智能可視化教學(xué)環(huán)境的設(shè)計與研究

蔣達(dá)央姚 琪

1.常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息中心 江蘇常州 213164 2.常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院經(jīng)貿(mào)管理學(xué)院 江蘇常州 213164

智能可視化教學(xué)環(huán)境的設(shè)計與研究

蔣達(dá)央1姚 琪2

1.常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息中心 江蘇常州 213164 2.常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院經(jīng)貿(mào)管理學(xué)院 江蘇常州 213164

在智慧教育的興起，可視化、大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用越來越深入的背景下，以雙主模式為基礎(chǔ)，根據(jù)“以人為本”“以學(xué)生為中心”的設(shè)計理念，設(shè)計智能教學(xué)環(huán)境的功能結(jié)構(gòu)。以課堂環(huán)境系統(tǒng)構(gòu)成為切入點，設(shè)計了VISUAL可視化教學(xué)環(huán)境模型，并結(jié)合國內(nèi)外智能教室的經(jīng)典案例，展現(xiàn)當(dāng)前對智能教學(xué)環(huán)境設(shè)計的探索熱潮。

可視化；教學(xué)環(huán)境；智能教室；教學(xué)管理

隨著國家“十三五”規(guī)劃的發(fā)布，創(chuàng)新人才培養(yǎng)理念的提出引發(fā)了人才培養(yǎng)策略和教學(xué)形式的轉(zhuǎn)變。新的教育理論與教學(xué)技術(shù)的應(yīng)用要求傳統(tǒng)形態(tài)的教學(xué)環(huán)境改變，可視化技術(shù)、多媒體技術(shù)、人工智能以及計算機通訊技術(shù)的發(fā)展為教學(xué)環(huán)境的改變提供了可能。

自20世紀(jì)80年代以來，教學(xué)環(huán)境的發(fā)展主要經(jīng)歷多媒體和網(wǎng)絡(luò)化兩個階段。多媒體階段以計算機和多媒體設(shè)備(投影儀、實物展臺、VCD、音響等)為主要的電子化教學(xué)硬件。網(wǎng)絡(luò)化階段以教室接入校園網(wǎng)，并能便捷的訪問互聯(lián)網(wǎng)，調(diào)用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源，并組織教學(xué)活動為主要表現(xiàn)形式。網(wǎng)絡(luò)化階段大大拓展了教學(xué)活動的空間，實現(xiàn)了教學(xué)實時或非實時的互動。

隨著“智慧”一詞的興起，以物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算為代表的新興信息技術(shù)應(yīng)用日趨廣泛。在教育領(lǐng)域，具有智能管理、智慧應(yīng)用、可視化等特征的智能教學(xué)環(huán)境成為新的建設(shè)熱點。新一代智能教學(xué)環(huán)境將成為以“學(xué)生為主體，教師為主導(dǎo)”的雙主模式的教學(xué)主陣地[1]。

1 設(shè)計理念和原則

1.1 設(shè)計理念

智能教學(xué)環(huán)境的設(shè)計首先需實現(xiàn)智能化。教學(xué)過程摸不清，看不透，設(shè)備控制無序混亂的課堂成為過去時。智能教學(xué)環(huán)境的設(shè)計理念體現(xiàn)“以人為本”“以學(xué)習(xí)者為中心”理念，專注于學(xué)習(xí)環(huán)境對學(xué)習(xí)者產(chǎn)生的影響，從技術(shù)層面滿足需求。

智能教學(xué)環(huán)境是社會發(fā)展的需求，是一種對傳統(tǒng)課堂的重構(gòu)與突破?；诳梢暬夹g(shù)，重新對課堂的空間布局、設(shè)備選型及技術(shù)進行選擇，重新對教學(xué)資

源展開設(shè)計及應(yīng)用方式的變更，對教學(xué)活動的組織實施形式都要以學(xué)習(xí)者為中心。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)更好地關(guān)注學(xué)習(xí)者的情感、心理需求，把他們積極的學(xué)習(xí)動機和行為調(diào)動起來，充分發(fā)揮課堂主體的主動性、能動性，使學(xué)習(xí)更有成效。

