大数据时代智慧教室系统构建

颜琳

摘 要 随着物联网、云计算等新技术的日趋成熟，智慧教育的推行促使以智慧教室为代表的学习环境设计与应用得到广泛关注。通过对智慧教室概念特征的归总，对比传统多媒体教学环境的弊端得到智慧教室的微观需求，在SMART模型的基础之上设计出智慧教室的系统架构，归结一般智慧教室的必备系统设备。

关键词 大数据；智慧教室；多媒体教室；教学资源

中图分类号：G652 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2018）08-0018-03

1 引言

20世纪80年代以来，在计算机、多媒体、互联网各代信息技术风潮的推动下，简单黑板加粉笔的传统教室经历了一系列演变：从起初应用音响、投影仪等设备的多媒体教室，到网络化阶段将网络接入教室，丰富教学资源的同时也拓展了教学活动的空间。21世纪，随着物联网、大数据、云计算等新技术的推出并日趋成熟，智慧教育孕育而生，相应地，具备智慧技术与应用的智慧教室成为未来教室发展的必然形态。

2 智慧教室的概念特征

Smart-Classroom最早是1988年由国外学者Rescigno在《教育技術的实际执行》一文中提出的[1]。当时他所定义的Smart-Classroom就是嵌入个人电脑、交互式光盘视频节目、闭路电视、VHS程序、卫星链接、本地区域网络和电话调制解调器的传统教室[1]。到2008年，随着“智慧地球”（2008年11月，时任IBM首席执行官彭明盛在《智慧地球：下一代的领导议程》一文中首次提出“智慧地球”的概念）理念的提出，在教育领域关于智慧教室的研究得到广泛关注。怀利·旺（Wylie Wong）认为，智慧教室能提供多种呈现技术和教学工具来丰富教学内容，为教师施展多样的教学方式带来便利，同时激发学生的学习兴趣，加深学习体验的效果；在师生交互过程采用更为自然的交互手段替代原有的键盘束缚。陈卫东认为，智能教室是一个利用智能空间技术控制操作教室的声、光、电设备，适合多种教学方式并能实现师生交互、人机交互活动的增强型教室[2]。黄荣怀等人认为，在传感技术、网络技术及人工智能技术充分发展的信息时代，教室环境应是一种能优化教学内容呈现、便利学习资源获取、促进课堂交互开展，具有情景感知和环境管理功能的新型教室，这种教室被称为智慧教室[3]。笔者认为，智慧教室是在物联网、云计算、大数据等技术支持下推动发展的新型教室形态。

智慧教室能捕获、记录、分析学习者在学习过程中产生的一系列数据，形成各类型的学习风格报告，由此制订个性化学习方案，向学习者推送差异化学习内容，做到因材施教的同时，也让学习者在各自适应的学习起点下不断完善发展自我能力，最终实现真正意义上的智慧教学。用智慧的技术提供智能化服务，实现智慧管理，这是智慧教室有别于多媒体教室和网络化教室的主要特征[4]。

3 智慧教室的微观需求

传统教学环境偏向于知识理解与回忆等简单目标的培养，但随着培养目标由知识理解向能力培养的转变，多媒体教室显现出不足之处，对智慧教室提出的需求则越发凸显，主要集中表现在以下几个方面。

空间结构的灵活性要求 传统教室内讲台与学生课桌椅的位置固定，整体结构较为封闭。“秧苗式”的桌椅摆置使得教学模式难以改变，导致学生的自主地位难以得到突出。传统教学过程多是依照教师课前准备的教案流程按部就班地进行，无法根据学生的实质性反应及时地做出教学调整。大多数教师为便于播放教学课件或资料，始终驻足在操作台前，未多走动，达不到有效的师生互动效果。智慧教室则强调连通性原则，打破固定黑板与讲台桌椅的限制，给予可灵活调整的教学结构，将教的过程与学的过程无缝衔接，从而促进教师与学生的有效互动。

随堂资源的及时保存需求 比起以往教学的黑板板书，在多媒体环境下的教师更倾向于将教学内容直接静态投影在幕布上。这样的学习方式使学生无暇顾及新旧知识间的联系与对比，知识疑点的堆积导致认知活动受到阻碍。在教学过程中，由于系统的孤立性与技术的阻碍，学生的课堂笔记、师生互动对话内容、教师的教学灵感与课堂反思等宝贵的生成性教学资源都未能得到收集保存。智慧教室环境引入智能黑板、师生交互软件系统等智能设备，这些设备的使用既能保留投影幕布的作用效果，也增加了板书保存功能，可以捕捉教师迸发的灵感内容。

个性化教学的精准化要求 传统教学环境下技术的缺乏使得教学数据收集困难，教师往往对学生的个性化教学环节无从下手。而智慧教室环境建立在精准数据分析的基础上，为教学创建有效方案，提供了多种收集各类教学数据的工具途径，便于教师研究分析学生的学习情况，做到真正的因材施教，确保教学效果达到课程目标。

4 智慧教室系统模型构建

智慧教室是借助各种计算技术、智能技术构建的智慧学习空间。目前，国内外的智慧教室多在空间创新与技术优化方面下功夫。在与赛格德大学合作的教室建设项目中，微软公司根据学习空间设计原则，认为构思未来教室在保障核心技术——“智慧”的同时，应该具备多屏显示、色彩丰富、桌椅移动灵活等空间布局特点。陈卫东教授提出，未来课堂的学习支持系统模型，通过云服务等技术解决设备之间的数据共享问题，实现资源优化，促进个性化学习的发展。黄荣怀教授等人曾构建出智慧教室的“SMART”模型，将智慧具体展现在优化的内容呈现、系统化的环境管理、便捷的资源获取、及时性的课堂互动、人性化的情景体验等五个维度上，充分突出了信息技术在教学过程中良好的作用效果。

