双屏智慧教室的建设与实践探究

张凯 杨再明 吕恋生 史秋艺

摘   要：教室作为目前在校学生学习和教师教学的主要场所，是教育教学创新改革的“主阵地”，在教学过程中发挥的作用是不可替代的。在分析传统的多媒体教室存在的问题基础上，文章对传统的多媒体教室进行全新的设备架构和学习空间设计，构建了以双屏互动为核心的智能化教学支持环境，提出了一种全新的双屏互动智慧教室的解决方案，并对其使用效果进行了调查研究，以期对智慧教室的建设提供可借鉴的解决方案。研究表明：双屏智慧教室对课程教学和学生学习有良好的促进和支持作用，一定程度上推动了课堂教学方法和模式的改革，师生对未来在智慧教室上课持积极乐观的态度。

关键词：智慧教室;双屏互动;教学环境;设计与实现;使用效果

中图分类号：G434 文献标志码：A 文章编号：1673-8454（2021）05-0091-06

一、智慧教室建设的背景

从教学信息的流向来讲，教室作为目前在校学生学习和教师教学的主要场所，既是教学信息收集的起点，也是各类教学信息汇聚的终点，是教育教学创新改革的“主阵地”，在教学过程中发挥的作用是不可替代的。教育部《教育信息化2.0行动计划》明确提出“要构建智慧学习支持环境，开展以学习者为中心的智能化教学支持环境建设”。[1]教育部《关于加快建设高水平本科教育，全面提高人才培养能力的意见》（简称“新高教40条”）第11条明确提出：“要大力推进智慧教室建设，构建线上线下相结合的教学模式。”[2] 2017—2019年地平线报告（高等教育版）均将重新设计学习空间作为短期趋势（未来1～3年）内驱动高等教育采纳的教育技术。国内外众多高校开始重新设计教室环境，从传统的以讲授为主的学习空间设计转变为基于项目、问题、协作、团队展示、研讨等多样化的空间设计，以构建全新的教室学习环境来提高学习质量和效率。如何构建网络化、数字化、智能化的教学环境，推进和规划智慧（未来）教室的建设，成为各个高校教育技术工作者关注的热点问题之一。

二、传统多媒体教室存在的问题

近年来，随着学校教育信息化不断推进和现代教育技术的发展，高校基本实现了多媒体教室的全覆盖。基于多媒体教室的教育技术在学校中也基本得到了普及与应用，教师上课从传统的“黑板+粉笔”模式转变成目前的“计算机+投影”模式。但是，大部分教师的授课模式还是以讲授式为主，根本无法满足现代教学互动的要求。研究表明，在使用多媒体教室进行教学过程中暴露出诸多问题。

（1）教师依赖板书的习惯无法在多媒体设备上完全实现，教师需要频繁在黑板和多媒体讲台前切换幻灯片和板书，多媒体教学与传统教学难以完全融合，限制了教师课堂能力的发挥，影响了教学效果。

（2）多媒体教学往往包含的信息量大，呈现内容“堆砌”，信息变化速度快，学生应接不暇，思维跟不上，妨碍了学生对内容的理解和消化。[3]

（3）多媒体呈现的“间断性”展示，割裂了教学内容的前后联系，学生没有时间对知识进行联系和对比，导致学生思维的不连贯，影响对学习内容的理解。[3][4]

（4）在授课过程中，拘泥于多媒体课件上的内容，有些教师处于“念PPT”状态，成了变相的“满堂灌”。

（5）传统的多媒体教室环境多与讲授型教学方式相适应，重点在于教学内容呈现的高效化和多媒体化，缺乏深度的互动技术手段。[5]

（6）统一“秧田式”的座位布局，不利于多种教学活动的开展，只有灵活运用矩形、梯形、圆形、马蹄形或者可以任意组合拼接等多种座位布局才能满足当前的教学需求。[6]

双屏互动显示技术的出现使这一问题的解决成为可能，针对目前存在的这种问题，我们构建了一种全新的双屏互动教学系统解决方案，在ICT（Information and Communication Technology，即信息和通信技术）与教室建设和融合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。

