智慧教室3D模型的设计与开发

张艳艳+杨成

摘要：智慧学习环境建设成为智慧教育领域的研究热点，智慧教室作为一种典型的智慧学习环境已成为人们关注的重点。为解决智慧教室建设造价过高等问题，提供一种全新视角的方法。通过对智慧教室的概念、功能和构成进行深入研究，设计并开发了基于3D平台的智慧教室模型。该模型具有方便建设者进行造价预测和效果体验等功能，满足了智慧教室建设的相关需求。

关键词：智慧教育；智慧教室；3D模型

DOIDOI：10.11907/rjdk.172907

中图分类号：G434

文献标识码：A文章编号文章编号：1672-7800（2018）001-0216-05

Abstract：The construction of intelligent learning environment has become a research hotspot in the field of wisdom education. As a typical intelligent learning environment， smart classroom has become the focus of attention. In order to solve the problems such as the high price of smart classroom construction and so on， a new perspective method is provided . Through in-depth research on the concept， function and composition of the smart classroom， a smart classroom model based on 3D platform is designed and developed. The model has the functions of facilitating builders cost forecasting and effect experience， and meets the requirements of the smart classroom construction.

Key Words：education wisdom；wisdom of the classroom；the 3D model

1智慧教室

1.1智慧教室概念

智慧教室又称未来教室或智能教室。查尔斯·斯[1]（Skipton，2006）认为智慧教室就是基于电子或技术增强的教室。黄荣怀[2]认为，智慧教室环境是利用多种智能技术（如传感技术、网络技术等），优化教学内容呈现，便利学习资源的获取并及时有效促进课堂交互的、具有情景感知和环境管理功能的教室。陈卫东[3]认为，智慧教室就是依靠智能空间技术实现对计算机、交互白板等硬件设备以及声、光、电等物理环境的控制与操作，使其有利于资源获取、方便人机交互、丰富学习方式的教学活动场所。

智慧教室就是借助于物联网技术、全息投影技术、传感技术、数据挖掘技术、云计算技术以及人工智能技术等，结合物理和虚拟空间、线上和线下、远程和本地资源，促进人與环境的和谐，构建智能且适应现代学习者实现个性化学习、开放式学习以及智慧学习的高度智能学习空间。智慧教室最显著的特征就是“立体式智慧”体现，包括智慧的交互系统、智慧的自动化系统、智慧的管理系统以及智慧的教学系统（教学方式、教学策略、教学资源等）[4]。

1.2智慧教室功能

智慧教室不同于传统教室，除了具有传统教室最基本的功能之外，还包括以下功能。

1.2.1虚拟现实功能

智慧教室的虚拟现实功能可以给学习者创造一种“真实”情景。使用者佩戴VR眼镜、数据手套等传感设备或利用键盘、鼠标等输入设备，便可实时交互，感知和操作虚拟世界中的各种对象[5-6]，置身于虚拟世界。除此之外，虚拟现实技术还具有演示、实验、数字场景漫游和技能训练功能。虚拟现实技术的应用丰富了智慧教室功能，培养了学生的高阶思维。

1.2.2预警功能

可视化管理对学生平时的签到、作业提交、错题记录、教学评价、资源上传、课堂互动等可量化的几大模块信息进行可视化的直观展示，从而根据可视化结果采取措施进行教学过程干预或教学效果预测。其它如设备信息管理，包括设备的运行状况、安全性指数以及开关机等状态信息，通过可视化功能结合视频监控功能，可以观测智慧教室中基础设备的整体运行情况，及时发现问题，减少不必要的损失。

1.2.3深度交互功能

“智慧教室”的交互功能不仅体现在教师与学生之间的交互，而且体现在教师与家长、家长与孩子之间的交互，如图1所示。

在课堂教学中，教师利用智能交互设备将教学内容发送到大屏幕，学生利用平板电脑等移动终端参与在线交流，实现不同学生不同小组以及不同班级与教师的互动交流。教师通过移动终端将教学任务推送至学生终端，完整记录每个学生的作答情况。学生根据教师的推送进行作答，之后将完成情况提交至教师端。教师根据学生作答情况进行单个辅导，解答疑难问题。此过程使得互动交流对象范围不再局限，师生课堂互动更加广泛深入。课后教师通过移动终端将学生的完成情况一键推送给学生家长，家长通过查看报告单帮助学生查缺补漏，与学生共同学习，加强了家长与学生的全面沟通交流，实现更和谐的互动。通过教师端将学生的可视化课堂表现图表（注意力、思考次数、任务完成情况等）推送至家长端，增强了学校和家庭之间的互动交流，共同关注学习者的学习动态。

