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基于連接的智能化教室實(shí)踐研究

來源：投影時(shí)代　更新日期：2019-06-04 作者：楊飚

年度商顯市場最大的看點(diǎn)何在投影行業(yè)十大猜想 2023年度評選盛典獲獎揭曉

摘要:本文闡述了教室信息化目前實(shí)踐性較弱的普遍性問題，提出和設(shè)計(jì)了運(yùn)用成熟技術(shù)，建設(shè)基于連接的智能化教室方案。詳細(xì)闡述了智能化教室架構(gòu)，整體系統(tǒng)的構(gòu)成，以及教學(xué)過程各因素的連接作用。說明智能化教室必須建設(shè)成一個(gè)整體集成技術(shù)體系環(huán)境，才能夠支撐教學(xué)、服務(wù)管理活動。

關(guān)鍵詞：信息化、智能化教室、規(guī)劃、架構(gòu)、連接、體系

一、提出問題

教室信息化是教育信息化的熱點(diǎn)，各種研究分析層出不窮。部分研究聚焦在概念和未來發(fā)展展望，存在對現(xiàn)實(shí)技術(shù)的能力邊界、教學(xué)過程的各因素邊界定義不清的問題，一定程度上陷入了以未來技術(shù)替代現(xiàn)實(shí)技術(shù)，以及以信息技術(shù)替代教師和教學(xué)過程的誤區(qū)，無法對教室信息化建設(shè)起到現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義，導(dǎo)致各種設(shè)備簡單堆砌的情況。不僅造成資金浪費(fèi)，更會影響教學(xué)的流暢性，挫傷教師使用信息化設(shè)備的積極性。本文闡述了在現(xiàn)有成熟技術(shù)基礎(chǔ)上，構(gòu)建教室信息化的可行方案，并在實(shí)踐中落地，提升了教室信息化的水平，實(shí)實(shí)在在地輔助支撐了教學(xué)過程。

二、智能化教室的內(nèi)涵

捷克教育學(xué)家夸美紐斯創(chuàng)立了班級授課制度。其設(shè)計(jì)是根據(jù)學(xué)生年齡特點(diǎn)和知識水平，分成不同的班級。每個(gè)班級擁有一個(gè)專用教室，在同一時(shí)間有一位老師，針對所有學(xué)生進(jìn)行教學(xué)。承載班級授課的物理空間也就是現(xiàn)代意義上的教室。隨著音視頻技術(shù)和信息技術(shù)等各種技術(shù)的發(fā)展，技術(shù)蔓延至教育行業(yè)，附加了各種時(shí)代技術(shù)色彩的教室被賦予了各種名詞，例如“視聽教室”、“多媒體教室”、“智能化教室”、“智慧教室”、“虛擬教室”等。關(guān)于教室信息化的概念，我們不需要糾結(jié)于統(tǒng)一的概念，關(guān)鍵在于給我們的教學(xué)實(shí)踐帶來什么價(jià)值。

教室信息化研究要符合信息技術(shù)和教育兩個(gè)領(lǐng)域的規(guī)律，首要面對的問題是現(xiàn)實(shí)的信息技術(shù)對教學(xué)支撐的能力邊界在什么。我們可以將互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的信息技術(shù)發(fā)展分為三個(gè)“連接”階段：

首先是信息與信息的連接階段。其特征是將各種信息通過技術(shù)和人的方式關(guān)聯(lián)起來，例如網(wǎng)站、電子商務(wù)、社交、互聯(lián)網(wǎng)金融等目前絕大多數(shù)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，將以前不相關(guān)的內(nèi)容連接在一起，極大地促進(jìn)了社會發(fā)展，但其操作主要有兩種，一是依賴人的操作進(jìn)行輸入；二是通過程序和數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)，運(yùn)用信息技術(shù)強(qiáng)大的計(jì)算能力，實(shí)現(xiàn)僅靠人工無法實(shí)現(xiàn)的連接，進(jìn)而提高準(zhǔn)確性和效率，解放了人力。例如“無現(xiàn)金社會”的形態(tài)，僅僅依靠目前較為初級的信息技術(shù)發(fā)展水平，已經(jīng)引起社會翻天地覆的變化。移動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等都是這個(gè)階段的技術(shù)形態(tài)。

