模塊化理念在智慧教室空間設計中的研究與應用

摘要：針對高校智慧教室建設中空間布局方面存在的缺少規范標準和偏離實際教學需求的問題，運用模塊化思想加以解決。在對模塊化以及智慧教室調研的基礎上，提出通過教學行為與學科間的關聯性確定布局設計的重點，闡述了智慧教室中點線面模塊的概念，并提出對應的設計原則與功能類型劃分等。在實踐階段以具體課程為例討論并設計了點線面模塊，制作了對應的布局方案，并利用層次分析法對方案進行評估與選擇，為應用模塊化理念到智慧教室的空間設計提供了參考。

關鍵詞：智慧教室；教學行為；學科關聯性；模塊化設計；層次分析法

中圖分類號：G481 文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069（2024）20-0077-03

引言

隨著信息技術的長足進步，“智慧教室”的理念慢慢融入了高校建設，成為建設智能化教學環境的代表，起到了提升教師教學質量、改善學生學習效果、促進師生交流互動的作用。現階段智慧教室由于缺少普適的建設標準供以參考，同時忽略學科間教學行為的差異，導致空間布局設計不合理，無法滿足實際教學場景的多樣化需求。模塊化作為現代工業化體系中重要的一環，其誕生旨在簡化設計流程、快速產出方案，能通過組合變化適用多種場景，這與學科差異化教學的需要以及智慧教室的建設理念契合，應用模塊化思想有助于實現更合理的智慧教室空間布局，幫助進一步完善高校智慧教室建設體系。

一、相關理論研究現狀

（一）模塊化理論研究

模塊化是將整體系統分解為不同的模塊并進行管理的一種方式，能夠簡化復雜事務，對設計也具有廣泛而深遠的指導意義[1]。狹義模塊化指由模塊組合成的模塊化產品，例如模塊化的電子設備，模塊化的機床等。廣義的模塊化是一切由典型的通用單元組合成的事物，例如企業的組織結構、流水線的構成等[2]。模塊化理念是在工業設計和生產中得到普及和認同的，但模塊化思想并非工業化進程的產物。先秦《考工記》中“營國”的核心思想圍繞著等級制度展開，禮制規范下的程式化設計孕育了模數思維和模塊化設計方法[3]。宋朝的《燕幾》組合變換3 種特定比例的桌具，再到后來的《碟幾》與《匡幾》均體現著模塊化設計的理念。20 世紀70 年代，國內“多品種、小批量”的需求對傳統標準化生產造成挑戰，模塊化設計開始受到重視并逐漸應用[4]。20 世紀90 年代，圍繞以顧客需求為核心的產銷模式，學者B·約瑟夫·派恩提出了“大規模定制”理論，同我國的模塊化的研究均提倡以通用模塊取得大規模生產的速度與成本優勢，再通過模塊的靈活組合，滿足顧客的個性化需求，達到多樣化與低成本的有機統一。

模塊化理論被視為是解決各類復雜系統問題的利器，得益于模塊個體標準化與組合多樣化的特性，模塊化也具有相似的優良特點：（1）獨立性，模塊能夠單獨進行設計、制造、調試、修改和存儲，便于專業化企業獨立生產制造，靈活調整模塊細節，提高生產效率和質量；（2）互換性，模塊接口部位的結構、尺寸和參數標準化，有利于實現模塊間的互換，以及橫系列、縱系列產品間的模塊的通用；（3）一致性，模塊在基本屬性、使用場景和操作體驗等方面保持一致，從而提升產品設計的復用性并保證用戶體驗的延續性。

（二）智慧教室建設現狀

1988 年，由羅納德. 雷西尼奧最早提出的“Smart Classroom”概念，被認為是在傳統課堂嵌入個人電腦，交互式光盤視頻節目等信息技術[4]，2004 年，國內由徐磊首次使用“智能教室”的名稱，并將其定位為新型教室、學習空間或教學環境[5]，直到2012 年，黃榮懷等首次使用了“智慧教室”的名稱，提出了“S.M.A.R.T”概念模型（內容呈現、教學管理、資源獲取、實時互動、情境感知），并主要從形態和功能等方面開展研究[6]。

