智慧教室多屏互動交互策略研究

張凱 呂戀生 楊康

收稿日期：2023-08-31

基金項目：2022年度中國礦業大學“教育數字化”教學研究課題（2022ZX22）；2019年江蘇省高校教育信息化研究課題（2019JSETKT081）

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.07.021

摘? 要：基于多屏的互動與協助是人機交互的核心部分，文章在研究多屏技術發展現狀的基礎上，以中國礦業大學智慧教室建設為例，對多屏互動交互策略進行了研究，構建了一個操作簡單、交互性強、可共享的多屏互動的智慧化學習環境。通過對師生使用多屏互動智慧教室的效能調查研究，初步表明多屏互動智慧教室得到了廣大師生的認可，對于提升教學、學習效果有著積極的推動作用。

關鍵詞：智慧教室；觸控屏幕；多屏互動；交互策略

中圖分類號：TP311.5；TP316.5 文獻標識碼：A 文章編號：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

以信息技術為代表的現代教育技術在教學中扮演越來越重要的角色，教室作為教與學的主要場所，將信息技術（ICT）與教室進行深度融合，構建全新的教學環境應用于課堂教學，成為一個學校信息化建設的核心任務之一。“新高教40條”均明確指出“要加快建設以學習者為中心的智慧教室教學支持環境建設”[1]。在高等院校中，智慧教室的建設情況也成為評價高校教育信息化建設的重要指標之一。

在智慧教室建設過程中，呈現教學內容的顯示設備一直是使用率最高的教學媒體。基于多屏的互動與協助是人機交互的核心部分，教學內容的呈現和課堂的深度互動成為智慧教室建設過程大家關注的重點之一。在科技研發企業的解決方案和各大高校建設案例之中，我們不難發現，多屏似乎成為智慧教室建設必不可少的部分。但在過去幾年智慧教室實際建設和應用過程中，雖然很多智慧教室都采用了多屏互動模式，但操作太復雜，多屏幕很多時候僅僅成了多視角的顯示設備，并沒有真正用起來做分組互動協作達到深度互動的目的。如何將智慧教室中多塊觸控屏、交互式電子白板、控制顯示屏、計算機、移動終端等設備有機地結合起來，結合各類教學模式的特點，本文以中國礦業大學為例，為智慧教室提供一個操作簡單、交互性強、可共享的多屏互動的智慧化學習環境，以期給多屏互動智慧教室建設提供參考。

1? 教室的多屏技術發展現狀

在多媒體教室中，教室前方一般會配置計算機、投影機及幕布等設備來顯示老師的教學內容。根據教室的大小，講臺區域會安裝采2或4推拉黑板，老師交替書寫教學內容，這樣可以給學生一定思考緩沖區，類似于“多塊黑板+投影顯示”的配置模式仍然是目前多媒體教室建設的主流，這是傳統多媒體教室多屏顯示的一種體現。在這種配置模式下，教師無法與投影進行直接交互，學生的自帶設備也很難與之相連接并且交互，多媒體系統僅僅是教師演示多媒體課件的一種手段，老師需要不斷地往返于計算機、黑板、投影幕之間，不斷操作設備，很難實現深層次的互動與交流的效果，在教學中應用傳統多媒體教室的弊端也日益凸顯，教學方式由傳統的“人灌”過度到了“機灌”階段。

隨著智慧校園建設的不斷深入，根據教學模式變革與創新的需要，大量新興技術在課堂中被引入和應用，用先進的信息化教學裝備取代傳統教學裝備，高校圍繞智慧教室的建設與應用探索開始快速發展[2，3]。智慧教室的教學系統建設不再采用單一的投影機和黑板進行教學，引入了電子白板、觸控一體機、平板電腦、智能手機等多種設備進行教學。屏幕由具有顯示功能向具有交互功能的屏幕轉變，單屏顯示向多屏顯示技術發展和單觸屏技術向多觸屏技術發展[4]。如何實現這些設備的多屏幕、多平臺跨界互聯互動，實現課堂教學中多屏互動、教學資源共享與同步，支持參與式教學、探究式教學、協作學習、混合式學習等多種教學模式成了智慧教室建設必須考慮的核心問題。