1.2.4个性化服务功能

桌面云终端系统利用可见红外线的视觉系统设计，融合全息投影技术、数据挖掘技术和学习分析技术，共享云服务器软硬件资源，为每个学习者提供个性桌面，无需下载安装操作系统[7]。云桌面可根据不同学生的触度记录，分析学习者的学习兴趣和学习习惯，进而推送学习资源，制定出一套适合学习者的学习方法。桌面云端系统与教室主屏幕相连，教师通过主屏幕可看到所有学生的任务完成情况。云桌面的记录、存储、推送等功能，为学生个性化学习创造了条件和平台。endprint

1.2.5创新服务功能

北京丰信达科技有限公司针对教学设计了一款可触控的“智慧黑板”，可实现无缝切换、同步叠加互动、随意书写、批注重点等功能，在解决以往教学模式不足的基础上进行了创新。“创客空间”为学生提供一个思维创作、协作交流、绿色分享的学习环境。智慧教室一般包含“创客空间”。将教室的某一区域作为学生动手创新的平台，让学生在思考中实现自己的创意，从而培养学习者的创新意识和创新能力，成为具有国际竞争力的创新人才。

1.3智慧教室构成

智慧教室包括虚拟环境和物理环境两部分，如图2所示。

1.3.1虚拟环境

智慧教室的虚拟环境包括虚拟软件系统、虚拟仿真系统、增强现实系统等。虚拟软件系统包括虚拟社区、虚拟云存储，主要用于连接虚拟空间与物理空间，发挥桥梁作用；虚拟仿真系统可以为学习者创造场景，增强与虚拟世界的互动，达到身临其境的效果。

1.3.2物理环境

智慧教室的物理环境包括硬件系统、软件系统和教室自然环境。硬件系统是教室的整个支撑框架，是智慧教室必不可少的组成部分，为智慧教室的整体运行起到重要作用。智慧教室的硬件除了一般硬件（如讲桌、书柜等）外，还有其它特殊功能的设备，如路由器、平板电脑、计算机、感应器、3D打印机、移动充电车、VR虚拟眼镜等。其中路由器主要为整个智慧教室提供网络环境，平板作为学生最常用的终端，是最基本的硬件设备。计算机一般用来完成平板电脑无法完成的工作，感应器主要用在人员识别以及设备安全管理方面。3D打印机用来实现创作作品，移动充电车可保证移动终端电量充足，VR眼镜用来进行情境教学，帮助学生创设一种与学习主题相关的情境，激发学习兴趣。

智慧教室的软件系统包括教学系统软件和管理系统软件两部分。教学系统软件包括录播资源平台、智慧教室集控平台、互动云平台、信息管理服务平台、个性化学习平台、教育资源管理系统、网络阅卷系统以及教学质量检测与评价系统等，是为学习者提供优质资源的平台。管理系统软件主要包括教学管理软件和设备管理软件。管理软件主要用于对学生各方面行为信息的管理、预警和反馈。在硬件设备方面主要对其进行安全性管理，保证智慧教室人员和设备的安全。

智慧教室的自然环境指光照、温度、空气等。与一般教室相比，智慧教室具有灯光控制系统和通风换气系统。灯光控制系统可为学习者提供适宜的照明亮度和色温，对大脑起到“启动”或“刺激”作用，从而达到提高学习效率、缓解视力及脑疲劳的效果；通风换气系统可为学习者提供合适的照明亮度和适宜的空气质量。良好的空气能够为师生提供一个舒适、宜人的环境，满足师生舒适健康地进行教学活动。

2智慧教室3D模型设计

2.1设计理念

新时代的教室要在满足教学需求的基础上，根据学生的学习风格和学习特点提供一种高度智能化的教学环境。目前许多学校都在积极申报建设未来教室，90%以上学校对使用未来教室开展交互式、讨论式和探究式教学充分肯定[8]。但是，智慧教室造价很高，一般配置齐全的智慧教室要在百万以上，難于普及。为此，本文提出基于3D平台的智慧教室虚拟模型，以帮助建设者提前估价，提供有价值的参考依据。

2.2设计原则

2.2.1先进性

与普通模型不同的是，智慧教室的3D模型在其外观和功能上均体现先进性。根据设计意图，结合市场上畅销的样式，对模型的外观造型进行创新实现，为模型添加最有质感的材质、最新的配置。

2.2.2真实性

智慧教室的3D模型严格按照相应硬件设备实物的大小、尺寸、内部组成等进行制作，以达到真实设备的效果，具有极高的虚拟仿真性。比如：平板电脑的模型制作，参考目前最新一代mini5款式，按照1：10的尺寸比例，采用银色的金属材质贴图，结合最高配置的平板电脑内部组成部件，实现模型整体的高度仿真，从而增加体验过程的真实性。

