智能教室建設的關鍵技術與實現*

◆謝舒瀟

作者：謝舒瀟，暨南大學網絡與教育技術中心副研究員（510632）。

在信息技術高速發展的今天，人們對教室環境及功能提出更高期望，要求教室不僅要作為教學的空間，而且要更多地參與到教學過程中，通過對各種信息化教學設備的智能連接，提高學生、教師和教室的互聯度，營造更加開放、靈活的學習空間，推進教師的教學創新和學生智能化學習水平的提高。智能教室在這樣的背景下應運而生，并越來越地受到人們的重視。

1 智能教室的定義

智能教室也稱為“智慧教室”“未來教室”，在英文中常用Smart Classroom、Intelligent Classroom、Future Classroom等表達。智能教室還是一個發展中的概念，還沒有統一的定義。澳大利亞Darrell Fraser認為：智能教室是利用新的授課與學習技術，包括互動電子白板、裝有學習資源和軟件的電腦、視頻會議系統、攝像頭、屏幕和投影系統以及桌上觸摸屏等，為師生創建靈活、多用途場所的新型教室，便于開展面向不同學生的個性化學習[1]。臺灣《啟動學習革命》一書中認為，未來教室=無所不在的學習環境+電子書包+隨意教室+遠距實驗室+高互動教室+相連教室[2]。胡衛星等認為智能教室是新科學技術發展并應用于學校課堂教育的產物，它是一種以泛在網絡環境等先進科技為基礎，以合適的數字化課程和資源為前提，以互動為核心，實現教與學過程最優化的新學習環境與空間[3]。

綜合上述觀點，筆者認為智能教室是在現代以人為本教學理念下，將網絡、通訊、傳感、觸控、人工智能、環境控制等多種先進技術融合在一起，所構建的一個設備先進、功能完善、資源豐富、交互廣泛、靈活多樣、綠色舒適，有利于教學創新和人全面發展的教學環境和智能空間。

2 國內外智能教室建設的典型案例

智能教室建設是當前教育信息化的一個熱點研究領域，世界各國的政府、學校、企業對于智能教室的建設進行了許多有益的探索。下面列出智能教室建設的一些典型案例。

1）美國費城學區和微軟公司的“無邊界、無課本課堂”：校園架構無線網絡，學生使用Smartboard上課，教學活動依托微軟公司開發的主題資源和網上資源開展，學生可在校園的任何地方進行非固定作息的個性化學習[4]。

2）美國麻省理工學院TEAL教室：教室多屏幕展示，以小組為布局，桌椅與實驗裝置相連，每組配電腦和視頻記錄設備，配備3D和2D虛擬仿真實驗系統、個人實時回饋系統和網絡教學系統[5]。

3）英國杜倫大學“未來派課堂”：多點觸控、多用戶智能課桌與智能黑板組成全面協作的協同網絡，支持個別化和協作學習[6]。

4）新加坡“未來學校”：集成互動白板、播客、博客、平板電腦、無線上網、3D仿真學習環境和啟發式在線學習代理，在線為學習者提供教育信息和解決問題的方案[7]。

5）日本東京大學KALS教室：教室分為工作區、等候區等五個概念區域，可根據需要進行調整；教室四面都安裝了無線投影儀，可支持16名學生同時展示作品；配置豆瓣型桌椅，配備交互式電子白板、平板電腦和學生個人反饋裝置[5]。

6）臺灣南湖小學智能教室：教學主控計算機四部、LCD屏幕六面、桌椅六組、攝錄像機六部，搭配實時互動系統、在線編輯系統、電子白板教學系統、無線廣播系統[8]。

7）清華大學智能教室：在Smart Platform（智能平臺）協調下，利用虛擬出席、透明人機接口和經歷記錄技術把普通教室增強為實時交互遠程教室[9]。

8）華東師范大學智能教室：基于泛在網絡實現手提設備的無線接入，教室采取多通道顯示，能進行課堂實錄和遠程互動教學，教學資源與情境虛實結合，桌椅便于移動和組合，采用智能控制技術，實現光、聲、溫度、教學設備的控制[10]。

9）華中師范大學智能教室：教室配備電子雙板，具備視音頻交互錄播系統，教室布局靈活，建設Hstar云平臺，實現物理空間、資源空間、社交空間的結合[11]。

綜合上述案例，可以看出雖然各智能教室的構成不完全相同，但其總的發展趨勢是利用信息、通訊、電子等技術的新成果，營造一個能將人、技術、資源、環境和教學活動有機結合的自由、開放、創新的教學空間，從而打破課堂教學中傳統講授式的單一格局，使課堂教學活動變得生動、多樣、有趣、高效。

