智能可視化教學環境的設計與研究

蔣達央姚 琪

1.常州信息職業技術學院信息中心 江蘇常州 213164 2.常州信息職業技術學院經貿管理學院 江蘇常州 213164

智能可視化教學環境的設計與研究

蔣達央1姚 琪2

1.常州信息職業技術學院信息中心 江蘇常州 213164 2.常州信息職業技術學院經貿管理學院 江蘇常州 213164

在智慧教育的興起，可視化、大數據、云計算、物聯網應用越來越深入的背景下，以雙主模式為基礎，根據“以人為本”“以學生為中心”的設計理念，設計智能教學環境的功能結構。以課堂環境系統構成為切入點，設計了VISUAL可視化教學環境模型，并結合國內外智能教室的經典案例，展現當前對智能教學環境設計的探索熱潮。

可視化；教學環境；智能教室；教學管理

隨著國家“十三五”規劃的發布，創新人才培養理念的提出引發了人才培養策略和教學形式的轉變。新的教育理論與教學技術的應用要求傳統形態的教學環境改變，可視化技術、多媒體技術、人工智能以及計算機通訊技術的發展為教學環境的改變提供了可能。

自20世紀80年代以來，教學環境的發展主要經歷多媒體和網絡化兩個階段。多媒體階段以計算機和多媒體設備(投影儀、實物展臺、VCD、音響等)為主要的電子化教學硬件。網絡化階段以教室接入校園網，并能便捷的訪問互聯網，調用網絡教學資源，并組織教學活動為主要表現形式。網絡化階段大大拓展了教學活動的空間，實現了教學實時或非實時的互動。

隨著“智慧”一詞的興起，以物聯網、大數據、云計算為代表的新興信息技術應用日趨廣泛。在教育領域，具有智能管理、智慧應用、可視化等特征的智能教學環境成為新的建設熱點。新一代智能教學環境將成為以“學生為主體，教師為主導”的雙主模式的教學主陣地[1]。

1 設計理念和原則

1.1 設計理念

智能教學環境的設計首先需實現智能化。教學過程摸不清，看不透，設備控制無序混亂的課堂成為過去時。智能教學環境的設計理念體現“以人為本”“以學習者為中心”理念，專注于學習環境對學習者產生的影響，從技術層面滿足需求。

智能教學環境是社會發展的需求，是一種對傳統課堂的重構與突破。基于可視化技術，重新對課堂的空間布局、設備選型及技術進行選擇，重新對教學資

源展開設計及應用方式的變更，對教學活動的組織實施形式都要以學習者為中心。利用物聯網技術更好地關注學習者的情感、心理需求，把他們積極的學習動機和行為調動起來，充分發揮課堂主體的主動性、能動性，使學習更有成效。

1.2 設計原則

本文的智能教學環境指的是一個物理空間。智能教學環境的設計應體現新穎性、穩定性、智能性、集成性、兼容性、友好性、便捷性的原則。它是學習者開展協作、交互的聚集地，是學習中心。它是一個教學儀器設備的集合體，是遠程可視化智能系統的一個終端模塊。它把學習資源、信息資源、設備資源、技術資源、人力資源有機融合，體現出一個包容的、可拓展延伸的空間。

2 功能設計

2.1 教學全程可視

在智能教學環境下，配有教學全程實錄系統。未來教學將是預設性與生產性并重的教學過程。在教學過程中，會有很多臨時性、過程性資源產生，實錄系統將整個教與學的過程記錄下來，以視頻形式上傳到資源云系統中，形成一種可視的教學資源。課后，學習者即可通過資源云中的錄像重新回顧或反思學習內容，也可供其他學習者做學習的參考。另外，教學管理者或教師自身也可通過實錄資源，觀察教師的授課狀態或學生的學習狀態，進而提升教育行為藝術與教學效果。

2.2 教學資源網絡化

云計算技術的出現，使得網絡教學資源得以更便捷的開展應用。智能教學環境中教學資源寄存于學校資源云中，師生隨時隨地可通過移動終端或PC訪問“云”中的資源。每個師生均有一個自己獨立的云空間，可開放共享部分或全部資源給其他人，也可私有保密。對于每位師生而言，云存儲提供了近乎無限量的存儲空間和萬無一失的數據安全。U盤、移動硬盤等傳統存儲媒介的不穩定、易染病毒等缺陷完全消失。

2.3 教學內容多屏交互顯示

根據美國學者埃德加?戴爾提出的“學習金字塔”理論，觀看影像資料、參與交流討論和實際操作所習得的知識記憶率都在50%以上，甚至高達90%[2]。因而從學習規律來看，智能教學環境中教學內容的展現需要采用多塊交互式顯示屏實現。交互式多屏顯示的意義除了使師生擺脫固定綠板與粉塵污染的弊端外，更多的是便于教師利用多塊顯示屏同步或異步展現更具有吸引力和更易記憶的教學內容，同時也利用學生開展小組學習時的互動、交流與展示。顯示屏可以是具有交互功能的大屏，也可以是靜態屏與交互屏的結合。多屏顯示設計的空間布局須具有靈活性，可要滿足多種教學形式的需求。