2.2.3交互性

智慧教室3D模型的交互性主要体现在运作方面，包括人员识别、机器监控等。人员识别功能需要摄像头和感应器的相互协作。因此，在模型制作时，设计了易于交互的按钮和感应灯，更为直观地展示了模型之间的互动性。

2.2.4实用性

智慧教室的3D模型遵循实用性原则，在体现先进性、真实性以及交互性的基础上进一步达到实用性效果。在模型设计完成后，进一步筛选模型，保留最有意义的模型，保证每个模型都能发挥作用，体现价值。

2.3功能模块

智慧教室的3D模型主要包括监控模块、互动模块、服务模块、空调控制模块和灯光控制模块，如图3所示。

基础模块包括门、墙、窗户、窗帘、讲桌、椅子、天花板、地板等教室最基本的组成部分；监控模块对教学过程和教学设备具有监控功能，可用于人员识别、学习者动作捕捉、学习过程追踪、远程教学以及评价等方面，还可对教室进行监控。监控模块设计的模型有摄像头和感应器；互动模块设计用来展现机器与机器、人际和人机之间互动。机器与机器交互主要指利用感应技术、智能技术等实现机器之间相互协作、相互监控的功能；人际之间除了小组合作互动外（线下），还强调线上的强交互；人机之间的交互趋于高度智能化、自然化。互动模块主要设计的模型有PC机、平板电脑、VR眼镜、显示屏和智能高清中控；服务模块主要是为实现最优化的教学内容呈现以及最便利的教学资源获取，相关模型为移动充电车、3D打印机、路由器、智能电源控制器等；空调控制模块主要用来调节智慧教室内部环境温度，帮助学习者营造一种舒适的学习环境，相关模型为中央空调和空调控制器；灯光控制系统可为学习者提供适宜的照明亮度和色温，对大脑起到“启动”或“刺激”作用，达到提高学习效率，缓解视、脑疲劳的效果。

3智慧教室3D模型开发

3.1技术路线endprint

在3D软件的基础上进行设计与开发智慧教室模型：①根据相关资料和案例，深入了解智慧教室的用途、构成、模式以及对智慧教室实体的考察研究，在避免现有缺点的同时进行创新功能设计；②设计智慧教室的整体框架，考虑其合理性、科学性和实用性，为接下来的工作提供指导方向和基本保障；③在整体框架确定之后，需要认真、深入地探讨其功能构成，在保证科学合理的基础上尽可能体现出智慧教室的创新特征，设计出符合学生学习特点和学习风格的教室；④划分功能模块，设计单个模型，比如门、窗等属于基础模块，空调等属于控制模块，划分模块有利于设计和进一步开发；⑤根据设计模型逐一开发实现；⑥挑选材质，进行模型贴图，严格按照模型实体的设计原则和标准参数进行；⑦完成所有模型的整合，将所有模型按照逻辑模块划分整合在一个场景中，调整位置、距离；⑧根据智慧教室的功能设计完成模型的动画，如感应到人进入教室时，摄像头和感应灯就自动360度旋转识别人体特征，完成身份验证功能；⑨整体动画渲染，完成开发。

3.2开发环境

智慧教室的3D模型开发软件有3Dmax2013+Adobe Photoshop cs6。

3.2.13Dmax

3Dmax软件用于做3D效果，比如三维动画、三维模型、建筑三维动画等，广泛应用于广告、影视、角色动画、电影特技等领域。软件功能完善、工作灵活、易学易用、制作效率高且效果逼真，是较为高级的三维制作软件[9]。结合软件本身优势与智慧教室模型的设计思路，根据其功能与需求，将其应用于3D智慧教室的开发。

3.2.2Adobe Photoshop

应用Adobe Photoshop cs6进行辅助设计。PS是Adobe公司制作的目前最成功的图片编辑器，也是目前运用最广泛的图片编辑软件，具有剪辑文件、合成图片以及三维图片制作等功能。使用PS对开发完成的模型进行贴图等细节处理，使模型更加逼真，提供最佳的视觉体验。

3.3开发过程

主要开发基础模块、监控模块、互动模块、服务模块、空调控制模块以及灯光控制6个模块。

基础模块主要针对门、墙、窗、地板、天花板等教室基本组成部件开发，开发工具为“标准基本体”。其中门、墙以及窗可直接在3D软件中选择模型，地板及天花板根据设计教室大小利用长方体制作。

监控模块开发主要包括摄像头和感应器。摄像头使用圆柱体为底盘，以半球形为顶面，通过“布尔”操作进行底盘和顶面的链接。用球形柱体的颜色实现指示功能；感应器的开发与摄像头的最大不同在于底座，其它开发过程类似。

