未來課堂環境的設計與實現*

葉新東，陳衛東，張際平

(1.溫州大學 教育技術系，浙江 溫州 325002；2.蘇州科技學院 傳媒與科學技術系，江蘇 蘇州 215009；3.華東師范大學 教育信息技術學系，上海 200062)

未來課堂環境的設計與實現*

葉新東1，陳衛東2，張際平3

(1.溫州大學 教育技術系，浙江 溫州 325002；2.蘇州科技學院 傳媒與科學技術系，江蘇 蘇州 215009；3.華東師范大學 教育信息技術學系，上海 200062)

以未來課堂研究為代表的課堂學習環境設計研究，隨著新技術新媒體的引入，逐步清晰起來。該研究通過確定未來課堂設計理念與原則，提出了未來課堂環境模型和設計原則，然后針對使用者—中小學教師和學生實施了問卷調查和教師訪談，獲得了對未來課堂教學硬件環境的用戶需求，并在結合對未來課堂相關的硬件技術(無線技術和屏顯示技術)的分析后提出了未來課堂環境架構方案，進行了硬件選型和環境構建。該研究希望為未來課堂的設計提供一個實踐案例，為以后基于未來課堂的教學研究提供環境基礎。

未來課堂；環境；設計；實現

一、引言

教育技術是以技術的發展為基礎和出發點，以技術在教育中的運用為核心內容，以優化教育教學過程為目的和歸宿的[1]。IT技術的發展為人類的學習方式帶來了前所未有的變革，但是由于設備的存在感越來越強，空間感越來越壓迫，老師需要不斷地適應新技術的應用，技術可能會分散學生上課時候的注意力，這可能對課堂教學活動造成負擔。我們不能只是功利地直接將各種涌現出來的新技術進行堆砌，不要面對紛繁復雜的各種新技術的時候，慣性地陷入一種為技術而技術的誤區，因為教室畢竟有別于一般場所，需要的是一個寬敞、舒適和部署簡單但功能強大的學習環境，需要的是技術標準的統一和設備的整合。因此在未來課堂環境的設計時需要定位明確，找準問題實質，結合課堂教學環境的真正需求而進行研究設計。正如情景學習理論認為“學習不是傳輸的過程，也不是接受的過程。學習是需要意志的、有意圖的、積極的、自覺的、建構的實踐，該實踐包括互動的意圖—行動—反思活動”[2]，構建一個有利于學習實踐發生的課堂教學環境至關重要。當然課堂教學環境的研究也涌現了不同的視角和觀點，在學習空間的研究進展中，最近的研究強調能夠促進學生學習有效模式形成的四個方面的重要性，包括：物理學習環境設計、認知理論的理解、技術領域的創新和教學方法論的建構[3]。

二、設計理念與原則

校園的課堂環境包括物理環境和心理環境，前者的好壞能夠直接影響學生的課堂情感體驗，良好的課堂物理環境能給學生以舒適感、安全感和愉悅感，能激發出學生積極的情感體驗，形成樂學的心理狀態[4]。作為體現以人為本，關注學習者創新素質及能力培養的“未來課堂”的設計，滿足未來課堂教學支持的需求，提升課堂教學質量，體現個性教學彈性靈活，其理念應體現為以學習者為中心。

(一)設計理念

本研究所涉及的未來課堂教學環境應體現以學習者為中心的設計思想。要體現這一設計理念，就是要積極創設學習者有效學習的環境和氛圍，重視對其學習的指導和幫助，所設計的環境要能夠調動學習者的自主性學習、小組學習和創新性學習的積極性，注重培養學習者的合作學習能力；并且所設計的學習環境能夠讓學習者在學習過程中展示自己的想法和成果，讓其享受到學習的樂趣和成就感。