其次是物與信息的連接階段，也即物聯(lián)網(wǎng)。物聯(lián)網(wǎng)發(fā)明人曾說，他提出物聯(lián)網(wǎng)的原因在于人輸入的準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性不足，無法滿足信息需要。物聯(lián)網(wǎng)階段的特征是通過傳感器，自動采集數(shù)據(jù)，再進(jìn)行信息連接。物聯(lián)網(wǎng)階段在第一階段基礎(chǔ)上進(jìn)一步解放人力，深化了連接水平，也會進(jìn)一步提升人類社會的發(fā)展水平。但物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展目前僅僅處于萌芽發(fā)展的水平，沒有發(fā)現(xiàn)在教學(xué)過程中實(shí)用化的案例。

第三階段是人與信息的連接階段。其特征是已經(jīng)揭示人腦、情感的運(yùn)行機(jī)理，從而實(shí)現(xiàn)人的思想、感覺與信息的連接，例如是否可以通過類傳感器的模式，了解人的思維情況等等，目前已經(jīng)有部分研究人員在進(jìn)行相關(guān)領(lǐng)域研究，但距離實(shí)用化還有非常大的距離。

基于上述的簡單分析，我們可以看出，目前社會總體仍然處于信息與信息連接的階段，物聯(lián)網(wǎng)處于相對初級的發(fā)展階段，人工智能還處于研究階段，距離實(shí)用化的階段還有很大的差距。教學(xué)屬于人與人的溝通，以及人腦的變化范疇，是信息技術(shù)未來攻克的難點(diǎn)，很難確定未來能夠達(dá)到的水平和高度，現(xiàn)實(shí)信息技術(shù)對教學(xué)過程的支撐能力非常有限。這種技術(shù)背景下目前出現(xiàn)了兩個(gè)極端現(xiàn)象：一方面教育信息化從業(yè)人員努力描述信息技術(shù)如何變革教育的前景，但另一方面真正實(shí)際落地的技術(shù)普遍是傳統(tǒng)的信息技術(shù)手段。甚至國內(nèi)外出現(xiàn)了學(xué)校限制使用電子設(shè)備的情況，例如法國教育部規(guī)定，在校學(xué)生課堂和課外活動都不得使用智能手機(jī)、平板電腦、智能手表等各種有上網(wǎng)功能的通信設(shè)備，除非是出于教學(xué)需要，或是在條例中明文規(guī)定可以使用的地點(diǎn)�！渡綎|省學(xué)生體質(zhì)健康促進(jìn)條例》規(guī)定，中小學(xué)校應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)學(xué)生在校期間電子產(chǎn)品使用管理，指導(dǎo)學(xué)生科學(xué)規(guī)范使用電子產(chǎn)品，嚴(yán)禁中小學(xué)生將手機(jī)、平板電腦帶進(jìn)課堂。蘋果聯(lián)合創(chuàng)始人喬布斯在世時(shí)提出了著名的“喬布斯之問”—“為什么計(jì)算機(jī)改變了幾乎所有領(lǐng)域，卻唯獨(dú)對學(xué)校教育的影響小得令人吃驚！”。

現(xiàn)實(shí)的信息技術(shù)并沒有達(dá)到人們所期待的水平，距離人的“智慧”還有很大差距，因此我們將教室信息化的概念定義為“智能化教室”，其內(nèi)涵是充分利用現(xiàn)實(shí)信息技術(shù)的優(yōu)勢，立足于打通教學(xué)過程中各種因素的“連接”關(guān)系，構(gòu)建操作方便、輔助教學(xué)和服務(wù)、可擴(kuò)展的技術(shù)支撐體系。