2? 智慧教室多屏互動概述

智慧教室的多屏主要是指教室內老師用于多媒體教學展示用的屏幕、學生分組用來組內討論和匯報分享的小組屏幕、師生自帶的終端設備屏幕以及多媒體設備終端控制屏幕。互動是指各屏幕之間進行的廣播、共享、協作，利用不同的顯示策略實現教學互動時各個屏幕可以輔助進行畫面和數據等的傳輸交互，來支持不同的教學模式。但由于目前多屏互動技術多種協議之間互不兼容，各個屏幕、師生、資源實現互動有一定的技術壁壘，給多屏互動的智慧教室建設帶來了諸多的不便。

多屏互動智慧教室既要實現多種不同操作系統和終端設備互相連接[5]，又要實現跨平臺屏幕共享，資源同步、遠程控制，滿足教師與學生間交互式教學，學生之間合作學習、探究學習、協作學習等多種教學情境，為智慧教室提供多屏互動的智慧化學習環境[2]。但是不能為了多屏幕之間交互而交互，為了互動而互動，最好的技術呈現方式是要給老師最適合、最簡便、最實用的極簡教育技術，不能讓老師忙于多屏互動技術的學習和操作，而是將設備系統進行集成，根據教學模式的轉換，老師進行一鍵切換，將技術消隱在課堂的背后。

3? 智慧教室多屏交互策略設計

多屏互動模式也是在滿堂灌教學模式（以老師為中心）向互動式翻轉課堂模式（以學生為中心）轉變時的一種理想模式。根據智慧教室的屏幕的使用者不同，一般分為老師用屏幕、學生用屏幕、自帶終端設備屏幕。

3.1? 主屏交互策略

在智慧教室建設過程中，老師用的屏幕主要是智能交互觸控一體機、交互式電子白板等。以中國礦業大學為例，老師的主講屏幕是配置兩個智能交互觸控一體機，配合雙屏交互教學軟件，實現了屏幕的四種顯示模式。雙屏互動教學系統由液晶觸控屏、計算機、混合矩陣、雙屏交互教學軟件等軟硬件構成，主要實現教學內容四種模式（鏡像、關聯、板書、自定義）的雙軌展示，實現教學內容之間的意義關聯與參照[6]。

鏡像顯示模式雙屏呈現相同的內容，輔屏顯示內容始終與主屏內容保持一致，可以有效拓展顯示視野，在教學中可以解決教室反光帶來的問題，減少因反光等環境因素導致在教室兩邊的同學有時看不清的問題，使各個位置的學生都能清晰地看到呈現的知識點，如圖1所示。

關聯顯示模式在左右雙屏兩個窗口按一定的邏輯關系來呈現多頁顯示文檔（如PPT、PDF）內容。按上下頁邏輯關系顯示文檔內容，可以實現前后頁的聯動顯示，這種處理方式可以使學習者擁有足夠的時間對比文稿前后頁的內容，進行做筆記、思考、推論等學習活動，有效實現了教學中知識點間的銜接。同時，也可以將特定頁鎖定在某個屏幕上作為主屏展示，另一屏作為副屏來呈現與此知識點相關聯的知識，進行意義關聯教學或對比和參照教學，方便老師圖文并茂地講解知識點，讓教學更加直觀。

板書關聯模式，一個屏顯示教學資源內容，面向學生展示教學內容，另外一個屏為電子白板功能，相當于傳統課堂中的黑板，滿足教師在課堂教學過程中板書的需求，對教學內容進行針對性講解。板書關聯模式為老師提供方便的交互式電子白板，系統支持多種形式的書寫模式，如手寫輸入、鍵入文字輸入、作圖，等等，可自主調控筆觸、色彩、大小等，提供的常用圖形有圓形、三角形、矩形、六邊形、星形等，快速調用可以幫助理科的教師快速、規范地繪制圖形。利用以上功能老師可以輕松實現板書的書寫、標注、驗算、推理等，同時，老師在白板上的所有板書內容都可以做數字化的保存，能作為一種教學資源保存下來，也方便老師在課后進行教學反思。

自定義模式是兩個屏可以自定義教學資源。教師在授課過程中，可能用到不止一種教學資源，這種情況下可以先后打開兩個需要使用的教學資源，進行雙屏展示。例如當老師需要進行某種教學軟件演示時，一個屏幕可以打開教學軟件進行操作演示，另一個屏幕可以展示與相關的演示文稿、軟件操作手冊、軟件操作視頻等。