1.2 設(shè)計原則

本文的智能教學(xué)環(huán)境指的是一個物理空間。智能教學(xué)環(huán)境的設(shè)計應(yīng)體現(xiàn)新穎性、穩(wěn)定性、智能性、集成性、兼容性、友好性、便捷性的原則。它是學(xué)習(xí)者開展協(xié)作、交互的聚集地，是學(xué)習(xí)中心。它是一個教學(xué)儀器設(shè)備的集合體，是遠(yuǎn)程可視化智能系統(tǒng)的一個終端模塊。它把學(xué)習(xí)資源、信息資源、設(shè)備資源、技術(shù)資源、人力資源有機融合，體現(xiàn)出一個包容的、可拓展延伸的空間。

2 功能設(shè)計

2.1 教學(xué)全程可視

在智能教學(xué)環(huán)境下，配有教學(xué)全程實錄系統(tǒng)。未來教學(xué)將是預(yù)設(shè)性與生產(chǎn)性并重的教學(xué)過程。在教學(xué)過程中，會有很多臨時性、過程性資源產(chǎn)生，實錄系統(tǒng)將整個教與學(xué)的過程記錄下來，以視頻形式上傳到資源云系統(tǒng)中，形成一種可視的教學(xué)資源。課后，學(xué)習(xí)者即可通過資源云中的錄像重新回顧或反思學(xué)習(xí)內(nèi)容，也可供其他學(xué)習(xí)者做學(xué)習(xí)的參考。另外，教學(xué)管理者或教師自身也可通過實錄資源，觀察教師的授課狀態(tài)或?qū)W生的學(xué)習(xí)狀態(tài)，進而提升教育行為藝術(shù)與教學(xué)效果。

2.2 教學(xué)資源網(wǎng)絡(luò)化

云計算技術(shù)的出現(xiàn)，使得網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源得以更便捷的開展應(yīng)用。智能教學(xué)環(huán)境中教學(xué)資源寄存于學(xué)校資源云中，師生隨時隨地可通過移動終端或PC訪問“云”中的資源。每個師生均有一個自己獨立的云空間，可開放共享部分或全部資源給其他人，也可私有保密。對于每位師生而言，云存儲提供了近乎無限量的存儲空間和萬無一失的數(shù)據(jù)安全。U盤、移動硬盤等傳統(tǒng)存儲媒介的不穩(wěn)定、易染病毒等缺陷完全消失。

2.3 教學(xué)內(nèi)容多屏交互顯示

根據(jù)美國學(xué)者埃德加?戴爾提出的“學(xué)習(xí)金字塔”理論，觀看影像資料、參與交流討論和實際操作所習(xí)得的知識記憶率都在50%以上，甚至高達(dá)90%[2]。因而從學(xué)習(xí)規(guī)律來看，智能教學(xué)環(huán)境中教學(xué)內(nèi)容的展現(xiàn)需要采用多塊交互式顯示屏實現(xiàn)。交互式多屏顯示的意義除了使師生擺脫固定綠板與粉塵污染的弊端外，更多的是便于教師利用多塊顯示屏同步或異步展現(xiàn)更具有吸引力和更易記憶的教學(xué)內(nèi)容，同時也利用學(xué)生開展小組學(xué)習(xí)時的互動、交流與展示。顯示屏可以是具有交互功能的大屏，也可以是靜態(tài)屏與交互屏的結(jié)合。多屏顯示設(shè)計的空間布局須具有靈活性，可要滿足多種教學(xué)形式的需求。

2.4 聲、光、溫、濕智能調(diào)節(jié)

在智能教學(xué)環(huán)境下，如何創(chuàng)建一個舒適的環(huán)境，體現(xiàn)“以人為本”的設(shè)計理念，其中聲場、光線、溫度、濕度等影響教學(xué)的外圍設(shè)施的布局設(shè)計與操控功能非常關(guān)鍵。師生應(yīng)專注于教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)過程，外圍聲、光、電的調(diào)節(jié)與控制由智能化系統(tǒng)根據(jù)環(huán)境變化自動實現(xiàn)。擴音器和音箱的聲場布局要均勻，注意混響延時；光線根據(jù)教學(xué)情景自動調(diào)節(jié)窗簾開合、燈光亮度及照射角度；溫度和濕度通過傳感器利用中央通風(fēng)設(shè)備自動對室內(nèi)溫濕環(huán)境進行控制。