三、基于連接的智能化教室的架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于連接的智能化教室架構(gòu)包括四層空間應(yīng)用和集中分布式操作兩個(gè)子架構(gòu)。

1.四層空間應(yīng)用子架構(gòu)

四層空間應(yīng)用子架構(gòu)是從教學(xué)關(guān)系的角度說明，智能化教室一定要考慮從物理到虛擬多個(gè)空間的應(yīng)用問題，不能形成單一物理教室的“信息孤島”。

四層空間應(yīng)用子架構(gòu)

第一空間--單一的物理教室

從四層空間應(yīng)用子架構(gòu)看，單一的物理教室始終是最基本的教學(xué)過程場所，也是智能化教室的最基礎(chǔ)功能價(jià)值。面授教學(xué)目前面對兩個(gè)現(xiàn)實(shí)情況：一是物理教室已經(jīng)成為富技術(shù)化的環(huán)境，未來技術(shù)化趨勢只會更重；二是面授教學(xué)過程中，“教師主導(dǎo)，學(xué)生主體”的關(guān)系沒有發(fā)生本質(zhì)變化，技術(shù)構(gòu)建的始終是教學(xué)過程的輔助支撐環(huán)境。

其它空間

從四層空間應(yīng)用子架構(gòu)看，多教室組合介于物理空間與虛擬空間的過渡空間，處于第三、四空間的校園網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)完全是虛擬空間。

基于物理空間的多教室組合，是單一的物理教室的擴(kuò)展空間，要考慮如何通過信息系統(tǒng)形態(tài)，將同一物理教室擴(kuò)展到多教室，具體價(jià)值體現(xiàn)在當(dāng)一個(gè)教室空間不夠時(shí)，用這種技術(shù)方式可以起到臨時(shí)擴(kuò)充教學(xué)規(guī)模，以及應(yīng)對大規(guī)模考試的作用。基于虛擬空間，可以資源的方式，進(jìn)行直播/錄播學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)、翻轉(zhuǎn)課堂等新的教育模式。

2.集中分布式操作子架構(gòu)

集中分布式操作子架構(gòu)是從具體技術(shù)實(shí)現(xiàn)的角度說明，各系統(tǒng)要通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)建構(gòu)成扁平化、架構(gòu)邏輯一致的集中/分布式兩級系統(tǒng)。同時(shí)物理空間與虛擬空間系統(tǒng)的構(gòu)成邏輯不同，但應(yīng)用是互通的。從而形成了物理空間和虛擬空間打通的體系化、密切關(guān)聯(lián)的生態(tài)體系，實(shí)現(xiàn)各種教學(xué)關(guān)系的連接，支撐多種教學(xué)場景。

集中分布式操作子架構(gòu)

四、智能化教室的系統(tǒng)構(gòu)成

智能化教室本質(zhì)上是以信息技術(shù)為核心技術(shù)支撐體系，整體架構(gòu)和使用功能要通過各種系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。

1.統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通訊是技術(shù)基礎(chǔ)

統(tǒng)一技術(shù)體系最底層是建立統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)通訊，包括兩部分：

.統(tǒng)一的校園有線/無線用戶網(wǎng)。只有統(tǒng)一的用戶通訊，才能夠有效連接四個(gè)空間的應(yīng)用關(guān)系，方便進(jìn)行各應(yīng)用系統(tǒng)的用戶身份認(rèn)證識別。

.統(tǒng)一的設(shè)備間通訊的網(wǎng)絡(luò)，其實(shí)質(zhì)是連接各個(gè)教學(xué)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)。涉及兩個(gè)因素：一是只有基于數(shù)字化的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，才能夠建立起層次明晰、扁平化的統(tǒng)一設(shè)備技術(shù)體系，才能夠有效管理、使用，方便后期擴(kuò)展；二是由于各種教學(xué)設(shè)備安全性普遍不足，建立教學(xué)邏輯物聯(lián)專網(wǎng)進(jìn)行隔離，可以保障一定的安全性。同時(shí)通過服務(wù)器橋接或堡壘機(jī)的方式與整體校園網(wǎng)保持通訊。

