海尔智慧家庭学习环境建模研究

2020-05-25田佳欣李璐王运武

软件导刊 2020年2期

田佳欣李璐王运武

摘要：智慧教育促使教育发展掀开新篇章，终身教育理念逐渐普及。如何创设以及创设一个什么样的学习环境以适应时代发展，满足学习者需求成为研究重点。采用案例分析法对海尔近几年推出的智慧家庭进行功能与技术分析，以書房为例构建虚拟家庭智慧学习环境，提出家庭智慧学习环境建设意见，促进智慧教育发展。

关键词：智慧家庭;学习环境;终身学习

DOI：10. 11907/rjdk. 191501 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

中图分类号：TP319文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2020）002-0071-04

英标：Modeling of Family Smart Learning Environment Based on Haier Smart Family

英作：TIAN Jia-xin，LI Lu，WANG Yun-wu

英单：（School of Wisdom Education， Jiangsu Normal University， Xuzhou 221116， China）

Abstract： With the advent of the era of wisdom education， Chinas education development has also opened a new chapter. At the same time， the development of science and technology， the concept of lifelong education began to spread. How to create and what kind of a learning environment to adapt to the development of the times and meet the needs of learners has become the focus of scholars. This paper uses the case analysis method to conduct an in-depth analysis of the functions and technologies of Haiers smart homes introduced in recent years. With the technical support of Haier Smart Family， this paper builds a virtual home smart learning environment with the study as an example. Then I analyzed the wisdom study and put forward suggestions for building a family smart learning environment.

Key Words：smart family; learning environment; lifelong learning

0 引言

时代的发展对学习环境提出了更高要求，智慧学习环境应运而生。关于智慧学习环境的研究层出不穷，斯坦福大学开发了智慧学习环境——iRoom。iRoom包括无线鼠标和桌面键盘、3个触摸感应的智能板和一个非触摸桌面显示器，一个自定义内置的OpenGL图形高分辨率墙壁[1]。学者们围绕智慧学习环境理论、智慧学习环境建设涉及的关键技术、智慧学习环境模型架构、智慧学习环境教学应用效果、智慧学习环境建设功能几个层面进行了研究。在智慧学习环境理论层面：祝智庭等[2]将智慧学习环境定义为一种新型学习环境，该环境对智慧能力发展和智慧行动出现起到了重要促进作用;黄荣怀等[3]提出智慧学习环境应具备4个技术特征——记录学习过程、识别学习情景、联接学习社群、感知物理环境，其目的是促进学习者轻松、投入和有效地学习。在智慧学习环境建设涉及的关键技术层面，包括以学习者建模和学习者数据挖掘分析以及学习资源检索技术为代表的人工智能、传感器、富媒体信息传播、云计算、大数据、物联网等技术。也有学者将智慧学习环境建设的关键技术分为软件技术和硬件技术，除上述技术外，硬件技术还包含多功能交互技术，软件技术包括上下文感知计算技术、计算机视觉技术等[4]，大数据、物联网等关键技术对智慧学习环境建设支撑的研究较为集中。在智慧学习环境模型架构层面，设计了基于云计算的智慧学习环境架构，其中云计算的智慧学习环境建设机制包含基础设施层、中间件层和云门户层[5]。也有学者将智慧学习环境分为移动智慧课堂、智慧教室、智慧实验/实训室、智慧学习中心和智创空间[6]6种类型，每种类型都有不同的建构设计方案。在智慧学习环境教学应用效果层面：智慧学习环境建设截至目前仍未有一个符合人们心理预期的成果，投入应用的研究同样具体化为教学应用效果探究。例如利用电子书包支持某小学语文生成性教学，最终不仅实现了课内生成，也实现了课外生成[7]。智慧学习环境中学习者创造力的培养也是研究方向之一。胡小勇等[8]基于智慧学习环境和电子书包，构建了一种创造力培养模式，该模式强调协作、研究、迭代。选择广州市一所高级中学进行实证研究，数据和访谈分析显示，该模式在提升学生创造力方面效果较明显。在智慧学习环境建设具体功能层面：网络飞速发展的今天，信息呈爆炸式增长，碎片化学习成为一种潮流，碎片化学习带来的弊端也日益凸显——深度思考能力衰退，无脑化接受信息。所以在现今智慧学习环境中，深度学习是全新教育理念与学习方式变革的标志[9]。如刘瑞梅等[10]基于深度学习进行多媒体画面情感分析，以帮助教学者取得更好的教学效果。

