基于PST框架對智慧教室技術及實現路徑的思考

郝夢姍

【摘 要】隨著5G的部署和教育信息化2.0政策的逐步推進，智慧教育已經成為未來教育領域最重要的前進方向。本研究基于PST框架（Pedagogy-Space-Technology，PST），對智慧教室目前的發展現狀及主要的技術特征進行梳理，并思考如何通過技術更好地實施智慧教室建設，探討智慧教室的實現路徑，同時對于在實施過程中亟待解決的問題提出個人建議。

【關鍵詞】PST;智慧教室;技術特征;實現路徑

【中圖分類號】G434 ? 【文獻標識碼】A

【論文編號】1671-7384（2022）06-081-04

智慧教室一詞起源于1988年羅納德·雷西尼奧提出的一種智慧學習環境，通過自動感知并記錄學習情境、提供合適的資源和工具、提供自動測評成果等方式逐步走進現代科技社會，形成一種技術加持下的新型學習模式。

隨著科技的不斷發展，智慧教室成為一種典型的智慧學習環境，使真正的智慧教育得以實現。智慧教室提供了必要的環境支持，為將來更好地實現通過技術手段提高學生學習興趣以及人性化的師生互動提供了保障，并為將來提高學生學習投入度、改善學習質量提供了可實現的路徑。

PST框架

智慧教室的框架設計如果只從空間和技術層面考慮，只是把教育當作普通應用場景進行對待，未考慮教育面向的是未成年群體、是祖國的未來這一特殊性，就失去了教育的“人文味兒”。所以，智慧教室的框架設計不僅要兼顧空間和技術，更要結合學生、教師和教學模式等多方面進行思考。

2009年，拉德克利夫（Radcliffe）提出“教學法—空間—技術”框架 （Pedagogy-Space-Technology，PST） （圖1）。PST框架強調教學法、空間、技術三要素的融合，致力于推動在空間和技術手段中實現教育目標，在利用信息技術增強教學效果的同時，拓展學生學習空間。除此之外，PST框架還強調整體的概念，在對教學法、空間、技術三個要素融合之前，先要根據學習空間的生命周期有整體地設計規劃，更科學地考量智慧教室的設計。

圖1 ?PST框架

近些年，有學者對PST框架進行了改進，設計了面向體驗學習的未來課堂，本文從以下六個方面進行闡述。

1.轉型智慧課堂

傳統課堂未能達到促進深入學習的目的，借助信息技術手段融合課堂教學，對課前、課中、課后進行數據模型運算，打通全部教學環節并形成閉環，將教育模式變革真正應用到智慧教室中，促進學生的深度學習和發展。

2.軟硬件并行使用

信息技術發展初期，教室內配備了相應的硬件設施以供教學，但并未得到有效應用。隨著技術的發展，智慧課堂模式更注重軟硬件并行使用。軟硬件結合的模塊化架構，使得智慧課堂的主體能夠承載多樣的可能性，屏幕上的師生互動技術、移動端的實時學習、虛擬空間和現實空間的有機融合、大量的數字化資源等，將教學過程數據化、過程化，不僅打破了時空限制，同時兼顧學生個性化需求，提升了整體學習效果。

3.指導學習而非傳授知識

在智慧教室環境中，師生地位發生了根本性改變，教師不再是高高在上的講授者，而是從知識的提供者變成指導者，提供課題咨詢、方向指導、資源協助，從而幫助學生更好地培養創新精神。

4.個性化實施教學

傳統方式過于注重標準化，而智慧教室模式更注重過程的建構、知識的積累和解決問題的能力，以促進學生全面發展為目標，實現教學模式的根本性變革。

5.大數據精準評價

通過大數據在各個階段的采集、測算、分析等，使教學方式多元化、過程數據化，使教學形成有機整體，更好地促進學生的“學”。

6.多元空間教學

堅持構建以人為本的育人環境，綜合教育的各個因素，使其相互配合形成較為完美的社會生態，從而促進學生的自我發展和成長。智慧教室空間的多元化，不同區域層次可為不同類型的學習提供支持。

