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基于連接的智能化教室實踐研究

來源：投影時代　更新日期：2019-06-04 作者：楊飚

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摘要:本文闡述了教室信息化目前實踐性較弱的普遍性問題，提出和設計了運用成熟技術，建設基于連接的智能化教室方案。詳細闡述了智能化教室架構，整體系統的構成，以及教學過程各因素的連接作用。說明智能化教室必須建設成一個整體集成技術體系環境，才能夠支撐教學、服務管理活動。

關鍵詞：信息化、智能化教室、規劃、架構、連接、體系

一、提出問題

教室信息化是教育信息化的熱點，各種研究分析層出不窮。部分研究聚焦在概念和未來發展展望，存在對現實技術的能力邊界、教學過程的各因素邊界定義不清的問題，一定程度上陷入了以未來技術替代現實技術，以及以信息技術替代教師和教學過程的誤區，無法對教室信息化建設起到現實指導意義，導致各種設備簡單堆砌的情況。不僅造成資金浪費，更會影響教學的流暢性，挫傷教師使用信息化設備的積極性。本文闡述了在現有成熟技術基礎上，構建教室信息化的可行方案，并在實踐中落地，提升了教室信息化的水平，實實在在地輔助支撐了教學過程。

二、智能化教室的內涵

捷克教育學家夸美紐斯創立了班級授課制度。其設計是根據學生年齡特點和知識水平，分成不同的班級。每個班級擁有一個專用教室，在同一時間有一位老師，針對所有學生進行教學。承載班級授課的物理空間也就是現代意義上的教室。隨著音視頻技術和信息技術等各種技術的發展，技術蔓延至教育行業，附加了各種時代技術色彩的教室被賦予了各種名詞，例如“視聽教室”、“多媒體教室”、“智能化教室”、“智慧教室”、“虛擬教室”等。關于教室信息化的概念，我們不需要糾結于統一的概念，關鍵在于給我們的教學實踐帶來什么價值。

教室信息化研究要符合信息技術和教育兩個領域的規律，首要面對的問題是現實的信息技術對教學支撐的能力邊界在什么。我們可以將互聯網時代的信息技術發展分為三個“連接”階段：

首先是信息與信息的連接階段。其特征是將各種信息通過技術和人的方式關聯起來，例如網站、電子商務、社交、互聯網金融等目前絕大多數互聯網應用，將以前不相關的內容連接在一起，極大地促進了社會發展，但其操作主要有兩種，一是依賴人的操作進行輸入；二是通過程序和數據的關聯，運用信息技術強大的計算能力，實現僅靠人工無法實現的連接，進而提高準確性和效率，解放了人力。例如“無現金社會”的形態，僅僅依靠目前較為初級的信息技術發展水平，已經引起社會翻天地覆的變化。移動互聯網、大數據等都是這個階段的技術形態。

其次是物與信息的連接階段，也即物聯網。物聯網發明人曾說，他提出物聯網的原因在于人輸入的準確性、實時性不足，無法滿足信息需要。物聯網階段的特征是通過傳感器，自動采集數據，再進行信息連接。物聯網階段在第一階段基礎上進一步解放人力，深化了連接水平，也會進一步提升人類社會的發展水平。但物聯網發展目前僅僅處于萌芽發展的水平，沒有發現在教學過程中實用化的案例。

第三階段是人與信息的連接階段。其特征是已經揭示人腦、情感的運行機理，從而實現人的思想、感覺與信息的連接，例如是否可以通過類傳感器的模式，了解人的思維情況等等，目前已經有部分研究人員在進行相關領域研究，但距離實用化還有非常大的距離。

基于上述的簡單分析，我們可以看出，目前社會總體仍然處于信息與信息連接的階段，物聯網處于相對初級的發展階段，人工智能還處于研究階段，距離實用化的階段還有很大的差距。教學屬于人與人的溝通，以及人腦的變化范疇，是信息技術未來攻克的難點，很難確定未來能夠達到的水平和高度，現實信息技術對教學過程的支撐能力非常有限。這種技術背景下目前出現了兩個極端現象：一方面教育信息化從業人員努力描述信息技術如何變革教育的前景，但另一方面真正實際落地的技術普遍是傳統的信息技術手段。甚至國內外出現了學校限制使用電子設備的情況，例如法國教育部規定，在校學生課堂和課外活動都不得使用智能手機、平板電腦、智能手表等各種有上網功能的通信設備，除非是出于教學需要，或是在條例中明文規定可以使用的地點。《山東省學生體質健康促進條例》規定，中小學校應當加強學生在校期間電子產品使用管理，指導學生科學規范使用電子產品，嚴禁中小學生將手機、平板電腦帶進課堂。蘋果聯合創始人喬布斯在世時提出了著名的“喬布斯之問”—“為什么計算機改變了幾乎所有領域，卻唯獨對學校教育的影響小得令人吃驚！”。

