不同類型的學習體驗。傳統教室環境限制了教學模式的進步，而智慧教室空間技術則重塑了教學模式，智慧教室的教學模式除了現代課堂所用的講授類、小組協作類、自主探究類教學模式以外，還包括情境探究、游戲化學習、遠程協同、研討型和體驗型等教學模式。一些中小學存在教學資源不足和教室資源緊張的問題，除了必要的功能教室外，普通教室若分別專用于多媒體授課、討論課、自習或考試等教學環節會造成教室資源的極大浪費，因此課桌椅需要提供相應的功能服務以滿足不同教學模式課堂活動的特殊需求，實現多教學環節共享。智慧教育強調的不再是以教師教評講授為主，課堂教和評的活動也是為了更多促進學生學習的活動，而互動是智慧教室課堂活動開展的核心，智能課桌椅可利用交互技術提供多元的教學互動應用來幫助課堂各對象之間進行互動，如集成互動反饋系統以促進教師與學生群體之間的互動，整合全息投影技術使學生與知識資源之間更直觀地互動。

從空間的維度看，智慧教室的空間環境由一系列基礎設施構成，包括物理空間、桌椅教具、供配電、通風空調、聲光照明等。良好的空間設計可營造出宜人的學習氛圍，直接影響到學生的課堂情感體驗，課桌椅可聯動智慧教室環境控制系統來展示環境相關信息，體現出人與環境相適應的健康呵護功能。師生不僅在教室空間內進行不同的模式的教學活動，還會開展文娛和交友等活動，活動場景的多樣性決定了教室需要具備靈活多變的空間布局形態，同時各功能區塊聯系便捷、高效復合。這要求課桌便于拼接組合成多種形式，桌椅皆具備靈活移動性，通過移動排列課桌椅實現空間布局的靈活調整和不同活動場景的便捷切換，從而體現智慧教室空間設計的開放性特征。

從技術的維度看，智慧教室是一個泛技術支持的學習環境，課堂活動都是在一些技術的支持下發生的，師生在與技術的互動過程中完成與資源的交互，教師借助資源進行教學內容的呈現和教學活動的組織，學生利用資源更有積極性完成學習任務[9]。課堂教學模式的變革與教學技術的應用演變是分不開的，課堂中所應用的技術經歷了從操作復雜到智能易用、從互動形式單一到形式多元的變化過程。中小學建設的智慧教室類型與技術條件各不相同，匯總主要用到的技術有云端技術、物聯網技術、智能環境控制技術、多屏顯示技術、互動反饋技術、視訊會議技術、智能實錄技術、情境感知與智能代理技術、虛擬現實技術、學習分析技術等。面對這一代的“數字土著”學習者，課堂會提供一系列的硬件設備和軟件系統帶給學生更多實踐和體驗的可能性，如虛擬現實設備將抽象知識與現實世界建立聯系，使學習過程有趣神奇；云學習支持系統和云資源服務平臺結合了多種交互學習終端，實現學生個性化學習；不同教學設備之間數據與應用共享并智能化集成控制。智能課桌椅是智慧教室技術設計的一部分，需要與不同教室的整體技術條件相適應，根據各學校的情況因地制宜，最大程度發揮技術的優勢賦能現代化教學。它既可以依托相關技術獨立提供智慧化的應用服務，也可以作為終端聯動智慧教室環境中的一系列設備和系統，充分發揮課桌作為學生交互學習物理平臺的優勢。課桌椅作為學生日常學習接觸最頻繁的教育家具，可以充分感知收集深層次影響學習者學習行為的數據，并結合其他設備系統采集到的數據共同進行學習分析，它還可以對接云學習支持系統接收并展示教師發布的課堂任務，幫助學生進行自主學習管理，培養學生良好的學習習慣[10]。

3 智能課桌椅功能需求體系

功能需求體系的構建是功能設計開發的基礎，智能課桌椅功能及實現技術的選用應圍繞促進學習者的學習進行，使技術有效地與教育情境相結合。在綜述相關文獻和調研分析的基礎上，本文嘗試從利益相關者與課堂設計兩個維度構建智慧教室環境下中小學智能課桌椅的功能需求體系，該體系內容如表1 所示。

在分析得出智能課桌椅功能需求體系的基礎上，對需求所對應的功能進行歸納分類，可以得到智能課桌椅功能設計的七類主要功能：桌椅基礎功能、人機適應功能、健康呵護功能、配置管理功能、移動拼合排列功能、教學互動功能、學習助手功能，各項功能的具體內容如表2 所示。

表2 智能課桌椅功能指標

該功能指標體系中的一級指標涵蓋了智能課桌椅不同使用場景的功能需求，二級指標列舉了一級指標所指的主要內容，每一項二級指標都可繼續細分出更具體的下位功能。在進行功能設計時，要充分考慮學生物質和精神層面的雙重需求，貫徹人性化操作、自發性交互、游戲化互動、個性化體驗的功能設計理念。

4 結束語

通過對中小學智慧教室中智能課桌椅的功能需求進行系統化分析，得出了智能課桌椅的功能需求體系，使不同維度抽象的需求與智能課桌椅應具備的各類功能指標相對應。在得出功能需求體系的基礎上，可依據不同教學條件或教學模式的需要設計研發出具有特色功能的智能課桌椅，同樣也可進一步作用戶調研，對功能優先級定量排序，針對關鍵功能進行設計研究。智能課桌椅助力課堂教與學活動的開展，有利于構建智慧教室健康樂學的學習環境，但當前關于智能課桌椅設計的理論與實踐研究還很少，本文對功能需求方面的探析，希望為智能課桌椅的設計研發提供參照和啟發。