2.5 WI-FI網(wǎng)絡(luò)與電氣集成控制

由于各類智能便攜式移動終端設(shè)備的普及化，智能教學(xué)環(huán)境的創(chuàng)建離不開優(yōu)質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)配套服務(wù)。高速、高并發(fā)連接數(shù)的WI-FI網(wǎng)絡(luò)成為智能教學(xué)環(huán)境的必要裝備。教學(xué)資源的訪問、設(shè)備終端接入、學(xué)習(xí)交流互動、電氣控制、課堂實錄等均需要網(wǎng)絡(luò)來支撐。

智能教學(xué)環(huán)境下的智慧環(huán)境體驗很大程度上緣于電氣設(shè)施的智能調(diào)控。室內(nèi)電氣設(shè)施的集成化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化設(shè)計依賴穩(wěn)定可靠的物聯(lián)網(wǎng)。網(wǎng)絡(luò)集成控制方式既便于統(tǒng)一管控，又能降低每個單元的能耗。

2.6 移動拼接式課桌

智能教學(xué)環(huán)境下的課桌椅是可以自由組合和分離的。課桌的形狀也可以多樣，例如正三角形、長方形、正六邊形等。這些形狀多樣的課桌可自由組合成更多的形狀，便于開展各類教學(xué)，方便學(xué)生面對面的交流討論(如圖1所示)。

圖1 組合拼接式課桌

3 模型設(shè)計

黃榮懷教授等認(rèn)為智慧教室包含內(nèi)容呈現(xiàn)、環(huán)境管理、資源獲取、及時互動、情境感知這5個維度，并建立了SMART智慧教室概念模型[3]。該模型側(cè)重從教室的智慧性角度來描述。本文則從課堂環(huán)境系統(tǒng)的組成來分析的智能教學(xué)環(huán)境的結(jié)構(gòu)和功能，本文設(shè)計了VISUAL教學(xué)環(huán)境模型。該模型由可視管理(Visual Management)、基礎(chǔ)裝備(Infrastructure)、傳感物聯(lián)(Sensor combination)、泛在網(wǎng)絡(luò)(Ubiquitous Network)、接入開放(Access Free)、全程攝錄(Lasted Record)這六大系統(tǒng)組成，分別取這幾個系統(tǒng)的首字母，即組成VISUAL，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 智能教學(xué)環(huán)境設(shè)計模型

可視管理系統(tǒng)是指對室內(nèi)的所有電子電氣設(shè)備及子系統(tǒng)實現(xiàn)監(jiān)測控制的智能化可視管理信息系統(tǒng)。智能教學(xué)環(huán)境中的所有電氣設(shè)備的運行狀態(tài)、耗能節(jié)能情況通過遠(yuǎn)程可視管理系統(tǒng)被實時監(jiān)管?？梢暪芾硐到y(tǒng)可遠(yuǎn)程監(jiān)看課堂所有設(shè)備，并可遠(yuǎn)程下發(fā)控制指令?？梢暪芾硐到y(tǒng)將接收到的各設(shè)備運行數(shù)據(jù)進行狀態(tài)分析，便于管理員形成更高效快捷人性化的管理策略。

基礎(chǔ)裝備系統(tǒng)是指教學(xué)環(huán)境中的基礎(chǔ)裝備，如物理空間結(jié)構(gòu)、組合拼接式桌椅、交互顯示屏、燈光照明、電動窗簾、投影、計算機、音響、功放等各種新一代教學(xué)所需的器具。物理空間可突破原有單一的空間結(jié)構(gòu)，采用移動擋板來實現(xiàn)可變式空間分割。組合式桌椅在符合人體工學(xué)的基礎(chǔ)上能自由拼合分離，滿足多種你教學(xué)實施所需。燈光照明、窗簾等其它基礎(chǔ)電氣化設(shè)備實現(xiàn)集成智能控制，由可視管理系統(tǒng)遠(yuǎn)程接管。

