雙屏互動智慧教室的構建與應用研究

張凱 楊再明 呂健

摘 要：隨著教育信息化不斷推進，大量的新技術在教室中使用，多媒體教室及其裝備正在向全數(shù)字化、智能化的未來教室方向發(fā)展。本文在分析目前多媒體教室存在的問題的基礎上，介紹了雙屏互動技術，呈現(xiàn)了一種全新的雙屏互動智慧教室的解決方案，并分析了實踐教學效果。結果表明，雙屏互動智慧教室對教師的教學和學生的學習具有良好的促進和支持作用。

關鍵詞：智慧教室;雙屏互動;雙軌教學;效能評價

中圖分類號：G4 文獻標志碼：A 文章編號：2096-0069（2019）02-0073-05

收稿日期：2019-01-05

基金項目：江蘇省現(xiàn)代教育技術研究2018年度智慧校園專項課題“智慧教學環(huán)境的構建與應用研究”（2018-R-66874）

作者簡介：張凱（1988— ），男，河南周口人，碩士，中國礦業(yè)大學公共教學服務中心實驗師，研究方向為新媒體技術、現(xiàn)代教育技術 ;楊再明（1963— ），男，江蘇泰州人，碩士，中國礦業(yè)大學公共教學服務中心主任，副研究員，研究方向為現(xiàn)代教育技術;呂?。?987— ），男，黑龍江齊齊哈爾人，本科，助理工程師，研究方向為教育技術裝備。

隨著多媒體教學的不斷發(fā)展，教師對多媒體輔助教學的應用提出了更高的要求。研究表明，在使用多媒體教室進行教學過程中也暴露出很多新的問題，諸如：頻繁在黑板和多媒體講臺前切換幻燈片和板書，限制了教師課堂教學能力的發(fā)揮;課件信息量大，造成內容的堆砌，學生難以消化理解教學內容;課件呈現(xiàn)的“間斷性”展示，割裂了教學內容的前后聯(lián)系;教師過多地拘泥于課件上的內容，成了變相的“滿堂灌”。[1][2][3]針對目前存在的這些問題，我校構建了一種全新的雙屏互動教學系統(tǒng)解決方案，在ICT與教室建設方面進行了有益的探索和嘗試，以期對智慧教室的建設提供可借鑒的解決方案。

一、雙屏互動技術概述

雙屏顯示是以多頭輸入顯卡或主板提供兩個視頻接口和顯示設備為硬件基礎，在同一臺主機系統(tǒng)可以輸出和控制兩個顯示設備的技術。硬件上由兩塊可觸控液晶屏和一臺電腦主機組成，連接方式采用電腦主機兩路HDMI視頻輸出分別連接到兩塊大屏上，再將兩塊大屏上的觸控信號線同時連接到電腦主機上，形成兩路視頻信號輸出和兩路觸控信號輸入。[4][5]

雙屏互動技術建立在操作系統(tǒng)的桌面擴展技術基礎之上，傳統(tǒng)教學軟件僅能夠適應一塊屏，做到在一個桌面的范圍內全屏顯示和操作，雙屏互動教學軟件則是在軟件邏輯上增加了對多屏情況下的判斷與處理。在設備接入多個屏幕的情況下，軟件會建立一個足夠覆蓋多個屏幕顯示空間的軟件窗口，保證充分利用到現(xiàn)有的顯示空間。配合雙屏教學軟件就可以隨心所欲地控制兩個屏幕顯示的內容，這使得該技術在教學領域中的應用有了實現(xiàn)的可能性。

