模塊化理念在智慧教室空間設(shè)計(jì)中的研究與應(yīng)用

摘要：針對(duì)高校智慧教室建設(shè)中空間布局方面存在的缺少規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)和偏離實(shí)際教學(xué)需求的問(wèn)題，運(yùn)用模塊化思想加以解決。在對(duì)模塊化以及智慧教室調(diào)研的基礎(chǔ)上，提出通過(guò)教學(xué)行為與學(xué)科間的關(guān)聯(lián)性確定布局設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，闡述了智慧教室中點(diǎn)線面模塊的概念，并提出對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)原則與功能類型劃分等。在實(shí)踐階段以具體課程為例討論并設(shè)計(jì)了點(diǎn)線面模塊，制作了對(duì)應(yīng)的布局方案，并利用層次分析法對(duì)方案進(jìn)行評(píng)估與選擇，為應(yīng)用模塊化理念到智慧教室的空間設(shè)計(jì)提供了參考。

關(guān)鍵詞：智慧教室；教學(xué)行為；學(xué)科關(guān)聯(lián)性；模塊化設(shè)計(jì)；層次分析法

中圖分類號(hào)：G481 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-0069（2024）20-0077-03

引言

隨著信息技術(shù)的長(zhǎng)足進(jìn)步，“智慧教室”的理念慢慢融入了高校建設(shè)，成為建設(shè)智能化教學(xué)環(huán)境的代表，起到了提升教師教學(xué)質(zhì)量、改善學(xué)生學(xué)習(xí)效果、促進(jìn)師生交流互動(dòng)的作用?，F(xiàn)階段智慧教室由于缺少普適的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)供以參考，同時(shí)忽略學(xué)科間教學(xué)行為的差異，導(dǎo)致空間布局設(shè)計(jì)不合理，無(wú)法滿足實(shí)際教學(xué)場(chǎng)景的多樣化需求。模塊化作為現(xiàn)代工業(yè)化體系中重要的一環(huán)，其誕生旨在簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)流程、快速產(chǎn)出方案，能通過(guò)組合變化適用多種場(chǎng)景，這與學(xué)科差異化教學(xué)的需要以及智慧教室的建設(shè)理念契合，應(yīng)用模塊化思想有助于實(shí)現(xiàn)更合理的智慧教室空間布局，幫助進(jìn)一步完善高校智慧教室建設(shè)體系。

一、相關(guān)理論研究現(xiàn)狀

（一）模塊化理論研究

模塊化是將整體系統(tǒng)分解為不同的模塊并進(jìn)行管理的一種方式，能夠簡(jiǎn)化復(fù)雜事務(wù)，對(duì)設(shè)計(jì)也具有廣泛而深遠(yuǎn)的指導(dǎo)意義[1]。狹義模塊化指由模塊組合成的模塊化產(chǎn)品，例如模塊化的電子設(shè)備，模塊化的機(jī)床等。廣義的模塊化是一切由典型的通用單元組合成的事物，例如企業(yè)的組織結(jié)構(gòu)、流水線的構(gòu)成等[2]。模塊化理念是在工業(yè)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中得到普及和認(rèn)同的，但模塊化思想并非工業(yè)化進(jìn)程的產(chǎn)物。先秦《考工記》中“營(yíng)國(guó)”的核心思想圍繞著等級(jí)制度展開，禮制規(guī)范下的程式化設(shè)計(jì)孕育了模數(shù)思維和模塊化設(shè)計(jì)方法[3]。宋朝的《燕幾》組合變換3 種特定比例的桌具，再到后來(lái)的《碟幾》與《匡幾》均體現(xiàn)著模塊化設(shè)計(jì)的理念。20 世紀(jì)70 年代，國(guó)內(nèi)“多品種、小批量”的需求對(duì)傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)造成挑戰(zhàn)，模塊化設(shè)計(jì)開始受到重視并逐漸應(yīng)用[4]。20 世紀(jì)90 年代，圍繞以顧客需求為核心的產(chǎn)銷模式，學(xué)者B·約瑟夫·派恩提出了“大規(guī)模定制”理論，同我國(guó)的模塊化的研究均提倡以通用模塊取得大規(guī)模生產(chǎn)的速度與成本優(yōu)勢(shì)，再通過(guò)模塊的靈活組合，滿足顧客的個(gè)性化需求，達(dá)到多樣化與低成本的有機(jī)統(tǒng)一。

