海爾智慧家庭學習環境建模研究

田佳欣 李璐 王運武

摘 要：智慧教育促使教育發展掀開新篇章，終身教育理念逐漸普及。如何創設以及創設一個什么樣的學習環境以適應時代發展，滿足學習者需求成為研究重點。采用案例分析法對海爾近幾年推出的智慧家庭進行功能與技術分析，以書房為例構建虛擬家庭智慧學習環境，提出家庭智慧學習環境建設意見，促進智慧教育發展。

關鍵詞：智慧家庭;學習環境;終身學習

DOI：10. 11907/rjdk. 191501 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

中圖分類號：TP319文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2020）002-0071-04

英標：Modeling of Family Smart Learning Environment Based on Haier Smart Family

英作：TIAN Jia-xin，LI Lu，WANG Yun-wu

英單：（School of Wisdom Education， Jiangsu Normal University， Xuzhou 221116， China）

Abstract： With the advent of the era of wisdom education， Chinas education development has also opened a new chapter. At the same time， the development of science and technology， the concept of lifelong education began to spread. How to create and what kind of a learning environment to adapt to the development of the times and meet the needs of learners has become the focus of scholars. This paper uses the case analysis method to conduct an in-depth analysis of the functions and technologies of Haiers smart homes introduced in recent years. With the technical support of Haier Smart Family， this paper builds a virtual home smart learning environment with the study as an example. Then I analyzed the wisdom study and put forward suggestions for building a family smart learning environment.

Key Words：smart family; learning environment; lifelong learning

0 引言

時代的發展對學習環境提出了更高要求，智慧學習環境應運而生。關于智慧學習環境的研究層出不窮，斯坦福大學開發了智慧學習環境——iRoom。iRoom包括無線鼠標和桌面鍵盤、3個觸摸感應的智能板和一個非觸摸桌面顯示器，一個自定義內置的OpenGL圖形高分辨率墻壁[1]。學者們圍繞智慧學習環境理論、智慧學習環境建設涉及的關鍵技術、智慧學習環境模型架構、智慧學習環境教學應用效果、智慧學習環境建設功能幾個層面進行了研究。在智慧學習環境理論層面：祝智庭等[2]將智慧學習環境定義為一種新型學習環境，該環境對智慧能力發展和智慧行動出現起到了重要促進作用;黃榮懷等[3]提出智慧學習環境應具備4個技術特征——記錄學習過程、識別學習情景、聯接學習社群、感知物理環境，其目的是促進學習者輕松、投入和有效地學習。在智慧學習環境建設涉及的關鍵技術層面，包括以學習者建模和學習者數據挖掘分析以及學習資源檢索技術為代表的人工智能、傳感器、富媒體信息傳播、云計算、大數據、物聯網等技術。也有學者將智慧學習環境建設的關鍵技術分為軟件技術和硬件技術，除上述技術外，硬件技術還包含多功能交互技術，軟件技術包括上下文感知計算技術、計算機視覺技術等[4]，大數據、物聯網等關鍵技術對智慧學習環境建設支撐的研究較為集中。在智慧學習環境模型架構層面，設計了基于云計算的智慧學習環境架構，其中云計算的智慧學習環境建設機制包含基礎設施層、中間件層和云門戶層[5]。也有學者將智慧學習環境分為移動智慧課堂、智慧教室、智慧實驗/實訓室、智慧學習中心和智創空間[6]6種類型，每種類型都有不同的建構設計方案。在智慧學習環境教學應用效果層面：智慧學習環境建設截至目前仍未有一個符合人們心理預期的成果，投入應用的研究同樣具體化為教學應用效果探究。例如利用電子書包支持某小學語文生成性教學，最終不僅實現了課內生成，也實現了課外生成[7]。智慧學習環境中學習者創造力的培養也是研究方向之一。胡小勇等[8]基于智慧學習環境和電子書包，構建了一種創造力培養模式，該模式強調協作、研究、迭代。選擇廣州市一所高級中學進行實證研究，數據和訪談分析顯示，該模式在提升學生創造力方面效果較明顯。在智慧學習環境建設具體功能層面：網絡飛速發展的今天，信息呈爆炸式增長，碎片化學習成為一種潮流，碎片化學習帶來的弊端也日益凸顯——深度思考能力衰退，無腦化接受信息。所以在現今智慧學習環境中，深度學習是全新教育理念與學習方式變革的標志[9]。如劉瑞梅等[10]基于深度學習進行多媒體畫面情感分析，以幫助教學者取得更好的教學效果。