3.2? 輔屏交互策略

智慧教室配置多塊智能交互一體機同步顯示老師的教學內容，擴大顯示視野，學生在教室內的任何角度都可以看清老師展示的教學內容。通過中央控制系統控制視頻矩陣實現屏幕之間的信號切換，可以實現不同屏幕的廣播，交互投送學習內容。教師作為課堂教學模式的重要組織角色，可以對各分組討論的內容進行廣播展示，把分小組的學習結果統一展現在教學觸摸大屏和小組觸摸大屏上，通過對學習結果的共同探討完成課堂上的師生互動。在教學廣播階段，可使學生的屏幕變成主屏幕，讓學生直接進行教學演示、師生角色“一秒”互換，通過空間上、設備上的種種變化，模糊了教師和學生之間“主導-從屬”的關系界限，使學生更加積極地參與到課堂中來[7]。

利用矩陣信號之間的切換實現分組教學，每路信號都可以作為師生交流互動的一體機或分組討論時學生的演示、互動屏幕，方便老師和學生進行教學和分組研討。各小組之間可以通過分組觸摸大屏，把其他小組形成的學習結果內容呈現在自己的分組觸摸大屏上，進行小組間的討論、反思、總結，以保障在合作學習、協作探究、互動教學的過程中，師生可高效協作、隨性表達思路和靈感，促進大家一起共同完成課程進度，如圖2所示。

3.3? 主輔屏交互策略

教師可將一體機顯示屏畫面共享廣播到多個分組一體機顯示屏上，各個屏幕畫面同步變化，學生可通過分組屏近距離學習、批注、研討。教師可將某個小組屏幕畫面共享到其他所有顯示屏幕上，使當前小組成員向全班學生講解組內研討結論，教師可將兩個或多個小組畫面同時抓取展示在教室主屏幕上，完成對比分析講評。

3.4? 自帶設備交互策略

通過無線投屏系統實現筆記本、手機、平板、實物展臺等教學終端上的教學內容可以共享到教師觸摸屏或小組觸摸大屏上，在課堂上，教師可選擇小組電腦、實驗裝置操作畫面、教師手機資源、教師電腦PPT等不同教學內容，以多視窗的方式同屏展示，多屏同步顯示同樣內容，方便匯報展示，亦可以每個屏幕都通過無線投屏顯示特定的內容，對比展示、通過觸摸大屏板書、標注形成交流與協作。系統交互支持單屏幕畫面顯示、2畫面、3畫面、4畫面、9畫面等畫面任意選擇切換，同時可支持懸浮窗口模式顯示設備畫面，多種模式讓教師授課更便捷。

在多屏智慧教室學習環境中，師生可以在教室的任一角落，在移動終端屏幕上進行觸控、書寫等操作，直接無線投屏在大屏幕上，實現遠距離控制大屏幕，避免了傳統課堂只能在講臺操控的不便[8]。老師與學生在教學過程中，教與學的交互也不只有分組研討一種，學生可以自帶設備（BYOD）參與課堂，如：利用手機和雨課堂智慧教學工具參與課堂互動，通過實時答題、習題、隨機點名、搶答、彈幕、紅包等功能實現全員參與，提高課堂活躍程度。同時可根據課堂實時生成的報告，了解學生的學習情況，以便開展下一輪的教學活動。在分組模式下，分組的學生各自可以將自己的筆記本、PAD或手機投屏到所在組的副屏，進行組內的展示和討論。每個屏幕可以實現小組多屏互動，支持多人同時投送到屏幕上比對討論學習，實現高難度復雜問題的全方位對比展示和互動協助，有效豐富了分組教學、協作學習的互動方式，使教學手段更加豐富，加深學生對知識的理解和把握[9]。

3.5? 控制觸摸屏交互策略

控制觸摸屏是整個系統最重要、最方便的控制方式，是指令發送中心。控制觸摸屏和中央控制系統配套使用，為方便個性化配置和交互策略的實現，一般采用可編程和自定義的解決方案，集成一鍵上課、下課、自習聯動場景可編程管理按鍵，支持物聯網智慧管控，實現對教學設備的控制、信號源切換以及對聲音音量及話筒音量的調節，配套物聯網模塊可以實現對燈光、電源、溫濕度、空調等物聯網設備的管理，實時顯示教室溫濕度、PM2.5等數據信息。操作面板界面簡單明了，不需要復雜的操作，通過點擊屏幕功能按鈕，即可輕松實現對教室設備的控制，讓老師更專注于教學，如圖3所示。

