智慧学习环境的设计、构建和管理研究——以上海交通大学“智慧教室”为例

胡沛然， 王宜之

(上海交通大学 教育技术中心，上海 200240)

0 引 言

随着新一代信息技术和产业的高速发展，各种智能硬件与无线网络通信技术得到广泛应用，从而在世界范围内掀起一轮基于教育信息化的改革和创新浪潮[1]。在我国，伴随“互联网+”行动计划出台，对教育信息化助推教育教学的整体改革与发展非常重视，并将其纳入国家战略。《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010-2020)》指出：“信息技术对教育具有革命性影响，必须予以高度重视”[2]。《教育信息化十年发展规划(2011-2020)》也提出：“要探索现代信息技术与教育的全面深度融合，以信息化引领教育理念和教育模式的创新”[3]。在第二次全国教育信息化工作电视电话会议上[4]，国务院副总理刘延东明确指出，我国教育信息化工作成效显著，极大地推动了教育事业的改革发展。

在这一新时代背景下，如何应对教育信息化发展所面临的重大挑战，并实现教育的创新与变革，显得尤为重要。一般认为，信息时代背景下的智慧教育更重视利用智慧学习环境来培养学习者的高阶认知能力[5]。智慧教育是教育信息化的新境界、新诉求[6]，也是教育信息化的全新发展阶段[7]。与此同时，建设智慧学习环境已成为解困信息技术与教育教学深度融合，实现教学质量和学生创新能力提升的必然要求[8]。教育信息化10年发展规划中，便明确提出：“要建设智能化教学环境，提供优质数字教育资源和软件工具”[3]。而且，学生的智慧生成同样需借助于教育和学习环境的智能化[6]。

智慧学习环境，绝不是像某些人认为只要教室接入互联网那样的简单。例如美国早在2003年就达到教室平均4.4人/台联网计算机的配置水平[9]。2000年以来，我国各级各类学校也相继建设了大规模以“计算机+投影”应用为主的多媒体教室。然而，这些仍属于以“知识灌输”为主的传统学习模式，并未给学生们带去满意的学习体验[8，10-11]，只不过是与教师中心主义的课堂讲授一道构成“人灌+机灌”现象[9]，而并不是“互联网+教育”。随着信息化技术和产业进一步发展，各类云录播、交互白板和数字化学习资源得到应用，相继出现远程云录播教室、交互白板教室等多形式、多类型的智慧教室。与传统“黑板+粉笔”型教室或“计算机+投影”型多媒体教室相较而言，这类智慧教室在师生互动、内容呈现、资源获取、环境管理等多方面为教学和学习带来了便利[8]，“智慧性”十足。因此，在物联网、大数据、人工智能和移动互联网等新一代信息技术支持下，智慧学习环境(如智慧教室)已成为智慧教育，乃至教育信息化的核心组成部分。

1 智慧教育与智慧学习环境的内涵特征

智慧教育，国际上常称“Smart Education”，韩国提出由自我指导(Self-directed)、激发动机(Motivated)、灵活适应(Adaptive)、丰富资源(Rich Resources)和技术沉浸(Technology Embedded)这五大特征组成的Smart Education理念和架构[12]。国内祝智庭等人则分别从教育发展和人才培养、智慧教育的功能与技术支持、教育形态和发展阶段这3个不同视角来定义智慧教育[5,13-14]。简而言之，智慧教育就是依托物联网、大数据、人工智能等新一代信息技术所创造的教育信息化新阶段、新形态，是未来教育的发展趋势和方向。