三、双屏技术的实现

双屏显示是以多头输入显卡或主板提供2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内容。目前双屏显示支持复制模式、扩展模式。复制模式：双屏显示相同的内容;扩展模式：两个屏幕显示内容不同，可进行主辅屏幕设置，主屏幕显示桌面图标和主程序，桌面背景图像和状态栏拉伸延长至另一个屏幕，可以通过鼠标拖动主程序到另一个屏幕。[7]双屏互动技术就是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物理屏实现在一个桌面的范围内全屏显示以及操作，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。

传统软件仅识别一个桌面的大小，采取传统窗口的形式，可由用户根据使用情况拖拽到主桌面或者扩展桌面上进行使用。在进行程序创建方面，只会根据一块物理屏幕的显示区域创建一个标准的程序，通常一个标准程序从创建到显示需要经历主程序窗口的创建、在主程序层上建立一个看不见的逻辑层来处理显示，处理之后建立一个我们可以看得见的视窗层，那么程序从上至下创建时全部都是按着一块物理屏幕的信息进行的，当接入多个硬件设备的时候，程序并没有去处理多屏幕的情况，依旧按一个屏幕的情况进行处理，在多屏幕情况下，程序并不能被充分应用起来。

在雙屏互动教学软件设计之初我们就考虑了多屏的情况，当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。双屏互动教学软件在进行程序创建时先检测硬件环境，确认目前有几个物理显示器，之后根据物理显示器计算出总的显示区域，根据总显示区域创建一个足够大、可以覆盖所有显示区域的主程序窗口。创建后再建立逻辑层，逻辑层有意增加针对多屏模式的控制，并增加可以进行扩展的控制单元，使三屏、四屏等成为可能。在逻辑控制层建立完毕后根据物理显示器的数量创建与屏幕数量相等的视窗层，视窗层分别显示在不同的物理屏幕上，这样就可以实现多屏下的显示与控制，实现原理如图1所示。多屏显示系统在获取信息与创建显示区域部分增加了针对多屏的判断，结合硬件环境，创建了与之对应的软件视窗层，多屏显示的程序逻辑如图2所示。

四、双屏智慧教室的软硬件构成及基础环境建设

教室是教学的主阵地，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，创建适合学生学习和教师教学的新型教室环境是一种必然趋势，智慧教学环境的设计与应用已经成为教育技术学研究的一个新领域。为解决传统多媒体教学存在的问题，结合学校教学改革的需求，中国矿业大学构建了以双屏互动教学系统为核心的智慧教室，并作为教学环境建设与应用的改革试点。双屏智慧教室主要由双屏交互教学系统、直录播系统、教学扩音系统、智能中央控制系统、可移动桌椅等部分构成，系统架构如图3所示，主要涉及软硬设备，如液晶触控屏（2块）、双屏互动教学软件、智能交互系统、互动主机（计算机）、混合矩阵、多媒体功放、多媒体音箱、无线扩音设备、智能录播主机、音频处理器、拾音话筒、云台摄像机、智能中央控制系统、时序电源、语音网关、IP电话、读卡器、网络交换机、无线AP、智慧讲台等。[8]

1.双屏互动教学系统

双屏互动教学系统由多点液晶触控屏、高性能计算机、视频切换（混合）矩阵、双屏互动教学软件等软硬件构成。在双重编码理论的指导下，实现双屏工作模式下支持双屏拼接融合，主要实现以双画面的形式进行四种模式教学内容的双轨展示，意义关联，达到同时激活学生大脑语言系统和非语言系统的效果，促使学生认知结构更容易吸收学习内容。第一是镜像显示模式，双屏显示相同内容。第二是关联显示模式，在左右双屏上按上下页逻辑关系显示文档内容，并支持双屏任意页显示，同时可任意屏锁定。第三是板书关联模式，一个屏显示文档内容，另外一个屏显示板书。第四是一个屏显示为主机内的其他教学软件或者教学资源，另一屏显示电子白板功能或者文档内容。双屏互动教学系统提供了四显示模式和双屏内容互换功能，可以满足教师不同教学风格的个性化教学设计需求，教师可以根据课前准备情况和教学过程的实际需要选择合适的教学方式。交互液晶触控屏替代传统黑板，为教师提供方便的交互式电子白板，实现板书的书写、标注、演算、推理等功能;支持各种颜色的画笔和橡皮擦等功能;支持多种常用几何图形——圆形、三角形、矩形、六边形、星形等快速调用，自动手势识别切换书写笔、电子板擦、页面放大、页面缩小、对象资源放大、对象资源缩小、移动页面等功能，通过多指手势（单指书写/双指缩放、拖动/三指翻页）的操作实现无限放大、无限缩小、无限漫游，满足教师大量板书需求，系统达到了“随处可写，随时可写”的效果，实现了板书的无尘化教学。