2.音視頻系統(tǒng)功能仍然是教學(xué)過程的關(guān)鍵功能

在第一空間單一物理教室內(nèi)進(jìn)行的面授教學(xué)仍然是教學(xué)最重要的方式。面授教學(xué)是以視覺和聽覺為主導(dǎo)的教學(xué)方式，教學(xué)設(shè)備也必然是音視頻信號為主體的設(shè)備環(huán)境。其中要特別重視教室音視頻多信號輸入/輸出問題。例如音頻方面，存在有線/無線話筒、PC及筆記本電腦等；視頻方面PC及筆記本電腦、攝像頭等。從設(shè)備層面看，音頻設(shè)備采用數(shù)字音頻處理器或調(diào)音臺，視頻信息號采用視頻矩陣，可以較好地解決多信號輸入/輸出問題。信號輸入/輸出表面上不是難點(diǎn)，但設(shè)計(jì)不到位，將直接影響智能化教室的使用。

3.中控系統(tǒng)和服務(wù)電話系統(tǒng)是智能化教室的核心管理系統(tǒng)

使用系統(tǒng)越多，帶來的問題也越多。中控系統(tǒng)和服務(wù)電話系統(tǒng)是解決使用問題相對較好的辦法。要考慮以下幾個(gè)方面：

.操作門檻。教學(xué)系統(tǒng)的類型和數(shù)量較多，導(dǎo)致操作復(fù)雜，干擾教學(xué)過程，操作困難是導(dǎo)致智能化教室使用體驗(yàn)不佳的關(guān)鍵問題。通過中控系統(tǒng)簡化操作。例如結(jié)合燈光、投影幕布等，組合形成“一鍵上課/下課”、“視頻模式”、“傳統(tǒng)模式”等，極大地簡化了教師的操作負(fù)擔(dān)。

如果僅考慮單一物理空間的教學(xué)，中控結(jié)合教學(xué)設(shè)備是早已成熟的形態(tài)，但服務(wù)的角度卻是被教室信息化研究普遍忽略的問題。任何一個(gè)學(xué)校都要面對教師、教室的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于服務(wù)人員的現(xiàn)實(shí)問題，因此不能只關(guān)注單一空間的教學(xué)設(shè)備控制問題，需要建立集中/分布式的中控系統(tǒng)，技術(shù)服務(wù)人員從集中式后臺也可以操控中控設(shè)備終端。

.溝通渠道問題。集中/分布式的中控系統(tǒng)解決的是設(shè)備控制問題，還需要服務(wù)電話系統(tǒng)，建立起教師、學(xué)生與技術(shù)服務(wù)人員之間的順暢的溝通渠道。

通過集中/分布式的中控系統(tǒng)和服務(wù)電話系統(tǒng)，形成了一旦教師面對操作問題，快速發(fā)起，服務(wù)人員快速解決的閉環(huán)業(yè)務(wù)邏輯。

4.分布式視頻系統(tǒng)是多教室組合的教學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)。

分布式視頻系統(tǒng)可以將第一空間的單一教室的教學(xué)過程實(shí)時(shí)傳播至其它教室，打破單一空間的物理局限。同時(shí)分布式視頻系統(tǒng)還具有統(tǒng)一教學(xué)、統(tǒng)一考試音視頻內(nèi)容播放等功能。

5.資源建設(shè)是虛擬課堂建設(shè)的前提。

從第一空間擴(kuò)展到其它空間完全基于教學(xué)應(yīng)用，通過教學(xué)資源建設(shè)/再利用的方式進(jìn)行空間擴(kuò)展應(yīng)用，體現(xiàn)出資源和傳輸渠道建設(shè)的重要性。目前由于課件資源制作難度原因，課件總體上依然是以攝像錄課為主的資源形態(tài)，物理教室的視頻錄制系統(tǒng)是重要的資源建設(shè)源頭。目前主流的有人工和自動錄播系統(tǒng)兩種方式。自動錄播系統(tǒng)是一種根據(jù)場景設(shè)置，自動切換鏡頭，自動錄制和發(fā)布課件的系統(tǒng)，節(jié)約了人工成本，但由于目前技術(shù)水平的局限性，錄制效果并不十分理想；人工系統(tǒng)僅是進(jìn)行視頻定點(diǎn)錄制，采用人工進(jìn)行后期編輯，是自動錄播技術(shù)不成熟的無奈選擇。

