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基于连接的智能化教室实践研究

来源：投影时代　更新日期：2019-06-04 作者：杨飚

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摘要:本文阐述了教室信息化目前实践性较弱的普遍性问题，提出和设计了运用成熟技术，建设基于连接的智能化教室方案。详细阐述了智能化教室架构，整体系统的构成，以及教学过程各因素的连接作用。说明智能化教室必须建设成一个整体集成技术体系环境，才能够支撑教学、服务管理活动。

关键词：信息化、智能化教室、规划、架构、连接、体系

一、提出问题

教室信息化是教育信息化的热点，各种研究分析层出不穷。部分研究聚焦在概念和未来发展展望，存在对现实技术的能力边界、教学过程的各因素边界定义不清的问题，一定程度上陷入了以未来技术替代现实技术，以及以信息技术替代教师和教学过程的误区，无法对教室信息化建设起到现实指导意义，导致各种设备简单堆砌的情况。不仅造成资金浪费，更会影响教学的流畅性，挫伤教师使用信息化设备的积极性。本文阐述了在现有成熟技术基础上，构建教室信息化的可行方案，并在实践中落地，提升了教室信息化的水平，实实在在地辅助支撑了教学过程。

二、智能化教室的内涵

捷克教育学家夸美纽斯创立了班级授课制度。其设计是根据学生年龄特点和知识水平，分成不同的班级。每个班级拥有一个专用教室，在同一时间有一位老师，针对所有学生进行教学。承载班级授课的物理空间也就是现代意义上的教室。随着音视频技术和信息技术等各种技术的发展，技术蔓延至教育行业，附加了各种时代技术色彩的教室被赋予了各种名词，例如“视听教室”、“多媒体教室”、“智能化教室”、“智慧教室”、“虚拟教室”等。关于教室信息化的概念，我们不需要纠结于统一的概念，关键在于给我们的教学实践带来什么价值。

教室信息化研究要符合信息技术和教育两个领域的规律，首要面对的问题是现实的信息技术对教学支撑的能力边界在什么。我们可以将互联网时代的信息技术发展分为三个“连接”阶段：

首先是信息与信息的连接阶段。其特征是将各种信息通过技术和人的方式关联起来，例如网站、电子商务、社交、互联网金融等目前绝大多数互联网应用，将以前不相关的内容连接在一起，极大地促进了社会发展，但其操作主要有两种，一是依赖人的操作进行输入；二是通过程序和数据的关联，运用信息技术强大的计算能力，实现仅靠人工无法实现的连接，进而提高准确性和效率，解放了人力。例如“无现金社会”的形态，仅仅依靠目前较为初级的信息技术发展水平，已经引起社会翻天地覆的变化。移动互联网、大数据等都是这个阶段的技术形态。

其次是物与信息的连接阶段，也即物联网。物联网发明人曾说，他提出物联网的原因在于人输入的准确性、实时性不足，无法满足信息需要。物联网阶段的特征是通过传感器，自动采集数据，再进行信息连接。物联网阶段在第一阶段基础上进一步解放人力，深化了连接水平，也会进一步提升人类社会的发展水平。但物联网发展目前仅仅处于萌芽发展的水平，没有发现在教学过程中实用化的案例。

第三阶段是人与信息的连接阶段。其特征是已经揭示人脑、情感的运行机理，从而实现人的思想、感觉与信息的连接，例如是否可以通过类传感器的模式，了解人的思维情况等等，目前已经有部分研究人员在进行相关领域研究，但距离实用化还有非常大的距离。

基于上述的简单分析，我们可以看出，目前社会总体仍然处于信息与信息连接的阶段，物联网处于相对初级的发展阶段，人工智能还处于研究阶段，距离实用化的阶段还有很大的差距。教学属于人与人的沟通，以及人脑的变化范畴，是信息技术未来攻克的难点，很难确定未来能够达到的水平和高度，现实信息技术对教学过程的支撑能力非常有限。这种技术背景下目前出现了两个极端现象：一方面教育信息化从业人员努力描述信息技术如何变革教育的前景，但另一方面真正实际落地的技术普遍是传统的信息技术手段。甚至国内外出现了学校限制使用电子设备的情况，例如法国教育部规定，在校学生课堂和课外活动都不得使用智能手机、平板电脑、智能手表等各种有上网功能的通信设备，除非是出于教学需要，或是在条例中明文规定可以使用的地点。《山东省学生体质健康促进条例》规定，中小学校应当加强学生在校期间电子产品使用管理，指导学生科学规范使用电子产品，严禁中小学生将手机、平板电脑带进课堂。苹果联合创始人乔布斯在世时提出了著名的“乔布斯之问”—“为什么计算机改变了几乎所有领域，却唯独对学校教育的影响小得令人吃惊！”。