智慧教室的后面和侧面墙壁亦配置了智能交互一体机，可以作为显示屏幕来显示教师的教学内容，也可作为师生交流互动的一体机或分组讨论时学生的演示、互动屏幕。手机、平板上的教学内容可以通过无线投屏系统共享到小组触摸大屏上，小组学习成员可以在触摸大屏上任意投屏显示各自的学习内容，通过触摸大屏板书、标注形成交流与协作。各小组之间可以通过分组触摸大屏，把其他小组形成的学习结果内容呈现在自己的分组触摸大屏上，进行小组间的讨论、反思、总结，以小组为单位进行协作学习，促进大家一起共同完成课程进度。教师作为課堂教学模式的重要组织角色，可以对各分组讨论的内容进行广播展示，把分小组的学习结果统一展现在教学触摸大屏和小组触摸大屏上，通过对学习结果的共同探讨完成课堂上的师生互动。[10]

2.智慧教学交互系统

智慧教学交互系统由各种学习终端、教学互动平台、云服务器等组成，是课堂教学过程中师生、生生交互的支持系统，可以实现师生、生生互动，小组讨论和学习，学生的个人探究、学习过程、学习评价的记录。智慧教室配置了多种智慧教学交互工具（学习通、雨课堂、云白板等），方便教师自由选择，系统提供了基于扫描二维码进入班级和签到的课堂考勤;进行PPT授课，主题讨论和分组任务的课堂讨论、测验和作业的课堂练习;具备评分、投票、问卷和学生反馈等教学环节，在整个课堂教学中教师可自由组合使用各个环节。教师可以基于课程内容开展互动课程活动，利用如抢答、问卷、投票、主题讨论、词云、评分、课堂计时等功能，快速提升课堂气氛、激发学生学习兴趣，深化学生对学习内容的理解。同时，教学交互系统还可以将远程异地教室、笔记本、手机、平板的摄像头画面、学习内容投屏显示到本地的智慧教室中，同时将本地智慧教室的教学内容发送到异地的互动端，将分组教学的课内互动与远程教学的异地互动结合起来，实现教师与学生、学生与学生、教师与教师之间的全互动教学，为创新教学模式、提高课堂效率提供基础环境。[10]

3.智能录播系统

智能录播系统主要由智能录播主机、录播管理系统、识别智能跟踪系统、高清云台摄像机、专业采访话筒（吊麦）、数字音频处理器、资源管理云平台等软硬件构成。录播系统主要实现音视频的采集，以教室场景生成系统为基础，采用图像识别智能跟踪技术，录制过程无人值守，依据课表信息，对课堂教学过程的视频和音频进行实时同步录制，准确捕捉演讲者（教师、学生）的位置变化，通过对人物行为识别分析，智能驱动高清摄像机对教师和学生进行跟踪拍摄。专业采访话筒（吊麦）、数字音频处理器等音频系统实现课堂现场拾音、处理、合成及输出工作。由于声音的效果对录播质量的影响较为明显，配置的数字音频处理器一定要内置音频矩阵、均衡器、混音器、回声抑制器、反馈抑制器、噪声抑制器等模块，对音频进行过滤和处理，保证声音的真实感，使声音得到真实的表现和还原，提高语音清晰度和可懂度，从而提升录播系统整体质量。