模塊化理論被視為是解決各類復(fù)雜系統(tǒng)問(wèn)題的利器，得益于模塊個(gè)體標(biāo)準(zhǔn)化與組合多樣化的特性，模塊化也具有相似的優(yōu)良特點(diǎn)：（1）獨(dú)立性，模塊能夠單獨(dú)進(jìn)行設(shè)計(jì)、制造、調(diào)試、修改和存儲(chǔ)，便于專業(yè)化企業(yè)獨(dú)立生產(chǎn)制造，靈活調(diào)整模塊細(xì)節(jié)，提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量；（2）互換性，模塊接口部位的結(jié)構(gòu)、尺寸和參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化，有利于實(shí)現(xiàn)模塊間的互換，以及橫系列、縱系列產(chǎn)品間的模塊的通用；（3）一致性，模塊在基本屬性、使用場(chǎng)景和操作體驗(yàn)等方面保持一致，從而提升產(chǎn)品設(shè)計(jì)的復(fù)用性并保證用戶體驗(yàn)的延續(xù)性。

（二）智慧教室建設(shè)現(xiàn)狀

1988 年，由羅納德. 雷西尼奧最早提出的“Smart Classroom”概念，被認(rèn)為是在傳統(tǒng)課堂嵌入個(gè)人電腦，交互式光盤視頻節(jié)目等信息技術(shù)[4]，2004 年，國(guó)內(nèi)由徐磊首次使用“智能教室”的名稱，并將其定位為新型教室、學(xué)習(xí)空間或教學(xué)環(huán)境[5]，直到2012 年，黃榮懷等首次使用了“智慧教室”的名稱，提出了“S.M.A.R.T”概念模型（內(nèi)容呈現(xiàn)、教學(xué)管理、資源獲取、實(shí)時(shí)互動(dòng)、情境感知），并主要從形態(tài)和功能等方面開展研究[6]。

早期，我國(guó)的智慧教室因理論發(fā)展與技術(shù)實(shí)現(xiàn)的制約，并沒(méi)有引起高度的重視，而伴隨“十三五”規(guī)劃的“推動(dòng)現(xiàn)代信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合”，“十四五”規(guī)劃的“深化教育改革”，我國(guó)各高校從2014 年陸續(xù)開始智慧教室建設(shè)與改造，如2017 年中國(guó)政法大學(xué)完成15 間智慧教室打造并投入使用，華中師范大學(xué)整合建立出12 間“三維一體”的智慧型教室[7]，北京郵電大學(xué)在2018 年至2022 年先后建成使用100 間智慧教室[8]。高校建設(shè)與投入使用的智慧教室數(shù)量越來(lái)越多，可見(jiàn)以智慧教室為代表的教學(xué)環(huán)境建設(shè)已成為時(shí)代發(fā)展的趨勢(shì)。

二、智慧教室的空間設(shè)計(jì)需求

空間布局是影響智慧教室教學(xué)環(huán)境的重要因素，空間劃分以及設(shè)備擺放都與師生主體的教學(xué)活動(dòng)開展緊密相關(guān)。傳統(tǒng)教室的課堂以教師講授為主，功能區(qū)域的劃分一般包括講臺(tái)區(qū)和座位區(qū)，桌椅擺放是最為常見(jiàn)的秧田式網(wǎng)格，而智慧教室面臨新增的教學(xué)需求，不僅需要有新的功能區(qū)域，其布局設(shè)計(jì)還應(yīng)與學(xué)科課程或是教學(xué)安排相適配。平等對(duì)待師生的需求，根據(jù)教學(xué)需求靈活變化方案，突破固定桌椅和傳統(tǒng)布局對(duì)師生的限制、增加延伸性與擴(kuò)展性正是智慧教室的教學(xué)空間布局的設(shè)計(jì)重點(diǎn)[9]?，F(xiàn)有的智慧教室根據(jù)教室類型提供標(biāo)準(zhǔn)的教學(xué)設(shè)備與布局設(shè)計(jì)，但難以讓師生間接參與到智慧教室布局方案的前期設(shè)計(jì)，或是很少關(guān)注師生使用過(guò)程中的具體感受，導(dǎo)致智慧教室的使用無(wú)法滿足預(yù)期且真實(shí)的課程教學(xué)需求被忽略。因此，智慧教室的空間布局設(shè)計(jì)不僅需要考慮布局靈活性本身，還需要建立支持師生參與的流程從而讓布局更合理。

