智能教室建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)與實現(xiàn)

謝舒瀟

摘 要 智能教室是信息時代教學環(huán)境發(fā)展的必然趨勢，當前智能教室建設(shè)應(yīng)在借鑒國內(nèi)外代表性案例的基礎(chǔ)上，從硬件設(shè)備、軟件資源和創(chuàng)意環(huán)境三方面著手，融合智能交互顯示系統(tǒng)、云學習資源、泛在網(wǎng)絡(luò)、智能環(huán)境等多種新技術(shù)，構(gòu)建一個功能完善、資源豐富、交互廣泛、靈活多樣、綠色舒適的智能空間，以促進教學創(chuàng)新和學生的全面發(fā)展。

關(guān)鍵詞 智能教室；智能交互顯示系統(tǒng)；智能終端；泛在網(wǎng)絡(luò)；創(chuàng)意環(huán)境

中圖分類號：G481 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2015）12-0047-03

在信息技術(shù)高速發(fā)展的今天，人們對教室環(huán)境及功能提出更高期望，要求教室不僅要作為教學的空間，而且要更多地參與到教學過程中，通過對各種信息化教學設(shè)備的智能連接，提高學生、教師和教室的互聯(lián)度，營造更加開放、靈活的學習空間，推進教師的教學創(chuàng)新和學生智能化學習水平的提高。智能教室在這樣的背景下應(yīng)運而生，并越來越地受到人們的重視。

1 智能教室的定義

智能教室也稱為“智慧教室”“未來教室”，在英文中常用Smart Classroom、Intelligent Classroom、Future

Classroom等表達。智能教室還是一個發(fā)展中的概念，還沒有統(tǒng)一的定義。澳大利亞Darrell Fraser認為：智能教室是利用新的授課與學習技術(shù)，包括互動電子白板、裝有學習資源和軟件的電腦、視頻會議系統(tǒng)、攝像頭、屏幕和投影系統(tǒng)以及桌上觸摸屏等，為師生創(chuàng)建靈活、多用途場所的新型教室，便于開展面向不同學生的個性化學習[1]。臺灣《啟動學習革命》一書中認為，未來教室=無所不在的學習環(huán)境+電子書包+隨意教室+遠距實驗室+高互動教室+相連教室[2]。胡衛(wèi)星等認為智能教室是新科學技術(shù)發(fā)展并應(yīng)用于學校課堂教育的產(chǎn)物，它是一種以泛在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境等先進科技為基礎(chǔ)，以合適的數(shù)字化課程和資源為前提，以互動為核心，實現(xiàn)教與學過程最優(yōu)化的新學習環(huán)境與空間[3]。

綜合上述觀點，筆者認為智能教室是在現(xiàn)代以人為本教學理念下，將網(wǎng)絡(luò)、通訊、傳感、觸控、人工智能、環(huán)境控制等多種先進技術(shù)融合在一起，所構(gòu)建的一個設(shè)備先進、功能完善、資源豐富、交互廣泛、靈活多樣、綠色舒適，有利于教學創(chuàng)新和人全面發(fā)展的教學環(huán)境和智能空間。

2 國內(nèi)外智能教室建設(shè)的典型案例

智能教室建設(shè)是當前教育信息化的一個熱點研究領(lǐng)域，世界各國的政府、學校、企業(yè)對于智能教室的建設(shè)進行了許多有益的探索。下面列出智能教室建設(shè)的一些典型案例。

1）美國費城學區(qū)和微軟公司的“無邊界、無課本課堂”：校園架構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)，學生使用Smartboard上課，教學活動依托微軟公司開發(fā)的主題資源和網(wǎng)上資源開展，學生可在校園的任何地方進行非固定作息的個性化學習[4]。

2）美國麻省理工學院TEAL教室：教室多屏幕展示，以小組為布局，桌椅與實驗裝置相連，每組配電腦和視頻記錄設(shè)備，配備3D和2D虛擬仿真實驗系統(tǒng)、個人實時回饋系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)教學系統(tǒng)[5]。

3）英國杜倫大學“未來派課堂”：多點觸控、多用戶智能課桌與智能黑板組成全面協(xié)作的協(xié)同網(wǎng)絡(luò)，支持個別化和協(xié)作學習[6]。

