双屏互动智慧教室的构建与应用研究

张凯 杨再明 吕健

摘 要：随着教育信息化不断推进，大量的新技术在教室中使用，多媒体教室及其装备正在向全数字化、智能化的未来教室方向发展。本文在分析目前多媒體教室存在的问题的基础上，介绍了双屏互动技术，呈现了一种全新的双屏互动智慧教室的解决方案，并分析了实践教学效果。结果表明，双屏互动智慧教室对教师的教学和学生的学习具有良好的促进和支持作用。

关键词：智慧教室;双屏互动;双轨教学;效能评价

中图分类号：G4 文献标志码：A 文章编号：2096-0069（2019）02-0073-05

收稿日期：2019-01-05

基金项目：江苏省现代教育技术研究2018年度智慧校园专项课题“智慧教学环境的构建与应用研究”（2018-R-66874）

作者简介：张凯（1988— ），男，河南周口人，硕士，中国矿业大学公共教学服务中心实验师，研究方向为新媒体技术、现代教育技术 ;杨再明（1963— ），男，江苏泰州人，硕士，中国矿业大学公共教学服务中心主任，副研究员，研究方向为现代教育技术;吕健（1987— ），男，黑龙江齐齐哈尔人，本科，助理工程师，研究方向为教育技术装备。

随着多媒体教学的不断发展，教师对多媒体辅助教学的应用提出了更高的要求。研究表明，在使用多媒体教室进行教学过程中也暴露出很多新的问题，诸如：频繁在黑板和多媒体讲台前切换幻灯片和板书，限制了教师课堂教学能力的发挥;课件信息量大，造成内容的堆砌，学生难以消化理解教学内容;课件呈现的“间断性”展示，割裂了教学内容的前后联系;教师过多地拘泥于课件上的内容，成了变相的“满堂灌”。[1][2][3]针对目前存在的这些问题，我校构建了一种全新的双屏互动教学系统解决方案，在ICT与教室建设方面进行了有益的探索和尝试，以期对智慧教室的建设提供可借鉴的解决方案。

一、双屏互动技术概述

双屏显示是以多头输入显卡或主板提供两个视频接口和显示设备为硬件基础，在同一台主机系统可以输出和控制两个显示设备的技术。硬件上由两块可触控液晶屏和一台电脑主机组成，连接方式采用电脑主机两路HDMI视频输出分别连接到两块大屏上，再将两块大屏上的触控信号线同时连接到电脑主机上，形成两路视频信号输出和两路触控信号输入。[4][5]

双屏互动技术建立在操作系统的桌面扩展技术基础之上，传统教学软件仅能够适应一块屏，做到在一个桌面的范围内全屏显示和操作，双屏互动教学软件则是在软件逻辑上增加了对多屏情况下的判断与处理。在设备接入多个屏幕的情况下，软件会建立一个足够覆盖多个屏幕显示空间的软件窗口，保证充分利用到现有的显示空间。配合双屏教学软件就可以随心所欲地控制两个屏幕显示的内容，这使得该技术在教学领域中的应用有了实现的可能性。

二、双屏互动智慧教室的软硬件构成

持续推进教学信息化建设，是实施课堂教学与现代教育技术进行深度融合的必备条件，也是学校深化教学改革的迫切需要，教室内涵与功能的扩充建设势在必行。根据实际教学需求，中国矿业大学（以下简称“学校”）于2017年9月完成了16间双屏互动智慧教室的建设工作，双屏互动智慧教室融合了多媒体技术、网络技术、控制技术及信息处理技术等相关技术，主要由双屏互动教学系统、直录播系统、教学扩音系统、智能中央控制系统、可移动桌椅等构成，具有电子黑板书写、双屏关联教学、简易快速互动、常态化录播、设备智能控制等功能，给全校师生营造了一个融教学理念先进化、教学设备智能化、教学环境个性化和教学模式多样化等于一体的智慧学习环境。

双屏互动教学系统由液晶触控屏、计算机、混合矩阵、双屏交互教学软件等软硬件构成，主要实现教学内容四种模式（镜像、关联、板书、自定义）的双轨展示，实现教学内容之间的意义关联与参照，助力课堂中师生多类形式的交互。

教学扩音系统由多媒体功放、多媒体音箱、无线扩音设备构成，是整个系统中非常重要的部分。声音的清晰度决定课堂教学的质量，无线扩声设备一定要选用可移动式的话筒，且体积要小，以方便教师移动教学。功放一定要选用具有反馈抑制技术的设备，保证抑制啸叫能力强，具有较高的保真度。

