武侯區(qū)教室聲光環(huán)境智能化改造破解教育難點問題研究

陽涌 梁建朋

摘? 要 為保護師生的視力、聽力，解決師生的職業(yè)病癥結(jié)，成都市武侯區(qū)秉持“大處著眼、小處著手”的策略，充分利用技術(shù)創(chuàng)新，針對性啟動“校園雪亮工程”和“教室清聽工程”，對教育教學(xué)的聲光環(huán)境進行系統(tǒng)改造。

關(guān)鍵詞 教室聲光環(huán)境;校園雪亮工程;教室清聽工程;智慧教育;智慧教育服務(wù)

中圖分類號：G481? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2021）09-0045-03

0? 前言

2019年5月，成都市武侯區(qū)入選教育部首批“智慧教育示范區(qū)”創(chuàng)建項目，開啟智慧教育建設(shè)新征程。武侯區(qū)圍繞育人目標，追求“為學(xué)生提供適應(yīng)的教育”，系統(tǒng)推進“智慧教學(xué)新生態(tài)、智慧教育服務(wù)新樣態(tài)、智能教育治理新形態(tài)”三大項目。其中，智慧教育服務(wù)通過對教育環(huán)境、教育資源和教育數(shù)據(jù)等進行供給側(cè)改革，破解教育教學(xué)和教育治理的難點、痛點問題，為教師融合教學(xué)、學(xué)生個性學(xué)習(xí)、管理者高效治理創(chuàng)造更好條件。構(gòu)建智慧教育服務(wù)新樣態(tài)，武侯區(qū)秉持“大處著眼、小處著手”的策略，堅守服務(wù)定位，充分利用技術(shù)創(chuàng)新，將教學(xué)一線和課堂作為首要關(guān)切。經(jīng)過廣泛的實地調(diào)研和訪談，收集師生對教育環(huán)境和教學(xué)條件的真實反饋，總結(jié)出存在于“視”“聽”兩大日常當中的現(xiàn)實問題，針對性啟動“校園雪亮工程”和“教室清聽工程”，對教育教學(xué)的聲光環(huán)境進行系統(tǒng)改造。

1? 教室聲光環(huán)境改造的背景

1.1? 視、聽問題成為師生的職業(yè)病癥結(jié)

2015年，我國首份系統(tǒng)研究視覺健康的白皮書《國民視覺健康報告》指出：近視已成為我國的“國病”，如果不能有效干預(yù)，預(yù)計到2020年，我國5歲以上人口的近視發(fā)病率將增長到50.86%～51.36%，其中在基礎(chǔ)教育階段發(fā)病的比例達到60%以上，不良的教室照明環(huán)境是導(dǎo)致學(xué)生視力下降的主要原因之一。對于這一問題，習(xí)近平總書記曾連續(xù)作出重要指示，要求“全社會都要行動起來，共同呵護好孩子的眼睛，讓他們擁有一個光明的未來”。

根據(jù)《嶺南心血管疾病》雜志刊登的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，教師最常見的職業(yè)病是慢性咽喉炎，在對22所醫(yī)院五官科的調(diào)查統(tǒng)計中，81%的慢性咽喉炎患者為教師，主要的發(fā)病原因是超負荷用嗓，包括用嗓時長超負荷和聲量超負荷。教師為確保教室中各個方位的學(xué)生能夠準確聽取教學(xué)內(nèi)容，往往需要提高音量、進行多次重復(fù)，對咽喉和聲帶構(gòu)成較大壓力，日積月累之下導(dǎo)致病變，課時較多的主要學(xué)科教師表現(xiàn)得尤為明顯。

1.2? 聲光改造是教學(xué)生態(tài)系統(tǒng)性變革的基礎(chǔ)保障

教與學(xué)的變革，本質(zhì)上與社會經(jīng)濟發(fā)展相關(guān)，教育事業(yè)與社會經(jīng)濟發(fā)展高度匹配，才能培養(yǎng)出適應(yīng)時代、引領(lǐng)時代、變革時代的領(lǐng)軍人才。傳統(tǒng)的與工業(yè)化時代相適應(yīng)的規(guī)?；?、標準化教育，無法滿足學(xué)生成長的要求，也無法適應(yīng)社會發(fā)展的需要，教學(xué)生態(tài)的系統(tǒng)性變革不可避免。