4）新加坡“未來學校”：集成互動白板、播客、博客、平板電腦、無線上網(wǎng)、3D仿真學習環(huán)境和啟發(fā)式在線學習代理，在線為學習者提供教育信息和解決問題的方案[7]。

5）日本東京大學KALS教室：教室分為工作區(qū)、等候區(qū)等五個概念區(qū)域，可根據(jù)需要進行調(diào)整；教室四面都安裝了無線投影儀，可支持16名學生同時展示作品；配置豆瓣型桌椅，配備交互式電子白板、平板電腦和學生個人反饋裝置[5]。

6）臺灣南湖小學智能教室：教學主控計算機四部、LCD屏幕六面、桌椅六組、攝錄像機六部，搭配實時互動系統(tǒng)、在線編輯系統(tǒng)、電子白板教學系統(tǒng)、無線廣播系統(tǒng)[8]。

7）清華大學智能教室：在Smart Platform（智能平臺）協(xié)調(diào)下，利用虛擬出席、透明人機接口和經(jīng)歷記錄技術(shù)把普通教室增強為實時交互遠程教室[9]。

8）華東師范大學智能教室：基于泛在網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)手提設(shè)備的無線接入，教室采取多通道顯示，能進行課堂實錄和遠程互動教學，教學資源與情境虛實結(jié)合，桌椅便于移動和組合，采用智能控制技術(shù)，實現(xiàn)光、聲、溫度、教學設(shè)備的控制[10]。

9）華中師范大學智能教室：教室配備電子雙板，具備視音頻交互錄播系統(tǒng)，教室布局靈活，建設(shè)Hstar云平臺，實現(xiàn)物理空間、資源空間、社交空間的結(jié)合[11]。

綜合上述案例，可以看出雖然各智能教室的構(gòu)成不完全相同，但其總的發(fā)展趨勢是利用信息、通訊、電子等技術(shù)的新成果，營造一個能將人、技術(shù)、資源、環(huán)境和教學活動有機結(jié)合的自由、開放、創(chuàng)新的教學空間，從而打破課堂教學中傳統(tǒng)講授式的單一格局，使課堂教學活動變得生動、多樣、有趣、高效。

3 當前智能教室建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)

參考國內(nèi)外智能教室的建設(shè)與發(fā)展情況，智能教室一般應(yīng)具備“智能大屏幕信息呈現(xiàn)”“多元高效互動”“豐富資源獲取”“學習歷程記錄”“設(shè)備集成控制”“創(chuàng)意空間排布”和“智能環(huán)境控制”等功能。為實現(xiàn)這些功能，智能教室的建設(shè)可以從硬件設(shè)備、軟件資源和創(chuàng)意環(huán)境三方面著手。

硬件設(shè)備 硬件設(shè)備是智能教室中不可或缺的組成部分。智能教室的硬件設(shè)備主要包括智能交互顯示系統(tǒng)、智能錄播（視頻會議）系統(tǒng)、智能終端、應(yīng)答反饋系統(tǒng)等。

1）智能交互顯示系統(tǒng)。智能交互顯示系統(tǒng)是智能教室重要的組成設(shè)備，從一定意義上說，它代表了課堂教學技術(shù)發(fā)展的新趨勢。目前智能交互顯示系統(tǒng)主要可以用交互式電子白板、互動智能平板、虛擬現(xiàn)實等技術(shù)實現(xiàn)。

①交互式電子白板。交互式電子白板將傳統(tǒng)黑板書寫與計算機多媒體顯示的優(yōu)點結(jié)合起來，教師和學生可以隨意調(diào)用各種教學素材和應(yīng)用軟件來進行教學，還可以用感應(yīng)筆或手指直接進行板書、繪圖、編輯、保存、分享等操作。交互式電子白板所能提供的豐富教學手段和方便的人機交互方式，為課堂教學改革和創(chuàng)新提供了更廣闊的空間。