三、智慧教室的空間設(shè)計(jì)策略

（一）教學(xué)行為與學(xué)科關(guān)聯(lián)性

教室內(nèi)教學(xué)質(zhì)量的好壞取決于教師授課行為的組織與實(shí)施，以及學(xué)生學(xué)習(xí)行為的能動(dòng)展開，將學(xué)科課堂的教與學(xué)視作不同的行為，有利于把握學(xué)科課程的側(cè)重，從而反映出智慧教室的場(chǎng)景使用需求，明確空間布局的設(shè)計(jì)重心，為模塊間組合變化提供依據(jù)，也為后續(xù)方案的選取提供評(píng)價(jià)指標(biāo)。根據(jù)智慧教室場(chǎng)景下教學(xué)行為的編碼研究，教師活動(dòng)和學(xué)生活動(dòng)分為信息交互和操作交互。教師活動(dòng)的操作交互有板書、課堂的監(jiān)督控制、推送資源、傳統(tǒng)的分享與評(píng)價(jià)、基于技術(shù)的分享與評(píng)價(jià)等13 種教學(xué)行為；學(xué)生的操作交互有傳統(tǒng)的展示、基于技術(shù)的展示、傳統(tǒng)的信息獲取、基于技術(shù)的信息獲取等12 種教學(xué)行為[10]。通過(guò)進(jìn)一步歸納和調(diào)整，將智慧教室中的行為劃分為有主體和無(wú)主體兩個(gè)類別：有主體行為是指課堂教學(xué)場(chǎng)景中有焦點(diǎn)人物，直接或者間接的參與者需向焦點(diǎn)人物表現(xiàn)出向心性，此類行為對(duì)于功能區(qū)域的信息輻射范圍有明確要求；無(wú)主體行為是指課堂教學(xué)場(chǎng)景中不同個(gè)體同時(shí)進(jìn)行相似的行為，因而沒(méi)有明確的焦點(diǎn)人物，此類行為對(duì)功能區(qū)域?qū)€(gè)體或小群體的劃分有明確要求，如表1。

（二）智慧教室空間模塊的設(shè)計(jì)原則

室內(nèi)設(shè)計(jì)常應(yīng)用“點(diǎn)”“線”“面”的形式來(lái)構(gòu)成各元素之間的系統(tǒng)關(guān)系[11]。而不同于傳統(tǒng)空間設(shè)計(jì)抽象出的視覺(jué)要素，智慧教室中的點(diǎn)線面模塊是注重功能的空間劃分或模塊產(chǎn)品：面模塊指由點(diǎn)模塊構(gòu)成的具備獨(dú)立功能的整體區(qū)塊，用途上既是個(gè)體的操作空間，又是群體的活動(dòng)空間；線模塊是面模塊間的分隔區(qū)域，作為交通空間或面模塊的邊界，直接影響著智慧教室的整體布局；點(diǎn)模塊是面模塊的基本組成部分，可以滿足使用者行為需求的最小功能空間單位，同時(shí)也是智慧教室中師生的物理觸點(diǎn)。

區(qū)別于模塊化特點(diǎn)所描述的模塊產(chǎn)品，點(diǎn)線面模塊并不完全是實(shí)體，因而在智慧教室空間布局的設(shè)計(jì)過(guò)程中需考慮新的原則：（1）獨(dú)立原則，模塊可以彼此獨(dú)立為師生提供特定功能而不依賴于其他模塊的配合，不同功能的模塊間應(yīng)在視覺(jué)層面為使用者提供易辨別的差異性，模塊間應(yīng)在實(shí)體空間中存在分隔；（2）一致原則，相同功能的面模塊應(yīng)在點(diǎn)模塊的構(gòu)成層面保持一致，在數(shù)量和組合上可以存在差異，同時(shí)面模塊內(nèi)部的點(diǎn)模塊應(yīng)在功能層面為使用主體的教學(xué)行為提供一致服務(wù)，從而保持使用者對(duì)模塊功能良好的認(rèn)知；（3）配合原則，點(diǎn)線面模塊的配合不依賴于嚴(yán)格接口，而是共同參與空間的分割，這意味著模塊在尺寸、形狀等方面需共同設(shè)計(jì)，點(diǎn)模塊需要配合構(gòu)成面模塊，面模塊需要配合服務(wù)智慧教室的教學(xué)行為需要，同時(shí)還需為線模塊的連通和延伸留下必要空間。