新時代的教育注重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和創(chuàng)造能力，讓每個學(xué)生能夠突破時空限制，隨時隨地獲取適應(yīng)自身發(fā)展、自身特長和自身身心特點的個性化教育。這就要求教師在教學(xué)方法、教學(xué)組織形式或者教學(xué)內(nèi)容組合方面進行融合創(chuàng)新，利用多種多樣的技術(shù)手段和智能終端輔助開展教學(xué)探索，大膽進行嘗試。然而，開展分組合作、自主探究、人機交互等各種形式的創(chuàng)新教學(xué)，必須將學(xué)生進行一定程度的分散，客觀上加重了教師的用嗓負擔(dān);利用平板電腦、電子白板等終端設(shè)備，又會引起家長和社會對學(xué)生用眼健康的顧慮。同時，受到聲光環(huán)境影響，普通教室內(nèi)無法進行課堂錄制，教師和學(xué)生的教學(xué)語言和教學(xué)行為無法進行常態(tài)化的數(shù)據(jù)采集，不利于開展伴隨式分析，精準提升教師的教學(xué)能力。因此，良好的聲光環(huán)境是教師開展教學(xué)創(chuàng)新探索的基礎(chǔ)保障。

1.3? 智能技術(shù)的發(fā)展為聲光環(huán)境改造提供了條件

人類發(fā)展進入新時代，以大數(shù)據(jù)和人工智能為代表的新技術(shù)深刻改變著社會經(jīng)濟發(fā)展的方方面面，在教育領(lǐng)域的應(yīng)用由淺入深，逐漸成為教育變革的重要組成部分和推動力量。人工智能與聲光技術(shù)相結(jié)合，形成紅外感應(yīng)自適應(yīng)調(diào)光、藍牙光控、恒照度控制、智能噪聲消除算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型智能算法、智能防嘯叫算法、高保真擴聲系統(tǒng)等技術(shù)和方案，這些技術(shù)、方案為聲光環(huán)境的智能化改造提供了條件。

2? 聲光環(huán)境改造的內(nèi)容

2019年7月，全國信息技術(shù)標準化技術(shù)委員會教育技術(shù)分技術(shù)委員會《信息化教學(xué)環(huán)境視聽健康設(shè)計要求》標準開始提到教室聲環(huán)境的建設(shè)規(guī)范，表明國家層面開始重視教室聲光環(huán)境的改善問題。武侯區(qū)根據(jù)國家指引，立足區(qū)域?qū)嵡?，結(jié)合技術(shù)現(xiàn)狀，于2020年初開展技術(shù)論證，形成成熟方案，以“先試點再鋪開”的方式推進，試點包括校內(nèi)試點和整校試點，取得良好效果。武侯區(qū)聲光環(huán)境智能化改造的主要內(nèi)容可概括為“兩工程、三防范、四消除”：“兩工程”指的是“校園雪亮工程”和“教室清聽工程”;“三防范”指的是光環(huán)境防眩光、防藍光、防頻閃;“四消除”指的是聲環(huán)境消除噪聲、消除失真、消除混響、消除失衡。

2.1? 聲環(huán)境改造：教室清聽工程

2.1.1? 聲場改造? 武侯區(qū)教室聲場改造的目標是通過物理環(huán)境建設(shè)和技術(shù)輔助，打造自然、舒適的教室聲場，主要包括三個方面：一是盡可能地去除掉噪聲，二是最大限度降低混響，三是擴大并保真聲音傳遞，即零噪聲、低混響、自然聲傳遞。