考虑到学校日后录播设备的持续投入，应通过一套应用平台将分散在各个智慧教室的录播系统集中化管理，所有底层视频传输服务进行聚合，完成音视频编码、数据采集。资源管理云平台统一进行数据处理发布、存储、应用和管理，平台具有在线直播、视频点播、随堂（教学）评价、虚拟切片视频知识生成、S-T课堂行为分析、基于人工智能的课堂教学行为分析等功能，师生可以上传和管理视频、文档、课件等教学资源。基于云平台可以实现规模化精品课程录制、在线课堂教学督导、教学质量评价、移动听（评）课、学生自主学（复）习、电子巡考、课堂上的互动教学、教师教学反思、人工智能的课堂教学行为分析等应用，促进课堂教学的可视化、精细化、智能化的管理，为改善教学方式、提升教学质量提供科学支撑和依据，促进教学质量的提升。

4.智能教学扩音系统

教学扩音系统一般由功率放大器、音箱、无线扩音设备等设备构成，是整个智慧教学系统中很重要的部分。清晰、稳定的语音扩声是影响课堂教学质量好坏的重要因素之一，教学扩声对语言清晰度和声音还原解析力要求很高。在传统教学过程中往往不注重语音处理功能，从而存在各种各样的问题，如话筒啸叫、扩音失真、音响杂音、声场不均匀等等。在智慧教室建设过程中，功率放大器要选用具有反馈抑制技术，内置自动静音器、电平控制器，保真度高、声音清晰、频响宽的产品，有效地抑制啸叫，保证语言的传送质量，较好地保持原声。音箱选用圆弧形的外壳设计，使扬声器边缘辐射的声波形成簇形波，有效形成多波束发射和接收，使辐射以球面波状扩散，有效抑制扬声器内部驻波。同时，根据教室房间的大小选定具有垂直与水平两个方向辐射夹角、指向特性图案、灵敏度级的音箱，提高语音清晰度，最终达成教师讲课语音清晰、自然、真实。无线扩音系统设备可以先用手持式无线话筒，方便任课教师在教室内自由活动，不再局限于讲台周围，可以很方便地走下讲台与学生进行教学互动，提高学生的课堂参与度，让教学过程更轻松、流畅和高效，提升课堂教学效果。

5.智能中央控制与物联网系统

智能中央控制系统主要包含智能融合控制终端、继电器、时序电源管理器、读卡器、IP对讲和设备集中管理平台，主要实现智慧教室各类设备的集中本地控制和远程控制，本地控制主要指教师可以通过控制面板实现 “一键上课，一键下课”，对设备的开关、功放的音量大小、信号切换、录播的开启与关闭等进行个性化控制，真正实现“所见即所控”，可极大程度上节约系统、设备的维护管理开销。设备集中控制管理软件实时监测教室端设备使用状态，如设备的开启状态、运行情况、故障预警、被盗报警、使用情况、故障统计等，让管理人员可以快速准确地掌握智慧教室的使用情况，并及时发现故障和隐患，真正做到动态、智能化的管理和维护，提高管理效率，解决了大规模智慧教室的运维。配合数字监控系统，IP对讲系统实现智慧教室与控制中心之间语音和视频通讯，实现了可视化对讲。如果教师在使用智慧教室过程中有任何问题，可以通过IP电话与控制中心的管理人员通话，实时解决教室存在的问题，方便设备报修与维护。

智慧教室的管理系统与教务排课系统进行课表数据对接，自动进行数据同步，在管理平台内生成课表管理系统，并根据学校教学作息时间和教室排课的情况，提前10分钟（自由设定）自动打开即将上课教室的相关设备，进入上课模式，下课后，延时10分钟（自由设定）关闭教室设备，进入下课模式，真正实现了智能化、人性化控制方式。根据学校实际情况，有很多临时借用教室或者其他突发性情况，将校园一卡通（IC卡）作为教师身份识别的一种方式，上课插卡，当校园卡通过读卡器认证通过后，所有设备自动开启，正常进入上课模式，下课拔卡，所有设备关闭，进入下课模式。尝试绑定授权的任课教师，通过微信扫描二维码，对设备进行开关机，真正实现了自助式操作与管理，解决了大规模智慧教室的管理。