現實的信息技術并沒有達到人們所期待的水平，距離人的“智慧”還有很大差距，因此我們將教室信息化的概念定義為“智能化教室”，其內涵是充分利用現實信息技術的優勢，立足于打通教學過程中各種因素的“連接”關系，構建操作方便、輔助教學和服務、可擴展的技術支撐體系。

三、基于連接的智能化教室的架構設計

基于連接的智能化教室架構包括四層空間應用和集中分布式操作兩個子架構。

1.四層空間應用子架構

四層空間應用子架構是從教學關系的角度說明，智能化教室一定要考慮從物理到虛擬多個空間的應用問題，不能形成單一物理教室的“信息孤島”。

四層空間應用子架構

第一空間--單一的物理教室

從四層空間應用子架構看，單一的物理教室始終是最基本的教學過程場所，也是智能化教室的最基礎功能價值。面授教學目前面對兩個現實情況：一是物理教室已經成為富技術化的環境，未來技術化趨勢只會更重；二是面授教學過程中，“教師主導，學生主體”的關系沒有發生本質變化，技術構建的始終是教學過程的輔助支撐環境。

其它空間

從四層空間應用子架構看，多教室組合介于物理空間與虛擬空間的過渡空間，處于第三、四空間的校園網和互聯網完全是虛擬空間。

基于物理空間的多教室組合，是單一的物理教室的擴展空間，要考慮如何通過信息系統形態，將同一物理教室擴展到多教室，具體價值體現在當一個教室空間不夠時，用這種技術方式可以起到臨時擴充教學規模，以及應對大規模考試的作用。基于虛擬空間，可以資源的方式，進行直播/錄播學習，實現遠程學習、翻轉課堂等新的教育模式。

2.集中分布式操作子架構

集中分布式操作子架構是從具體技術實現的角度說明，各系統要通過網絡系統建構成扁平化、架構邏輯一致的集中/分布式兩級系統。同時物理空間與虛擬空間系統的構成邏輯不同，但應用是互通的。從而形成了物理空間和虛擬空間打通的體系化、密切關聯的生態體系，實現各種教學關系的連接，支撐多種教學場景。

集中分布式操作子架構

四、智能化教室的系統構成

智能化教室本質上是以信息技術為核心技術支撐體系，整體架構和使用功能要通過各種系統來實現。

1.統一的網絡系統通訊是技術基礎

統一技術體系最底層是建立統一的網絡通訊，包括兩部分：

.統一的校園有線/無線用戶網。只有統一的用戶通訊，才能夠有效連接四個空間的應用關系，方便進行各應用系統的用戶身份認證識別。

.統一的設備間通訊的網絡，其實質是連接各個教學設備的網絡。涉及兩個因素：一是只有基于數字化的網絡技術，才能夠建立起層次明晰、扁平化的統一設備技術體系，才能夠有效管理、使用，方便后期擴展；二是由于各種教學設備安全性普遍不足，建立教學邏輯物聯專網進行隔離，可以保障一定的安全性。同時通過服務器橋接或堡壘機的方式與整體校園網保持通訊。

2.音視頻系統功能仍然是教學過程的關鍵功能

在第一空間單一物理教室內進行的面授教學仍然是教學最重要的方式。面授教學是以視覺和聽覺為主導的教學方式，教學設備也必然是音視頻信號為主體的設備環境。其中要特別重視教室音視頻多信號輸入/輸出問題。例如音頻方面，存在有線/無線話筒、PC及筆記本電腦等；視頻方面PC及筆記本電腦、攝像頭等。從設備層面看，音頻設備采用數字音頻處理器或調音臺，視頻信息號采用視頻矩陣，可以較好地解決多信號輸入/輸出問題。信號輸入/輸出表面上不是難點，但設計不到位，將直接影響智能化教室的使用。