從智慧學習環境研究現狀發現，家庭智慧學習環境研究層面尚為空白，甚至家庭學習環境研究資料很少。有智慧學習環境條件下家庭和學校的聯動機制研究[11]、家庭環境中教學活動和學生某項技能的關系研究[12]，與本文研究比較切合的是“智慧家庭”研究，最有名的是海爾的智慧家庭。海爾全球研發總經理王曄提出“用戶對家的需求很簡單——健康的食品、干凈的空氣、純凈的水，大家希望有一個安全舒適的環境，與家人共度美好時光，這正是海爾智慧家庭的愿景”[13-14]。海爾率先提出互聯互通、高度集成的智慧家庭和一站式智慧家庭成套解決方案。

海爾智慧家庭建設方案以“4+7+N”為核心理念，以網絡技術、物聯技術和自動化控制技術為基礎，以U平臺為關鍵技術支撐。在核心理念中，4為海爾持續迭代的4個基本物理空間，分別是智慧客廳、智慧臥室、智慧廚房和智慧浴室;7為7個全屋解決方案，分別是全屋空氣、全屋用水、全屋洗護、全屋安防、全屋語音、全屋健康和全屋信息;N則指N個變量，具體指用戶根據自身喜好以及習慣，個性化定制智慧生活場景，以實現無限的變化可能。U平臺是各個智能家居實現互聯互通、高度集成的關鍵所在。

1 海爾智慧家庭案例分析

1.1 智慧客廳

海爾智慧客廳解決方案支持語音交互模式，利用“海爾U寶”智能調控室內家電。例如空氣盒子會實時監控室內空氣質量，并聯動海爾空氣凈化器進行客廳空氣凈化，讓人時刻享受清新空氣;智能照明系統也可根據需要實時調控，營造一個舒適的燈光環境[14]。

1.2 智慧廚房

智慧廚房的“管家”是馨廚智能冰箱[15]，通過智能冰箱與智能烤箱聯動可以實現“一鍵美食”，只需要按照冰箱指示對烤箱進行簡單操作即可。馨廚智能冰箱實現食材智能管理，以保證食材新鮮、減少食材被遺忘造成的浪費。馨廚智能冰箱升級為廚房平臺——具備一鍵烘焙、智慧菜譜、移動影院等功能。馨廚冰箱是廚房的大腦，是實現廚房和其它物理空間互聯互動的關鍵。

1.3 智慧浴室

當人進入浴室時，浴室燈光自動感應模式開啟，同時作為浴室大腦的“魔鏡”系統也會自動開啟，在調節洗浴溫度的同時監測皮膚狀況并給出健康提醒[16]。魔鏡也會啟用聯動模式，此時可播放一首自己喜歡的歌曲，伴隨著歌聲洗浴。

1.4 智慧臥室

智慧臥室支持語音智能控制，通過智能音箱實現這一功能。通過床頭控制面板控制整個臥室，一鍵開啟燈光、窗簾、空調等智能家居，各種模式的燈光和管理任由選擇。

智能床墊可以監測使用者的睡眠指數，如心跳、呼吸等。智能枕頭可以監測使用者的呼吸、鼾聲指數，有助于使用者及時了解自己的睡眠情況。床頭有顯示屏幕可以實時觀察[17]。根據智能產品提供的數據，海爾將給使用者提供睡眠報告及相關建議。所有智能家居產品全部支持個性化定制，舒適程度不言而喻。

通過對海爾整套智慧家庭方案進行研究分析，發現其缺少一個最重要的物理空間——智慧書房。隨著智慧教育時代的到來，終身教育已經深入人心，缺少智慧書房可以說是一個非常大的遺憾。但是海爾的4個物理空間已經為智慧書房的創設提供了足夠的技術支撐，雖然沒有創設智慧書房，但是有相關公司研究的教育產品，本文依托海爾集團的技術和教育產品，以書房為例創設家庭智慧學習環境。

2 家庭智慧學習環境構建

2.1 設計過程

書房最終要設計為“明亮、安靜、淡雅、有效”的家庭智慧學習環境。在對書房進行整體設計與裝修時，首先要奠定顏色基調，而后巧妙選擇墻體、吊頂、地板等材料的顏色，利用色彩搭配營造淡雅舒適、明亮安靜的氛圍。