（三）智慧教室空間模塊的類型劃分

結(jié)合對(duì)教學(xué)行為和智慧教室的調(diào)研，根據(jù)模塊化管理方式對(duì)功能的區(qū)分，將線模塊劃分為交通線和分割線，將面模塊劃分為輸出模塊和接收模塊等5 個(gè)類型，如表2。

四、智慧教室的空間設(shè)計(jì)實(shí)踐

應(yīng)用模塊化理論設(shè)計(jì)智慧教室空間布局，首先針對(duì)智慧教室的使用學(xué)科，通過(guò)課堂觀察、發(fā)放問(wèn)卷、訪談師生對(duì)象等方式研究教學(xué)行為與學(xué)科的關(guān)聯(lián)性，從而明確當(dāng)前教學(xué)場(chǎng)景的核心需求，進(jìn)而設(shè)計(jì)符合空間模塊設(shè)計(jì)原則的點(diǎn)線面模塊，并在智慧教室的空間中對(duì)各模塊進(jìn)行布局?jǐn)[放，最后對(duì)空間布局方案進(jìn)行評(píng)價(jià)與改進(jìn)。如圖1，師生群體能有效參與需求調(diào)研以及方案選擇的過(guò)程。

（一）確定智慧教室的空間設(shè)計(jì)需求

以藝術(shù)類學(xué)科中外設(shè)計(jì)史課程為例進(jìn)行智慧教室空間布局設(shè)計(jì)實(shí)踐，通過(guò)發(fā)放線上問(wèn)卷的方式調(diào)研該學(xué)科與教學(xué)行為的關(guān)聯(lián)性，共回收32 份有效的李克特量表樣本，經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)分析得出講授、討論、考試是該學(xué)科的高頻率教學(xué)行為，并作為智慧教室空間布局方案的設(shè)計(jì)重點(diǎn)。

（二）智慧教室點(diǎn)線面模塊設(shè)計(jì)

對(duì)于點(diǎn)模塊設(shè)計(jì)，以智慧教室中常見(jiàn)的桌椅為例，根據(jù)獨(dú)立原則，其需要能夠拆分并具備支撐、辦公、物品收納等獨(dú)立功能從而滿足個(gè)體使用；根據(jù)一致原則，其需要擁有相似的造型特征，例如桌椅均為中空從而方便雙向使用，相同角度使椅子能收納到桌子下方并配合與桌腿擋板夾角一同移動(dòng)；根據(jù)配合原則，桌椅需通過(guò)組合參與構(gòu)成面模塊，選擇常見(jiàn)的60° 作為桌面內(nèi)角，能夠提高排布的自由度并滿足多種方式的組合拼接。參考國(guó)標(biāo)家具的對(duì)桌面高、坐高、配合高差以及長(zhǎng)方凳的尺寸規(guī)范[12]，對(duì)桌椅點(diǎn)模塊進(jìn)行建模與尺寸說(shuō)明，如圖2。

對(duì)于線模塊設(shè)計(jì)，在講授等有主體行為場(chǎng)景下，利用交通線可以將智慧教室劃分為大面積的接受區(qū)域，使空間整體呈現(xiàn)“H”形或十字形，進(jìn)而在接收區(qū)域內(nèi)部利用分割線劃分人員位置，有利于突出主體并節(jié)省空間從而容納更多的人員；在討論、考試等無(wú)主體行為場(chǎng)景下，根據(jù)人員密度將智慧教室劃分為數(shù)個(gè)均勻分布的聚集區(qū)域，使空間整體呈現(xiàn)網(wǎng)格型，有利于交流時(shí)的人員流動(dòng)或是考試時(shí)的巡視，同時(shí)每個(gè)聚集模塊內(nèi)的人員有相對(duì)平等的移動(dòng)路徑。