3.中控系統和服務電話系統是智能化教室的核心管理系統

使用系統越多，帶來的問題也越多。中控系統和服務電話系統是解決使用問題相對較好的辦法。要考慮以下幾個方面：

.操作門檻。教學系統的類型和數量較多，導致操作復雜，干擾教學過程，操作困難是導致智能化教室使用體驗不佳的關鍵問題。通過中控系統簡化操作。例如結合燈光、投影幕布等，組合形成“一鍵上課/下課”、“視頻模式”、“傳統模式”等，極大地簡化了教師的操作負擔。

如果僅考慮單一物理空間的教學，中控結合教學設備是早已成熟的形態，但服務的角度卻是被教室信息化研究普遍忽略的問題。任何一個學校都要面對教師、教室的數量遠遠大于服務人員的現實問題，因此不能只關注單一空間的教學設備控制問題，需要建立集中/分布式的中控系統，技術服務人員從集中式后臺也可以操控中控設備終端。

.溝通渠道問題。集中/分布式的中控系統解決的是設備控制問題，還需要服務電話系統，建立起教師、學生與技術服務人員之間的順暢的溝通渠道。

通過集中/分布式的中控系統和服務電話系統，形成了一旦教師面對操作問題，快速發起，服務人員快速解決的閉環業務邏輯。

4.分布式視頻系統是多教室組合的教學應用系統。

分布式視頻系統可以將第一空間的單一教室的教學過程實時傳播至其它教室，打破單一空間的物理局限。同時分布式視頻系統還具有統一教學、統一考試音視頻內容播放等功能。

5.資源建設是虛擬課堂建設的前提。

從第一空間擴展到其它空間完全基于教學應用，通過教學資源建設/再利用的方式進行空間擴展應用，體現出資源和傳輸渠道建設的重要性。目前由于課件資源制作難度原因，課件總體上依然是以攝像錄課為主的資源形態，物理教室的視頻錄制系統是重要的資源建設源頭。目前主流的有人工和自動錄播系統兩種方式。自動錄播系統是一種根據場景設置，自動切換鏡頭，自動錄制和發布課件的系統，節約了人工成本，但由于目前技術水平的局限性，錄制效果并不十分理想；人工系統僅是進行視頻定點錄制，采用人工進行后期編輯，是自動錄播技術不成熟的無奈選擇。

在可擴展的技術架構中，可以增加監控系統、溫濕度等傳感系統等其它系統。

智能化教室架構不關注具體品牌和具體系統，關注的是如何順暢地將教學過程各種因素連接起來，形成有效應用。傳統分散的“信息孤島”式系統，局限在單一的物理空間內，解決不了現代教學面臨的問題。

另外智能化教室設計要特別重視用戶黏性和友好的因素。用戶黏性是互聯網用語，意思是用戶形成不愿改變的行為習慣。用戶黏性和友好因素是很多表面上很先進的設備，但由于設計獨特、用戶操作復雜的問題，導致使用效果不佳，無法大規模應用。

只有基于用戶友好、統一連接架構、具備可擴展性、集中管控能力的系統體系，才能稱之為具有實踐性的智能化教室方案。

五、智能化教室的連接作用

通過基于連接的智能化教室架構，可以實現空間和時間、資源、教學和服務、設備和系統等各因素與信息技術的連接關系，體現信息技術的輔助支撐作用。

1.空間、時間與信息技術的連接

傳統的教學過程概念是教師與學生同時存在的獨立物理和時間空間，但信息化時代的物理空間與虛擬空間下區隔邊界越來越模糊，我們要看到從傳統獨立的物理教學空間擴展到其它空間，形成線上/線下結合的混合式教學模式，要教育發展的趨勢。只有通過信息技術，建立基于連接的智能化教室體系，才能夠實現。

2.資源與信息技術的連接

時空連接是通過資源連接實現的。將教學過程錄制下來，以直播/點播的方式，通過分布式視頻、有線電視、各種網絡應用系統等方式傳播出去，才能夠充分利用教學資源價值。

3.人與信息技術的連接

人與信息技術的連接其本質是通過信息技術，輔助人的操作。智能化教室涉及到的就是教師的教、學生的學，以及服務管理人員的操作。能夠簡化操作、幫助提高效率，使得教學過程和服務過程順暢化，就達到了智能化教室建設的目的。