笔者认为，智慧教室应具备学习支持、智能环境、交互工具等功能，在环境管理上能根据实时温湿度与学生数的比例，智能调节教室的温湿度与明亮度，达到适宜学生学习的舒适环境；在资源获取上，实时收录生成性信息，实行个性化资源推送与共享；在交互上，简易有效的人机交互为学生创造一定的自主探究空间，提供便捷的信息获取服务，达到显著的教学效果；在学习支持上，实现线上线下双互动，将泛在式学习与系统化学习相结合，为学生实现个性化发展提供强有力的支持。

在SMART模型基础上，笔者构建6+1模型，以智能数据分析系统作为主要数据共享平台，将智慧教室系统分为环境硬件装置、网络识别系统、中控管理系统、即时交互系统、实时收录系统、资源云平台（如图1所示）。

智能数据分析系统作为其余六个系统的数据连接桥梁，用于实时采集教学过程中大量的信息数据，建立庞大的数据库，利用采集器和嵌入式装置，将视音频、监控、教学资源等转化为数据信号存入数据库，方便管理员随时调用。

环境硬件装置，顾名思义，指教室智能环境下的多种设备，如桌椅配置、电力设备、控温空调、灯光照明等。传统多媒体教室的布局多为填鸭式，课桌椅笨重死板，不利于随意移动，局限学生的互动行为。智慧教室的课桌椅应用人体工程学原理，使其符合青少年身体尺度的同时更加多样化。经过多种形状拼接比对，梯形状的桌子能够依据教学活动的需求，随意组合拼接为多种互动形式的桌形。自带滚轮的活动椅搭配拼接课桌，实现小组互动中的多种组合形式。合理的设备布局，能提高教室空间的有效利用率。在配电上保障供电安全，实行检测断电装置。

有实验研究得出过结论：空气、温度、光线、声音、颜

色、气味等是环境的物理因素，这些因素直接影响师生的身心活动[4]。对这些因素的管理实时监控，保证室内空气无毒无害无异味；传感器实时检测室内的噪声、光线、温度、湿度等参数，并根据预设的参数进行智能调节，将室内声、光、温、气等调节至适宜状态。整个硬件设施系统旨在为师生提供适宜的智能化教学环境，以使外界因素对教学产生的干扰达到最小值。

网络识别系统包括网络的输入输出、人体识别等子系统。智慧教室内的网络既有无线的，也有有线的，配合教学设备需求设定。人体识别系统作为传感装置，可以用于红外线感应人体密度，配合调节教学环境适宜度使用；也可以用于考勤信息的收集，通过校园卡信息采集、指纹、人脸识别等感应记录进出课堂。

中控管理系统主要负责中控装置和监控。智慧教室内软硬件设备众多，在管理上需要一定的工作量，采用可视化管理设备、运行能耗、现场录制等更高效快捷。同时，智慧教室内涉及各类型大数据，对大数据进行智能化采集分析，便于管理人员通过可视化界面查看运行状况和管理操作。

即时互动系统主要分为教学互动和人机互动两大部分。智慧教室应能支持人机之间的自然互动，要做到设备界面简洁、功能明晰、可导航、易操作、贴合人体的使用习惯。学习内容以多方位、多角度、多种媒体形式呈现，教师端配备电子白板、触摸一体机、实物展台等设备，学生端配备笔记本电脑、iPad、智能手机、电子书包等设备。智慧教室内采用多屏显示，保证每位学生都能够清晰地看到教学内容。内容放映时可根据教学需要实现多屏同步、多屏异步及循环播放模式，让学生能够及时捕捉信息，在课堂内有效地处理學习内容，做到及时记录的互动效果。引进点阵笔等互动设备，将学生的学习情况或交流信息反馈给教师，有利于教师对教学进度任务及时进行调节。

虚拟VR技术的推广也为智慧教室的互动效果增添了多彩的一笔。可以结合学科需要，让学生匹配VR设备，身临其境般地感知科学的奥秘，如观察生物课程中细胞的变化与微分子的运动，地理课程中海洋、山脉、湖泊一切尽在眼前。

实时收录系统具有课堂录制、实时应答、档案电子化等功能，支持录制整个课堂的全部教学过程，便于教师与学生课后的教学回顾与反思。课堂应答支持并记录课堂中师生互动对话与信息反馈，加强互动效果。将学生档案转为电子存储版，记录学生学习行为的细节与进度，为学生自主学习时做出正确选择提供数据支持。

资源云平台包括资源的云端获取与处理。将资源整合成数据信息存放于教育云平台，不仅可以节省教材占用空间，让教与学的活动场所更为宽敞，又能使资源内容极大丰富化和便捷化。智慧教室内多种智能设备均能从云端获取教育资源，丰富教学内容，同时通过对实时收录系统的数据进行处理分析，对比学生实时学习情况，为学生提供智能化的个性化教育服务。

5 结论

在大数据时代背景下，作为一个智慧教室的系统参考模型，抓取教与学活动过程的数据进行有效分析，是发展未来教育的必经之路。而环境硬件装置、网络识别系统、中控管理系统、即时互动系统、实时收录系统、资源云平台等六大分系统也缺一不可。在实际建设中，智慧教室所包含的具体细节设备远远不止这七个系统，需要根据实地条件与需求进行相应调整与改进。

参考文献

[1]张亚珍，张宝辉，韩云霞，等.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.

[2]陈卫东，叶新东，张际平.智能教室研究现状与未来展望[J].远程教育杂志，2011（4）：39-45.

[3]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（2）：22-27.

[4]聂风华，钟晓流，宋述强.智慧教室：概念特征、系统模型与建设案例[J].现代教育技术，2013（7）：5-8.