傳感物聯(lián)系統(tǒng)是指利用傳感器將電氣設(shè)備連接起來，形成室內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)。該物聯(lián)網(wǎng)的作用主要用于結(jié)合可視管理系統(tǒng)，通過傳感器網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集，實現(xiàn)對終端電子電氣設(shè)備的智能控制。如室內(nèi)溫濕度及氧傳感器將采集到的數(shù)據(jù)信號傳遞給可視管理系統(tǒng)，系統(tǒng)將自動比對數(shù)據(jù)，進而控制該教室的通風(fēng)系統(tǒng)，以調(diào)節(jié)室內(nèi)空氣和溫濕度。泛在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在智能教學(xué)環(huán)境中主要是指基于校園網(wǎng)絡(luò)的無線WIFI、云端服務(wù)和大數(shù)據(jù)平臺。隨著智能移動終端設(shè)備使用的普及，單一有線網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)無法滿足使用，具有多點接入、高并發(fā)量的無線網(wǎng)絡(luò)是新一代人才培養(yǎng)教學(xué)所需的必備品?；谠品?wù)的各類系統(tǒng)、軟硬件教學(xué)資源實現(xiàn)融合?；谠朴嬎愕拇髷?shù)據(jù)分析系統(tǒng)也提供配套的應(yīng)用服務(wù)。

接口開放系統(tǒng)主要是針對種類日益繁多的電子設(shè)備接口，如網(wǎng)絡(luò)接口、音頻接口、視頻接口、電源接口等。為了確保智能教學(xué)環(huán)境的長期可持續(xù)使用，確保不影響教學(xué)活動的開展，種類豐富的標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議接口成為未來教學(xué)環(huán)境中的必備品。開放協(xié)議、自由接入、免費使用是實現(xiàn)電子設(shè)備之間信息通暢傳輸?shù)那?，同時也是可視管理系統(tǒng)開展數(shù)據(jù)監(jiān)測分析的通道。

全程攝錄系統(tǒng)主要是指基于網(wǎng)絡(luò)的教學(xué)全過程實時錄播系統(tǒng)，包括課堂實錄系統(tǒng)、課堂廣播系統(tǒng)、教學(xué)監(jiān)控系統(tǒng)、電子考場系統(tǒng)以及課堂擴音拾音系統(tǒng)等。該系統(tǒng)既包含攝像機對教學(xué)過程的錄制和對現(xiàn)場聲音的采集，也包括對顯示屏交互操作和板書的記錄。該系統(tǒng)除了傳統(tǒng)的錄制功能外，還具有向其他課

堂同步傳輸實況教學(xué)場景的功能。

4 建設(shè)案例

4.1 卓越未來教室

上海卓越電子有限公司推出了多媒體教室與錄播教室融合的新一代教室建設(shè)方案。該方案的主要功能有身份識別(特定時間特定教室必須由特定的卡才能開啟設(shè)備)、集成網(wǎng)絡(luò)媒體中控(將投影機、計算機、音箱、功放、電子白板通過網(wǎng)絡(luò)集中管控)、多元接口(供外部便攜式設(shè)備使用，有網(wǎng)絡(luò)、音頻、電源、視頻、USB等)、課程錄播系統(tǒng)(具有自動錄制和手動錄制兩種功能，并可與PPT結(jié)合，錄制完成后直接傳送至網(wǎng)絡(luò)課程中心平臺)。

4.2 加拿大MCGILL UNIVERSITY大學(xué)智慧教學(xué)環(huán)境

該學(xué)校對智慧教室建設(shè)進行的試驗，在部分教室中在原有投影顯示設(shè)備的基礎(chǔ)上增加了大量傳感器計算機系統(tǒng)[4]。該傳感器能根據(jù)教師的行為自動激活相應(yīng)的設(shè)備，無須手動操作，系統(tǒng)搭配出特有的適合本次課堂的教學(xué)環(huán)境。例如，教師進入計算機系統(tǒng)時，系統(tǒng)自動打開投影，降下幕布，室內(nèi)局部燈光自動調(diào)節(jié)位置及亮度，窗簾自動開關(guān)，實錄系統(tǒng)自動開始錄制，并自動上傳到網(wǎng)絡(luò)資源平臺。該大學(xué)的智慧教學(xué)環(huán)境建設(shè)的目的是用技術(shù)提高教學(xué)和學(xué)習(xí)效果，讓師生在一個舒適的環(huán)境中把最多的注意力投放到教學(xué)過程與教學(xué)內(nèi)容中。