物聯网系统主要采集教室内的温湿度信息、光照度信息、CO2浓度、PM2.5值等数据，根据设定的规则自动开启空调和新风系统进行温湿度调节和CO2浓度调节，达到设定值后自动关闭;自动开启灯光并调节亮度、开合窗帘提供自然光源，营造舒适的教学环境。

6.泛在网络环境

智慧教室内提供有线网络方式接入，保证各个教室之间的设备互联互通以及设备入网的访问，3G、4G、WIFI信号全覆盖，提供泛在的无线接入环境，方便师生便捷地获取教学和学习资源。有线网和无线网互联互通，使信息空间与物理空间进行全面连通、融合协同，便于师生、设备、资源相互之间的无缝连接。

7.基础环境建设

智慧教室需要对教室空间环境进行全新定义与设计，实现人性化的教学环境。按照未来教室各教学装备系统安装部署要求，要从整体环境、声学环境、灯光光源、电路线路、桌椅布局等多方面综合考虑，装修风格要体现信息化及现代感，总体效果要达到和谐、大方、实用、美观。

顶面可以做设计，进行几何分割，营造一种设计感、科技感和现代感，给师生一定的视觉冲击力。顶棚材料建议以基层框架为基础，面层可以选择具有阻燃性的软膜天花。四周墙体采用浅色吸音材料，建议使用聚酯纤维吸音板（隔音板）而不是多孔吸音板，以防摄像机拍摄角度不正时，画面会出现摩尔纹现象。为保证拾音不受外界声音干扰，窗户加装中空玻璃窗体并增加密闭性。为避免不可预见的自然光照影响，窗帘选用带遮光层的双层窗帘布（也是为吸声考虑）。地面可以使用PVC材质的静音塑胶，易于打理和维护。

灯光均匀布光，保证室内的各个区域的光照亮度合理均匀，在适度范围内尽量提高光亮度，一般教师区光照度最少应该达到700LX，学生区最少达到500LX。由于摄像效果还有赖于适宜的色温，参照演播室色温标准，建议选择色温在3050±150K的三基色灯管。[9]需要注意的是，对于触控屏前的灯光可单独设计开关，根据实际使用进行灵活开关控制。为不影响录播系统的拾音效果，空调和新风系统一定要选用具有静音效果的产品，尽量减少或避免空调声音过大造成的声音污染。在智慧教室建设过程中，由于设备较多、空调和新风系统用电功率较大，建议供电系统从主配电箱拉取专线，谨慎沿用原教室电路，同时，可配置电源稳压器、防雷器等保持稳定电压和预防雷击，保证设备使用和消防安全。

互动是未来课堂的核心，传统的“秧田式”桌椅布局限制了师生互动，改变是智慧教室的必然选择。为了能支持和兼顾讲授式、小组合作、团队协作、PBL教学、基于项目的学习、翻转课堂等多种教学模式的快速转换，配合课堂的各种布局，智慧教室配置的桌椅一定要选用可灵活移动的桌椅，桌子之间可以自由拼接，亦可选择带写字板的旋转椅子，可以根据授课内容及课堂任务需求，进行灵活的调整，随意拆分、组合，组合成各种不同的形状，为拓展师生互动、生生互动方式提供硬件支持，[11]方便教师与学生进行即时交流与讨论，让教学模式在需要转化时既方便又快捷。

五、双屏智慧教室建设与应用效果调查

为了检验双屏智慧教室建设和应用效果，笔者以使用本教室的教师和学生为调查对象进行了网络问卷调查。

1.教师调查结果

参与问卷调查的有21位教师，智慧教室的软硬件设备的总体满意度达到了95.24%，相比传统多媒体教室在教室环境（85.71%）、授课方式（71.43%）、学习方式（66.67%）、学习终端（66.67%）、互动方式（76.19%）等方面有所提升和改变，总体达到了智慧教室预期设计和建设目标。