直录播系统主要由录播主机、音频处理器、拾音话筒、云台摄像机及教学资源建设与应用云平台等设备和软件构成，与课表对接实现对教学过程的常态化录制与采集，完成教室中图像的高清录制和在线直播，达到资源的高效利用，实现课堂教学督导、移动听课、教学评价、电子巡考、学生课后复习、课堂上的互动教学等功能与应用。

智能中央控制系统主要由多媒体网络中控、时序电源、语音网关、IP电话、读卡器以及设备管理与控制平台构成，实现对所有设备的智能化控制。与校园一卡通系统对接，利用一卡通实现教师身份认证和控制系统开启与关闭。通过时序电源程序化控制实现对显示、扩声、直录播系统等关键设备进行顺序延时通、断电等各种必要的保护。IP语音对讲系统实现控制中心与教室、教室与教室间通信，方便设备报修与维护。系统管理平台对前端教室设备的远程集中管理与维护，包括使用直录播系统进行节目录制，触控屏的开、关机，教室的灯光和空调控制，实现对教室的环境及设备进行人性化的控制。

网络系统设备主要涉及交换机和无线AP，室内提供多种网络连接方式，保证有线网络和无线网络全覆盖。交换机提供有线接入的连接方式，并保证各个教室之间的设备互联互通，使信息空间与物理空间进行无缝对接。无线AP保证教室内无线Wi-Fi信号全覆盖，提供泛在的无线接入环境，便于学习者、设备、资源相互之间的无缝连接[6]，使教师的教学、学生的学习、学习资源的获取、师生的交流与互动更加智能，更加便捷。

互动是未来课堂的核心，智慧教室的物理架构也是充分体现并围绕这一核心而进行的。改变传统的“秧田式”桌椅布局是必要的。为方便小组学习、协作学习的需求，采用符合人体工学设计、灵活易拼装的活动桌椅，可以组合成各种不同的形状，方便师生、小组成员间面对面地互动、交流，使分组讨论便捷高效。

三、教学应用实践

（一）智能化的人机互动，无尘式交互教学

良好的人机交互是一款智能化人机交互教学工具软件的关键之一。双板互动教学系统设计了多重触摸和手势识别功能，实现了一指书写，两指缩放，多指移动、翻页，手掌（平面物体）擦除，使人机交互操作更智能化、人性化。同时，双板互动教学系统提供了智能化的书写操作，具备书写、批注、绘画功能，使用手指、书写笔、教鞭等任意不透明的物体都可以进行书写和触摸操作，无须专用书写笔，提高用户的体验感受。[7]考虑到很多课程板书内容较多，内容不止一个屏幕的量，在主场景中，我们将电子绿板定义为一个无限的大画布，基于无限漫游的全自动智能记录操作轨迹的功能，提供截图浏览的方式一键跳转到某个时间点的操作画面，在教师进行书写、添加文件或操作文件后，移动场景将会自动生成一页。例如，在讲授理工科课程时，当教师在课堂上书写满屏时，不必进行擦除，可以随意进行拖动，形成相应时间轴，随时可调取前面书写的内容，满足教师大量板书的需求。课程结束后亦可以将所有的板书内容导出生成PDF文档或图片格式，分享给学生供学生复习使用。双板教学系统脱离了鼠标束缚，焕发了师生共同参与的学习热情，达到了随处可写、随时可写的效果，真正实现了无尘式交互教学。

（二）双屏关联显示，实现双轨教学

依据双重编码理论，双屏互动教学系统可以实施双轨教学模式，教学内容以双画面的形式呈现，同时激活学生的大脑语言系统与非语言系统，增强学生的记忆和识别能力，促进知识的建构。[8]