从智慧学习环境研究现状发现，家庭智慧学习环境研究层面尚为空白，甚至家庭学习环境研究资料很少。有智慧学习环境条件下家庭和学校的联动机制研究[11]、家庭环境中教学活动和学生某项技能的关系研究[12]，与本文研究比较切合的是“智慧家庭”研究，最有名的是海尔的智慧家庭。海尔全球研发总经理王晔提出“用户对家的需求很简单——健康的食品、干净的空气、纯净的水，大家希望有一个安全舒适的环境，与家人共度美好时光，这正是海尔智慧家庭的愿景”[13-14]。海尔率先提出互联互通、高度集成的智慧家庭和一站式智慧家庭成套解决方案。

海尔智慧家庭建设方案以“4+7+N”为核心理念，以网络技术、物联技术和自动化控制技术为基础，以U平台为关键技术支撑。在核心理念中，4为海尔持续迭代的4个基本物理空间，分别是智慧客厅、智慧卧室、智慧厨房和智慧浴室;7为7个全屋解决方案，分别是全屋空气、全屋用水、全屋洗护、全屋安防、全屋语音、全屋健康和全屋信息;N则指N个变量，具体指用户根据自身喜好以及习惯，个性化定制智慧生活场景，以实现无限的变化可能。U平台是各个智能家居实现互联互通、高度集成的关键所在。

1 海尔智慧家庭案例分析

1.1 智慧客厅

海尔智慧客厅解决方案支持语音交互模式，利用“海尔U宝”智能调控室内家电。例如空气盒子会实时监控室内空气质量，并联动海尔空气净化器进行客厅空气净化，让人时刻享受清新空气;智能照明系统也可根据需要实时调控，营造一个舒适的灯光环境[14]。

1.2 智慧厨房

智慧厨房的“管家”是馨厨智能冰箱[15]，通过智能冰箱与智能烤箱联动可以实现“一键美食”，只需要按照冰箱指示对烤箱进行简单操作即可。馨厨智能冰箱实现食材智能管理，以保证食材新鲜、减少食材被遗忘造成的浪费。馨厨智能冰箱升级为厨房平台——具备一键烘焙、智慧菜谱、移动影院等功能。馨厨冰箱是厨房的大脑，是实现厨房和其它物理空间互联互动的关键。

1.3 智慧浴室

当人进入浴室时，浴室灯光自动感应模式开启，同时作为浴室大脑的“魔镜”系统也会自动开启，在调节洗浴温度的同时监测皮肤状况并给出健康提醒[16]。魔镜也会启用联动模式，此时可播放一首自己喜欢的歌曲，伴随着歌声洗浴。

1.4 智慧卧室

智慧卧室支持语音智能控制，通过智能音箱实现这一功能。通过床头控制面板控制整个卧室，一键开启灯光、窗帘、空调等智能家居，各种模式的灯光和管理任由选择。

智能床垫可以监测使用者的睡眠指数，如心跳、呼吸等。智能枕头可以监测使用者的呼吸、鼾声指数，有助于使用者及时了解自己的睡眠情况。床头有显示屏幕可以实时观察[17]。根据智能产品提供的数据，海尔将给使用者提供睡眠报告及相关建议。所有智能家居产品全部支持个性化定制，舒适程度不言而喻。

通过对海尔整套智慧家庭方案进行研究分析，发现其缺少一个最重要的物理空间——智慧书房。随着智慧教育时代的到来，终身教育已经深入人心，缺少智慧书房可以说是一个非常大的遗憾。但是海尔的4个物理空间已经为智慧书房的创设提供了足够的技术支撑，虽然没有创设智慧书房，但是有相关公司研究的教育产品，本文依托海尔集团的技术和教育产品，以书房为例创设家庭智慧学习环境。

2 家庭智慧学习环境构建

2.1 设计过程

书房最终要设计为“明亮、安静、淡雅、有效”的家庭智慧学习环境。在对书房进行整体设计与装修时，首先要奠定颜色基调，而后巧妙选择墙体、吊顶、地板等材料的颜色，利用色彩搭配营造淡雅舒适、明亮安静的氛围。