根据学习情景不同，智慧学习环境又可分为多种类型[15]。智慧教室，作为一种典型的智慧学习环境，是学校信息化发展到一定阶段的内在诉求，同时也是当今智慧学习时代的必然选择[16]。关于“智慧教室”研究，最早可追溯到1988年由罗纳德·雷西尼奥在“教育技术的实际执行”一文中提出的“Smart-Classroom”[17]。当下由于各国技术发展的阶段层次和水平不一，其研究内容和侧重点也不尽相同。基于技术促进学习的发生条件，黄荣怀等人将智慧学习环境(如智慧教室)的学习体验构成维度分为学习空间(人造客观对象，如物理环境、座位布局)、信息技术(自然客观对象，如资源获取、内容呈现等)和教学法(主观对象，如人人交互、教学活动等)[8,15]。本文研究新一代信息技术对智慧学习环境的影响，主要体现在学习空间的物理环境、信息技术的资源获取和内容呈现、教学法的人人交互和人机交互等相关维度。

2 “智慧教室”建设案例

为进一步提升我校教学设施水平，利用现代教育技术促进课堂教学，更好地满足“学在交大”和“双一流”建设的内在需要，教育技术中心，会同教务处、基建处等相关部门，于2016年暑期正式启动闵行校区中院8间普通教室的升级改造，打造全新“智慧教室”学习环境。黄荣怀等[8]提出智慧学习环境的学习体验构成要素，此建设已在表1中所示的几个维度取得进展。

表1 上海交通大学智慧教室的学习体验构成维度及内容

3 新一代信息技术与智慧学习环境

在智慧学习环境的设计与构建、管理过程中，新一代信息技术，特别是物联网、人工智能、大数据、移动互联网等技术的深入应用，将教育的信息化建设和管理进一步导向“智能构建”和“智慧管控”，教育的“智慧”转型已成为不可逆转的时代潮流。结合我校“智慧教室”的实际建设，对新一代信息技术如何更好地促进智慧学习环境的建设与管理发表观点、进行探讨。

3.1 物联网

物联网，被誉为继计算机、互联网之后世界信息产业发展与革命的第三次浪潮。自2005年国际电信联盟ITU正式提出物联网“The Internet of Things”基本概念以来[18]，该项技术蓬勃发展并广泛应用于各行各业，如智能交通、智能物流等，教育环境也不例外。

一般来说，基于物联网的应用体系结构，可分为感知层、网络层和应用层。阎坚等[19]就提出采用星型拓扑结构或ZigBee技术(即一种低速低功耗的多跳无线传输)组网，把地理隔离的各校区多媒体教室所有感知点统一接入传感网络，并连入校园网，从而搭建一套全新的智慧教室系统架构和设计方案。在前期广泛调研和深入论证的基础上，设想通过在智慧教室安装传感器并网络连接，既可根据教室内光线的强弱，自动调节教室光源亮度；也可根据教室环境温湿度的变化，通过红外感应设备自动控制教室空气更换率；更可利用物联网识别技术，建立教师和对应上课教室间的关联授权，从而实现智能控制教学设备的使用等。

目前，我校智慧教室的建设选用快思聪Crestron环境照度感应器(型号：GLS-LOL)、温湿度感应器(型号：C2N-RTHS)及相应环境控制软件，并与学校原课表系统、空调系统、人数统计系统等进行对接，根据实际情况自动调节。经过实际建设和后续的管理实践，还可做进一步优化：

(1) 增加物联网感知层范围、种类和感知点，例如CO2传感器、PM2.5传感器、风速风向传感器等，进而实现全方位、多功能的环境智能化调节。

(2) 物联网数据处理和应用阶段，需要考虑搭建后端处理平台，除常见的购买安装服务器设备外，还可通过公共云服务平台进行资源配置。

(3) 最终的物联网应用层，可考虑增加相关应用联动，例如室内照度与投影仪、窗帘间的联动，就可根据照度值的强弱自动调节投影流明度。若室外阳光过于强烈，窗帘还可自动拉下，如此这般满足学生上课清晰观看的需求，也有利于师生们的视力保护。另外，空气质量监测与空调、新风系统之间的联动等均可考虑。