去除噪聲方面，主要通過利用內(nèi)置的常見噪聲模型，智能識別去除教室內(nèi)外的噪聲，保持正常人聲不被減損，并在實踐操作中不斷訓(xùn)練擴大模型中的噪聲內(nèi)容，采集并建立突發(fā)噪聲模型，提高噪聲識別能力。目前，改造后的教室已經(jīng)初步實現(xiàn)外部噪聲的徹底阻斷隔離，不被系統(tǒng)拾取;同時，利用教室內(nèi)吸音設(shè)備，吸收教室內(nèi)部的噪聲，實現(xiàn)內(nèi)部噪聲不被放大，滿堂噪聲控制在平均45分貝以下。

降低混響方面，運用智能音頻參考技術(shù)，將回聲、漫反射聲等混響在形成拖音前動態(tài)識別并減除;同時，自動檢測聲音通道，智能阻止通道內(nèi)聲音循環(huán)，避免嘯叫。目前，改造后教室內(nèi)混響時長限制在0.4～0.8秒。

自然聲傳遞方面，利用智能識別技術(shù)和高保真擴聲技術(shù)濾除干擾音和電器化聲音，使人聲保持原汁原味，更加清晰自然。

2.1.2? 智能優(yōu)化? 針對師生對聲音傳播的要求，武侯區(qū)選用AIoT（人工智能+物聯(lián)網(wǎng)）擴聲主機、高保真音箱，利用智能技術(shù)對聲環(huán)境開展三個方面的優(yōu)化：一是無感體驗;二是智能拾音和擴音;三是均衡傳輸。

無感體驗方面，運用吊麥拾音，取代傳統(tǒng)的手持、耳掛式的擴音設(shè)備，同時采取自動化技術(shù)，對擴聲系統(tǒng)進行統(tǒng)一云端管理，教師無須進行開、關(guān)機操作，無須進行軟硬件維護，不產(chǎn)生額外工作量;學(xué)生方面，清晰獲取純凈人聲，無干擾、無電器聲，不會產(chǎn)生聽覺上的負擔(dān)。

智能拾音和擴音方面，智能識別教室內(nèi)外的噪聲和干擾音，進行針對性拾取和擴聲傳輸。比如教室內(nèi)進行小組討論或全班齊讀，學(xué)生群體發(fā)聲，聲音嘈雜，聲量較大，智能識別之后，不進行擴聲。又比如教師抽學(xué)生回答問題，學(xué)生回答問題的聲音也可以同步拾取，擴聲傳遞，實現(xiàn)“只擴人聲，不擴噪聲”“只擴個體，不擴群體”。

均衡傳輸方面，進行大量實踐嘗試，以常規(guī)教室為固定模型，采用“計算機軟件進行輔助分析（EASE軟件）+現(xiàn)場實際調(diào)測”相結(jié)合的方法，多次試驗后，獲得常規(guī)教室的最佳聲環(huán)境模型，以模型參數(shù)和經(jīng)驗對照，得出教室聲環(huán)境建設(shè)和優(yōu)化的最佳方案，據(jù)此開展拾音、放聲單元的布局安裝;同時，根據(jù)教師和學(xué)生的使用反饋，進行擴聲系統(tǒng)靈敏度調(diào)節(jié)，實現(xiàn)聲音的“無死角、原生態(tài)”傳輸，滿足師生教學(xué)需要。

2.1.3? 智能管控? 武侯區(qū)采取“分散建設(shè)、統(tǒng)一管理”的模式，構(gòu)建區(qū)校兩級擴聲云平臺，基于擴聲系統(tǒng)應(yīng)用場景，對物理分散、規(guī)模部署的擴聲主機和業(yè)務(wù)進行統(tǒng)一云管理、云運維，具有故障報警、分級分區(qū)管理功能。在應(yīng)用過程中，學(xué)校負責(zé)軟、硬件集中管理，區(qū)域進行數(shù)據(jù)采集和分析，匯聚擴聲業(yè)務(wù)應(yīng)用數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，沉淀優(yōu)化應(yīng)用策略。