现实的信息技术并没有达到人们所期待的水平，距离人的“智慧”还有很大差距，因此我们将教室信息化的概念定义为“智能化教室”，其内涵是充分利用现实信息技术的优势，立足于打通教学过程中各种因素的“连接”关系，构建操作方便、辅助教学和服务、可扩展的技术支撑体系。

三、基于连接的智能化教室的架构设计

基于连接的智能化教室架构包括四层空间应用和集中分布式操作两个子架构。

1.四层空间应用子架构

四层空间应用子架构是从教学关系的角度说明，智能化教室一定要考虑从物理到虚拟多个空间的应用问题，不能形成单一物理教室的“信息孤岛”。

四层空间应用子架构

第一空间--单一的物理教室

从四层空间应用子架构看，单一的物理教室始终是最基本的教学过程场所，也是智能化教室的最基础功能价值。面授教学目前面对两个现实情况：一是物理教室已经成为富技术化的环境，未来技术化趋势只会更重；二是面授教学过程中，“教师主导，学生主体”的关系没有发生本质变化，技术构建的始终是教学过程的辅助支撑环境。

其它空间

从四层空间应用子架构看，多教室组合介于物理空间与虚拟空间的过渡空间，处于第三、四空间的校园网和互联网完全是虚拟空间。

基于物理空间的多教室组合，是单一的物理教室的扩展空间，要考虑如何通过信息系统形态，将同一物理教室扩展到多教室，具体价值体现在当一个教室空间不够时，用这种技术方式可以起到临时扩充教学规模，以及应对大规模考试的作用。基于虚拟空间，可以资源的方式，进行直播/录播学习，实现远程学习、翻转课堂等新的教育模式。

2.集中分布式操作子架构

集中分布式操作子架构是从具体技术实现的角度说明，各系统要通过网络系统建构成扁平化、架构逻辑一致的集中/分布式两级系统。同时物理空间与虚拟空间系统的构成逻辑不同，但应用是互通的。从而形成了物理空间和虚拟空间打通的体系化、密切关联的生态体系，实现各种教学关系的连接，支撑多种教学场景。

集中分布式操作子架构

四、智能化教室的系统构成

智能化教室本质上是以信息技术为核心技术支撑体系，整体架构和使用功能要通过各种系统来实现。

1.统一的网络系统通讯是技术基础

统一技术体系最底层是建立统一的网络通讯，包括两部分：

.统一的校园有线/无线用户网。只有统一的用户通讯，才能够有效连接四个空间的应用关系，方便进行各应用系统的用户身份认证识别。

.统一的设备间通讯的网络，其实质是连接各个教学设备的网络。涉及两个因素：一是只有基于数字化的网络技术，才能够建立起层次明晰、扁平化的统一设备技术体系，才能够有效管理、使用，方便后期扩展；二是由于各种教学设备安全性普遍不足，建立教学逻辑物联专网进行隔离，可以保障一定的安全性。同时通过服务器桥接或堡垒机的方式与整体校园网保持通讯。

2.音视频系统功能仍然是教学过程的关键功能

在第一空间单一物理教室内进行的面授教学仍然是教学最重要的方式。面授教学是以视觉和听觉为主导的教学方式，教学设备也必然是音视频信号为主体的设备环境。其中要特别重视教室音视频多信号输入/输出问题。例如音频方面，存在有线/无线话筒、PC及笔记本电脑等；视频方面PC及笔记本电脑、摄像头等。从设备层面看，音频设备采用数字音频处理器或调音台，视频信息号采用视频矩阵，可以较好地解决多信号输入/输出问题。信号输入/输出表面上不是难点，但设计不到位，将直接影响智能化教室的使用。