二、雙屏互動智慧教室的軟硬件構成

持續(xù)推進教學信息化建設，是實施課堂教學與現(xiàn)代教育技術進行深度融合的必備條件，也是學校深化教學改革的迫切需要，教室內涵與功能的擴充建設勢在必行。根據(jù)實際教學需求，中國礦業(yè)大學（以下簡稱“學校”）于2017年9月完成了16間雙屏互動智慧教室的建設工作，雙屏互動智慧教室融合了多媒體技術、網絡技術、控制技術及信息處理技術等相關技術，主要由雙屏互動教學系統(tǒng)、直錄播系統(tǒng)、教學擴音系統(tǒng)、智能中央控制系統(tǒng)、可移動桌椅等構成，具有電子黑板書寫、雙屏關聯(lián)教學、簡易快速互動、常態(tài)化錄播、設備智能控制等功能，給全校師生營造了一個融教學理念先進化、教學設備智能化、教學環(huán)境個性化和教學模式多樣化等于一體的智慧學習環(huán)境。

雙屏互動教學系統(tǒng)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(xiàn)教學內容四種模式（鏡像、關聯(lián)、板書、自定義）的雙軌展示，實現(xiàn)教學內容之間的意義關聯(lián)與參照，助力課堂中師生多類形式的交互。

教學擴音系統(tǒng)由多媒體功放、多媒體音箱、無線擴音設備構成，是整個系統(tǒng)中非常重要的部分。聲音的清晰度決定課堂教學的質量，無線擴聲設備一定要選用可移動式的話筒，且體積要小，以方便教師移動教學。功放一定要選用具有反饋抑制技術的設備，保證抑制嘯叫能力強，具有較高的保真度。

直錄播系統(tǒng)主要由錄播主機、音頻處理器、拾音話筒、云臺攝像機及教學資源建設與應用云平臺等設備和軟件構成，與課表對接實現(xiàn)對教學過程的常態(tài)化錄制與采集，完成教室中圖像的高清錄制和在線直播，達到資源的高效利用，實現(xiàn)課堂教學督導、移動聽課、教學評價、電子巡考、學生課后復習、課堂上的互動教學等功能與應用。

智能中央控制系統(tǒng)主要由多媒體網絡中控、時序電源、語音網關、IP電話、讀卡器以及設備管理與控制平臺構成，實現(xiàn)對所有設備的智能化控制。與校園一卡通系統(tǒng)對接，利用一卡通實現(xiàn)教師身份認證和控制系統(tǒng)開啟與關閉。通過時序電源程序化控制實現(xiàn)對顯示、擴聲、直錄播系統(tǒng)等關鍵設備進行順序延時通、斷電等各種必要的保護。IP語音對講系統(tǒng)實現(xiàn)控制中心與教室、教室與教室間通信，方便設備報修與維護。系統(tǒng)管理平臺對前端教室設備的遠程集中管理與維護，包括使用直錄播系統(tǒng)進行節(jié)目錄制，觸控屏的開、關機，教室的燈光和空調控制，實現(xiàn)對教室的環(huán)境及設備進行人性化的控制。

網絡系統(tǒng)設備主要涉及交換機和無線AP，室內提供多種網絡連接方式，保證有線網絡和無線網絡全覆蓋。交換機提供有線接入的連接方式，并保證各個教室之間的設備互聯(lián)互通，使信息空間與物理空間進行無縫對接。無線AP保證教室內無線Wi-Fi信號全覆蓋，提供泛在的無線接入環(huán)境，便于學習者、設備、資源相互之間的無縫連接[6]，使教師的教學、學生的學習、學習資源的獲取、師生的交流與互動更加智能，更加便捷。

互動是未來課堂的核心，智慧教室的物理架構也是充分體現(xiàn)并圍繞這一核心而進行的。改變傳統(tǒng)的“秧田式”桌椅布局是必要的。為方便小組學習、協(xié)作學習的需求，采用符合人體工學設計、靈活易拼裝的活動桌椅，可以組合成各種不同的形狀，方便師生、小組成員間面對面地互動、交流，使分組討論便捷高效。