2.1.1 功能定位

智慧家庭学习环境不仅包括硬件、软件，更包括人文环境，所以在进行书房设计时按照功能，将书房定义为学习、工作、休闲放松的家庭房，本文定位为亲子共处、终身学习的家庭成员精神共建空间。

将设计风格定位为简洁的现代风格——简单，放弃很多无谓的装饰，以平面构成、立体构成为基础进行设计，注重空间色彩和形体变化，重视实用。

2.1.2 空间划分

将书房分为工作、学习空间和休闲空间。其中工作、学习空间功能单一明确、位置相对固定，可以视为固定空间、静态空间;休闲空间功能多样，可以作为休闲场所、亲子共处场所，为可变空间、动态空间。

从3个层次进行详细的空间划分：①第一层为室内和“室外”划分（主要指书房内外），即确定书房入口是封闭式入口还是敞开式入口。为了打造适合深度学习的书房，决定书房为封闭式入口，即门;②第二层内部空间划分：工作、学习空间和休闲空间是绝对分开还是交叉、融合？需要考虑空间之间的過渡;③第三层为每个空间内部的家具、陈设选择与摆放。在遵循环境心理学、教育学基础上，对空间内部进行协调。以上3个步骤应该有条不紊、层层推进，最后达到整体高度统一。

2.1.3 平面设计

对智慧学习环境进行全新的定义与设计。传统书房虽然经过有意识设计，但是智能家居应用较少，最终导致功能单一，所以需在智慧书房中启用智能家居进行设计。

一般来说，书房分为4个部分：工作台（书桌和电脑桌）、座椅、设备和贮藏（橱柜）[18]。学习空间由工作台、座椅、智能书柜3个基本单品构成，根据需要选取智能工作台、智能座椅、智能书柜。工作台最好有柔和的自然光线从左上角照射进来，即写字台最好与窗台垂直。在窗户旁边配置可拼接工作台，根据学习需要随时变换布局。智能座椅一定是符合人体工程学设计的，可调节、可折叠，这样不但能提高智慧书房资源使用率，而且有利于提高学习效率。为方便学习，书柜一般会紧邻书桌，所以将智能书柜配置在智能工作台旁边。

休闲空间根据主题不同硬件选取也不同，最后营造的环境也不一样，但是休闲空间一定要以心灵放松为根本。

为帮助学习者培养良好的学习习惯，学习空间和休闲空间先按简单不重合、严格区分进行设计，如图1所示。

2.1.4 灯光照明

书房灯光以单纯为好，在保证照明度前提下，壁灯与吸顶灯以乳白色或淡黄色为宜[19]。

两个空间功能不同，灯光照明也不尽相同。在学习空间需要集中注意力，明亮的光线可以集中注意力，所以必须保证足够且合理的照明。直接照明容易造成视觉疲劳进而引发心理疲劳，减缓视觉疲劳的局部照明更适合安排在学习空间。可通过在工作台放置台灯作为局部照明，或者在天花板四周安装光源作为局部照明，使身心更加舒适，提高工作效率。局部照明以功率较大的白炽灯或荧光灯为主，可根据个人需要选择，但是灯具格调以典雅为主。

在休闲空间，灯光根据休闲需要自由调节，若为亲子共处时间则可调暗局部灯光，以塑造融洽幸福的氛围。

2.1.5 硬件选取

（1）工作台选取。工作台是多人学习工作的地点，所以选取可拼接式，用大小相同的学习桌拼接而成，在这里选取改良版超级课桌。改良版的超级课桌可以根据学习者身高智能调节高度。

超级课桌在外观上只比普通课桌多了一块显示屏，这块显示屏配套的智能触控笔便是超级课桌的灵魂所在。首先该屏幕支持互联互动，其次该屏幕和触控笔实现自主知识产权的原笔迹书写技术，这是选择超级课桌作为学习终端的原因所在。一个好的学习终端，应该满足并适应学习者的书写要求，让学习者习惯的书写方式由纸质化无缝迁移到电子化。超级课桌还有一个优势即内置可一键切换的Windows和Android双系统，接入外部软件资源，以充分满足学习需要——不管是物理、化学、生物实验的在线模拟，还是跨学科学习以及在线学习等均可实现。