目前，武侯區(qū)擴聲系統(tǒng)運行主要設(shè)有三個方面的策略，分別是時間策略、條件策略和預(yù)計劃策略：時間策略是指設(shè)定擴聲系統(tǒng)在指定時間段工作，時間段外自動關(guān)閉;預(yù)計劃策略是指事先導(dǎo)入較長時間的既定計劃安排，如學(xué)校作息時間表，擴聲系統(tǒng)據(jù)此啟用和休眠;條件策略是指設(shè)定一些事件或觸發(fā)機制，比如考試、課間操、廣播等情況下，智能取消擴聲。

2.2? 光環(huán)境改造：校園雪亮工程

武侯區(qū)光環(huán)境改造著眼兩大目標：一是在自然光線變化的條件下，保證教室內(nèi)各個方位學(xué)生桌面的燈光照度恒定，且達到國家標準;二是適應(yīng)學(xué)生視力保護的需要，建設(shè)防藍光、防頻閃、防目眩的“三防護眼”光環(huán)境。

2.2.1? 恒定照度? 經(jīng)過空間策略和照度計算，在教室內(nèi)安裝九盞直下式面板燈和三盞黑板燈，改善光源條件，利用紅外感應(yīng)、藍牙控制、自適應(yīng)調(diào)光等智能技術(shù)，對教室內(nèi)的燈光照度進行智能感知和自動調(diào)節(jié)，確保教室內(nèi)學(xué)生桌面上的燈光照度保持恒定狀態(tài)，不受自然光線變化、教室空間布局變化的影響。目前，武侯區(qū)改造后的教室，學(xué)生桌面的平均照度恒定在333 LX（LX即勒克斯，照度的國際單位。1流明的光通量均勻分布在1平方米面積上的照度，就是1勒克斯），達到國家標準的300 LX，高標準滿足日常教學(xué)需求。建立光線3D效果圖和偽色表現(xiàn)模型，精確設(shè)計燈具安裝點位，確保教室內(nèi)光線均衡一致，學(xué)生桌面的照度均勻穩(wěn)定。目前，武侯區(qū)改造后的教室，學(xué)生桌面照度均勻值為0.78，優(yōu)于國家標準的0.7。

同時，通過人體感應(yīng)器和燈組聯(lián)控技術(shù)，將教室劃分為若干區(qū)域，自動檢測教室人員活動情況和活動區(qū)域，無人時智能調(diào)光驅(qū)動電源自動進入設(shè)定的10%功率，無人活動區(qū)域的光照度自動調(diào)低到70%，教室無人或無人活動區(qū)域超過20分鐘后，系統(tǒng)進入待機狀態(tài);隨著學(xué)生進入教室，功率自動調(diào)升，燈組逐漸擴大，實現(xiàn)“按需照明”，節(jié)約能源。根據(jù)使用環(huán)境參數(shù)，實時控制LED燈具的亮度，達到極限節(jié)能的效果，比傳統(tǒng)光環(huán)境節(jié)能60%～85%。

2.2.2? “三防”護眼? “三防”指的是防眩光、防頻閃、防藍光。眩光（UGR，即統(tǒng)一眩光值，是度量室內(nèi)視覺環(huán)境中的照明裝置發(fā)出的光對人眼造成不舒適感主觀反應(yīng)的心理參量）現(xiàn)象主要是因為燈管裸露在外，光線直接進入人眼產(chǎn)生眩光，使學(xué)生眼球肌肉不停調(diào)節(jié)來適應(yīng)燈光的變化，造成注意力分散，降低學(xué)習(xí)效率，導(dǎo)致視覺疲勞，誘發(fā)近視。國家各類規(guī)范對LED教育照明中UGR的規(guī)定為19以下，武侯區(qū)采用第二代微晶防眩面板，將UGR限制在16以下，低于國家教育照明限制值15.7%。

普遍應(yīng)用的LED燈由于響應(yīng)速度快，不具備傳統(tǒng)燈具的熱慣性和余輝效應(yīng)，因此深受電流波動的影響，導(dǎo)致光源閃爍。長期處在頻閃光環(huán)境中，容易導(dǎo)致頭疼、疲勞、視力下降、抑郁等不良生理反應(yīng)，2017年央視“315晚會”曾曝光光源頻閃帶來的危害。武侯區(qū)建立“引入—實測—改進”路線圖，與行業(yè)密切合作，持續(xù)引入最新技術(shù)，系統(tǒng)消除頻閃問題，實現(xiàn)健康穩(wěn)定的光環(huán)境。