未來課堂以互動為核心，建構一個服務和支持課堂教學主體的發展，各構成要素和諧共存的教與學的活動及環境。未來課堂本身應成為教與學過程的重要組成部分，無論是課堂的外在物理環境，還是課堂教與學過程中形成的心理環境，均需要關注課堂主體的用戶體驗。這些體驗包括環境體驗、活動體驗、情感體驗、思考體驗和關聯體驗[5]。其中環境體驗是指未來課堂訴諸于課堂主體視覺、聽覺、觸覺、味覺和嗅覺等感官方面的體驗。環境影響人的行為，良好的環境體驗能夠促進課堂主體良好行為的發生。情感體驗是課堂主體內心的感覺和情感創造，情感體驗是在環境體驗之上的，課堂中課堂主體與課堂環境之間的相互作用會引發課堂主體情感方面的變化，這一變化會影響課堂主體的動機和行為。思考體驗是課堂主體在未來課堂中創造認知和解決問題的體驗，教與學的過程是一個創造認知與解決問題的過程，這個過程中形成的思考體驗會促進課堂主體在認知和技能等方面的發展。活動體驗是影響課堂主體教與學活動的行為體驗，是課堂中主體間以及主體與客體間互動的體驗。關聯體驗則包含了環境、情感、思考與活動體驗的很多方面。然而，關聯體驗又超越了個人感情、個性，加上“個人體驗”，而且使個人與理想自我、他人、或是文化產生關聯，這是體驗的最高層次[6]。除此之外還需滿足學習者的學習需求(促進個體學習和社會化學習)。無論是課堂空間的布局，設備技術的選擇，還是教與學資源的設計、活動的組織實施等均需體現良好的可用性、易用性，這些都充分說明未來課堂的設計應體現以學習者為中心的設計理念。

根據未來課堂的環境設計理念，我們提出了未來課堂環境模型，如圖1所示。未來課堂環境模型實質上是一個云模型，核心為云端技術。該模型分為四個層次：物理硬件層、云虛擬化層、教育中間件層和應用接口層。

由圖1可以看出，未來課堂環境模型的最低層為物理硬件層，包括主要的物理硬件設備，如服務器集群、存儲設備群、教室基礎設備和網絡設備等。

云虛擬化層為核心層，將會引入云計算技術，輔以虛擬化技術、人機交互技術等的無縫整合，將物理硬件層進行升級和改善，打造出一個云課堂基礎設施環境，即是一個云服務部署平臺，包括云數據庫、云內容管理、云存儲、云搜索引擎、云數據分析和云計算等。

圖1 未來課堂環境模型

教育中間件層是在云應用運境下，實現綜合教育信息化功能，各種教育軟件的統一平臺應用，并具有強大的移植性和伸縮性。未來課堂強調課堂學習方式的多元化，強調滿足學習者的自主、個性化和泛在學習需求。課堂學習資源可以達到真正意義上的最低成本的共享，同時可以將課堂直播系統、智能錄播系統、遠程教學系統和課堂問卷系統等集成于同一個云平臺。

應用接口層，提供強大的標準化的應用接口和公共的通信服務，通過網絡和接口將課堂空間進行延伸，用戶可以便捷地訪問云端設備和服務。用戶可以在任何時間、任何地點、任何瘦終端教室設備(筆記本、iPad、手機、信息采集器、電子交互白板等)，通過通信網、互聯網或物聯網等任一方式訪問云端資源。

(二)設計原則

根據對真實的未來課堂環境需求的理解，具體進行設計時應重點關注這個場所的特定功能，關注如何利用技術改進學習工具的使用，改善教學效能，對各個環節進行分析和合理設計。筆者認為，本研究的設計首先應把握九個前提原則(如下頁圖2所示)，即新模型化、穩定性、透明性、兼容性、交互性、友好性、方便性、先進性。

未來課堂教學環境的九個設計原則表明：首先，必須改革傳統課堂模式，實現新模型化；其次，穩定性、透明性和兼容性應該是一項教育技術同時具備的條件，該研究環境中的技術應能很好地隱藏技術細節，能長期穩定地工作，具有符合國際和國家標準的接口；第三，交互性是教學技術服務的目標，只有老師和學生能很熟練、很容易地使用這些技術，才能很好地達到交互的目的，它與友好性和方便性這三個原則放在了一個位置；最后，在上述原則的基礎上，才能去關心先進性，如果拋開上述原則而單獨去關心技術的先進性是沒有任何意義的。本研究認為作為實施課堂教學活動的主要場所，未來課堂也是一個相對正規的學習空間，這個空間的設計主要考慮的維度應包括教育理論的維度、技術應用的維度和空間設計的維度，目的在于將未來課堂的空間環境、所使用的技術手段以及采用的教育教學內容、方法有機結合，共同促進學習者的學習與發展。