3 當前智能教室建設的關鍵技術實現

參考國內外智能教室的建設與發展情況，智能教室一般應具備“智能大屏幕信息呈現”“多元高效互動”“豐富資源獲取”“學習歷程記錄”“設備集成控制”“創意空間排布”和“智能環境控制”等功能。為實現這些功能，智能教室的建設可以從硬件設備、軟件資源和創意環境三方面著手。

硬件設備 硬件設備是智能教室中不可或缺的組成部分。智能教室的硬件設備主要包括智能交互顯示系統、智能錄播（視頻會議）系統、智能終端、應答反饋系統等。

1）智能交互顯示系統。智能交互顯示系統是智能教室重要的組成設備，從一定意義上說，它代表了課堂教學技術發展的新趨勢。目前智能交互顯示系統主要可以用交互式電子白板、互動智能平板、虛擬現實等技術實現。

①交互式電子白板。交互式電子白板將傳統黑板書寫與計算機多媒體顯示的優點結合起來，教師和學生可以隨意調用各種教學素材和應用軟件來進行教學，還可以用感應筆或手指直接進行板書、繪圖、編輯、保存、分享等操作。交互式電子白板所能提供的豐富教學手段和方便的人機交互方式，為課堂教學改革和創新提供了更廣闊的空間。

②互動智能平板。互動智能平板是伴隨著大屏幕顯示技術和觸控技術的快速發展而產生的，它集成了大屏幕顯示、定位、信號傳輸、多媒體、手勢感應、語音感應等多種技術的最新成果，不僅具有交互式電子白板的所有功能，還將投影、功放、電腦、中控等多種設備功能集于一體，解決了當前多媒體教室設備分散、連接雜亂、操作繁瑣、設備協調與兼容性差等問題。尤其是配合大屏幕無縫拼接技術，既有效解決了大尺寸高清晰顯示的難題，又實現了不受亮度影響的最佳書寫效果，還可實現遠程異地多方的可視化交互。互動智能平板對比交互式電子白板具有一定的技術優勢，發展潛力巨大，但目前價格相對較高。

③虛擬現實和增強現實技術。虛擬現實和增強現實技術的飛速發展，為它們應用于教學提供了更多可能。在智能教室中應用3D互動投影、3D電視和AR等虛擬技術，也越來越受到教育工作者的關注，這些技術所具有的沉浸性、交互性和多感知性等特點，必將為教學帶來新一輪的飛躍。目前這些虛擬技術還處在發展中，還存在價格高和視覺易疲勞等問題，但可以預見的是隨著虛擬技術的不斷進步，它將會越來越多地運用到智能教室的建設和教學中。

需要注意的是，在智能教室建設中經常集成多種智能交互顯示系統，形成多屏顯示的格局。多屏顯示可以彌補單屏顯示的顯示尺寸和顯示任務單一等固有不足，可以使計算機的多任務操作能力和人的多任務操作能力相匹配，做到人與環境交互的流暢體驗，使信息技術與課堂教學達到無縫鏈接[12]。

2）智能終端。在智能教室的構成中終端設備是必不可少的。終端可以是聯網的筆記本電腦、平板電腦、電子書包、智能手機等。這些終端設備是重要的個性化學習和交互工具，教師和學生既可以通過終端進行教學資源的獲取、利用、重組、分享和創新，也可以通過終端進行師生、生生以及遠程異地之間的交流和互動。智能終端的采用將教師和學生從傳統教學“我講你聽”的格局中解放出來，極大地拓展了學習和交互空間，賦予師生前所未有的自由度。

3）智能錄播與視頻會議系統。智能錄播系統是實現課堂真實記錄的重要工具。智能錄播系統通過圖像識別跟蹤、語音跟蹤、鼠標點擊跟蹤和智能視頻分析等技術實現多路視音頻信號的自動錄制、自動跟蹤和自動切換，不僅能夠將教師、學生、板書、數字化教學資源等整個教學活動真實地記錄下來，而且可通過后臺的軟硬件控制系統直接將錄制的視音頻上傳到云資源平臺，實現網絡直播和點播。除智能錄播外，在智能教室的建設中還需引進視頻會議技術，以便進行異地遠程教學和交互。

軟件資源 智能教室中除了包含多種類型的硬件設備外，還涉及很多軟件模塊和大量的教學資源，通過這些軟件和資源一方面使硬件設備更好地統一協調工作，另一方面為學生提供豐富的學習資源和體驗。

1）智能控制平臺。智能控制平臺是智能教室的神經中樞，它通過分布的軟件模塊之間相互的通信、協作和聯接，將教室中的軟、硬件設備統一、協調起來，構成一個智能整體，實現設備的集中控制和管理，共同為用戶提供智能服務。智能控制平臺的實現技術是普適計算、傳感技術、智能代理、游牧服務、人工智能等多種先進技術的融合，通過這些技術的綜合應用，將信息空間和物理空間有機結合在一起，為師生營造自由開放的智能環境。