武侯區(qū)光環(huán)境改造應(yīng)用全光譜技術(shù)，其光譜結(jié)構(gòu)與自然光光譜接近，顯色指數(shù)（為了對光源的顯色性進行定量評價，引入顯色指數(shù)概念。以標準光源為準，將其顯色指數(shù)定為100，其余光源的顯色指數(shù)均低于100。《中小學(xué)校教室采光和照明衛(wèi)生標準》中指出：教室照明光源的顯色指數(shù)不宜小于80）達到95及以上，具備高標準的色彩還原力，天然消減有害藍光。在保持各項照度、均勻度指標的前提下，為師生提供安全、豁免級的無藍光照明體驗。

3? 聲光環(huán)境改造的效益

3.1? 育人為本，維護師生身心健康

武侯區(qū)智慧教育建設(shè)的重要原則是“遵循規(guī)律、育人為本”，致力于“為學(xué)生發(fā)展提供適應(yīng)的教育”。充分利用人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等創(chuàng)新技術(shù)，著眼教學(xué)實踐中的痛點和難點，開展“校園雪亮工程”“教室清聽工程”，打造高質(zhì)量、無傷害的聲光環(huán)境，保護學(xué)生的眼睛，保護教師的嗓子，優(yōu)化師生的視覺和聽覺體驗，切實維護師生身心健康。

3.2? 降低師生身體負荷，提高教學(xué)效率

聲光環(huán)境改造之后，教師在教的過程中不受噪聲干擾，無須擔(dān)心學(xué)生能否聽見，不用多次重復(fù)同一句話、同一個知識點;學(xué)生在學(xué)的過程中不用擔(dān)心視力受到損傷，不再受到光線模糊困擾。因此，在聲光環(huán)境改造后，師生都可在輕松、自然、無感的狀態(tài)下開展教學(xué)活動，降低生理和心理上的額外負擔(dān)，專注于教學(xué)內(nèi)容和過程，提高教學(xué)效率。此外，良好的聲光環(huán)境讓學(xué)生的動作和聲音顯現(xiàn)在明處，客觀上有助于培養(yǎng)學(xué)生良好的言行習(xí)慣，減少教師維護課堂秩序的時間和精力。

3.3? 深化智能技術(shù)教學(xué)應(yīng)用，推進智慧教育

武侯區(qū)聲光環(huán)境改造運用大量新技術(shù)和新裝備，尤其是人工智能和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，是教學(xué)環(huán)境現(xiàn)代化、智能化的創(chuàng)新嘗試。同時，改造聲光環(huán)境的教室也具備開展線上直播、遠程交互、教學(xué)數(shù)據(jù)采集等活動的條件。聲光環(huán)境改造打開技術(shù)與教育的互動節(jié)點，形成“技術(shù)服務(wù)教育、教育融合技術(shù)”的良性循環(huán)，為打造教學(xué)新生態(tài)提供無限可能。

4? 結(jié)語

什么樣的教育是最好的教育？為社會、為國家培養(yǎng)人才的教育是最好的教育。什么樣的智慧教育是最好的智慧教育？利用智能技術(shù)為師生解決痛點問題的智慧教育是最好的智慧教育。武侯區(qū)推進聲光環(huán)境改造的“校園雪亮工程”“教室清聽工程”，對比大投資、大項目的智慧教育建設(shè)，只是行動上的一小步，卻是理念上的一大步。作為西部地區(qū)唯一的全國智慧教育示范區(qū)，武侯區(qū)將繼續(xù)秉持“大處著眼、小處著手”的策略，從教師、學(xué)生的實際需要出發(fā)，直面教育教學(xué)中的痛點和難點，在“小處”創(chuàng)新，在“大處”突破，用最小的投入，帶給師生最大的獲得感。■