2.1.1 功能定位

智慧家庭學習環境不僅包括硬件、軟件，更包括人文環境，所以在進行書房設計時按照功能，將書房定義為學習、工作、休閑放松的家庭房，本文定位為親子共處、終身學習的家庭成員精神共建空間。

將設計風格定位為簡潔的現代風格——簡單，放棄很多無謂的裝飾，以平面構成、立體構成為基礎進行設計，注重空間色彩和形體變化，重視實用。

2.1.2 空間劃分

將書房分為工作、學習空間和休閑空間。其中工作、學習空間功能單一明確、位置相對固定，可以視為固定空間、靜態空間;休閑空間功能多樣，可以作為休閑場所、親子共處場所，為可變空間、動態空間。

從3個層次進行詳細的空間劃分：①第一層為室內和“室外”劃分（主要指書房內外），即確定書房入口是封閉式入口還是敞開式入口。為了打造適合深度學習的書房，決定書房為封閉式入口，即門;②第二層內部空間劃分：工作、學習空間和休閑空間是絕對分開還是交叉、融合？需要考慮空間之間的過渡;③第三層為每個空間內部的家具、陳設選擇與擺放。在遵循環境心理學、教育學基礎上，對空間內部進行協調。以上3個步驟應該有條不紊、層層推進，最后達到整體高度統一。

2.1.3 平面設計

對智慧學習環境進行全新的定義與設計。傳統書房雖然經過有意識設計，但是智能家居應用較少，最終導致功能單一，所以需在智慧書房中啟用智能家居進行設計。

一般來說，書房分為4個部分：工作臺（書桌和電腦桌）、座椅、設備和貯藏（櫥柜）[18]。學習空間由工作臺、座椅、智能書柜3個基本單品構成，根據需要選取智能工作臺、智能座椅、智能書柜。工作臺最好有柔和的自然光線從左上角照射進來，即寫字臺最好與窗臺垂直。在窗戶旁邊配置可拼接工作臺，根據學習需要隨時變換布局。智能座椅一定是符合人體工程學設計的，可調節、可折疊，這樣不但能提高智慧書房資源使用率，而且有利于提高學習效率。為方便學習，書柜一般會緊鄰書桌，所以將智能書柜配置在智能工作臺旁邊。

休閑空間根據主題不同硬件選取也不同，最后營造的環境也不一樣，但是休閑空間一定要以心靈放松為根本。

為幫助學習者培養良好的學習習慣，學習空間和休閑空間先按簡單不重合、嚴格區分進行設計，如圖1所示。

2.1.4 燈光照明

書房燈光以單純為好，在保證照明度前提下，壁燈與吸頂燈以乳白色或淡黃色為宜[19]。

兩個空間功能不同，燈光照明也不盡相同。在學習空間需要集中注意力，明亮的光線可以集中注意力，所以必須保證足夠且合理的照明。直接照明容易造成視覺疲勞進而引發心理疲勞，減緩視覺疲勞的局部照明更適合安排在學習空間。可通過在工作臺放置臺燈作為局部照明，或者在天花板四周安裝光源作為局部照明，使身心更加舒適，提高工作效率。局部照明以功率較大的白熾燈或熒光燈為主，可根據個人需要選擇，但是燈具格調以典雅為主。

在休閑空間，燈光根據休閑需要自由調節，若為親子共處時間則可調暗局部燈光，以塑造融洽幸福的氛圍。

2.1.5 硬件選取

（1）工作臺選取。工作臺是多人學習工作的地點，所以選取可拼接式，用大小相同的學習桌拼接而成，在這里選取改良版超級課桌。改良版的超級課桌可以根據學習者身高智能調節高度。

超級課桌在外觀上只比普通課桌多了一塊顯示屏，這塊顯示屏配套的智能觸控筆便是超級課桌的靈魂所在。首先該屏幕支持互聯互動，其次該屏幕和觸控筆實現自主知識產權的原筆跡書寫技術，這是選擇超級課桌作為學習終端的原因所在。一個好的學習終端，應該滿足并適應學習者的書寫要求，讓學習者習慣的書寫方式由紙質化無縫遷移到電子化。超級課桌還有一個優勢即內置可一鍵切換的Windows和Android雙系統，接入外部軟件資源，以充分滿足學習需要——不管是物理、化學、生物實驗的在線模擬，還是跨學科學習以及在線學習等均可實現。