②互動智能平板。互動智能平板是伴隨著大屏幕顯示技術(shù)和觸控技術(shù)的快速發(fā)展而產(chǎn)生的，它集成了大屏幕顯示、定位、信號傳輸、多媒體、手勢感應(yīng)、語音感應(yīng)等多種技術(shù)的最新成果，不僅具有交互式電子白板的所有功能，還將投影、功放、電腦、中控等多種設(shè)備功能集于一體，解決了當前多媒體教室設(shè)備分散、連接雜亂、操作繁瑣、設(shè)備協(xié)調(diào)與兼容性差等問題。尤其是配合大屏幕無縫拼接技術(shù)，既有效解決了大尺寸高清晰顯示的難題，又實現(xiàn)了不受亮度影響的最佳書寫效果，還可實現(xiàn)遠程異地多方的可視化交互?；又悄芷桨鍖Ρ冉换ナ诫娮影装寰哂幸欢ǖ募夹g(shù)優(yōu)勢，發(fā)展?jié)摿薮?，但目前價格相對較高。

③虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術(shù)。虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術(shù)的飛速發(fā)展，為它們應(yīng)用于教學提供了更多可能。在智能教室中應(yīng)用3D互動投影、3D電視和AR等虛擬技術(shù)，也越來越受到教育工作者的關(guān)注，這些技術(shù)所具有的沉浸性、交互性和多感知性等特點，必將為教學帶來新一輪的飛躍。目前這些虛擬技術(shù)還處在發(fā)展中，還存在價格高和視覺易疲勞等問題，但可以預(yù)見的是隨著虛擬技術(shù)的不斷進步，它將會越來越多地運用到智能教室的建設(shè)和教學中。

需要注意的是，在智能教室建設(shè)中經(jīng)常集成多種智能交互顯示系統(tǒng)，形成多屏顯示的格局。多屏顯示可以彌補單屏顯示的顯示尺寸和顯示任務(wù)單一等固有不足，可以使計算機的多任務(wù)操作能力和人的多任務(wù)操作能力相匹配，做到人與環(huán)境交互的流暢體驗，使信息技術(shù)與課堂教學達到無縫鏈接[12]。

2）智能終端。在智能教室的構(gòu)成中終端設(shè)備是必不可少的。終端可以是聯(lián)網(wǎng)的筆記本電腦、平板電腦、電子書包、智能手機等。這些終端設(shè)備是重要的個性化學習和交互工具，教師和學生既可以通過終端進行教學資源的獲取、利用、重組、分享和創(chuàng)新，也可以通過終端進行師生、生生以及遠程異地之間的交流和互動。智能終端的采用將教師和學生從傳統(tǒng)教學“我講你聽”的格局中解放出來，極大地拓展了學習和交互空間，賦予師生前所未有的自由度。

3）智能錄播與視頻會議系統(tǒng)。智能錄播系統(tǒng)是實現(xiàn)課堂真實記錄的重要工具。智能錄播系統(tǒng)通過圖像識別跟蹤、語音跟蹤、鼠標點擊跟蹤和智能視頻分析等技術(shù)實現(xiàn)多路視音頻信號的自動錄制、自動跟蹤和自動切換，不僅能夠?qū)⒔處?、學生、板書、數(shù)字化教學資源等整個教學活動真實地記錄下來，而且可通過后臺的軟硬件控制系統(tǒng)直接將錄制的視音頻上傳到云資源平臺，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)直播和點播。除智能錄播外，在智能教室的建設(shè)中還需引進視頻會議技術(shù)，以便進行異地遠程教學和交互。

軟件資源 智能教室中除了包含多種類型的硬件設(shè)備外，還涉及很多軟件模塊和大量的教學資源，通過這些軟件和資源一方面使硬件設(shè)備更好地統(tǒng)一協(xié)調(diào)工作，另一方面為學生提供豐富的學習資源和體驗。

1）智能控制平臺。智能控制平臺是智能教室的神經(jīng)中樞，它通過分布的軟件模塊之間相互的通信、協(xié)作和聯(lián)接，將教室中的軟、硬件設(shè)備統(tǒng)一、協(xié)調(diào)起來，構(gòu)成一個智能整體，實現(xiàn)設(shè)備的集中控制和管理，共同為用戶提供智能服務(wù)。智能控制平臺的實現(xiàn)技術(shù)是普適計算、傳感技術(shù)、智能代理、游牧服務(wù)、人工智能等多種先進技術(shù)的融合，通過這些技術(shù)的綜合應(yīng)用，將信息空間和物理空間有機結(jié)合在一起，為師生營造自由開放的智能環(huán)境。