互动模块开发主要体现在各类移动终端、VR眼镜、显示屏、智能高清中控上。以平板电脑为例，查找平板电脑的相关信息，包括尺寸、按键大小以及功能。在3Dmax软件中建模，先利用基本工具中的长方形，画出长方体模型形状，通过圆形工具与长方体进行“布尔”操作，完成平板电脑的返回键制作。再根据比例，使用“放样”完成内部结构与屏幕，最后制作音量键和电源键等一系列按键，完成整个平板电脑的初步建模。其他设备的开发类似平板电脑。

服务模块开发主要针对移动充电车、3D打印机、路由器、智能电源控制器等。其中3D打印机内部结构复杂，开发较麻烦。先以正方体为整体轮廓，然后通过各种模块形状进行内部镶嵌，最后实现整体制作。

空调服务模块主要对空调控制器开发。空调控制器属于控制系统的一部分，其开发主要应用“基本几何体”工具，通过长方体的变形、旋转复制等完成。

灯光控制模块的开发主要对灯管及灯光控制器进行开发，应用工具与方法与上述设备大同小异。

3.4开发效果

图5是智慧教室3D模型整体框架效果。

图6为3D打印机的模型展示，主要是帮助实现智慧教室的创新服务功能，为学习者提供锻炼创新思维能力的平台，解决教学模式固化的问题。

图7为感应器模型界面，主要功能是帮助其它感应设备完成识别和预警作用。比如，通风换气系统出现异常情况时，感应灯会自动接收异常信号并发出指示信号，从而达到预警效果。

图8为平板电脑模型界面。平板电脑作为学生最常用的工具，是最基本的移动终端。

4智慧教室3D模型应用

4.1应用条件

智慧教室的3D模型一般应用于效果体验、造价估算以及模型研究三个方面，只需要连接拥有视频播放器的计算机，配戴耳机，点击鼠标便能体验智慧教室的微观模型效果。用户不需要安装3Dmax软件，也无需安装插件。对于模型研究者和智慧教室建设，应用智慧教室3D模型需要安装源文件程序，拆分单个模型具体研究，进而发现有用信息，进行相对准确的造价预算。

4.2应用前景

（1）对于智慧教室建设人员，可先通过建立3D模型事先设计，体验智慧教室效果，多角度观察其组成部件及具体模型布局，对智慧教室全方位进行跟踪视觉体验，把握智慧教室的整体框架，防止盲目建设和错误建设。

（2）对于建设智慧教室的学校，可提前进行智慧教室模型建立、提前进行估价以及提前发现问题，采取相应改进措施，可节省金钱和时间。

（3）对于智慧教室研究人员，可以更为详细地展示整体框架。如在观看过程中想要重點了解某个模型时，体验者可以点击模型，通过模型之间的交互性观看详细介绍，包括讲解语音和字幕。

（4）对于教育企业人员，可通过设计此类产品，直接供学校或教育部门参考，提供一些功能展示讲解，也可实现整体开发。

5结语

随着科技的进步，智慧教室的建设将更加成熟，应用将更加广泛。智慧教室智慧性的追求不仅局限于先进设备、智能系统、理论完善以及技术探讨阶段，更重要的是研究一种具有普遍适用的智慧教室建设方案，以及如何将此方案用于教学，提高学习效率，这也是未来智慧教室研究的重点。智慧教室的设计与开发是未来课堂、未来教育的一个制高点，其作用正日益显现。要设计出适合于不同教学模式的智慧教室模型，以更好地推动智慧教育的发展。

参考文献：

[1]SKIPTON C. Moving from dumb to smart class-room： technology options and implementation issues[J]. Journal of college teaching & learning，2006（6）：19-27.

[2]黄荣怀，胡永斌，杨俊锋，等.智慧教室的概念及特征[J].开放教育研究，2012（4）：33-36.

[3]陈卫东.教育技术学视角下未来课堂的研究[D].上海：华东师范大学，2012.

[4]张亚珍，张宝辉，韩云霞.国内外智慧教室研究评论及展望[J].开放教育研究，2014（1）：81-91.

[5]郑昌兴.分布式虚拟现实技术及其在高校实践教学中应用[J].电脑学习，2010（6）：32-34.

[6]戎建挺.虚拟现实技术在计算机组装与维修教学中的应用思考[J].中等职业教育，2012（10）：35-36.

[7]张延洲.现代高效智慧教室解决方案[J].建筑工程技术与设计，2013（6）：240-243.

[8]顾月华.建智慧教育高地绘苏式教育美景[J].中国教育信息化，2014（23）：9-11.

[9]王海松，陈亚军.Maya5.0角色动画制作培训教程[M].北京：机械工业出版社，2004.

（责任编辑：杜能钢）endprint