圖2 未來課堂環境設計原則

三、物理環境的設計與實現

(一)需求分析

為了讓設計出來的未來課堂教學環境更加符合教師和學生的需求和愿景，本研究在設計之前，對中小學教師和學生實施了問卷調查和訪談。問卷主要從三個方面對師生進行調查，包括：(1)學校課堂信息化教學環境建設情況；(2)現有課堂信息化教學環境建設應用情況；(3)對未來課堂信息化教學環境建設的期望。訪談主要針對中小學教師對于未來課堂的看法進行。

1.問卷調查

問卷采用了李克特5級量表，調查對象主要是溫州地區中小學教師和學生，一共發出學生問卷320份，教師問卷120份，收回學生問卷318份，有效問卷310份，收回教師問卷120份，有效問卷120份。學生問卷主要集中在初中學生，只有小部分學生是高中生和小學生。教師問卷集中在初中教師，小部分為高中教師，學科不特定，各個學科都有。

從問卷的結果可以看出，現在中學的信息化教學建設水平都上了一個臺階，但深入程度并不夠。很多傳統的教學方式在繼續沿用，教室環境改革力度也不夠。學生在這樣的教學環境下既有十分適應的，也有很期待改進的。教師認為現在課堂信息化教學環境已經相對成熟，在交互方面還是較令人滿意的。但是不可避免的，它還是存在許多缺陷，因此需要在未來課堂教學改革中有所完善。

學生在現在的課堂上，更加注重和教師之間的交流，而不是老師一味地講課。不僅希望通過老師講課獲得知識，也希望通過自己的探索獲得更多知識。另外，對小組合作和個人學習，希望有更先進的教學媒體和技術提供支持，來提高效率、激發興趣。對一個班級人數定位在15-25人，小組合作人數也希望在4-6人，這有可能是學生比較容易接受的小班化教育和小組合作。從該部分的調查我們不難看出教師對技術的認可，以及對使用技術設備的能力的看重。教師也希望可以通過多種技術手段與渠道拓寬學生們的學習范圍，提高他們學習的自主性及效率。

學生們對未來課堂信息化教學環境建設還是有很多期待的：有高科技媒體和技術的支持，相對舒適的教室環境，高效、互動性高的個人和小組學習環境，自主性高的自學平臺。教師們最希望改變的是學習方式，其次是教學模式維度以及人數控制。在具體的改進過程中，肯定也離不開對其他許多方面內容的不斷研究與探索，以期在改進后達到他們所預期的促進學生學習的目標效果。

本研究對調查結果中與未來課堂環境建設有關的數據項進行了統計分析后發現，其中師生對平板電腦進入課堂成為學習設備之一(S10)、平板電腦作為電子書包對學習有好處(S11)、在未來的課堂教學中學生有更多機會和同學老師交流(S4)、合作學習方式需要有討論小組獨立的展示屏來展示作品成果(S9)、課堂學習需要隨時從網絡中獲取額外的學習資源(S13)、每個學生一個終端會提高學習效率(S12)、現在的課桌椅的排列方式和形態不利于課堂上的合作交流(T7)、技術設備在未來教室中很重要(T4)、各種終端和展示屏都要用無線互聯(T15)、平板電腦很有可能進入課堂(T14)、未來課堂在空間和布局上更具靈活性(T3)、大型交互屏有利于教學效果(T10)、在未來的課堂教學中應該加強學生個性化學習、合作學習等方式(T5)等都表現出來較高的肯定態度。這13個調查項目的所得數值如表1所示：