超级课桌还支持正反180°屏幕翻转，一面是显示屏，另一面是普通桌面，学习者可根据需要选择使用哪一面。使用屏幕时是超级课桌，不使用屏幕时与一般学习桌无差别，而且桌面可以根据学生需求任意调节角度。超级课桌如图2所示。

（2）智能书柜选取。根据海尔馨厨冰箱概念的智能书柜尚未研发出来。智能书柜应支持语音交互，实现对纸质和电子书籍的智能管理。当学习者想找一本资料时，可以描述书名，也可以说明文章内容，书柜皆可根据学习者需要智能输送。智能书柜表面是一个巨大的电子屏，支持整个家庭的一键传屏和系统联动。

（3）智能座椅选取。智能座椅是笔者根据海尔在2019中国家电及消费电子博览会上展示的智慧卧室中的智能床垫和智能枕头设想的。首先该座椅符合人体工学，其次该座椅可以收集学习者心率数据，对学习者心理情绪进行实时监测。当学习者坐的时间过长时智能座椅会发出提醒;当发现学习者情绪不佳时，智能座椅会联动其它智能家居对学习者状态进行调整。

（4）休闲空间硬件设施选取。休闲空间根据使用者风格喜好略有不同。硬件上，若倾向于独立个体，可以选择蛋壳椅、公主藤椅等;若倾向于群体，则可选择榻榻米、拼接桌。内容上，若倾向群体，可以选择沙盘、乐高等群体游戏;若倾向于个体则可选择一些个人休闲娱乐活动。

2.2 智慧学习环境实现

智慧家庭学习环境模型如图3所示。书房以智能机器人为“管家”，支持语音交互。以超级课桌的显示屏和智能书柜显示屏为枢纽实现家校与家内一键传屏、互联互动、可视对讲以及学习资源的个性化推送。

图4为智慧书房学习空间建设情况。

智能机器人：智能机器人内置一个强大的降噪收音系统，方便对家庭成员语音进行收集，按照指令执行动作。将智能机器人置于工作台旁边，以便随叫随到，为学习者提供及时热情的服务。

智能座椅：智能座椅在符合人體工程学基础上承担数据收集和传递工作，可根据学习者身体需求自行调节座椅高度与角度。

智能工作台：智能工作台由超级课桌拼接而成，超级课桌显示面板集手机、笔记本、台式机功能于一体。考虑到部分学习者习惯使用笔记本，因而可在两个超级课桌上配备笔记本。超级课桌桌腿内置轮子，静止时轮子自动收缩进桌腿内，当需要移动桌子时轮子会伸出桌腿外发挥作用。

值得一提的是智能座椅和“超级课桌”以及智能书柜永远处于一种互联状态，当智能座椅检测到健康情况不佳或情绪不佳时，智能机器人会根据情况选择即时提醒学习者还是联动在外的工作者，并将异常数据上报，云端会重点记录。系统将根据收集到的所有家庭成员行为数据对学习者进行资源的个性推送。

图5是智能书柜模型。智能书柜显示屏可以取下来作为一个巨大的显示屏使用，观看电视、电影均可，图5为已经取下显示屏的智能书柜。

心理学研究表明，圆形在视觉上形成一个平稳过渡的空间，在心理上容易产生一种开放安稳的感觉，所以在休闲区选取椭圆吊椅、圆形桌几、圆形地毯等元素，可构造一个简单温馨的放松空间。

整个场景设计目标是帮助学习者培养良好的学习习惯——保持专注，以高效完成学习任务，因此对学习空间和休闲空间进行了隔断处理。

3 结语

经过对智慧书房的虚拟建模研究，对家庭智慧学习环境建设提出以下建议：①对家庭智慧学习环境功能进行预设，定位要明确;②家庭智慧学习环境资源建设多而有章;③建设过程中技术架构注意联通;④基础设施选择要关注舒适度;⑤要打造终身学习的人文环境。

人们对家庭学习环境越来越重视，家庭智慧学习环境的研究方兴未艾。未来在进行家庭智慧学习环境建设时，需要充分考虑人文环境的设计引导，并借助先进的信息技术促进人文环境构建。人文环境和技术的关系以及如何和谐统一运作是家庭智慧学习环境建设的未来研究方向。

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