95.24%的教师认为智慧教室对教学有一定的促进作用，80.95%教师认为教室配置设备很好，能满足教学需求，提高了课堂教学效率，52.38%的教师认为智慧教室分区利用了空间，方便了小组讨论和自主学习，教学互动更加智能，便于获取更多的教学资源，但是6名教师认为智慧教室的功能操作复杂，功能不易掌握，这说明系统还需要进一步的优化与改善。

在课堂教学中教师采用了不同于传统的教学方法，如分组（协作）学习（47.62%）、混合式教学（71.43%）、翻转课堂（38.1%）、探究式教学（38.1%）、基于项目的学习（28.57%），这从一个侧面说明智慧教室在一定程度上推动了课堂教学方法和模式的改革。相比普通的多媒体教室，学生的课堂表现也有所提高，教师认为有很大提高的占比52.38%，有所提高的占比42.86%。

95.24%的教师认为智慧教室对提高自己的教学水平起到了积极的推动作用，并表示愿意在以后的教学中选择性使用智慧教室。对于影响使用智慧教室的原因，23.81%的教师认为技术太过复杂，很难掌握，42.86%的教师认为增加了自己的教学工作量，增加了教学负担，23.81%的教师认为学校对教师的信息技术培训不到位，33.33%的教师认为学校没有制定相应的配套和激励措施，缺乏持续使用的动力。

从调查结果来看，智慧教室满足了教师的教学需求，增加了教学互动，对课程教学有一定的促进和支持作用，一定程度上推动了课堂教学方法和模式的改革。但在教师的信息技术培训、学校激励措施配套、教学工作量认定等方面略显滞后，影响了教师使用的积极性。

2.学生调查结果

参与问卷调查的有75位学生，与传统的教学课堂模式相比，84%的学生表示喜欢和非常喜欢，对教师授课模式总体评价较高。98.67%的学生认为智慧教室的环境激发了自己的学习兴趣，对比普通教室，89.33%的学生认为有利于自己掌握和理解知识，93.33%的学生认为有利于提高自己的合作、协作能力，90.66%的学生认为有利于提高分析和解决问题的能力，97.33%的学生认为在智慧教室上课提高了全体人员的课堂参与度，激发了自己的学习兴趣。98.67%的学生表示愿意接受教师继续使用智慧教室进行课程教学。

从调查结果来看，智慧教室满足了学生的基本学习需要，增强了课堂的交互性，提高了学生协作学习的能力和分析解决问题的能力，对学生的学习具有良好的促进和支持作用，在此类教室上课学习的学生持积极乐观的态度。

六、结语

多媒体教室转型智慧教室的建设与应用是高校教学环境改革与教学模式创新应用研究的重要课题。但对于智慧教室建设，目前尚没有统一的行业标准，建设智慧教室整体系统设计上一定要遵循国际上成熟、通用的标准、规范和协议，保证平台与第三方产品的主动对接与被动对接。同时，高校应从学校教学改革实际需求出发，以教学需求为中心，反复论证演绎，准确理解相关业务要求，确定适用于本校智慧教室的顶层设计方案，并通过少量的智慧教室进行试点探索，取得经验后，再把试点的经验和做法推广开来。[12]诚然，智慧教室的建设离不开任课教师的积极关注、大力支持、参与应用，但将教育新思想、教学新理念融合到对新设备和新技术的应用之中却非“一日之功”，亦非“一人所为”，这就需要在学校的层面上建立和完善相关的教师信息化素养与应用技能培训运行机制、教学改革创新激励机制，切实扭转目前存在的“因认识不足而难以接受、培训不力而阻碍应用、制度缺失而失去动力等”不利局面，在明确和充分认识教育信息技术带给传统教学深刻变革的基础上，积极转变思维定式，稳步推进对教师信息技术与课程整合方面的培训工作，使广大任课教师能够将“理念、设备、技术、信息、技能”等全方位多角度融合于教学全过程，实现“观念与行为的双驱动”策略，切实促进教学水平和质量的提高，以防新建的智慧教室成為一种奢侈的摆设或高级的PPT演示场所。

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（编辑：王天鹏）