表1 調查項目得分統計表

續表1

從對上頁表1的數據分析可以看出，給出的所有調查項目的平均值均在2.5以下，說明中小學教師和學生對于未來課堂中以上幾個調查項目所述問題還比較認可和接受。尤其是對平板電腦進入課堂的應用以及多屏環境的學習給予了肯定。另外在對320位中小學生的調查中發現，有近80%的學生認為4-6人進行小組合作最為合適，70%的學生認為15-20人組成一個班比較合適。

2.訪談調查

另外，本研究還對中小學各學科教師進行了訪談調查，一共做了16份訪談，訪談對象包括各個學科初、高中教師。由于未來課堂環境建設偏重于新技術接受方面，其中8份選擇信息技術教師作為訪談對象。對訪談結果進行匯總后筆者發現，100%的教師都覺得現在的教學環境存在很多不足，例如教學輔助設備和教學資源利用率較低、小組合作學習過于形式、技術未起到真正作用等。

在被問到現在教學環境存在何種問題或不足時，教師認為當今的教學環境還是以基于課堂單方向的傳授式教學為主，教學環境缺乏一定的自由度，對于學生的交流合作、主動學習等還是有一定的限制。在溫州初中、高中環境下，教室布局還是傳統的并排式擺放，可供學生活動的空間較少，不利于小組合作學習。但在與高中老師的交流中，我們得知，教師們對此也很無奈，幾乎所有老師都知道小組合作學習、自由度大的教室對學生的學習效率、學習興趣等的培養有好處；但是，就當今的高考壓力以及教學任務來說，不允許他們進行這樣的改革。老師們覺得教學環境的根本改變，還得從教學體制的改變以及教學評價體系的改變說起，否則傳統教學環境的弊端將繼續延續下去，難以改變。

在被問及可移動的終端是否會成為主角時，老師們多數認為可移動終端在現今的教學環境下的必要性不是很大，并且可移動終端存在分散學生注意力等弊端，但老師也普遍認為可移動終端將成為一種趨勢，在未來應該會得到普及。多數老師認為現在移動終端的附加功能太多了，肯定會分散學生注意力的，合理地進行控制才是關鍵。

在未來課堂對教師學習應用新技術教學的負擔有何看法中，老師們覺得新技術的運用的負擔肯定是有的，并且新技術是否能完全地、很好地應用到教學中，這很難說，并且就一些老教師來說，已經形成了自己的一套教學體系，如果進行新技術的普及會存在一定的阻力。

對于未來課堂配置智能實錄系統記錄的課堂教學，教師們普遍認為課堂實錄系統的必要性還是非常大的，課堂實錄系統對于教師(尤其是新教師)改進教學方式、發現教學中存在的不足等都是非常必要的，相當于一種實時的評價體系，對教學的改進非常有好處。

對于未來課堂實驗室為每一個學習小組配置的公用顯示屏能否促進小組同學之間的交流和學習，老師們認為公用顯示屏只是作為一種交流的手段，當然，它能促進小組間的交流與學習，但是否必要還很難說，畢竟有許多的交流形式來說比公用顯示屏可能有效、更利于普及，對公用顯示屏是否存在技術障礙存在疑慮。

課桌椅形式和排列對學生的分組學習是否產生影響？教師們普遍認為在傳統教學模式下，并列式的課桌椅擺放已經進行了這么多年，對于分組學習存在一定的不足。但是作為相對成熟的一種教學環境，分組學習也可以在并列式擺放下進行，影響有但是可以克服。就現在的教室大小與布局來說，為了小組學習而改變教室課桌椅擺放的方法可行性倒不是很大。

通過調查問卷和訪談，整體來說，對于新技術和裝備引入課堂學生表現得更為期待；對于靈活的個性化學習、合作學習等學習方式，教師表現得更為認可，但是教師對于改變現有課堂形式和教學策略存在一定的顧慮。這對未來課堂環境的設計提出了更高的要求，技術的師生體驗度成為環境設計的重要指標，技術的先進性應該建立在易用性和良好的體驗基礎上。

