智慧语言实验室的概念、架构与建设研究*

2022-08-25周永胜尹华玲

现代教育技术 2022年8期

周永胜陈刚宋祝尹华玲

智慧语言实验室的概念、架构与建设研究*

周永胜陈刚宋祝尹华玲

（重庆科技学院外国语学院，重庆 401331）

随着现代信息技术的发展，语言实验室逐渐从数字化、智能化向智慧化演变，对智慧语言实验室的研究成为时代所需。基于此，文章首先借鉴智慧教室“SMART”概念模型，剖析了智慧语言实验室的基本概念和概念模型。随后，结合智慧教室和语言实验室的构成特点，从电路原理框图的视角，整理出智慧语言实验室的典型系统架构。最后，从内容呈现、环境管理、资源获取、及时互动、情境感知五个维度，论述了智慧语言实验室的建设思路。文章以外语教学需求为导向，通过对智慧教室和传统语言实验室的融合研究，提出相关的建设理念和方法，以期帮助学校和专业厂商更好地实施语言实验室的智慧化建设。

智慧教室；“SMART”模型；智慧语言实验室；及时互动

“语言实验室”又称“语音实验室”或“语音室”，是指利用多种现代教学媒体进行装备，主要用于学习和研究语言及其相关学科的专用教室。自从1908年法国格勒诺布尔大学第一次使用语言实验室进行教学以来，其经过不断迭代发展，已从机械控制演进到电子控制，从模拟演进到数字，从多媒体演进到网络化、信息化。而在外语教学中普遍使用的，是数字语言实验室——这是一种由教师主控单元和学生单元组成的，以实现数字化语言教学及实践活动为目的的专业语言学习环境[1]，其优势之一是学生有更多机会通过录音活动和配对进行练习[2]。作为我国量大、面广的外语教学活动“主战场”，数字语言实验室的未来发展受到广泛关注。多媒体教室作为通用数字化教学环境，是与数字语言实验室具有相似功能的教育场景。当前，多媒体教室从数字化、智能化发展到智慧化，已逐渐演化为智慧教室。从发展态势来看，数字语言实验室也必将依照多媒体教室的发展路径，演化为智慧语言实验室。然而，目前数字语言实验室的智慧化研究和建设相对滞后，阻碍了外语教学效率的进一步提升。为此，本研究将系统探究智慧语言实验室的概念和架构，以及如何借鉴智慧教室的建设经验构建适用的智慧语言实验室，以期为学校和专业厂商更好地开展语言实验室的智慧化建设提供参考。

一智慧语言实验室的基本概念及概念模型

由于外语听说教学对设备的需要，语言实验室成为发展较早并快速演变的综合性教育技术形态。如今，随着现代信息技术的迅猛发展，语言实验室的“智慧性”越来越明显，逐步形成了智慧语言实验室的雏形。然而，到目前为止，关于智慧语言实验室还没有一个普遍认可的基本概念和概念模型，这直接影响相关工作和交流的开展。

1 智慧语言实验室的基本概念

本研究认为，智慧语言实验室应该是智慧教室与数字语言实验室的融合，是语言实验室的智慧化升级。因此，需要从“智慧教室”概念出发，结合数字语言实验室的特点，才能构建合理的“智慧语言实验室”概念。近年来，研究者对智慧教室概念和构成的论述较多，其中黄荣怀等[3]提出的“SMART”概念模型较有代表性，他们认为智慧教室是集物联网技术、传感技术、大数据技术、云计算技术、富媒体技术等于一体的智慧化教学场所，其智慧性表现为内容呈现（Showing）、环境管理（Manageable）、资源获取（Accessible）、及时互动（Real-time Interactive）、情境感知（Testing）五个维度。“SMART”概念模型合理归纳并凸显了智慧化特征，对当前智慧教学环境建设具有一定的指导价值。这里的“情境感知”是指智慧教室对物理环境和学习行为的感知能力，而有些研究中的情境感知（Situational Perception）包含对教学活动全景、教学互动、师生互评、随堂测试等诸多情境的感知，其涉及范围更广，要注意两者的区别。

数字语言实验室的核心是“数字语言学习系统”，它主要由每个师生位置的语言终端、耳麦、显示器、控制线路等构成，利用音视频技术和网络技术，拾取、处理、传输数字化多媒体和控制信息，服务于专业化的语言教学。尽管通用智慧教室和计算机机房也可以用于语言教学，但关于数字语言学习系统已形成相关的国家和行业标准，具有应用广泛、专业性强、性价比高、使用方便、运行稳定、维护简单等多种优势，值得继承和发展。

基于上述分析，本研究认为智慧语言实验室是一种以数字语言学习系统为基础（或者整合相关功能），应用物联网、云计算、大数据、泛在网络、人工智能、虚拟现实等信息和通信技术构建的新型语言实验室，它提升了内容呈现、资源获取、教学交互、情境感知、环境管理的智慧性，并进一步深化了外语智慧教学。

2 智慧语言实验室的概念模型

本研究结合智慧教室“SMART”概念模型、传统语言实验室的特点和外语教育思想，创建了智慧语言实验室概念模型，如图1所示。其中，外语教育思想包括建构主义、情境教学、社会语言学、产出导向法、体验式外语教学等理论与方法体系。该概念模型以基于语言学习系统的外语智慧教学（内容呈现、资源获取与及时互动）为核心，结合外语教育思想、现代信息技术、环境管理和情境感知，共同构成了一个有思想指导和技术支撑、且技术与教学高度融合的智慧语言实验室概念模型。由于该概念模型酷似一只飞船，故也可称作“飞船”模型，外语教育思想和现代信息技术是“飞船”的两只翅膀，而基于语言学习系统的外语智慧教学是远航的使命。