3.中控系统和服务电话系统是智能化教室的核心管理系统

使用系统越多，带来的问题也越多。中控系统和服务电话系统是解决使用问题相对较好的办法。要考虑以下几个方面：

.操作门槛。教学系统的类型和数量较多，导致操作复杂，干扰教学过程，操作困难是导致智能化教室使用体验不佳的关键问题。通过中控系统简化操作。例如结合灯光、投影幕布等，组合形成“一键上课/下课”、“视频模式”、“传统模式”等，极大地简化了教师的操作负担。

如果仅考虑单一物理空间的教学，中控结合教学设备是早已成熟的形态，但服务的角度却是被教室信息化研究普遍忽略的问题。任何一个学校都要面对教师、教室的数量远远大于服务人员的现实问题，因此不能只关注单一空间的教学设备控制问题，需要建立集中/分布式的中控系统，技术服务人员从集中式后台也可以操控中控设备终端。

.沟通渠道问题。集中/分布式的中控系统解决的是设备控制问题，还需要服务电话系统，建立起教师、学生与技术服务人员之间的顺畅的沟通渠道。

通过集中/分布式的中控系统和服务电话系统，形成了一旦教师面对操作问题，快速发起，服务人员快速解决的闭环业务逻辑。

4.分布式视频系统是多教室组合的教学应用系统。

分布式视频系统可以将第一空间的单一教室的教学过程实时传播至其它教室，打破单一空间的物理局限。同时分布式视频系统还具有统一教学、统一考试音视频内容播放等功能。

5.资源建设是虚拟课堂建设的前提。

从第一空间扩展到其它空间完全基于教学应用，通过教学资源建设/再利用的方式进行空间扩展应用，体现出资源和传输渠道建设的重要性。目前由于课件资源制作难度原因，课件总体上依然是以摄像录课为主的资源形态，物理教室的视频录制系统是重要的资源建设源头。目前主流的有人工和自动录播系统两种方式。自动录播系统是一种根据场景设置，自动切换镜头，自动录制和发布课件的系统，节约了人工成本，但由于目前技术水平的局限性，录制效果并不十分理想；人工系统仅是进行视频定点录制，采用人工进行后期编辑，是自动录播技术不成熟的无奈选择。

在可扩展的技术架构中，可以增加监控系统、温湿度等传感系统等其它系统。

智能化教室架构不关注具体品牌和具体系统，关注的是如何顺畅地将教学过程各种因素连接起来，形成有效应用。传统分散的“信息孤岛”式系统，局限在单一的物理空间内，解决不了现代教学面临的问题。

另外智能化教室设计要特别重视用户黏性和友好的因素。用户黏性是互联网用语，意思是用户形成不愿改变的行为习惯。用户黏性和友好因素是很多表面上很先进的设备，但由于设计独特、用户操作复杂的问题，导致使用效果不佳，无法大规模应用。

只有基于用户友好、统一连接架构、具备可扩展性、集中管控能力的系统体系，才能称之为具有实践性的智能化教室方案。

五、智能化教室的连接作用

通过基于连接的智能化教室架构，可以实现空间和时间、资源、教学和服务、设备和系统等各因素与信息技术的连接关系，体现信息技术的辅助支撑作用。

1.空间、时间与信息技术的连接

传统的教学过程概念是教师与学生同时存在的独立物理和时间空间，但信息化时代的物理空间与虚拟空间下区隔边界越来越模糊，我们要看到从传统独立的物理教学空间扩展到其它空间，形成线上/线下结合的混合式教学模式，要教育发展的趋势。只有通过信息技术，建立基于连接的智能化教室体系，才能够实现。

2.资源与信息技术的连接

时空连接是通过资源连接实现的。将教学过程录制下来，以直播/点播的方式，通过分布式视频、有线电视、各种网络应用系统等方式传播出去，才能够充分利用教学资源价值。

3.人与信息技术的连接

人与信息技术的连接其本质是通过信息技术，辅助人的操作。智能化教室涉及到的就是教师的教、学生的学，以及服务管理人员的操作。能够简化操作、帮助提高效率，使得教学过程和服务过程顺畅化，就达到了智能化教室建设的目的。