基于連接的智能化教室實踐研究

    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(gòu)，整體系統(tǒng)的構(gòu)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(huán)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(guī)劃、架構(gòu)、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(fā)展展望，存在對現(xiàn)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(xiàn)實技術，以及以信息技術替代教師和教學過程的誤區(qū)，無法對教室信息化建設起到現(xiàn)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(xiàn)有成熟技術基礎上，構(gòu)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(nèi)涵

    捷克教育學家夸美紐斯創(chuàng)立了班級授課制度。其設計是根據(jù)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(xiàn)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(fā)展，技術蔓延至教育行業(yè)，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(jié)于統(tǒng)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(guī)律，首要面對的問題是現(xiàn)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(lián)網(wǎng)時代的信息技術發(fā)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(lián)起來，例如網(wǎng)站、電子商務、社交、互聯(lián)網(wǎng)金融等目前絕大多數(shù)互聯(lián)網(wǎng)應用，將以前不相關的內(nèi)容連接在一起，極大地促進了社會發(fā)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(shù)據(jù)的關聯(lián)，運用信息技術強大的計算能力，實現(xiàn)僅靠人工無法實現(xiàn)的連接，進而提高準確性和效率，解放了人力。例如“無現(xiàn)金社會”的形態(tài)，僅僅依靠目前較為初級的信息技術發(fā)展水平，已經(jīng)引起社會翻天地覆的變化。移動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等都是這個階段的技術形態(tài)。

    其次是物與信息的連接階段，也即物聯(lián)網(wǎng)。物聯(lián)網(wǎng)發(fā)明人曾說，他提出物聯(lián)網(wǎng)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(lián)網(wǎng)階段的特征是通過傳感器，自動采集數(shù)據(jù)，再進行信息連接。物聯(lián)網(wǎng)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(fā)展水平。但物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展目前僅僅處于萌芽發(fā)展的水平，沒有發(fā)現(xiàn)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(jīng)揭示人腦、情感的運行機理，從而實現(xiàn)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(jīng)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(lián)網(wǎng)處于相對初級的發(fā)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(xiàn)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(xiàn)了兩個極端現(xiàn)象：一方面教育信息化從業(yè)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(tǒng)的信息技術手段。甚至國內(nèi)外出現(xiàn)了學校限制使用電子設備的情況，例如法國教育部規(guī)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(wǎng)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(guī)定可以使用的地點。《山東省學生體質(zhì)健康促進條例》規(guī)定，中小學校應當加強學生在校期間電子產(chǎn)品使用管理，指導學生科學規(guī)范使用電子產(chǎn)品，嚴禁中小學生將手機、平板電腦帶進課堂。蘋果聯(lián)合創(chuàng)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(xiàn)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(nèi)涵是充分利用現(xiàn)實信息技術的優(yōu)勢，立足于打通教學過程中各種因素的“連接”關系，構(gòu)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(gòu)設計

    基于連接的智能化教室架構(gòu)包括四層空間應用和集中分布式操作兩個子架構(gòu)。

    1.四層空間應用子架構(gòu)

    四層空間應用子架構(gòu)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(gòu)

    第一空間--單一的物理教室

    從四層空間應用子架構(gòu)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(xiàn)實情況：一是物理教室已經(jīng)成為富技術化的環(huán)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(fā)生本質(zhì)變化，技術構(gòu)建的始終是教學過程的輔助支撐環(huán)境。

    其它空間

    從四層空間應用子架構(gòu)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(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)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(tǒng)形態(tài)，將同一物理教室擴展到多教室，具體價值體現(xiàn)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(guī)模，以及應對大規(guī)模考試的作用�；�于虛擬空間，可以資源的方式，進行直播/錄播學習，實現(xiàn)遠程學習、翻轉(zhuǎn)課堂等新的教育模式。

    2.集中分布式操作子架構(gòu)

    集中分布式操作子架構(gòu)是從具體技術實現(xiàn)的角度說明，各系統(tǒng)要通過網(wǎng)絡系統(tǒng)建構(gòu)成扁平化、架構(gòu)邏輯一致的集中/分布式兩級系統(tǒng)。同時物理空間與虛擬空間系統(tǒng)的構(gòu)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(lián)的生態(tài)體系，實現(xiàn)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(gòu)