智慧教室技術特征

基于PST的智慧教室框架設計已經在本質上區別于傳統教室了，在信息技術加持下，智慧教室的技術特征可歸納為以下三點。

1.數據為中心

萬物互聯時代，任何數據都有其價值。在智慧教育背景下，智慧教室中的數據需要通過以下三個步驟才能發揮其真正的價值。

首先，數據采集。智慧教室中遍布的網絡感知系統，不間斷收集學生的即時學習數據，通過人機互動、攝像頭采集畫像、眼球追蹤眼動情況從而分析心理等方式，對師生的學習數據進行第一步采集工作，反應情感與行為之間的聯系，也為教師做出合理的教育決策提供參考。

其次，數據處理。通過各種方式將數據收集之后，形成學生的電子學檔，通過合適的模型算法處理，就能得出適合學生學習情況的針對性教學方案。教師或者專家學者可以通過分析學習者的特征和軌跡進一步探究教育變量之間的關系，構建更科學合理的學習行為模型，更深入地挖掘學習者的行為模式。在大數據的驅動下，精準的算法可以完成大量個性化工作，智慧教室這套基于數據和算法分析的模式將是對整個教育模式的變革。

最后，數據應用。經過算法處理的數據會顯示出各類相關性，教師或教育決策者可以通過提示選定更合適的教育方式，學生在無人監控的智慧教室中也可以通過自動采集到的信息生成個性化的學習建議，獲得更真實的學習體驗。所以，在智慧教室環境下，需通過數據得出重要趨勢和信息，從而調整教與學方式，以達到更好的教學效果。

2.個性化空間

智慧教室通過合理的技術手段，打破時空邊界，打破傳統教育中灌輸式的教學，為每位學生提供個性化學習指導，更適合學生個性特點，可推薦相關資源幫助其提高學習興趣。在智慧教室系統中，儲存著每位學生的個性化學習數據單元，將不斷采集到的數據信息通過算法處理得到規劃，并反饋到學生接下來的學習計劃中，自然會得到更為理想的學習效果。在個體學生得到個性化的服務后，逐漸映射出來一個問題：集體的個性化需要關注和追求嗎？在智慧教室中，如果將個體的算法直接應用于集體是否會有失偏頗？如何把控整個集體或學校的學習風格仍舊需要更科學的算法，被制定的算法需要通過嚴謹的教育科研工作者、教師、學生等共同決策，再借助工程師的手實現出來。如此說來，個性化空間不僅僅是針對學生自身，對于整個集體而言也至關重要。

3.全景化敞視

以智慧教室的局外人身份來看，幾乎可以用“上帝視角”來描述整個教室及其中的人物關系，以數據為基礎的智慧教室生態所描繪的學習像是邊沁的“環形監獄”，倫理上有其可商榷之處。

首先是暴露性。在無數高清攝像頭的拍攝下，所有行為、言語都會被記錄進一個龐大的數據庫，進而形成以數據為中心的個性化檔案。師生互動、學習狀態、心理預期等在智慧教室中都會被記錄、分析，然后形成一份學習報告供人決策。學生的學習活動全部數據化，在教育教學活動中的所有一切都暴露給了數據采集系統。

其次是透明性。數據完全暴露就帶來了完全的透明，對智慧教室中的師生而言就是完全將自己的任何行為暴露在技術手段下，大數據技術需要全面了解學生的學習數據才能實現合理化決策和推薦，合乎計算邏輯才能實現智慧教室的“智慧性”。不過這種完全透明的方式真的能幫助學生更好地提高學習效果嗎？不同學生的隱秘、陌生和各類差異暴露在智慧教室的大數據下，雖然合乎算法的計算邏輯，但人性的倫理邏輯是否得到了保障仍舊值得考量。