(4) 系统可考虑增加对人工智能、大数据等技术的进一步支持，真正做到“自主化学习、大数据分析、精细化调节”。例如，我校95%以上学生使用智能手机，所有教室都装有WiFi，这时可通过学生手机与网络间交换“大数据”，及时分析出教室内学生数量等大概情况[20]，进而精细化、智能化控制教室空调、灯光等设施。这样既提高了教学楼管理效率，同时其能耗利用率也大为改善。

3.2 人工智能(人脸识别)

进入21世纪以来，研究者提出一系列以智慧教育为核心的教育新概念，如智慧校园、智慧课堂、智慧学习环境等。由此可看出，现在的教育正朝智能化、个性化、精准化的方向在发展[21]，而在这所有“智慧”理念的背后，均离不开“智能”技术的支持[22]。人工智能(Artificial Intelligent，简称AI)技术蓬勃发展，特别是2016年谷歌推出基于深度学习的机器人AlphaGo战胜围棋世界冠军李世石，引起巨大轰动。就连美国白宫，都联合美国国家科学技术委员会NSTC，共同发布“规划未来，迎接人工智能时代”的研究报告[23]，以期为美国和世界AI技术的发展提供指引。

目前，AI技术在工业、能源、环境、教育等各领域都扮演着重要角色，在一些特定领域(如图像识别、语音识别)，其问题解决能力甚至超过人类。“先让机器看懂世界，再让机器真正思考”——作为智能社会第一入口，在我国，上至BAT互联网巨头，下到各创业团队都纷纷布局人脸识别，以抢占先机。例如百度人脸识别2016年便进入生活应用，其员工在百度大厦均刷脸进楼；阿里则将人脸识别应用于旗下支付宝等平台[24]。今年2月，“麻省理工科技评论”发布“2017全球十大突破性技术”，阿里“刷脸支付”榜上有名，这也是该榜单创建16年来首个来自中国的技术性突破。

人脸识别，是基于人脸部特征信息进行身份识别的一种生物识别技术，通常也叫人像识别、面部识别。根据人员的运动轨迹、人脸的正面朝向等差别，其应用场景主要分为通道型场景与综合型场景两类。显然，由于师生们上课时的运动轨迹相对固定(例如行进方向相对一致、运动边界相对封闭)，应用于智慧学习环境的人脸识别技术，应该考虑通道型场景的应用。目前，学校智慧教室采用威尔摄像考勤机(型号：WEDS-F6)进行课堂打卡签到，与校园管理平台对接。

在方案最初设计中，考虑加入3D人脸生物识别系统，并与配备全高清1 080P防爆摄像头的平台监控及视质轮巡系统联动。具体应用时，其难点主要在于随着人们年龄的自然增长，面部相貌会有些许变化，还有外部光照等干扰因素项的存在。这时候，就可综合运用脸部生理年龄还原引擎、自然光/灯光干扰还原引擎、高速对比引擎等多层叠加式引擎，逐一进行3D最佳状态辨别抓拍。事实上，目前已有相关商业应用能够实现上亿级别的数据识别，且识别率较高，识别速度达到秒级。

此外，原始数据采集工作，既可对接学校教务管理平台，例如新生入学时的信息数据和图像等；又可现场抓拍并录入信息。关键还在于，随着AI技术的进步，人脸识别系统可进入“深度学习”状态，不断进化，从而达到更加方便、可靠的教学管理效果。当然在这过程中，如何合理保护师生的个人隐私，也是必须要考虑的问题。

3.3 移动互联网和大数据

当今社会，大屏幕多媒体演示已成为一种常态化课堂教学模式，主要由计算机、投影、屏幕和音箱等设施构成支持，在为广大教师多媒体教学提供便利的同时，也存在一些固有局限性[25]，如前文提及那样，很可能出现“人灌+机灌”现象。另一方面，随着智能手机和移动互联网技术的日益普及，它们早已突破传统多媒体范畴，成为除通话、短信外承载更多信息传播功能的多媒体平台[26]。