(二)設計思路和關鍵技術

1.設計思路

根據前兩節的需求分析和設計原則，從物理架構角度看，未來課堂是個教學場所，是一個有限的教室空間，教室里越簡潔，空間使用率越高，感官舒適度越高。因此，未來課堂教學環境的設計(如下頁圖3所示)，首先必須充分利用新技術新媒體的優勢，實現設備集成與智能化控制、大容量的數據存儲和安全管理、不同設備間的數據與應用無線共享、降低成本、易用性和便捷管理、快速便捷的網絡接入通道、友好的訪問方式。利用無線技術和觸屏顯示技術為師生構建一個透明的技術環境，為實現未來課堂的多種學習和交互方式奠定了基礎。

未來課堂環境的系統架構的所有軟硬件設施后臺支持都隱藏在云端，通過無線網絡互聯和接入互聯網。從教育技術的特點來說，未來課堂環境要以積極配合未來課堂教學為前提，并在師生的教與學活動中發揮出環境平臺的優勢和特色。如圖3所示。

圖3 未來課堂環境的設計思路

未來課堂環境建設應契合未來課堂理念，要實現硬件設備上的集成控制和降低成本，形成強服務端、瘦終端的理念。充分利用自身搭建的云支持平臺和平板提供商構建的應用軟件服務資源庫。在教室的客戶端中要實現多用戶多元化學習支持的友好訪問界面，并且能夠實現開放式的終端登錄，能夠定制、刪減界面軟件等，即實現云平臺的所有特色，并在未來課堂應用中發揮出效果。未來課堂環境還應提供共享資源庫、學習軟件超市、課堂錄播子系統、課堂遠程視頻子系統、移動座椅、多屏組合與交互等學習支持手段。

2.關鍵技術[7]

(1)無線技術

“無線”技術正在使我們的生活逐步擺脫“線”的束縛，還給人們一個自由的空間。那么，有哪些“無線”技術可能給我們課堂帶來改變呢？簡而言之，包括：無線網絡技術、無線“電力傳輸”技術和無線“視頻投影”技術。在未來課堂中，基于泛在網絡技術可以實現課堂內各主體之間，包括人與技術、技術與技術、技術與環境等相互之間的無縫鏈接，使學習變得更為便捷和人性化。

(2)屏幕顯示技術

屏幕顯示會帶給人們更自由、豐富的想象空間，未來屏的形態功能將發生根本性的變化，將影響課堂形態的屏顯技術可能有如下趨勢：具有顯示功能的屏向具有交互功能的屏轉變、單觸屏技術向多觸屏技術發展和單屏顯示向多屏顯示技術發展。屏幕顯示技術的發展是從計算機誕生開始的，人們被慢慢地從自由空間拉到了屏幕前面，我們未嘗不是逐漸成為屏幕的俘虜的，但是未來屏幕顯示技術的發展卻會還給我們一個自由空間。顯示屏幕的未來是什么呢？自由的屏將帶給我們自由的空間，我們所能描述的是屏將無處不在而又遁于無形。我們將沉浸在顯示屏所構建的環境中卻不需要刻意注意它的存在。屏顯示技術的發展為心流體驗的空間環境架構提供了更多的想象。

(三)物理環境實現

為了架構未來課堂物理環境，研究者在溫州大學搭建了未來課堂教學研究實驗室，為了提高教學環境的感官舒適度，實驗室利用了面積為150平米的框架空間，兩側為全落門窗，有充分的采光和空氣通透性。提供的未來課堂教學環境不同于傳統教學環境的大班教育，本研究將該環境的學習者人數定為16人，分成4小組，每組4人。根據本環境中各硬件所面向的對象不同，將本環境中的硬件設備分成四大類，如表2所示。

表2 未來課堂物理環境硬件設備清單

傳統的教學/學習環境(教室)主要是為黑板而建。在未來課堂教學環境中，學習者每個人都配有一個學習終端(平板電腦)，并且在該環境中設置了多個顯示終端，學習者可以按照需求選擇不同顯示終端進行學習，同時教師也可以將教學內容推送到學習者的學習終端上。因此在未來課堂學習環境的物理空間結構上，以活動性為主，沒有嚴格的位置固定要求，這里的學生座椅和終端，合作學習的公共屏都采用可移動方式。該環境提供了較強大的智能學習支持環境，主要有多屏學習展示環境、泛在網絡支持的拓展環境、可移動的開放環境、集中的后臺服務環境等，具體結構配置如圖4所示：