早期，我國的智慧教室因理論發展與技術實現的制約，并沒有引起高度的重視，而伴隨“十三五”規劃的“推動現代信息技術與教育教學深度融合”，“十四五”規劃的“深化教育改革”，我國各高校從2014 年陸續開始智慧教室建設與改造，如2017 年中國政法大學完成15 間智慧教室打造并投入使用，華中師范大學整合建立出12 間“三維一體”的智慧型教室[7]，北京郵電大學在2018 年至2022 年先后建成使用100 間智慧教室[8]。高校建設與投入使用的智慧教室數量越來越多，可見以智慧教室為代表的教學環境建設已成為時代發展的趨勢。

二、智慧教室的空間設計需求

空間布局是影響智慧教室教學環境的重要因素，空間劃分以及設備擺放都與師生主體的教學活動開展緊密相關。傳統教室的課堂以教師講授為主，功能區域的劃分一般包括講臺區和座位區，桌椅擺放是最為常見的秧田式網格，而智慧教室面臨新增的教學需求，不僅需要有新的功能區域，其布局設計還應與學科課程或是教學安排相適配。平等對待師生的需求，根據教學需求靈活變化方案，突破固定桌椅和傳統布局對師生的限制、增加延伸性與擴展性正是智慧教室的教學空間布局的設計重點[9]。現有的智慧教室根據教室類型提供標準的教學設備與布局設計，但難以讓師生間接參與到智慧教室布局方案的前期設計，或是很少關注師生使用過程中的具體感受，導致智慧教室的使用無法滿足預期且真實的課程教學需求被忽略。因此，智慧教室的空間布局設計不僅需要考慮布局靈活性本身，還需要建立支持師生參與的流程從而讓布局更合理。

三、智慧教室的空間設計策略

（一）教學行為與學科關聯性

教室內教學質量的好壞取決于教師授課行為的組織與實施，以及學生學習行為的能動展開，將學科課堂的教與學視作不同的行為，有利于把握學科課程的側重，從而反映出智慧教室的場景使用需求，明確空間布局的設計重心，為模塊間組合變化提供依據，也為后續方案的選取提供評價指標。根據智慧教室場景下教學行為的編碼研究，教師活動和學生活動分為信息交互和操作交互。教師活動的操作交互有板書、課堂的監督控制、推送資源、傳統的分享與評價、基于技術的分享與評價等13 種教學行為；學生的操作交互有傳統的展示、基于技術的展示、傳統的信息獲取、基于技術的信息獲取等12 種教學行為[10]。通過進一步歸納和調整，將智慧教室中的行為劃分為有主體和無主體兩個類別：有主體行為是指課堂教學場景中有焦點人物，直接或者間接的參與者需向焦點人物表現出向心性，此類行為對于功能區域的信息輻射范圍有明確要求；無主體行為是指課堂教學場景中不同個體同時進行相似的行為，因而沒有明確的焦點人物，此類行為對功能區域對個體或小群體的劃分有明確要求，如表1。

（二）智慧教室空間模塊的設計原則

室內設計常應用“點”“線”“面”的形式來構成各元素之間的系統關系[11]。而不同于傳統空間設計抽象出的視覺要素，智慧教室中的點線面模塊是注重功能的空間劃分或模塊產品：面模塊指由點模塊構成的具備獨立功能的整體區塊，用途上既是個體的操作空間，又是群體的活動空間；線模塊是面模塊間的分隔區域，作為交通空間或面模塊的邊界，直接影響著智慧教室的整體布局；點模塊是面模塊的基本組成部分，可以滿足使用者行為需求的最小功能空間單位，同時也是智慧教室中師生的物理觸點。