三、教學應用實踐

（一）智能化的人機互動，無塵式交互教學

良好的人機交互是一款智能化人機交互教學工具軟件的關鍵之一。雙板互動教學系統(tǒng)設計了多重觸摸和手勢識別功能，實現(xiàn)了一指書寫，兩指縮放，多指移動、翻頁，手掌（平面物體）擦除，使人機交互操作更智能化、人性化。同時，雙板互動教學系統(tǒng)提供了智能化的書寫操作，具備書寫、批注、繪畫功能，使用手指、書寫筆、教鞭等任意不透明的物體都可以進行書寫和觸摸操作，無須專用書寫筆，提高用戶的體驗感受。[7]考慮到很多課程板書內容較多，內容不止一個屏幕的量，在主場景中，我們將電子綠板定義為一個無限的大畫布，基于無限漫游的全自動智能記錄操作軌跡的功能，提供截圖瀏覽的方式一鍵跳轉到某個時間點的操作畫面，在教師進行書寫、添加文件或操作文件后，移動場景將會自動生成一頁。例如，在講授理工科課程時，當教師在課堂上書寫滿屏時，不必進行擦除，可以隨意進行拖動，形成相應時間軸，隨時可調取前面書寫的內容，滿足教師大量板書的需求。課程結束后亦可以將所有的板書內容導出生成PDF文檔或圖片格式，分享給學生供學生復習使用。雙板教學系統(tǒng)脫離了鼠標束縛，煥發(fā)了師生共同參與的學習熱情，達到了隨處可寫、隨時可寫的效果，真正實現(xiàn)了無塵式交互教學。

（二）雙屏關聯(lián)顯示，實現(xiàn)雙軌教學

依據(jù)雙重編碼理論，雙屏互動教學系統(tǒng)可以實施雙軌教學模式，教學內容以雙畫面的形式呈現(xiàn)，同時激活學生的大腦語言系統(tǒng)與非語言系統(tǒng)，增強學生的記憶和識別能力，促進知識的建構。[8]

雙屏互動教學軟件具有四種雙屏顯示模式[9]，各種顯示模式可以根據(jù)教學需要和教學習慣進行自由切換，從而選擇不同的顯示模式授課。第一種：鏡像顯示模式，雙屏顯示相同內容，主屏和輔屏內容始終保持一致，并可分別對雙屏的教學內容進行標注，方便多人同時操作同一文件。鏡像顯示模式擴大了教學內容的顯示視野，避免由于反光導致坐在邊上的學生看不清教學內容的問題，減少教室環(huán)境對學習的干擾。第二種：關聯(lián)顯示模式，在左、右雙屏上按上、下頁邏輯關系顯示文檔內容，上、下頁進行對比，方便展示上、下頁有關聯(lián)的文件，確保知識點內容的正確銜接。這種顯示模式改變傳統(tǒng)的PPT文稿呈現(xiàn)時前、后面的內容分割的情況，方便教師對前、后知識點的對比，學生也有足夠的時間對比前后的內容，進行做筆記、思考、推論等學習活動，深化對教學內容的理解。第三種：板書關聯(lián)模式，一屏顯示多媒體資料內容，支持所有格式的文件，一屏是電子綠板，顯示板書。根據(jù)教學需求，教師可以在電子綠板上進行板書，如核心要點強調、題目驗算、公式推導等，方便教師對課堂教學重點內容的展示。第四種：自定義模式，教師可以根據(jù)講授的內容，將兩個文件分別在雙屏教學軟件中打開，進行關聯(lián)性教學。在實際的教學過程中，我們使用的教學資源可能不止一種，這種情況就需要同時打開兩種教學資源進行輔助教學。例如在解釋一個物理現(xiàn)象時，一個屏幕可以顯示文字內容的PPT，另一個屏幕可以顯示這個物理現(xiàn)象的視頻，加深學生對抽象的物理知識的理解。