2.4 聲、光、溫、濕智能調節

在智能教學環境下，如何創建一個舒適的環境，體現“以人為本”的設計理念，其中聲場、光線、溫度、濕度等影響教學的外圍設施的布局設計與操控功能非常關鍵。師生應專注于教學內容與教學過程，外圍聲、光、電的調節與控制由智能化系統根據環境變化自動實現。擴音器和音箱的聲場布局要均勻，注意混響延時；光線根據教學情景自動調節窗簾開合、燈光亮度及照射角度；溫度和濕度通過傳感器利用中央通風設備自動對室內溫濕環境進行控制。

2.5 WI-FI網絡與電氣集成控制

由于各類智能便攜式移動終端設備的普及化，智能教學環境的創建離不開優質的網絡配套服務。高速、高并發連接數的WI-FI網絡成為智能教學環境的必要裝備。教學資源的訪問、設備終端接入、學習交流互動、電氣控制、課堂實錄等均需要網絡來支撐。

智能教學環境下的智慧環境體驗很大程度上緣于電氣設施的智能調控。室內電氣設施的集成化、網絡化、智能化設計依賴穩定可靠的物聯網。網絡集成控制方式既便于統一管控，又能降低每個單元的能耗。

2.6 移動拼接式課桌

智能教學環境下的課桌椅是可以自由組合和分離的。課桌的形狀也可以多樣，例如正三角形、長方形、正六邊形等。這些形狀多樣的課桌可自由組合成更多的形狀，便于開展各類教學，方便學生面對面的交流討論(如圖1所示)。

圖1 組合拼接式課桌

3 模型設計

黃榮懷教授等認為智慧教室包含內容呈現、環境管理、資源獲取、及時互動、情境感知這5個維度，并建立了SMART智慧教室概念模型[3]。該模型側重從教室的智慧性角度來描述。本文則從課堂環境系統的組成來分析的智能教學環境的結構和功能，本文設計了VISUAL教學環境模型。該模型由可視管理(Visual Management)、基礎裝備(Infrastructure)、傳感物聯(Sensor combination)、泛在網絡(Ubiquitous Network)、接入開放(Access Free)、全程攝錄(Lasted Record)這六大系統組成，分別取這幾個系統的首字母，即組成VISUAL，具體結構如圖2所示。

圖2 智能教學環境設計模型

可視管理系統是指對室內的所有電子電氣設備及子系統實現監測控制的智能化可視管理信息系統。智能教學環境中的所有電氣設備的運行狀態、耗能節能情況通過遠程可視管理系統被實時監管。可視管理系統可遠程監看課堂所有設備，并可遠程下發控制指令。可視管理系統將接收到的各設備運行數據進行狀態分析，便于管理員形成更高效快捷人性化的管理策略。

基礎裝備系統是指教學環境中的基礎裝備，如物理空間結構、組合拼接式桌椅、交互顯示屏、燈光照明、電動窗簾、投影、計算機、音響、功放等各種新一代教學所需的器具。物理空間可突破原有單一的空間結構，采用移動擋板來實現可變式空間分割。組合式桌椅在符合人體工學的基礎上能自由拼合分離，滿足多種你教學實施所需。燈光照明、窗簾等其它基礎電氣化設備實現集成智能控制，由可視管理系統遠程接管。

傳感物聯系統是指利用傳感器將電氣設備連接起來，形成室內物聯網。該物聯網的作用主要用于結合可視管理系統，通過傳感器網絡實現設備狀態數據的采集，實現對終端電子電氣設備的智能控制。如室內溫濕度及氧傳感器將采集到的數據信號傳遞給可視管理系統，系統將自動比對數據，進而控制該教室的通風系統，以調節室內空氣和溫濕度。泛在網絡系統在智能教學環境中主要是指基于校園網絡的無線WIFI、云端服務和大數據平臺。隨著智能移動終端設備使用的普及，單一有線網絡已經無法滿足使用，具有多點接入、高并發量的無線網絡是新一代人才培養教學所需的必備品。基于云服務的各類系統、軟硬件教學資源實現融合。基于云計算的大數據分析系統也提供配套的應用服務。

接口開放系統主要是針對種類日益繁多的電子設備接口，如網絡接口、音頻接口、視頻接口、電源接口等。為了確保智能教學環境的長期可持續使用，確保不影響教學活動的開展，種類豐富的標準化協議接口成為未來教學環境中的必備品。開放協議、自由接入、免費使用是實現電子設備之間信息通暢傳輸的渠道，同時也是可視管理系統開展數據監測分析的通道。