    四、智能化教室的系統(tǒng)構(gòu)成

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

    1.統(tǒng)一的網(wǎng)絡系統(tǒng)通訊是技術基礎

    統(tǒng)一技術體系最底層是建立統(tǒng)一的網(wǎng)絡通訊，包括兩部分：

    .統(tǒng)一的校園有線/無線用戶網(wǎng)。只有統(tǒng)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(tǒng)的用戶身份認證識別。

    .統(tǒng)一的設備間通訊的網(wǎng)絡，其實質(zhì)是連接各個教學設備的網(wǎng)絡。涉及兩個因素：一是只有基于數(shù)字化的網(wǎng)絡技術，才能夠建立起層次明晰、扁平化的統(tǒng)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(lián)專網(wǎng)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(wǎng)保持通訊。

    2.音視頻系統(tǒng)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(nèi)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(huán)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(shù)字音頻處理器或調(diào)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(tǒng)和服務電話系統(tǒng)是智能化教室的核心管理系統(tǒng)

    使用系統(tǒng)越多，帶來的問題也越多。中控系統(tǒng)和服務電話系統(tǒng)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(tǒng)的類型和數(shù)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(tǒng)簡化操作。例如結(jié)合燈光、投影幕布等，組合形成“一鍵上課/下課”、“視頻模式”、“傳統(tǒng)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(jié)合教學設備是早已成熟的形態(tài)，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(shù)量遠遠大于服務人員的現(xiàn)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(tǒng)，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(tǒng)解決的是設備控制問題，還需要服務電話系統(tǒng)，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(tǒng)和服務電話系統(tǒng)，形成了一旦教師面對操作問題，快速發(fā)起，服務人員快速解決的閉環(huán)業(yè)務邏輯。

    4.分布式視頻系統(tǒng)是多教室組合的教學應用系統(tǒng)。

    分布式視頻系統(tǒng)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(tǒng)還具有統(tǒng)一教學、統(tǒng)一考試音視頻內(nèi)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(xiàn)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(tài)，物理教室的視頻錄制系統(tǒng)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(tǒng)兩種方式。自動錄播系統(tǒng)是一種根據(jù)場景設置，自動切換鏡頭，自動錄制和發(fā)布課件的系統(tǒng)，節(jié)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(tǒng)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(gòu)中，可以增加監(jiān)控系統(tǒng)、溫濕度等傳感系統(tǒng)等其它系統(tǒng)。

    智能化教室架構(gòu)不關注具體品牌和具體系統(tǒng)，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(tǒng)分散的“信息孤島”式系統(tǒng)，局限在單一的物理空間內(nèi)，解決不了現(xiàn)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(lián)網(wǎng)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(guī)模應用。

    只有基于用戶友好、統(tǒng)一連接架構(gòu)、具備可擴展性、集中管控能力的系統(tǒng)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(gòu)，可以實現(xiàn)空間和時間、資源、教學和服務、設備和系統(tǒng)等各因素與信息技術的連接關系，體現(xiàn)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(tǒng)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(qū)隔邊界越來越模糊，我們要看到從傳統(tǒng)獨立的物理教學空間擴展到其它空間，形成線上/線下結(jié)合的混合式教學模式，要教育發(fā)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?qū)崿F(xiàn)。

    2.資源與信息技術的連接

    時空連接是通過資源連接實現(xiàn)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(wǎng)絡應用系統(tǒng)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(zhì)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。

    六、 結(jié)束語

    智能化教室建設是校園信息化建設的有機組成部分，也是在教育和技術規(guī)律的指導下，不斷地發(fā)展、演進的過程。本文設計的智能化教室架構(gòu)是基于成熟技術的開放性可擴展的架構(gòu)，實現(xiàn)多層次多維度的連接，從而達到操作簡單、功能豐富、場景落地的實際效果，從而起到教學支撐的作用。

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