双屏互动教学软件具有四种双屏显示模式[9]，各种显示模式可以根据教学需要和教学习惯进行自由切换，从而选择不同的显示模式授课。第一种：镜像显示模式，双屏显示相同内容，主屏和辅屏内容始终保持一致，并可分别对双屏的教学内容进行标注，方便多人同时操作同一文件。镜像显示模式扩大了教学内容的显示视野，避免由于反光导致坐在边上的学生看不清教学内容的问题，减少教室环境对学习的干扰。第二种：关联显示模式，在左、右双屏上按上、下页逻辑关系显示文档内容，上、下页进行对比，方便展示上、下页有关联的文件，确保知识点内容的正确衔接。这种显示模式改变传统的PPT文稿呈现时前、后面的内容分割的情况，方便教师对前、后知识点的对比，学生也有足够的时间对比前后的内容，进行做筆记、思考、推论等学习活动，深化对教学内容的理解。第三种：板书关联模式，一屏显示多媒体资料内容，支持所有格式的文件，一屏是电子绿板，显示板书。根据教学需求，教师可以在电子绿板上进行板书，如核心要点强调、题目验算、公式推导等，方便教师对课堂教学重点内容的展示。第四种：自定义模式，教师可以根据讲授的内容，将两个文件分别在双屏教学软件中打开，进行关联性教学。在实际的教学过程中，我们使用的教学资源可能不止一种，这种情况就需要同时打开两种教学资源进行辅助教学。例如在解释一个物理现象时，一个屏幕可以显示文字内容的PPT，另一个屏幕可以显示这个物理现象的视频，加深学生对抽象的物理知识的理解。

（三）及时反馈，远程互动，打造互动教学

为实现以教为主的教学模式向以学为主的教学模式转变，营造生动、活跃的课堂氛围，双屏互动教学软件提供基于微信课堂交互方式，无须下载专用APP，通过截取屏幕题目内容，就可以以单选、多选、问答的形式进行微信扫描二维码答题，提交后，经后台统计、分析数据后，互动结果可以实时呈现，从课堂测试结果就可以掌握学生学习的效果，清晰地了解学生对知识点的掌握情况，为教学补救、教学策略以及教学进度的调整提供参考。系统后台自动记录学生的答题情况，可以实现教学过程大数据的实时多地采集，为授课教师提供数据概况报表、数据详情报表，包括每道题的正确率、每位学生的得分率、全班学生的表现汇总等，[10]分析学生的整体学习状态，并对学生答题情况预警，实现学生学习的过程性评价。

采用无线投影软件实现了设备屏幕与智能终端双向投影、屏幕共享，并支持双向同步操作，让多媒体教学内容显示不再局限于计算机屏幕，教学交互、教学资源分享变得更加便捷。

系统提供基于互联网、局域网的多人即时互动，根据教学需要可以创建加密和公开的互动空间，加入互动空间后，可以实现语音、文件、书写等实时操作。在互动过程中，支持多人同时操作软件，成员的语音、 书写、文件都会同步显示到其他人的屏幕上，让异地师生通过白板共享知识，通过音频实现实时交互、协作，如同置身于同一课堂之中，打破了教室之间时空的限制。

（四）实时录播，拓展了课堂教学外延

直录播系统对教师、学生、VGA信号等教学信息可以实时采集和录制，对教学过程常态化的录制，这保证了教学信息的完整留存。系统具有课程直播、课程点播、在线巡课、教学督导、在线评价等功能，实时巡查上课教室的授课情况及学生课堂学习情况，可以对课堂教学状况进行信息化教学监督和督导，实现了教学的精细化管理。在线即可评估课堂教学，对视频直播和录播进行微格点评，实现了在任何时间、任何地点进行评教，打破听课活动的时间和空间限制。实时录制功能将课堂教学状况录制下来，形成了常态化的课堂教学视频资源，轻松地实现课后自主学习和远程教学功能，拓展了课堂教学的外延。

四、使用效能评价

根据教务系统后台数据统计，智慧教室建设完成后，2017—2018年第二学期16间教室申请安排了276门课程，平均每间安排17门课程，总学时8055学时，平均每间教室的使用学时数为503学时，教室使用率为69.92%。2018—2019年第一学期申请安排了308门课程，平均每间安排19门课程，总学时数13244学时，平均每间教室的使用学时数为509学时，教室使用率为70.7%。我校的普通多媒体教室的使用率为57.78%，两者对比，智慧教室使用率高出普通教室将近13%，一定程度上说明智慧教室比较受老师欢迎。为进一步了解双屏智慧教室使用情况，笔者采用网络问卷调查，问卷涉及双屏互动智慧教室的使用情况、满意度、教学支持服务、应用效果、价值认同等方面内容，对使用本教室的16位教师和116名学生进行了问卷调查。