在可擴(kuò)展的技術(shù)架構(gòu)中，可以增加監(jiān)控系統(tǒng)、溫濕度等傳感系統(tǒng)等其它系統(tǒng)。

智能化教室架構(gòu)不關(guān)注具體品牌和具體系統(tǒng)，關(guān)注的是如何順暢地將教學(xué)過程各種因素連接起來，形成有效應(yīng)用。傳統(tǒng)分散的“信息孤島”式系統(tǒng)，局限在單一的物理空間內(nèi)，解決不了現(xiàn)代教學(xué)面臨的問題。

另外智能化教室設(shè)計(jì)要特別重視用戶黏性和友好的因素。用戶黏性是互聯(lián)網(wǎng)用語，意思是用戶形成不愿改變的行為習(xí)慣。用戶黏性和友好因素是很多表面上很先進(jìn)的設(shè)備，但由于設(shè)計(jì)獨(dú)特、用戶操作復(fù)雜的問題，導(dǎo)致使用效果不佳，無法大規(guī)模應(yīng)用。

只有基于用戶友好、統(tǒng)一連接架構(gòu)、具備可擴(kuò)展性、集中管控能力的系統(tǒng)體系，才能稱之為具有實(shí)踐性的智能化教室方案。

五、智能化教室的連接作用

通過基于連接的智能化教室架構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)空間和時(shí)間、資源、教學(xué)和服務(wù)、設(shè)備和系統(tǒng)等各因素與信息技術(shù)的連接關(guān)系，體現(xiàn)信息技術(shù)的輔助支撐作用。

1.空間、時(shí)間與信息技術(shù)的連接

傳統(tǒng)的教學(xué)過程概念是教師與學(xué)生同時(shí)存在的獨(dú)立物理和時(shí)間空間，但信息化時(shí)代的物理空間與虛擬空間下區(qū)隔邊界越來越模糊，我們要看到從傳統(tǒng)獨(dú)立的物理教學(xué)空間擴(kuò)展到其它空間，形成線上/線下結(jié)合的混合式教學(xué)模式，要教育發(fā)展的趨勢。只有通過信息技術(shù)，建立基于連接的智能化教室體系，才能夠?qū)崿F(xiàn)。

2.資源與信息技術(shù)的連接

時(shí)空連接是通過資源連接實(shí)現(xiàn)的。將教學(xué)過程錄制下來，以直播/點(diǎn)播的方式，通過分布式視頻、有線電視、各種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)等方式傳播出去，才能夠充分利用教學(xué)資源價(jià)值。

3.人與信息技術(shù)的連接

人與信息技術(shù)的連接其本質(zhì)是通過信息技術(shù)，輔助人的操作。智能化教室涉及到的就是教師的教、學(xué)生的學(xué)，以及服務(wù)管理人員的操作。能夠簡化操作、幫助提高效率，使得教學(xué)過程和服務(wù)過程順暢化，就達(dá)到了智能化教室建設(shè)的目的。

六、結(jié)束語

智能化教室建設(shè)是校園信息化建設(shè)的有機(jī)組成部分，也是在教育和技術(shù)規(guī)律的指導(dǎo)下，不斷地發(fā)展、演進(jìn)的過程。本文設(shè)計(jì)的智能化教室架構(gòu)是基于成熟技術(shù)的開放性可擴(kuò)展的架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)多層次多維度的連接，從而達(dá)到操作簡單、功能豐富、場景落地的實(shí)際效果，從而起到教學(xué)支撐的作用。

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