最后是異質性。在智慧教室中，算法的邏輯也可以相當于是監獄的紀律，同樣可以宣判學生的活動準則。也就是說，專家和教師設定的算法邏輯就是學生必須遵守紀律，盡管保證了一定個性化學習方式，但是話語權和主動權仍舊不在學生手中，一旦出現不一致的情況，最終受害者還是學生個體。智慧教室的準入門檻就是使用這套系統，每位教師和學生都有獨一無二的身份ID，以后所有采集到的數據、分析出來的結果都會按照ID輸入到不同的數據電子檔案中。而最開始注冊ID的同意使用協議就是我們所說的紀律的一部分。使用協議就像是一份自由轉讓協議，數據系統可以將采集到的信息通過各種方式進行處理，而身在其中的個體并沒有多少權利和自由“不同意”。這樣的一致性要求也讓學生和教師必須遵守紀律，否則就不會被納入到智慧的學習環境中。

智慧教室實現路徑

基于以上技術特征，智慧教室若要實現其功能，還將遵循以下幾方面的實施路徑，將智慧教育在智慧教室中完美融合。

1.智能感知系統

智慧教室中所需的大量數據采集就是通過智能感知設備來進行的，包括圖像收集、可靠傳輸等，主要體現在以下三個方面。

首先是環境感知。智慧教室的環境信息包括溫濕度、煙霧、物體設備、位置等，通過互動終端、書籍、工具、空間、資源等感知教學場景和認知場景。收集學習者的先前數據并和學習過程中產生的數據進行算法處理，在服務器端進行環境和學習數據建模，形成學生的電子學習檔案。

其次是學習內容的智能感知。不僅包括每位學生的個性化學習目標、學習習慣、個性特征、學習風格、學習動機、學習偏好等，而且還根據學生的認知結構提供自主的學習系統，從多方面保證學生的學習效果。

最后是學習情境智能感知。通過采集到的學生表情、語言、行為、脈搏等判斷學生的學習狀態和需要提供的幫助，適配學習情境，通過算法聚合到更高級的情境反過來促進教學活動。通過多重情境重構，推理出更高層的情境嵌入追蹤芯片，將情境更新到新的數據系統中，以促成更合適的教學。

2.智慧管理系統

面向物聯網設計框架的智慧教室是一個整體的智慧管理系統，將師生身份識別、教學流程管理、信息查詢和預警等綜合處理，構建成一個龐大的智慧管理系統。在智慧教室中，通過RFID傳感器芯片讀寫信息，再面向終端進行查詢、發布、呈現等一些列操作，同時精準識別身份ID信息記錄基本的出勤情況等。智慧教室的白板具備會議管理功能，有傳感器識別的椅子和終端投影儀，能自動識別會議日期、參會人員、導入會議所需資料等。同時，還可以人性化地設置一些溫馨提示語音。

3.情感計算模塊

人類情感的多樣性、復雜性是近幾年隨著技術進步才有所涉及的領域，而計算機的情感計算是通過芯片、圖像等采集手段識別人體數據信息并分析關鍵情感、姿勢、語音、嗅覺等，通過深度學習算法計算人的基本反應和推測。智慧教室應用該項技術高質量獲取情境數據，解析處理師生情感動向，從而提高教學效果。在普適性的情感計算領域，平臺依據上傳的諸多情感數據庫建模成更人性化的情感交互，從而提供更為精準的教學決策。而在文本情感計算方面，也通過構建核心情感語義塊，計算文本情感值，從而判斷學生在學習過程中的情感傾向，將分析結果反饋到智慧管理平臺。