将智能手机融入多媒体教学，构成移动授课平台，除传统“有线”或“手机+APP”方案外，还有“手机+同屏”模式，即学校这次采用的无线投屏(Airplay、微软Miracast)技术。其技术原理是：智能手机或平板通过“同屏功能”发射自己屏幕上的内容数据流，并被同屏器接收和编码视音频信号，再以HDMI/VGA形式输出信号，继而传输到多媒体系统中控器，最终被选择、分配到投影和音箱进行播放，见图1。

图1 无线投屏原理示意图

在实际操作过程中，如果教室多媒体系统中控器不具备HDMI输入，可以在同屏器与中控器间增加一个VGA信号转换器，继而接入教室多媒体系统。另外，在后期测试和应用中发现，有时投影画面会出现卡顿、重影等现象，主要还是传输数据量过大，无线信道数据传输速率限制所致。而且，智能手机或平板本身的配置，如CPU运算速度、内存空间大小等，均会直接影响到同屏传输效果。所以，在智慧教室前期设计时，就考虑配置两套以上的高速无线网络，将师生上网、无线投屏、设备控制等分开进行，互不干扰。

通常，在谈到移动学习的时候，认为它是随着无线通信技术、移动计算技术和移动终端的发展而兴起的一种新型学习方式，能够满足人们随时随地的自主学习需求[27]。在这种智慧学习环境的人机交互过程中，充分考虑到移动学习的发展趋势与前景，努力推广网络答题器——网班系统NetBan.cn。该系统是依托于当前流行的云计算和物联网科技，采用网页流移动课件制作技术，以及基于二维码的课堂互动系统等多项创新科技基础上构建的智慧教学平台。其基本功能主要包括：课堂互动(基于微信的课堂问答系统等)、在线移动学习(基于手机/PAD端的在线学习、课堂测验等)、云资源管理和大数据分析。此外，还可拓展到学员学习状态检测(如体态、脑电波)等高级功能。

简而言之，它可通过微信“扫一扫”，快捷、方便地进入课堂互动。微信是腾讯于2011年初推出的一款可发送图文、声像等信息，支持多人语音对讲等功能的移动社交软件，是时下最热门的移动社交平台，在移动学习领域的应用优势不可估量[27-28]。日常教学中，教师以Office界面编辑互动内容后，系统会自动生成二维码，学生以手机/PAD微信扫码，即可轻松参与互动问答，而且回答数据会传输到云端处理，最终形成互动数据分析报表并现场展示。

该套系统最大优势就在于师生互动、人机交互的模式非常简单，利用微信这样一款“国民级”工具，可实现轻便的、即刻进入式的，并由教师方便掌控的课堂互动。这样的变化，对于智慧学习环境的打造极为有利，是移动互联网技术助推传统教育转型和智慧教育发展的典型应用。

4 结 语

通过智慧教育，引领教育信息化的创新与变革，从而带动教育教学全面现代化建设，已成为当今变革时代的鲜明特征和主旋律。当前，以物联网、云计算、大数据、人工智能和移动通信等为代表的新一代信息技术在教育行业蓬勃发展，这极大地刺激研究者和教育实践者去拓展智慧学习环境(如智慧教室)的设计、建设与评价体系，同时也在加速推动学习环境的研究与实践由数字化走向智能化的转变和突破。

当然，随着这些新一代信息技术在教育领域的进一步发展与应用，必然会面临一系列问题与挑战，例如智慧教室的大数据信息采集过程中，如何保障其自身的安全性和可控性，显得尤为重要。这些数据和信息中，哪些属于师生个人隐私，或学术机密，必须得到保护，都是此类应用中所无法回避的问题，但切不可因噎废食，而是要积极去直面问题、主动去解决问题。始终坚信，深入拥抱新一代信息技术所带来的革命性变化，加快构建智慧学习环境的步伐，扎实推进智慧教育的纵深发展，将为我国教育事业的创新与变革提供充沛的原动力和无比广阔的前景。