（三）及時反饋，遠程互動，打造互動教學

為實現(xiàn)以教為主的教學模式向以學為主的教學模式轉變，營造生動、活躍的課堂氛圍，雙屏互動教學軟件提供基于微信課堂交互方式，無須下載專用APP，通過截取屏幕題目內容，就可以以單選、多選、問答的形式進行微信掃描二維碼答題，提交后，經后臺統(tǒng)計、分析數(shù)據(jù)后，互動結果可以實時呈現(xiàn)，從課堂測試結果就可以掌握學生學習的效果，清晰地了解學生對知識點的掌握情況，為教學補救、教學策略以及教學進度的調整提供參考。系統(tǒng)后臺自動記錄學生的答題情況，可以實現(xiàn)教學過程大數(shù)據(jù)的實時多地采集，為授課教師提供數(shù)據(jù)概況報表、數(shù)據(jù)詳情報表，包括每道題的正確率、每位學生的得分率、全班學生的表現(xiàn)匯總等，[10]分析學生的整體學習狀態(tài)，并對學生答題情況預警，實現(xiàn)學生學習的過程性評價。

采用無線投影軟件實現(xiàn)了設備屏幕與智能終端雙向投影、屏幕共享，并支持雙向同步操作，讓多媒體教學內容顯示不再局限于計算機屏幕，教學交互、教學資源分享變得更加便捷。

系統(tǒng)提供基于互聯(lián)網、局域網的多人即時互動，根據(jù)教學需要可以創(chuàng)建加密和公開的互動空間，加入互動空間后，可以實現(xiàn)語音、文件、書寫等實時操作。在互動過程中，支持多人同時操作軟件，成員的語音、 書寫、文件都會同步顯示到其他人的屏幕上，讓異地師生通過白板共享知識，通過音頻實現(xiàn)實時交互、協(xié)作，如同置身于同一課堂之中，打破了教室之間時空的限制。

（四）實時錄播，拓展了課堂教學外延

直錄播系統(tǒng)對教師、學生、VGA信號等教學信息可以實時采集和錄制，對教學過程常態(tài)化的錄制，這保證了教學信息的完整留存。系統(tǒng)具有課程直播、課程點播、在線巡課、教學督導、在線評價等功能，實時巡查上課教室的授課情況及學生課堂學習情況，可以對課堂教學狀況進行信息化教學監(jiān)督和督導，實現(xiàn)了教學的精細化管理。在線即可評估課堂教學，對視頻直播和錄播進行微格點評，實現(xiàn)了在任何時間、任何地點進行評教，打破聽課活動的時間和空間限制。實時錄制功能將課堂教學狀況錄制下來，形成了常態(tài)化的課堂教學視頻資源，輕松地實現(xiàn)課后自主學習和遠程教學功能，拓展了課堂教學的外延。

四、使用效能評價

根據(jù)教務系統(tǒng)后臺數(shù)據(jù)統(tǒng)計，智慧教室建設完成后，2017—2018年第二學期16間教室申請安排了276門課程，平均每間安排17門課程，總學時8055學時，平均每間教室的使用學時數(shù)為503學時，教室使用率為69.92%。2018—2019年第一學期申請安排了308門課程，平均每間安排19門課程，總學時數(shù)13244學時，平均每間教室的使用學時數(shù)為509學時，教室使用率為70.7%。我校的普通多媒體教室的使用率為57.78%，兩者對比，智慧教室使用率高出普通教室將近13%，一定程度上說明智慧教室比較受老師歡迎。為進一步了解雙屏智慧教室使用情況，筆者采用網絡問卷調查，問卷涉及雙屏互動智慧教室的使用情況、滿意度、教學支持服務、應用效果、價值認同等方面內容，對使用本教室的16位教師和116名學生進行了問卷調查。

教師調查結果：16位教師對教學環(huán)境設計（15人，93.75%）、教學系統(tǒng)易用性（12人，75%）、教學設備的穩(wěn)定性（14人，87.5%）的滿意度都達到了75%以上，達到了教室預期設計目標。但教學系統(tǒng)易用性滿意度相對于其他兩項滿意度較低，這說明系統(tǒng)還需要進一步地優(yōu)化與改善。在問及“使用該教室進行教學最大的困難是”時，有3位教師認為自己的計算機基礎較差，從側面反映了我們應該加強對教師的信息技術素養(yǎng)培訓。教學活動方面，大部分教師采取不同于傳統(tǒng)的教學方法，探究式教學（7人，43.75%）、翻轉課堂（6人，37.5%）、混合式教學（11人，68.75%）、互動教學（8人，50%），說明該教室對教師教學方法、教學模式的改變起到了催化劑的作用，一定程度上推進了課堂教學改革。81.25%（13位）的教師認為相比傳統(tǒng)教室，該教室“更能發(fā)揮主動性，滿足自己的教學需要”，“為學習者提供了互動、開放的溝通和交流渠道”，“一定程度上能夠促進學生與他人的互動”，“在教學過程中自己的信息技術能力得到較大提高”，并明確表示該教室對自己的課程教學有很好的促進作用，喜歡在此類新型教室進行教學。