4? 多屏互動智慧教室實施案例

4.1? 多屏互動智慧教室構成元素

多屏互動智慧教室包括9大基礎核心系統：多屏互動系統、無線投屏系統、互動教學系統、高清錄播系統、擴聲系統、物聯網管控系統、教學云桌面系統、標準化考場系統、電子班牌系統。教室以教師端觸控一體機、學生分組觸控一體機為顯示終端，以物聯網控制系統為核心，搭配高清矩陣、無線AP、攝像機、錄播系統和電子班牌等硬件設備（系統拓撲如圖4所示），配備雙屏互動教學軟件、雨課堂智慧教學工具、無線投屏協助系統等多種互動教學軟件。通過對教室空間進行整體設計和定義，以新一代信息技術為支撐，把智能集中控制、無線顯示、電子雙屏教學、場景生成系統、互動教學系統、環境采集等結合起來，實現師生、資源、技術、環境的最佳耦合，構建支持多種教與學的新型課堂教學環境[10]。

4.2? 多屏互動智慧教室環境布局

多屏互動智慧教室打破了傳統教室格局，需要對教室空間進行整體設計和定義，取消了教室內的“講臺”，老師和學生之間不再有高低之分，雙方形成平等探討的關系。改變教室的朝向，講桌位于教室中央拉近師生距離、促進交互式交流。為了給教學互動與學生研討提供自由靈活的個性化空間，智慧教室采用可拼接移動式桌椅，師生根據教學組織的形式及小組活動的人數將其組合為不同形狀，將室內空間環境與多屏互動教學平臺相結合，學生可以實現分組協作、線上線下共同研討[11]。頂面采用塊狀結構吊頂，有效降低多人教學時產生的噪音，使空間更加安靜。地面采用彩色拼接PVC地膠，使空間氛圍更加活躍。燈光均勻布光，寧亮勿暗，保證室內的各個區域的光照亮度合理均勻。

4.3? 多屏互動智慧教室設備系統構成

物聯網控制系統通過程序化控制實現智慧教室內觸摸一體機、擴聲、班牌、錄播主機、攝像機、燈光、空調、窗簾、新風系統等教學設備和基礎設施智能化、個性化的控制。教學擴音系統實現有線和無線擴聲，有線話筒在講臺范圍內移動擴聲，無線擴聲采用紅外對碼方式，老師可根據個人習慣手持或掛戴在胸前擴音，方便教師的移動教學。錄播系統可以根據課表實現教師畫面、學生全景畫面及電腦桌面的錄制和聲音實時采集，全方位常態化記錄教學的全過程，滿足教學管理部門的教學督導、評估，方便學生課后點播回看復習，教師用于教學反思，相互之間聽課、議課、評課，促進教師教學能力發展。

智慧教室的不同方位配置多臺交互式觸摸一體機，集中授課時不僅便于不同方位的同學就近觀看教學內容，而且更容易使同學們有沉浸式的體驗感；分組研討時各組學生可獨立進行組內研討分享，可實時將每位同學手機、平板、筆記本電腦上的圖片、文件等資料通過無線連接的方式展示在一體機上，輔助研討[12]。通過視頻矩陣信號切換，可以實現不同信號源之間視頻信號的切換，方便老師和學生進行教學和分組研討。

4.4? 多屏互動智慧教室智慧教學系統

雨課堂智慧教學工具可以實現師生之間的實時互動，教師可以通過雨課堂隨時發布問題，學生可以通過手機進行即時回答，這種互動方式增加了學生的參與度，增強了課堂互動性[13]。答題的同時，雨課堂同步就可以統計出學生的答題情況，可以幫助教師快速掌握學生對課堂知識的接受程度。根據這些數據，老師可以在上課過程中及時調整自己的講授進度，調整教學內容和方法。在課堂教學過程中，老師可以開啟彈幕功能，學生可以隨時在屏幕上發送自己的問題和看法，通過將學生的問題和評論實時顯示在屏幕上，有效促進學生和老師之間的互動和交流。而對于老師來說，彈幕教學可以讓他們更加實時地了解學生的學習情況，更準確地把握教學進度和重點難點，以便更好地指導學生，提高教學效果。

運用雨課堂智慧教學系統，在師生互動、翻轉教學、精準教學分析等方面為課堂教學提供有效的支撐，通過雨課堂智慧教學系統可以實現課前（課堂預習）、課中（課堂教學）、課后教學（課后作業或考試）環節的融通，實現對“線上+線下”教學全過程的即時數據采集、云端分析處理和即時結果反饋，以全周期、全程的量化數據輔助教師判斷分析學生學習情況[14]，幫助教師教學從經驗主義向數據主義轉換，幫助教師進行教學評估和改進，構建“互聯網+”下完整的教學生態體系，如圖5所示。