4.3 澳大利亞未來課堂

澳大利亞維多利亞州在2010年上海世博會展出未來課堂設(shè)計理念的樣本模型。該教室的教學(xué)是在哈佛大學(xué)埃爾摩教授的支持下，形成的“e5”教學(xué)模式，即參與、探索、解釋、闡述、評估五個重要環(huán)節(jié)[5]。它把一個普通教室分隔成四大區(qū)域，分別是集中交流區(qū)、獨立學(xué)習(xí)區(qū)、合作學(xué)習(xí)區(qū)、室外開放學(xué)習(xí)區(qū)。各區(qū)域之間的分隔用軟隔斷進行隔離，便于調(diào)整。集中交流區(qū)類采用半圓形課桌椅擺放樣式，類似于會議廳。獨立學(xué)習(xí)區(qū)由一個個單人可移動桌椅構(gòu)成，互不干擾；合作學(xué)習(xí)區(qū)采用小組討論式布局設(shè)計，利用組合式桌椅實現(xiàn)自由搭配的小組討論；室外開放學(xué)習(xí)區(qū)是利用室外的一塊空間，以休閑和茶吧的形式進行交流學(xué)習(xí)。

5 總結(jié)

從對智能教學(xué)環(huán)境的功能需求、設(shè)計模型以及相關(guān)案例可以看出，未來教學(xué)環(huán)境的設(shè)計是多樣的，各自有特點，智能教學(xué)環(huán)境僅是其中一種。有的設(shè)計側(cè)重與智能控制，有的側(cè)重與空間設(shè)計，有的側(cè)重于集成化管理，但其目的都是為了提高教學(xué)與學(xué)習(xí)效果?！耙匀藶楸尽薄耙詫W(xué)生為中心”的設(shè)計思路，均為充分展現(xiàn)學(xué)生在教學(xué)過程中扮演的主體角色。無論是可視化技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)還是其他信息技術(shù)，都是一種手段，都是為了讓師生從技術(shù)中脫離出來，更專注于教學(xué)與學(xué)習(xí)，同時也是一種新的高效管理方式。隨著不斷涌現(xiàn)的新技術(shù)，應(yīng)用的廣度和深度越來越大，這必將會改變課堂的結(jié)構(gòu)，改變教學(xué)形式，最終會形成一個面向培養(yǎng)未來創(chuàng)新人才所需的和諧的智能教學(xué)新環(huán)境。

[1] 陳衛(wèi)東,張際平.未來課堂的定位與特性研究[J].電化教育研究,2010(7):3-28.

[2] 王竹立.新建構(gòu)主義的理論體系和創(chuàng)新實踐[J].遠(yuǎn)程教育雜志,2012(6):3-10.

[3] 黃榮懷,胡永斌,楊俊鋒,肖廣德.智慧教室的概念及特征[J].開放教育研究,2012(2):22-27.

[4] 陳衛(wèi)東,葉新東,張際平.智能教室研究現(xiàn)狀與未來展望[J].遠(yuǎn)程教育雜志,2011(4):39-45.

[5] 熊建輝.澳大利亞維多利亞州科學(xué)教師專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)述評[J].世界教育信息,2008(10):46-50.

Design and Research on Intelligent Visualization Teaching Environment

Jiang Dayang1, Yao Qi2
1. Information Center, Changzhou College of Information Technology, Changzhou, 213164, China 2.School of Economic and Trade Management, Changzhou College of Information Technology, Changzhou, 213164, China

With the rise of smart education, the application is more and more deeply about Visualization, Big Data, Cloud Computing and Internet of things. This paper is based on the dual master mode, and according to the design concept of "people oriented" and "student centered", that in order to design the function and structure of visual intelligent environment. The article takes the classroom environment system as the breakthrough point, and design a VISUAL visual teaching environment model. This paper combined with the classic example of intelligent classroom at home and abroad, and shows the current exploration upsurge of the design of intelligent teaching environment.

visualization; teaching environment; smart classroom; teaching management

2016-03-08

蔣達(dá)央，碩士，工程師。姚琪，碩士，副教授。

本文系2015年江蘇省高校哲學(xué)社會科學(xué)課題(編號：2015SJD538)研究成果之一。