區別于模塊化特點所描述的模塊產品，點線面模塊并不完全是實體，因而在智慧教室空間布局的設計過程中需考慮新的原則：（1）獨立原則，模塊可以彼此獨立為師生提供特定功能而不依賴于其他模塊的配合，不同功能的模塊間應在視覺層面為使用者提供易辨別的差異性，模塊間應在實體空間中存在分隔；（2）一致原則，相同功能的面模塊應在點模塊的構成層面保持一致，在數量和組合上可以存在差異，同時面模塊內部的點模塊應在功能層面為使用主體的教學行為提供一致服務，從而保持使用者對模塊功能良好的認知；（3）配合原則，點線面模塊的配合不依賴于嚴格接口，而是共同參與空間的分割，這意味著模塊在尺寸、形狀等方面需共同設計，點模塊需要配合構成面模塊，面模塊需要配合服務智慧教室的教學行為需要，同時還需為線模塊的連通和延伸留下必要空間。

（三）智慧教室空間模塊的類型劃分

結合對教學行為和智慧教室的調研，根據模塊化管理方式對功能的區分，將線模塊劃分為交通線和分割線，將面模塊劃分為輸出模塊和接收模塊等5 個類型，如表2。

四、智慧教室的空間設計實踐

應用模塊化理論設計智慧教室空間布局，首先針對智慧教室的使用學科，通過課堂觀察、發放問卷、訪談師生對象等方式研究教學行為與學科的關聯性，從而明確當前教學場景的核心需求，進而設計符合空間模塊設計原則的點線面模塊，并在智慧教室的空間中對各模塊進行布局擺放，最后對空間布局方案進行評價與改進。如圖1，師生群體能有效參與需求調研以及方案選擇的過程。

（一）確定智慧教室的空間設計需求

以藝術類學科中外設計史課程為例進行智慧教室空間布局設計實踐，通過發放線上問卷的方式調研該學科與教學行為的關聯性，共回收32 份有效的李克特量表樣本，經過統計分析得出講授、討論、考試是該學科的高頻率教學行為，并作為智慧教室空間布局方案的設計重點。

（二）智慧教室點線面模塊設計

對于點模塊設計，以智慧教室中常見的桌椅為例，根據獨立原則，其需要能夠拆分并具備支撐、辦公、物品收納等獨立功能從而滿足個體使用；根據一致原則，其需要擁有相似的造型特征，例如桌椅均為中空從而方便雙向使用，相同角度使椅子能收納到桌子下方并配合與桌腿擋板夾角一同移動；根據配合原則，桌椅需通過組合參與構成面模塊，選擇常見的60° 作為桌面內角，能夠提高排布的自由度并滿足多種方式的組合拼接。參考國標家具的對桌面高、坐高、配合高差以及長方凳的尺寸規范[12]，對桌椅點模塊進行建模與尺寸說明，如圖2。

對于線模塊設計，在講授等有主體行為場景下，利用交通線可以將智慧教室劃分為大面積的接受區域，使空間整體呈現“H”形或十字形，進而在接收區域內部利用分割線劃分人員位置，有利于突出主體并節省空間從而容納更多的人員；在討論、考試等無主體行為場景下，根據人員密度將智慧教室劃分為數個均勻分布的聚集區域，使空間整體呈現網格型，有利于交流時的人員流動或是考試時的巡視，同時每個聚集模塊內的人員有相對平等的移動路徑。

對于面模塊設計，如圖3，通過桌椅點模塊不同形式的組合拼接構成的接收面模塊或聚集面模塊，不僅能容納不同數量的個體，還能應對講授、討論、考試等不同教學行為。（1）組合一中桌子短邊相錯，具有高自由度和較好的連續性且可以改變排列方向，學生可以同向或相向而坐，適用于講授、問答、辯論等教學行為；（2）組合二中桌子長邊相對，形成三人一組的布局，學生側對而坐且距離較遠，形成公共區域的同時彼此保證隱私性，每個面模塊占用空間較小，適用于自習和考試等教學行為；（3）組合三中桌子短邊同向相鄰使形成閉環的公共區域，學生相鄰環坐，具有較好向心性且能支持多人小組合作，適用于討論等教學行為。