4.設備共享模塊

智慧教室中的物聯網設備是基本的“神經網絡”，不同設備通過共享的方式將數據、分析結果等回傳到智慧平臺及各個物聯網設備中，實時更新最新動態以供分析、決策。共享設備以大數據為核心，以物聯網硬件設備為神經末梢，通過自適應交互為師生不斷產生價值。智慧教室中的物聯網設備共享模塊共分為四層：底層的智慧感知層負責收集各類基礎數據信息，第二層的網絡通信層利用網絡高速傳輸數據，第三層的數據處理層儲存分析傳輸過來的信息，并通過算法進行數據挖掘和數據分析等。第四層為應用交互層，包括用戶和交互工具，是智慧教室的關鍵層，通過這些應用設備和軟件構建了整個智慧教室的表面和活動系統。

5.虛擬仿真模塊

技術的進步逐漸轉向虛擬和現實結合的方向，近些年虛擬仿真領域的大火，包括各類高端的人機接口、虛擬現實（VR）、增強現實（AR）、混合現實（MR）等技術也在教育領域產生更多效應。近些年被提及的具身認知也在虛擬仿真的加持下再次走進教育者的視野，增強師生互動、產生虛實結合的場景、更直觀感受科學情境都讓該領域進一步得到更多教育工作者的認可。該種方式可以降低學習焦慮、增強學習動機、激發高階思維，未來構建教育元宇宙也是指日可待。

智慧教室發展待解決的問題

1.構建智慧系統標準

智慧教室感知層面向多個教育場景采集信息，如果沒有建立統一的標準導致數據格式不一致，就會產生設備不兼容、無法共享信息等問題，根本無法實現統一的交互與管理。智慧教室采用的各類物聯網領域的設備都要具有嚴謹的國家行業規范標準，在總體設計上借鑒各類其他系統的經驗才能保證在教育這片熱土上發揮其應有的價值。

2.均衡教育資源

我國教育資源的不均衡可以通過智慧教育來不斷改善，通過采用統一的標準動態調度資源、按需使用，真正在電子化資源時代提升教育質量。智慧教室在技術上也要考慮諸多可操作性問題，比如存儲介質如何進行能量供應;采用何種統一的數據格式;其他物聯網資源如何接入;感知技術有待進一步挖掘;多樣化的數據如何合理應用等。

3.保護數據安全

智慧教室的核心是海量的數據信息，那么數據安全就成為一個很重要的命題。如何在學生交互感知時保護其隱私，如何避免非法用戶偽造RFID標簽盜取信息或者擾亂系統等，都需要我們引起足夠重視。電子檔案包含一個學生的所有學習數據，有很多涉及師生合法權益的數據無法得到有效保障。在數據安全方面，仍需要更強的技術來追蹤并實時地刷新儲存信息，以避免個人信息泄露，保護師生隱私。同時還要完善相關法律，以免造成合法的教育信息被利用進行非法盈利。

參考文獻

程敏. 基于PST框架的智慧教室設計[J]. 實驗室研究與探索，2021，40（9）.

沈霞娟，洪化清，寧玉文，張寶輝. 國外智慧校園研究熱點與典型案例分析[J]. 現代教育技術，2019，29（12）.

巴音查汗，安鵬. 基于嵌入式及RFID物聯網技術的智慧校園系統設計與實現[J]. 現代電子技術，2017，40（16）.

朱家華，崔鴻，劉家武. 基于互動媒體技術的智慧教室設計思考[J]. 實驗室研究與探索，2018，37（12）.

張小飛. 論智慧教室對學生記憶的規訓[J]. 當代教育科學，2021（12）： 69-79.

陳金華，陳奕彬，彭倩，李易俞，謝雨芮，鄧媛，周紅梅. 面向智慧教育的物聯網模型及其功能實現路徑研究[J]. 電化教育研究，2019，40（12）.

李佩佩，陳琳，馮熳. 全息技術在智慧教育中的應用研究[J]. 現代教育技術，2017，27（6）.

尹合棟，于澤元，易全勇. 智慧教室評價指標體系的構建[J]. 現代教育技術，2020，30（3）.