智能教室建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)與實(shí)現(xiàn)*

◆謝舒瀟

作者：謝舒瀟，暨南大學(xué)網(wǎng)絡(luò)與教育技術(shù)中心副研究員（510632）。

在信息技術(shù)高速發(fā)展的今天，人們對(duì)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(xué)的空間，而且要更多地參與到教學(xué)過(guò)程中，通過(guò)對(duì)各種信息化教學(xué)設(shè)備的智能連接，提高學(xué)生、教師和教室的互聯(lián)度，營(yíng)造更加開(kāi)放、靈活的學(xué)習(xí)空間，推進(jìn)教師的教學(xué)創(chuàng)新和學(xué)生智能化學(xué)習(xí)水平的提高。智能教室在這樣的背景下應(yīng)運(yùn)而生，并越來(lái)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(lái)教室”，在英文中常用Smart Classroom、Intelligent Classroom、Future Classroom等表達(dá)。智能教室還是一個(gè)發(fā)展中的概念，還沒(méi)有統(tǒng)一的定義。澳大利亞Darrell Fraser認(rèn)為：智能教室是利用新的授課與學(xué)習(xí)技術(shù)，包括互動(dòng)電子白板、裝有學(xué)習(xí)資源和軟件的電腦、視頻會(huì)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(chǎng)所的新型教室，便于開(kāi)展面向不同學(xué)生的個(gè)性化學(xué)習(xí)[1]。臺(tái)灣《啟動(dòng)學(xué)習(xí)革命》一書(shū)中認(rèn)為，未來(lái)教室=無(wú)所不在的學(xué)習(xí)環(huán)境+電子書(shū)包+隨意教室+遠(yuǎn)距實(shí)驗(yàn)室+高互動(dòng)教室+相連教室[2]。胡衛(wèi)星等認(rèn)為智能教室是新科學(xué)技術(shù)發(fā)展并應(yīng)用于學(xué)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(jìn)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(dòng)為核心，實(shí)現(xiàn)教與學(xué)過(guò)程最優(yōu)化的新學(xué)習(xí)環(huán)境與空間[3]。

綜合上述觀點(diǎn)，筆者認(rèn)為智能教室是在現(xiàn)代以人為本教學(xué)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(jìn)技術(shù)融合在一起，所構(gòu)建的一個(gè)設(shè)備先進(jìn)、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(xué)創(chuàng)新和人全面發(fā)展的教學(xué)環(huán)境和智能空間。

2 國(guó)內(nèi)外智能教室建設(shè)的典型案例

智能教室建設(shè)是當(dāng)前教育信息化的一個(gè)熱點(diǎn)研究領(lǐng)域，世界各國(guó)的政府、學(xué)校、企業(yè)對(duì)于智能教室的建設(shè)進(jìn)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(guó)費(fèi)城學(xué)區(qū)和微軟公司的“無(wú)邊界、無(wú)課本課堂”：校園架構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，學(xué)生使用Smartboard上課，教學(xué)活動(dòng)依托微軟公司開(kāi)發(fā)的主題資源和網(wǎng)上資源開(kāi)展，學(xué)生可在校園的任何地方進(jìn)行非固定作息的個(gè)性化學(xué)習(xí)[4]。

2）美國(guó)麻省理工學(xué)院TEAL教室：教室多屏幕展示，以小組為布局，桌椅與實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、個(gè)人實(shí)時(shí)回饋系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)[5]。

3）英國(guó)杜倫大學(xué)“未來(lái)派課堂”：多點(diǎn)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(gè)別化和協(xié)作學(xué)習(xí)[6]。

4）新加坡“未來(lái)學(xué)校”：集成互動(dòng)白板、播客、博客、平板電腦、無(wú)線上網(wǎng)、3D仿真學(xué)習(xí)環(huán)境和啟發(fā)式在線學(xué)習(xí)代理，在線為學(xué)習(xí)者提供教育信息和解決問(wèn)題的方案[7]。

5）日本東京大學(xué)KALS教室：教室分為工作區(qū)、等候區(qū)等五個(gè)概念區(qū)域，可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整；教室四面都安裝了無(wú)線投影儀，可支持16名學(xué)生同時(shí)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(xué)生個(gè)人反饋裝置[5]。

6）臺(tái)灣南湖小學(xué)智能教室：教學(xué)主控計(jì)算機(jī)四部、LCD屏幕六面、桌椅六組、攝錄像機(jī)六部，搭配實(shí)時(shí)互動(dòng)系統(tǒng)、在線編輯系統(tǒng)、電子白板教學(xué)系統(tǒng)、無(wú)線廣播系統(tǒng)[8]。