圖4 未來課堂物理環境架構圖

1.多屏學習展示環境

教室包括教學者使用的兩臺多功能一體機、多媒體立屏以及學習者小組合作所用的交互式電子白板。將移動學習環境設置成多屏學習展示環境，其目的是為了支持教學者能夠利用各種交互式顯示屏進行多角度的教學展示，也是為每個學習小組提供的一個進行合作、交流、展示的公共屏。

2.泛在網絡支持環境

移動學習環境應是一個簡潔的、人性化的、易于使用的學習環境，因此在該環境下的大量設備之間的連接和通信必然需要借助無線的連接和傳輸，包括平板電腦—展示屏、平板電腦—投影儀、平板電腦—Internet網絡、平板電腦—觸摸桌、一體機—Internet網絡等，也需要借助像網盤之類的網絡存儲服務。泛在網絡支持環境可以實現移動學習環境中多數設備之間的無縫連接，并且更好地實現各設備之間的互動，形成交互自然的學習環境。

3.可移動的開放環境

移動學習環境本著以學習者為中心的設計理念，配合可移動的node學習椅和便攜學習終端(平板電腦)以及泛在網絡環境，四個小組合作屏(觸摸桌)也設置成可移動。

4.集中的后臺服務環境

后臺服務環境包括遠程服務器、視頻會議系統和錄播系統。由于移動學習環境運用了云桌面學習系統，海量的數據傳輸和處理無法用一般的主機實現，需要利用遠程服務器支持這部分的功能。為實現遠程視頻教學以及教后反思，實驗室還在該環境下設置了四個高清攝像頭和四個置頂拾音器，配合中央控制臺的控制系統，對該環境下的教學者和學習者在整個教學活動中的表現進行實時錄制。

四、總結與展望

對于未來課堂的研究和關注是筆者團隊一直關注的課題，從技術層面實現一個較為成熟和具有教學實踐價值的未來課堂是我們的最終目標。本研究所實現的是在現有技術條件下，根據未來課堂的設計理念實現的一個未來課堂設計的實踐案例，為以后基于未來課堂的教學研究提供環境基礎，為未來課堂設計建設提供一個實證案例。

[1] 鄭永柏.從技術的發展看教育技術的過去、現在和未來[J].電化教育研究,1996,(4)：8-14.

[2] 戴維.H.喬納森.學習環境的理論基礎[M].上海:華東師范大學出版社,2002.30.

[3][7] 葉新東,陳衛東.多屏顯示創建教學的心流空間[J].電化教育研究,2011,(10):55-60.

[4] 郭成. 課堂教學設計[M].北京:人民教育出版社,2006.50.

[5] 陳衛東.教育技術學視野下的未來課堂研究[D].上海：華東師范大學,2012.

[6] 牟峰,褚俊潔.基于用戶體驗體系的產品設計研究[J].包裝工程,2008,(3):142-144.

葉新東：在讀博士，副教授，研究方向為新技術新媒體與教育(yxd@wzu.edu.cn)。

陳衛東：博士，副教授，研究方向為信息技術教育應用、未來課堂(Wdchen72@126.com)。

張際平：教授，博導，研究方向為網絡教育應用、教育信息化(jpz@ecnu.edu.cn)。

2013年5月18日

責任編輯：馬小強

G434

A

1006—9860(2014)01—0082—06

* 本文系全國教育規劃(教育部規劃)課題項目“利用可視化理念構建高效課堂教學模式研究”(項目編號：FHB120580)、浙江省教育廳科研重點項目(項目編號：Z201120999)“學習環境因素對思維影響的腦機制研究” 和教育部人文社會科學研究一般項目青年基金項目“基于未來課堂的思維可視化策略研究”(項目編號: 11YJC880145)的研究成果之一。