2）云學習資源。云學習資源是利用云技術(shù)構(gòu)建的海量教學資源存儲、極速運算和服務(wù)中心。師生利用任何聯(lián)網(wǎng)的終端就可以快速地訪問、查找和存儲學習資源、共享應(yīng)用軟件，并可輕松實現(xiàn)不同設(shè)備間的互通互聯(lián)、應(yīng)用共享和數(shù)據(jù)同步，為師生開展各類教學活動提供智能化的支持和服務(wù)。

創(chuàng)意環(huán)境 環(huán)境心理學認為，人總是生活在一定的環(huán)境中，人的情緒和行為會受到外界環(huán)境的影響。智能教室不僅是一個融合先進技術(shù)的學習環(huán)境，更應(yīng)是一個以人為本的創(chuàng)意智能空間。它在為教與學創(chuàng)設(shè)良好條件的同時，更應(yīng)該關(guān)注人的發(fā)展，要能為人的認知、技能、情感的發(fā)展和創(chuàng)新行為的產(chǎn)生提供有力的支撐。

1）泛在網(wǎng)絡(luò)。互動是智能教室的核心。泛在網(wǎng)絡(luò)是智能教室交互互動開展的基礎(chǔ)，它通過M2M無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、傳感器網(wǎng)絡(luò)、智能嵌入、NFC近程通信和RFID等相關(guān)技術(shù)提供了一個無所不在的網(wǎng)絡(luò)接入環(huán)境，便于教師、學生與各種設(shè)備、資源和環(huán)境之間實現(xiàn)無縫的連接和廣泛的互動。

2）智能環(huán)境。智能教室除了采用先進的技術(shù)促進人的學習外，在整體環(huán)境設(shè)計中更要以人為本，從人體的生理、心理等角度出發(fā)，對整個教室的色彩、燈光、聲音、溫度、濕度等進行設(shè)計和控制。如通過傳感器自動感知和調(diào)節(jié)溫、濕度；采用智能燈光技術(shù)，通過單燈、多燈組合、旋轉(zhuǎn)等改變光照角度和模式，滿足不同年齡、不同環(huán)境、不同季節(jié)、不同情感的照明需求，為學習者營造舒適的物理和心理學習環(huán)境。

3）自由的創(chuàng)意空間排布。心理學家米哈里·齊克森米哈里認為創(chuàng)意的空間排布有利于促進群體成員形成一種樂在其中的全身心投入狀態(tài)，而人在這種狀態(tài)中常常會爆發(fā)出驚人的創(chuàng)造力[13]。智能教室的空間布局要靈活、多變，富有創(chuàng)意，要能分出多個區(qū)域，如探究區(qū)、互動區(qū)、實踐區(qū)、創(chuàng)新區(qū)等，而且這些區(qū)域并不是一成不變的，要能進行自由的分割和劃分，以最大化地滿足教學需要。智能教室中的桌椅要將功能、美觀、舒適度等一起綜合考慮，要能方便地移動、排布，能夠為不同教學模式的實施提供多種形式的組合和排列，能將學生從傳統(tǒng)教室的固有空間模式中解脫出來，通過自由的人性化創(chuàng)意學習空間，促進學生更好地投入到學習中，更加激發(fā)創(chuàng)造潛能。

以上，簡要介紹了當前能運用到智能教室建設(shè)中的關(guān)鍵設(shè)備和相關(guān)技術(shù)。隨著科技的進步，會有越來越多的新技術(shù)（如3D打印、智能機器人、體感技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等）運用到智能教室的建設(shè)中，將為課堂教學改革與創(chuàng)新營造更為廣闊的創(chuàng)意空間。智能教室是信息時代教學環(huán)境發(fā)展的必然趨勢，各學校應(yīng)根據(jù)自身實際，綜合考慮需求、功能、價格和未來發(fā)展等多方面因素，因地制宜地加快智能教室的建設(shè)，從而為教學創(chuàng)新和高素質(zhì)人才培養(yǎng)搭建重要的平臺?！?/p>

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