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

8）華東師范大學(xué)智能教室：基于泛在網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)手提設(shè)備的無(wú)線接入，教室采取多通道顯示，能進(jìn)行課堂實(shí)錄和遠(yuǎn)程互動(dòng)教學(xué)，教學(xué)資源與情境虛實(shí)結(jié)合，桌椅便于移動(dòng)和組合，采用智能控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)光、聲、溫度、教學(xué)設(shè)備的控制[10]。

9）華中師范大學(xué)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(tái)，實(shí)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(shì)是利用信息、通訊、電子等技術(shù)的新成果，營(yíng)造一個(gè)能將人、技術(shù)、資源、環(huán)境和教學(xué)活動(dòng)有機(jī)結(jié)合的自由、開(kāi)放、創(chuàng)新的教學(xué)空間，從而打破課堂教學(xué)中傳統(tǒng)講授式的單一格局，使課堂教學(xué)活動(dòng)變得生動(dòng)、多樣、有趣、高效。

3 當(dāng)前智能教室建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)

參考國(guó)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(dòng)”“豐富資源獲取”“學(xué)習(xí)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(shí)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(huì)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(shuō)，它代表了課堂教學(xué)技術(shù)發(fā)展的新趨勢(shì)。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(dòng)智能平板、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

①交互式電子白板。交互式電子白板將傳統(tǒng)黑板書(shū)寫與計(jì)算機(jī)多媒體顯示的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，教師和學(xué)生可以隨意調(diào)用各種教學(xué)素材和應(yīng)用軟件來(lái)進(jìn)行教學(xué)，還可以用感應(yīng)筆或手指直接進(jìn)行板書(shū)、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(xué)手段和方便的人機(jī)交互方式，為課堂教學(xué)改革和創(chuàng)新提供了更廣闊的空間。

②互動(dòng)智能平板?；?dòng)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(hào)傳輸、多媒體、手勢(shì)感應(yīng)、語(yǔ)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(dāng)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(wèn)題。尤其是配合大屏幕無(wú)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(shí)現(xiàn)了不受亮度影響的最佳書(shū)寫效果，還可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程異地多方的可視化交互?；?dòng)智能平板對(duì)比交互式電子白板具有一定的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，發(fā)展?jié)摿薮?，但目前價(jià)格相對(duì)較高。

③虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)。虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的飛速發(fā)展，為它們應(yīng)用于教學(xué)提供了更多可能。在智能教室中應(yīng)用3D互動(dòng)投影、3D電視和AR等虛擬技術(shù)，也越來(lái)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(diǎn)，必將為教學(xué)帶來(lái)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(jià)格高和視覺(jué)易疲勞等問(wèn)題，但可以預(yù)見(jiàn)的是隨著虛擬技術(shù)的不斷進(jìn)步，它將會(huì)越來(lái)越多地運(yùn)用到智能教室的建設(shè)和教學(xué)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(bǔ)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(jì)算機(jī)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(yàn)，使信息技術(shù)與課堂教學(xué)達(dá)到無(wú)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(shū)包、智能手機(jī)等。這些終端設(shè)備是重要的個(gè)性化學(xué)習(xí)和交互工具，教師和學(xué)生既可以通過(guò)終端進(jìn)行教學(xué)資源的獲取、利用、重組、分享和創(chuàng)新，也可以通過(guò)終端進(jìn)行師生、生生以及遠(yuǎn)程異地之間的交流和互動(dòng)。智能終端的采用將教師和學(xué)生從傳統(tǒng)教學(xué)“我講你聽(tīng)”的格局中解放出來(lái)，極大地拓展了學(xué)習(xí)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(huì)議系統(tǒng)。智能錄播系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)課堂真實(shí)記錄的重要工具。智能錄播系統(tǒng)通過(guò)圖像識(shí)別跟蹤、語(yǔ)音跟蹤、鼠標(biāo)點(diǎn)擊跟蹤和智能視頻分析等技術(shù)實(shí)現(xiàn)多路視音頻信號(hào)的自動(dòng)錄制、自動(dòng)跟蹤和自動(dòng)切換，不僅能夠?qū)⒔處煛W(xué)生、板書(shū)、數(shù)字化教學(xué)資源等整個(gè)教學(xué)活動(dòng)真實(shí)地記錄下來(lái)，而且可通過(guò)后臺(tái)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(tái)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)直播和點(diǎn)播。除智能錄播外，在智能教室的建設(shè)中還需引進(jìn)視頻會(huì)議技術(shù)，以便進(jìn)行異地遠(yuǎn)程教學(xué)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(xué)資源，通過(guò)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(xué)生提供豐富的學(xué)習(xí)資源和體驗(yàn)。