教师调查结果：16位教师对教学环境设计（15人，93.75%）、教学系统易用性（12人，75%）、教学设备的稳定性（14人，87.5%）的满意度都达到了75%以上，达到了教室预期设计目标。但教学系统易用性满意度相对于其他两项满意度较低，这说明系统还需要进一步地优化与改善。在问及“使用该教室进行教学最大的困难是”时，有3位教师认为自己的计算机基础较差，从侧面反映了我们应该加强对教师的信息技术素养培训。教学活动方面，大部分教师采取不同于传统的教学方法，探究式教学（7人，43.75%）、翻转课堂（6人，37.5%）、混合式教学（11人，68.75%）、互动教学（8人，50%），说明该教室对教师教学方法、教学模式的改变起到了催化剂的作用，一定程度上推进了课堂教学改革。81.25%（13位）的教师认为相比传统教室，该教室“更能发挥主动性，满足自己的教学需要”，“为学习者提供了互动、开放的沟通和交流渠道”，“一定程度上能够促进学生与他人的互动”，“在教学过程中自己的信息技术能力得到较大提高”，并明确表示该教室对自己的课程教学有很好的促进作用，喜欢在此类新型教室进行教学。

从教师调查结果来看，该教室对课程教学具有一定的促进和支持作用，有很好的教学利用价值。但在使用过程中，教师们也遇到很多困难，诸如计算机基础差、增加教学负担、资源太少、交互不便、生理疲劳、没有时间等方面的问题。这说明针对新型教室的教学支持服务方面还需进一步改进和完善，如系统的进一步优化、提供丰富的教学资源、加强教师信息技术素养培训、激励政策的制定等。

学生调查结果：相比传统的多媒体教室，在此类教室上课学习，88.79%的学生表示喜欢，其中17.24%的学生表现出很喜欢，71.55%的学生表现出喜欢。76.73%的学生认为在该类教室中，更能激发自己的学习兴趣，发挥主动性;86.2%的学生认为双屏教室提供的学习支持服务能够满足学习需要;70.69%的学生认为在此类教室上课能够促进人际交往，消除学习过程中孤独、无助、焦虑的情绪;74.14%的学生认为对课程的学习有很好的促进作用，对课程学习帮助很大;81.9%的学生认为实现了自己的学习愿望，对教室的整体满意度也达到了87.07%。

从学生调查结果来看，此类教室满足了学生的基本学习需要，促进了同学之间的交流、沟通，增强了课堂的交互性，对学生的学习具有良好的促进和支持作用。对在此类教室上课学习，学生是持积极态度的。

五、结语

教室是教学发生的主要场所，教室内的教育技术装备建设与应用情况是体现一个学校教学信息化程度的重要指标。学校从实际需求出发，构建了一种全新的双屏互动智慧教室的解决方案，实现了无塵式交互教学，增强了教师和学生之间的交流和互动，解决了课堂的枯燥性问题。同时，利用常态化直录播系统完成了校内教学资源建设平台建设、管理、应用，打造了一个多样化授课、云端资源存储、校内资源利用的自然交互、顺畅实用的教学生态圈。诚然，双屏互动智慧教室只是为师生的教与学创造了一个新型的学习环境，如何有效地与传统教育实践进行融合，引领教育理念和教育模式的创新，这就需教育技术工作者和任课教师在教学环境、教学理念、教学策略等方面谋求最大程度的共识，共同参与、协同推进，学校在政策和制度层面上的配套建设，有效破除在传统制度上存在的约束，激发师生热情，促进创新教学。

参考文献

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[2]黄荣怀.智慧学习环境：有效支撑学与教方式的变革[EB/OL]. （2015-08-17）[2018-11-25].https：//wenku.baidu.com/view/19cac6df852458fb770b56aa，html.

[3]中国教育装备采购网.纳米智能黑板一体机，“班班通”项目新宠儿[EB/OL].（2017-09-27）[2018-11-28].https：//www.cai-gou.com.cn/news/2017092792.shtml.

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[10]窦剑峰.基于双屏互动教学探索[J].苏州教育信息化，2015，（1）：25-27.

（责任编辑 孙志莉）

Abstract： With the continuous advancement of educational informatization，a large number of new technologies have been applied in classrooms，and multimedia classrooms and their equipment are moving toward fully digital and intelligent future classrooms.Based on the analyses of the problems existing in the current multimedia classrooms，this paper introduces the duce-screen interactive technology.In addition，it presents a brand new dual-screen interactive smart classroom solution and analyzes its effectiveness in actual teaching.The results show that the dual-screen interactive smart classroom has a good promotional and supporting role for teachers’teaching and students’learning.

Key words： smart classroom;dual-screen interaction;double-standard teaching;effectiveness evaluation