對(duì)于面模塊設(shè)計(jì)，如圖3，通過(guò)桌椅點(diǎn)模塊不同形式的組合拼接構(gòu)成的接收面模塊或聚集面模塊，不僅能容納不同數(shù)量的個(gè)體，還能應(yīng)對(duì)講授、討論、考試等不同教學(xué)行為。（1）組合一中桌子短邊相錯(cuò)，具有高自由度和較好的連續(xù)性且可以改變排列方向，學(xué)生可以同向或相向而坐，適用于講授、問(wèn)答、辯論等教學(xué)行為；（2）組合二中桌子長(zhǎng)邊相對(duì)，形成三人一組的布局，學(xué)生側(cè)對(duì)而坐且距離較遠(yuǎn)，形成公共區(qū)域的同時(shí)彼此保證隱私性，每個(gè)面模塊占用空間較小，適用于自習(xí)和考試等教學(xué)行為；（3）組合三中桌子短邊同向相鄰使形成閉環(huán)的公共區(qū)域，學(xué)生相鄰環(huán)坐，具有較好向心性且能支持多人小組合作，適用于討論等教學(xué)行為。

（三）智慧教室空間布局方案設(shè)計(jì)

根據(jù)講授、討論、考試的教學(xué)行為需要以及點(diǎn)線面模塊設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)以下3 種空間布局方案：（1）方案一中設(shè)置接收模塊將輸出模塊環(huán)抱，突出信息輸出的主體，接收模塊內(nèi)桌椅點(diǎn)模塊采用組合一的形式，留下必要的分割線，而接收模塊、輸出模塊與其他面模塊之間彼此連通，形成交通線方便師生由各自面模塊到達(dá)其他面模塊；（2）方案二中設(shè)置聚集模塊均勻分布，不設(shè)定常駐的輸出模塊與接收模塊，聚集模塊內(nèi)桌椅點(diǎn)模塊采用組合二的形式，聚集模塊形成網(wǎng)格形式的分割線與交通線，方便師生快速到達(dá)其他的聚集模塊；（3）方案三中設(shè)置聚集模塊均勻分布，不設(shè)定常駐的輸出模塊與接收模塊，聚集模塊內(nèi)桌椅點(diǎn)模塊采用組合三的形式，聚集模塊形成網(wǎng)格形式的分割線與交通線，方便師生快速到達(dá)其他的聚集模塊，如圖4。

（四）方案的評(píng)價(jià)與選擇

層析分析法是指通過(guò)對(duì)目標(biāo)、準(zhǔn)則、方案等層次化分解，從而獲得方案權(quán)重排序以輔助決策。在智慧教室空間布局的設(shè)計(jì)方案選取階段，利用問(wèn)卷獲取師生群體對(duì)各個(gè)設(shè)計(jì)方案的評(píng)價(jià)，從而建立層次分析模型并對(duì)目標(biāo)層與準(zhǔn)則層、準(zhǔn)則層與方案層分別進(jìn)行1～9 的尺度評(píng)價(jià)，經(jīng)過(guò)矩陣變換計(jì)算與一致性判別，最終獲得對(duì)設(shè)計(jì)方案的層次總排序，根據(jù)加權(quán)評(píng)分確定選取方案一作為智慧教室空間布局設(shè)計(jì)的通用方案。

結(jié)語(yǔ)

目前，我國(guó)的智慧教室仍處于建設(shè)階段，對(duì)于智慧教室空間布局設(shè)計(jì)中存在的缺少規(guī)范和偏離實(shí)際使用的問(wèn)題，合理地運(yùn)用模塊化設(shè)計(jì)思想將智慧教室的空間元素劃分為點(diǎn)線面模塊，提出對(duì)應(yīng)的準(zhǔn)則和功能類型來(lái)規(guī)范設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)模塊的選取和具體設(shè)計(jì)，通過(guò)模塊的組合能夠快速生成空間布局方案。同時(shí)提出以學(xué)科與教學(xué)行為的關(guān)聯(lián)性來(lái)確定設(shè)計(jì)重點(diǎn)，使空間布局方案滿足教學(xué)場(chǎng)景的實(shí)際需要，并能利用層析分析法實(shí)現(xiàn)最終方案的選擇，為高校現(xiàn)代化教育教學(xué)對(duì)智慧教室空間布局的設(shè)計(jì)提供了流程參考。

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