全程攝錄系統主要是指基于網絡的教學全過程實時錄播系統，包括課堂實錄系統、課堂廣播系統、教學監控系統、電子考場系統以及課堂擴音拾音系統等。該系統既包含攝像機對教學過程的錄制和對現場聲音的采集，也包括對顯示屏交互操作和板書的記錄。該系統除了傳統的錄制功能外，還具有向其他課

堂同步傳輸實況教學場景的功能。

4 建設案例

4.1 卓越未來教室

上海卓越電子有限公司推出了多媒體教室與錄播教室融合的新一代教室建設方案。該方案的主要功能有身份識別(特定時間特定教室必須由特定的卡才能開啟設備)、集成網絡媒體中控(將投影機、計算機、音箱、功放、電子白板通過網絡集中管控)、多元接口(供外部便攜式設備使用，有網絡、音頻、電源、視頻、USB等)、課程錄播系統(具有自動錄制和手動錄制兩種功能，并可與PPT結合，錄制完成后直接傳送至網絡課程中心平臺)。

4.2 加拿大MCGILL UNIVERSITY大學智慧教學環境

該學校對智慧教室建設進行的試驗，在部分教室中在原有投影顯示設備的基礎上增加了大量傳感器計算機系統[4]。該傳感器能根據教師的行為自動激活相應的設備，無須手動操作，系統搭配出特有的適合本次課堂的教學環境。例如，教師進入計算機系統時，系統自動打開投影，降下幕布，室內局部燈光自動調節位置及亮度，窗簾自動開關，實錄系統自動開始錄制，并自動上傳到網絡資源平臺。該大學的智慧教學環境建設的目的是用技術提高教學和學習效果，讓師生在一個舒適的環境中把最多的注意力投放到教學過程與教學內容中。

4.3 澳大利亞未來課堂

澳大利亞維多利亞州在2010年上海世博會展出未來課堂設計理念的樣本模型。該教室的教學是在哈佛大學埃爾摩教授的支持下，形成的“e5”教學模式，即參與、探索、解釋、闡述、評估五個重要環節[5]。它把一個普通教室分隔成四大區域，分別是集中交流區、獨立學習區、合作學習區、室外開放學習區。各區域之間的分隔用軟隔斷進行隔離，便于調整。集中交流區類采用半圓形課桌椅擺放樣式，類似于會議廳。獨立學習區由一個個單人可移動桌椅構成，互不干擾；合作學習區采用小組討論式布局設計，利用組合式桌椅實現自由搭配的小組討論；室外開放學習區是利用室外的一塊空間，以休閑和茶吧的形式進行交流學習。

5 總結

從對智能教學環境的功能需求、設計模型以及相關案例可以看出，未來教學環境的設計是多樣的，各自有特點，智能教學環境僅是其中一種。有的設計側重與智能控制，有的側重與空間設計，有的側重于集成化管理，但其目的都是為了提高教學與學習效果。“以人為本”“以學生為中心”的設計思路，均為充分展現學生在教學過程中扮演的主體角色。無論是可視化技術、物聯網技術還是其他信息技術，都是一種手段，都是為了讓師生從技術中脫離出來，更專注于教學與學習，同時也是一種新的高效管理方式。隨著不斷涌現的新技術，應用的廣度和深度越來越大，這必將會改變課堂的結構，改變教學形式，最終會形成一個面向培養未來創新人才所需的和諧的智能教學新環境。

[1] 陳衛東,張際平.未來課堂的定位與特性研究[J].電化教育研究,2010(7):3-28.

[2] 王竹立.新建構主義的理論體系和創新實踐[J].遠程教育雜志,2012(6):3-10.

[3] 黃榮懷,胡永斌,楊俊鋒,肖廣德.智慧教室的概念及特征[J].開放教育研究,2012(2):22-27.

[4] 陳衛東,葉新東,張際平.智能教室研究現狀與未來展望[J].遠程教育雜志,2011(4):39-45.

[5] 熊建輝.澳大利亞維多利亞州科學教師專業標準述評[J].世界教育信息,2008(10):46-50.

Design and Research on Intelligent Visualization Teaching Environment

Jiang Dayang1, Yao Qi2
1. Information Center, Changzhou College of Information Technology, Changzhou, 213164, China 2.School of Economic and Trade Management, Changzhou College of Information Technology, Changzhou, 213164, China

With the rise of smart education, the application is more and more deeply about Visualization, Big Data, Cloud Computing and Internet of things. This paper is based on the dual master mode, and according to the design concept of "people oriented" and "student centered", that in order to design the function and structure of visual intelligent environment. The article takes the classroom environment system as the breakthrough point, and design a VISUAL visual teaching environment model. This paper combined with the classic example of intelligent classroom at home and abroad, and shows the current exploration upsurge of the design of intelligent teaching environment.

visualization; teaching environment; smart classroom; teaching management

2016-03-08

蔣達央，碩士，工程師。姚琪，碩士，副教授。

本文系2015年江蘇省高校哲學社會科學課題(編號：2015SJD538)研究成果之一。