5? 結? 論

智慧教室作為一種創新的教學模式和學習環境，通過對智慧教室多屏互動設計、研究和實施，為師生提供了更加靈活和創新的教學方式和學習方式，有效支持學生進行協作學習、知識分享和交流討論，促進學生之間的互動和合作，增強學習效果和興趣，激發他們的創造力和解決問題的能力，有效培養學生的合作能力和創造力。對使用多屏互動智慧教室的師生的調查顯示，43名老師中，98.28%的教師認為現有智慧教室功能能夠滿足教學需求，104名學生中，95.97%認為現有智慧教室功能可以滿足他們的學習需求。對師生智慧教室的整體滿意度、教室環境設計、操作便捷性、功能完備性、設備穩定性、學習支撐性、上課體驗性等方面的滿意度均超過了90%。65.12%的老師認為智慧教室在提升教學效果方面發揮了比較大或非常大的作用，但仍有30.23%的老師認為在提升教學效果方面發揮作用不大，甚至極少數（4.65%）老師認為智慧教室沒有作用或者存在反作用；92.7%的學生認為在智慧教室上課對提升自己的學習效果有作用或很有作用，7.29%的學生認為在智慧教室上課對提升自己的學習效果沒有作用。以上數據可以初步得出結論，多屏互動智慧教室滿意度較高，得到了廣大師生的認可，對提升教學、學習效果有著積極的推動作用。在對智慧教室未來需要改善的方面，操作便捷性是教師最希望改善的地方，占比達到31.58%；其次是設備穩定性和增加新功能，分別占比26.32%和21.05%，教室環境設計和教學支持服務方面的比例較低。誠然，多屏互動智慧教室的應用仍處于不斷發展和完善的過程中，筆者需要進一步探索、研究和改進多屏互動智慧教室的各項功能和特點，以“操作簡單，方便使用”為理念，“建用并舉”為原則，更好地服務教學，提高教與學過程的便捷性和有效性，并進一步地提高教師的基于智慧教室的信息技術與課堂教學融合能力，推動智慧教室的應用。

參考文獻：

[1] 張凱，楊再明，呂戀生，等.雙屏智慧教室的建設與實踐探究 [J].中國教育信息化，2021（5）：91-96.

[2] 王紅琛.智慧教室多屏互動系統研究 [D].武漢：華中師范大學，2016.

[3] 張凱，楊再明.多媒體服務保障體系建設的實踐與探索——以中國礦業大學為例 [J].數字教育，2018，4（5）：66-70.

[4] 陳衛東，高晶，葉新東.未來課堂：多屏學習空間 [J].中小學信息技術教育，2013（3）：27-33.

[5] 陶晶.基于Miracast和藍牙SPP屏幕互動系統的設計與實現 [D].武漢：武漢理工大學，2016.

[6] 張凱，楊再明，呂健.雙屏互動智慧教室的構建與應用研究 [J].數字教育，2019，5（2）：73-77.

[7] 黎生，余淇，田建林.高校智能教室建設初探——以四川大學“智慧教學環境”建設為例 [J].中國信息技術教育，2020（Z4）：182-184.

[8] 唐吉禎.智慧學校目標下中小學教學空間設計策略研究 [D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2020.

[9] 蔣睿.學生視角下的高校智慧教室建設研究 [D].成都：四川師范大學，2020.

[10] 張凱，楊再明.智慧教室的構建與應用研究——以中國礦業大學為例 [J].現代教育技術，2018，28（10）：81-86.

[11] 呂戀生，楊再明，張凱.高校研討型智慧教室的構建與應用 [J].中國教育信息化，2019（21）：69-72.

[12] 席妙音.高校智慧教室應用現狀及優化策略研究 [D].北京：北京郵電大學，2021.

[13] 姜丹.基于電子書包的教師教學創新能力培養策略研究 [D].沈陽：沈陽師范大學，2015.

[14] 靳江艷，方憶湘，劉文學.基于學習通的計算機輔助設計課程在線教學實踐 [J].科教導刊，2021（8）：95-96+101.

作者簡介：張凱（1988—），男，漢族，河南周口人，工程師，碩士，研究方向：智慧教育、智慧教學環境、教育裝備。