超級課桌還支持正反180°屏幕翻轉，一面是顯示屏，另一面是普通桌面，學習者可根據需要選擇使用哪一面。使用屏幕時是超級課桌，不使用屏幕時與一般學習桌無差別，而且桌面可以根據學生需求任意調節角度。超級課桌如圖2所示。

（2）智能書柜選取。根據海爾馨廚冰箱概念的智能書柜尚未研發出來。智能書柜應支持語音交互，實現對紙質和電子書籍的智能管理。當學習者想找一本資料時，可以描述書名，也可以說明文章內容，書柜皆可根據學習者需要智能輸送。智能書柜表面是一個巨大的電子屏，支持整個家庭的一鍵傳屏和系統聯動。

（3）智能座椅選取。智能座椅是筆者根據海爾在2019中國家電及消費電子博覽會上展示的智慧臥室中的智能床墊和智能枕頭設想的。首先該座椅符合人體工學，其次該座椅可以收集學習者心率數據，對學習者心理情緒進行實時監測。當學習者坐的時間過長時智能座椅會發出提醒;當發現學習者情緒不佳時，智能座椅會聯動其它智能家居對學習者狀態進行調整。

（4）休閑空間硬件設施選取。休閑空間根據使用者風格喜好略有不同。硬件上，若傾向于獨立個體，可以選擇蛋殼椅、公主藤椅等;若傾向于群體，則可選擇榻榻米、拼接桌。內容上，若傾向群體，可以選擇沙盤、樂高等群體游戲;若傾向于個體則可選擇一些個人休閑娛樂活動。

2.2 智慧學習環境實現

智慧家庭學習環境模型如圖3所示。書房以智能機器人為“管家”，支持語音交互。以超級課桌的顯示屏和智能書柜顯示屏為樞紐實現家校與家內一鍵傳屏、互聯互動、可視對講以及學習資源的個性化推送。

圖4為智慧書房學習空間建設情況。

智能機器人：智能機器人內置一個強大的降噪收音系統，方便對家庭成員語音進行收集，按照指令執行動作。將智能機器人置于工作臺旁邊，以便隨叫隨到，為學習者提供及時熱情的服務。

智能座椅：智能座椅在符合人體工程學基礎上承擔數據收集和傳遞工作，可根據學習者身體需求自行調節座椅高度與角度。

智能工作臺：智能工作臺由超級課桌拼接而成，超級課桌顯示面板集手機、筆記本、臺式機功能于一體。考慮到部分學習者習慣使用筆記本，因而可在兩個超級課桌上配備筆記本。超級課桌桌腿內置輪子，靜止時輪子自動收縮進桌腿內，當需要移動桌子時輪子會伸出桌腿外發揮作用。

值得一提的是智能座椅和“超級課桌”以及智能書柜永遠處于一種互聯狀態，當智能座椅檢測到健康情況不佳或情緒不佳時，智能機器人會根據情況選擇即時提醒學習者還是聯動在外的工作者，并將異常數據上報，云端會重點記錄。系統將根據收集到的所有家庭成員行為數據對學習者進行資源的個性推送。

圖5是智能書柜模型。智能書柜顯示屏可以取下來作為一個巨大的顯示屏使用，觀看電視、電影均可，圖5為已經取下顯示屏的智能書柜。

心理學研究表明，圓形在視覺上形成一個平穩過渡的空間，在心理上容易產生一種開放安穩的感覺，所以在休閑區選取橢圓吊椅、圓形桌幾、圓形地毯等元素，可構造一個簡單溫馨的放松空間。

整個場景設計目標是幫助學習者培養良好的學習習慣——保持專注，以高效完成學習任務，因此對學習空間和休閑空間進行了隔斷處理。

3 結語

經過對智慧書房的虛擬建模研究，對家庭智慧學習環境建設提出以下建議：①對家庭智慧學習環境功能進行預設，定位要明確;②家庭智慧學習環境資源建設多而有章;③建設過程中技術架構注意聯通;④基礎設施選擇要關注舒適度;⑤要打造終身學習的人文環境。

人們對家庭學習環境越來越重視，家庭智慧學習環境的研究方興未艾。未來在進行家庭智慧學習環境建設時，需要充分考慮人文環境的設計引導，并借助先進的信息技術促進人文環境構建。人文環境和技術的關系以及如何和諧統一運作是家庭智慧學習環境建設的未來研究方向。

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（責任編輯：杜能鋼）