1）智能控制平臺(tái)。智能控制平臺(tái)是智能教室的神經(jīng)中樞，它通過(guò)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(lái)，構(gòu)成一個(gè)智能整體，實(shí)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(tái)的實(shí)現(xiàn)技術(shù)是普適計(jì)算、傳感技術(shù)、智能代理、游牧服務(wù)、人工智能等多種先進(jìn)技術(shù)的融合，通過(guò)這些技術(shù)的綜合應(yīng)用，將信息空間和物理空間有機(jī)結(jié)合在一起，為師生營(yíng)造自由開(kāi)放的智能環(huán)境。

2）云學(xué)習(xí)資源。云學(xué)習(xí)資源是利用云技術(shù)構(gòu)建的海量教學(xué)資源存儲(chǔ)、極速運(yùn)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(wèn)、查找和存儲(chǔ)學(xué)習(xí)資源、共享應(yīng)用軟件，并可輕松實(shí)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(kāi)展各類教學(xué)活動(dòng)提供智能化的支持和服務(wù)。

創(chuàng)意環(huán)境 環(huán)境心理學(xué)認(rèn)為，人總是生活在一定的環(huán)境中，人的情緒和行為會(huì)受到外界環(huán)境的影響。智能教室不僅是一個(gè)融合先進(jìn)技術(shù)的學(xué)習(xí)環(huán)境，更應(yīng)是一個(gè)以人為本的創(chuàng)意智能空間。它在為教與學(xué)創(chuàng)設(shè)良好條件的同時(shí)，更應(yīng)該關(guān)注人的發(fā)展，要能為人的認(rèn)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)?；?dòng)是智能教室的核心。泛在網(wǎng)絡(luò)是智能教室交互互動(dòng)開(kāi)展的基礎(chǔ)，它通過(guò)M2M無(wú)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(gè)無(wú)所不在的網(wǎng)絡(luò)接入環(huán)境，便于教師、學(xué)生與各種設(shè)備、資源和環(huán)境之間實(shí)現(xiàn)無(wú)縫的連接和廣泛的互動(dòng)。

2）智能環(huán)境。智能教室除了采用先進(jìn)的技術(shù)促進(jìn)人的學(xué)習(xí)外，在整體環(huán)境設(shè)計(jì)中更要以人為本，從人體的生理、心理等角度出發(fā)，對(duì)整個(gè)教室的色彩、燈光、聲音、溫度、濕度等進(jìn)行設(shè)計(jì)和控制。如通過(guò)傳感器自動(dòng)感知和調(diào)節(jié)溫、濕度；采用智能燈光技術(shù)，通過(guò)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(xué)習(xí)者營(yíng)造舒適的物理和心理學(xué)習(xí)環(huán)境。

3）自由的創(chuàng)意空間排布。心理學(xué)家米哈里·齊克森米哈里認(rèn)為創(chuàng)意的空間排布有利于促進(jìn)群體成員形成一種樂(lè)在其中的全身心投入狀態(tài)，而人在這種狀態(tài)中常常會(huì)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(gè)區(qū)域，如探究區(qū)、互動(dòng)區(qū)、實(shí)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(jìn)行自由的分割和劃分，以最大化地滿足教學(xué)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(dòng)、排布，能夠?yàn)椴煌虒W(xué)模式的實(shí)施提供多種形式的組合和排列，能將學(xué)生從傳統(tǒng)教室的固有空間模式中解脫出來(lái)，通過(guò)自由的人性化創(chuàng)意學(xué)習(xí)空間，促進(jìn)學(xué)生更好地投入到學(xué)習(xí)中，更加激發(fā)創(chuàng)造潛能。

以上，簡(jiǎn)要介紹了當(dāng)前能運(yùn)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(jìn)步，會(huì)有越來(lái)越多的新技術(shù)（如3D打印、智能機(jī)器人、體感技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等）運(yùn)用到智能教室的建設(shè)中，將為課堂教學(xué)改革與創(chuàng)新?tīng)I(yíng)造更為廣闊的創(chuàng)意空間。智能教室是信息時(shí)代教學(xué)環(huán)境發(fā)展的必然趨勢(shì)，各學(xué)校應(yīng)根據(jù)自身實(shí)際，綜合考慮需求、功能、價(jià)格和未來(lái)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(xué)創(chuàng)新和高素質(zhì)人才培養(yǎng)搭建重要的平臺(tái)?！?/p>

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