2）云學習資源。云學習資源是利用云技術構建的海量教學資源存儲、極速運算和服務中心。師生利用任何聯網的終端就可以快速地訪問、查找和存儲學習資源、共享應用軟件，并可輕松實現不同設備間的互通互聯、應用共享和數據同步，為師生開展各類教學活動提供智能化的支持和服務。

創意環境 環境心理學認為，人總是生活在一定的環境中，人的情緒和行為會受到外界環境的影響。智能教室不僅是一個融合先進技術的學習環境，更應是一個以人為本的創意智能空間。它在為教與學創設良好條件的同時，更應該關注人的發展，要能為人的認知、技能、情感的發展和創新行為的產生提供有力的支撐。

1）泛在網絡。互動是智能教室的核心。泛在網絡是智能教室交互互動開展的基礎，它通過M2M無線網絡技術、傳感器網絡、智能嵌入、NFC近程通信和RFID等相關技術提供了一個無所不在的網絡接入環境，便于教師、學生與各種設備、資源和環境之間實現無縫的連接和廣泛的互動。

2）智能環境。智能教室除了采用先進的技術促進人的學習外，在整體環境設計中更要以人為本，從人體的生理、心理等角度出發，對整個教室的色彩、燈光、聲音、溫度、濕度等進行設計和控制。如通過傳感器自動感知和調節溫、濕度；采用智能燈光技術，通過單燈、多燈組合、旋轉等改變光照角度和模式，滿足不同年齡、不同環境、不同季節、不同情感的照明需求，為學習者營造舒適的物理和心理學習環境。

3）自由的創意空間排布。心理學家米哈里·齊克森米哈里認為創意的空間排布有利于促進群體成員形成一種樂在其中的全身心投入狀態，而人在這種狀態中常常會爆發出驚人的創造力[13]。智能教室的空間布局要靈活、多變，富有創意，要能分出多個區域，如探究區、互動區、實踐區、創新區等，而且這些區域并不是一成不變的，要能進行自由的分割和劃分，以最大化地滿足教學需要。智能教室中的桌椅要將功能、美觀、舒適度等一起綜合考慮，要能方便地移動、排布，能夠為不同教學模式的實施提供多種形式的組合和排列，能將學生從傳統教室的固有空間模式中解脫出來，通過自由的人性化創意學習空間，促進學生更好地投入到學習中，更加激發創造潛能。

以上，簡要介紹了當前能運用到智能教室建設中的關鍵設備和相關技術。隨著科技的進步，會有越來越多的新技術（如3D打印、智能機器人、體感技術、物聯網技術等）運用到智能教室的建設中，將為課堂教學改革與創新營造更為廣闊的創意空間。智能教室是信息時代教學環境發展的必然趨勢，各學校應根據自身實際，綜合考慮需求、功能、價格和未來發展等多方面因素，因地制宜地加快智能教室的建設，從而為教學創新和高素質人才培養搭建重要的平臺。■

[1]未來智能教室亮相世博會[N].計算機世界,2010-10-11(031).

[2]陳德懷,林玉佩.啟動學習革命:全球第一個網絡教育城市亞卓市[M].臺灣:遠流出版社,1999:171-181.

[3]胡衛星,田建林.智能教室系統的構建與應用模式研究[J].中國電化教育,2011(9):127.

[4]馮大鳴.21世紀先鋒學校的創新及預示:對美國費城“未來學校”的考察與評析[J].全球教育展望,2007(6):68.

[5]謝未,江豐光.東京大學KALS與麻省理工學院TEAL未來教室案例分析[J].中國信息技術教育,2013(9):99-100.

[6]英國打造出觸控交互式智能的“未來派課堂”[EB/OL].[2012-11-28].http://www.misoft.com.cn/article-449-1.html.

[7]高燕.啟發式在線學習代理[J].外國教育研究,2013(1):61-64.

[8]臺北南湖小學未來教室應用分享[J].中國信息技術教育,2011(11):7-8.

[9]謝偉凱.智能空間關鍵支撐技術的研究[D].北京:清華大學計算機系,2003:103-118.

[10]陳衛東.未來課堂設計與應用研究:教育技術研究的一個新領域[J].遠程教育雜志,2010(4):31.

[11]楊宗凱.未來教室 未來教師 未來教育:信息技術與教育的融合變革[J].中國現代教育裝備,2014(11):10.

[12]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):58.

[13]鄧鵬.心流:體驗生命的潛能和樂趣[J],遠程教育雜志,2006(3):74.