（三）智慧教室空間布局方案設計

根據講授、討論、考試的教學行為需要以及點線面模塊設計，設計以下3 種空間布局方案：（1）方案一中設置接收模塊將輸出模塊環抱，突出信息輸出的主體，接收模塊內桌椅點模塊采用組合一的形式，留下必要的分割線，而接收模塊、輸出模塊與其他面模塊之間彼此連通，形成交通線方便師生由各自面模塊到達其他面模塊；（2）方案二中設置聚集模塊均勻分布，不設定常駐的輸出模塊與接收模塊，聚集模塊內桌椅點模塊采用組合二的形式，聚集模塊形成網格形式的分割線與交通線，方便師生快速到達其他的聚集模塊；（3）方案三中設置聚集模塊均勻分布，不設定常駐的輸出模塊與接收模塊，聚集模塊內桌椅點模塊采用組合三的形式，聚集模塊形成網格形式的分割線與交通線，方便師生快速到達其他的聚集模塊，如圖4。

（四）方案的評價與選擇

層析分析法是指通過對目標、準則、方案等層次化分解，從而獲得方案權重排序以輔助決策。在智慧教室空間布局的設計方案選取階段，利用問卷獲取師生群體對各個設計方案的評價，從而建立層次分析模型并對目標層與準則層、準則層與方案層分別進行1～9 的尺度評價，經過矩陣變換計算與一致性判別，最終獲得對設計方案的層次總排序，根據加權評分確定選取方案一作為智慧教室空間布局設計的通用方案。

結語

目前，我國的智慧教室仍處于建設階段，對于智慧教室空間布局設計中存在的缺少規范和偏離實際使用的問題，合理地運用模塊化設計思想將智慧教室的空間元素劃分為點線面模塊，提出對應的準則和功能類型來規范設計過程中對模塊的選取和具體設計，通過模塊的組合能夠快速生成空間布局方案。同時提出以學科與教學行為的關聯性來確定設計重點，使空間布局方案滿足教學場景的實際需要，并能利用層析分析法實現最終方案的選擇，為高校現代化教育教學對智慧教室空間布局的設計提供了流程參考。

參考文獻

[1]童時中. 模塊化原理設計方法及應用[M]. 北京：中國標準出版社，2000.

[2]童時中. 論狹義模塊化與廣義模塊化（一）[J]. 電子標準化與質量，1998（06）：21-3.

[3]彭圣芳. 《考工記》設計美學思想的體系化考察[J]. 溫州大學學報（社會科學版），2022，35（04）：31-9.

[4]童時中. “現代模塊化”和“模塊化時代”模塊化的回顧和展望[J]. 世界標準化與質量管理，2007，（12）：6-9.

[5]徐磊. 第三種計算：普適計算[J]. 微電腦世界，2004（14）：18-9.

[6]黃榮懷，胡永斌，楊俊鋒，等. 智慧教室的概念及特征[J]. 開放教育研究，2012（02）：22-27.

[7]繆玉周，周書民，高金賀，等. 基于課堂教學改革為導向的高校智慧教室建設探析——以東華理工大學為例[J]. 東華理工大學學報（社會科學版），2022，41（04）：397-400.

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

[9]楊柳青，殷婕. 高校教學空間布局有效性的探索——以高校智慧教學環境建設為例[J]. 成才之路，2021（28）：35-37.

[10]楊信芬. KANO模型支持下的智慧課堂教學行為編碼體系及應用研究[D]. 貴州師范大學，2022.

[11]饒倩，都偉. 基于模塊化理念的眾創空間室內設計分析[J]. 城市建筑，2022，19（15）：163-165.

[12]國家標準化管理委員會. GB 3326—2016 家具 桌、椅、凳類主要尺寸[S].全國標準信息公共服務平臺，2016.