從教師調查結果來看，該教室對課程教學具有一定的促進和支持作用，有很好的教學利用價值。但在使用過程中，教師們也遇到很多困難，諸如計算機基礎差、增加教學負擔、資源太少、交互不便、生理疲勞、沒有時間等方面的問題。這說明針對新型教室的教學支持服務方面還需進一步改進和完善，如系統(tǒng)的進一步優(yōu)化、提供豐富的教學資源、加強教師信息技術素養(yǎng)培訓、激勵政策的制定等。

學生調查結果：相比傳統(tǒng)的多媒體教室，在此類教室上課學習，88.79%的學生表示喜歡，其中17.24%的學生表現(xiàn)出很喜歡，71.55%的學生表現(xiàn)出喜歡。76.73%的學生認為在該類教室中，更能激發(fā)自己的學習興趣，發(fā)揮主動性;86.2%的學生認為雙屏教室提供的學習支持服務能夠滿足學習需要;70.69%的學生認為在此類教室上課能夠促進人際交往，消除學習過程中孤獨、無助、焦慮的情緒;74.14%的學生認為對課程的學習有很好的促進作用，對課程學習幫助很大;81.9%的學生認為實現(xiàn)了自己的學習愿望，對教室的整體滿意度也達到了87.07%。

從學生調查結果來看，此類教室滿足了學生的基本學習需要，促進了同學之間的交流、溝通，增強了課堂的交互性，對學生的學習具有良好的促進和支持作用。對在此類教室上課學習，學生是持積極態(tài)度的。

五、結語

教室是教學發(fā)生的主要場所，教室內的教育技術裝備建設與應用情況是體現(xiàn)一個學校教學信息化程度的重要指標。學校從實際需求出發(fā)，構建了一種全新的雙屏互動智慧教室的解決方案，實現(xiàn)了無塵式交互教學，增強了教師和學生之間的交流和互動，解決了課堂的枯燥性問題。同時，利用常態(tài)化直錄播系統(tǒng)完成了校內教學資源建設平臺建設、管理、應用，打造了一個多樣化授課、云端資源存儲、校內資源利用的自然交互、順暢實用的教學生態(tài)圈。誠然，雙屏互動智慧教室只是為師生的教與學創(chuàng)造了一個新型的學習環(huán)境，如何有效地與傳統(tǒng)教育實踐進行融合，引領教育理念和教育模式的創(chuàng)新，這就需教育技術工作者和任課教師在教學環(huán)境、教學理念、教學策略等方面謀求最大程度的共識，共同參與、協(xié)同推進，學校在政策和制度層面上的配套建設，有效破除在傳統(tǒng)制度上存在的約束，激發(fā)師生熱情，促進創(chuàng)新教學。

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（責任編輯 孫志莉）

Abstract： With the continuous advancement of educational informatization，a large number of new technologies have been applied in classrooms，and multimedia classrooms and their equipment are moving toward fully digital and intelligent future classrooms.Based on the analyses of the problems existing in the current multimedia classrooms，this paper introduces the duce-screen interactive technology.In addition，it presents a brand new dual-screen interactive smart classroom solution and analyzes its effectiveness in actual teaching.The results show that the dual-screen interactive smart classroom has a good promotional and supporting role for teachers’teaching and students’learning.

Key words： smart classroom;dual-screen interaction;double-standard teaching;effectiveness evaluation