图1 智慧语言实验室概念模型

二智慧语言实验室的典型系统架构

除了理论层面的分析，对于实验室的实际建设还要根据教学需求进行功能规划，并在此基础上进行设备选型和技术集成，因此有必要对通用、成熟和先进的系统架构进行研究。目前智慧教室厂商较多，产品设计架构、功能、成本各不相同，产品的集成度、成熟度、性能也不同，没有国家或行业标准可资参考。不过，根据大量高校智慧教室的建设实践，结合传统语言实验室的基本构成，本研究从电路原理框图的视角，整理出智慧语言实验室的典型系统架构，如图2所示。该架构由通用智慧教室系统、数字语言学习系统、播放与扩音系统三大模块组成，包含7个应用子系统（由于图形比较复杂，此处不具体呈现）：①通讯传输系统，包括交换机、路由器、网关等；②物联与情境感知系统，包括环境传感器、身份验证、电子班牌等；③融合式交互教学系统（含数字语言学习系统），包括手机、平板、笔记本、大屏、投屏器、师生PC、师生耳麦、语言终端、视频矩阵等；④智能录播系统，包括摄像机、吊麦、录播一体机、服务器等；⑤物联网管控系统，包括中控、电灯、窗帘、门锁等；⑥视频会议系统，包括视频会议设备、显示器、摄像机、话筒等；⑦播放与扩音系统，包括拾音器、调音台、播放器、解码器、多声道功放、音箱等。

图2 智慧语言实验室的典型系统架构

该架构力求全面展示当前典型的设备及其连接方式，尽量勾画出多功能型智慧语言实验室的全貌，从而为学校选择具体设备提供参考，并为相关的研究奠定基础。当然，由于各厂商技术方案的不同和模块化、集成化程度的提高，每个设备的功能设计和整个系统的结构都会有很多变化。该架构图中，每个学生都配置了语言终端和学生PC，这是一种典型的“终端/计算机结合型”或“双网多功能型”语言实验室。有的语言实验室也将语言终端与PC机、平板电脑或云终端（基于云计算技术的学生终端）整合在一起，或在普通机房中安装纯软件的语言学习系统，从而实现一室多用。在实际建设中，还可以选配其他设备，但要注意有机整合，避免简单堆砌。

三智慧语言实验室的建设思路

上述智慧语言实验室的基本概念、概念模型和典型系统架构，为设备建设工作奠定了坚实基础。本研究从“SMART”概念模型的五个维度出发，将现代信息技术和外语教育思想融入其中，根据当前设备现状与发展趋势，探讨语言实验室智慧化的建设思路，以供学校参考、选择。

1 内容呈现智慧化

①增加讲台显示大屏。当前，多数语言实验室都给师生配置了耳麦和显示器，教师主要利用有线耳麦进行教学，师生可以近距离地清晰观看教学内容，因此一般不再配置大屏幕。在智慧化升级过程中，可以在讲台处增加高清投影仪、触控一体机、电子白板等大尺寸显示屏，以支持教师站在大屏幕前的演讲式教学，这样学生便能同时观看教师的表情、手势和课件内容，相较于仅仅观看小屏能产生更丰富的情感交流和更多的共鸣。如果有需要，讲台还可以采用双触控大屏呈现对比画面（如PPT的前后两页），或者采用LCD拼接屏、双短焦投影拼接等进一步增加画面尺寸，以呈现更多的教学细节。

②配置智慧黑板（白板）。在语言实验室进行单词拼写和写作教学时，书写方式有时比课件呈现能更好地控制节奏和展示过程，也更易于理解，因此黑板仍然是必需的。但考虑到师生的健康，应避免使用尘粉笔以减少环境污染，最好选用智慧黑板，如交互式白板、纳米黑板、触控一体机等。智慧黑板支持粉笔、水性笔、油性笔、触控笔等书写，字迹清晰，易写易擦。甚至有的智慧黑板还可以实现漫游书写和笔锋效果，支持板书存储、回放和共享，也支持扫码下载、公众号与APP获取等。此外，讲台也可以采用“互联黑板+触控一体机”的双屏模式，互联黑板实现板书记忆，并与触控一体机同步显示。

③给部分实验室配置多个大屏。对于学生没有独立显示器的语言实验室，可以配置讲台大屏和侧墙小组屏。多屏系统是小组学习的基本条件，也可以解决位置靠后的学生看不清的问题。多个大屏还能模拟沉浸式学习环境，增强学习活动的吸引力和娱乐性。在外语教学中同时呈现语言文字、电影视频、课件、板书等，也为体验式外语教学创造了条件。即使每个学生都有笔记本电脑，使用共享小组大屏也可以方便学生讨论，并有利于教师对小组学习进行观察和干预，从而获得更好的教学效果[4]。为了增强小组信息的呈现，小组屏还可以采用双屏模式。

④提升听觉呈现效果。语言实验室中通常使用耳麦进行听说教学，耳麦数量多且使用频繁，故障率较高。因此，需要提升耳麦的舒适性、保真性和可靠性。教室的声学参数主要有噪声、混响时间、语音传输指数（可懂度）和语音清晰度，而背景噪声和混响越高，语音清晰度和可懂度越差[5]。因此在教室装修时要考虑声学需要，背景噪声以不超过35dB为宜，混响时间在0.4～0.6秒较为合适；同时，要选用优质设备，注重改善音质、降低噪声和营造效果，如数字音频处理器要具有反馈抑制、自动降噪、频率均衡、混响控制等功能，使声音保真、清晰、动听而不啸叫。此外，还可以配置多声道（如5.1声道）和数字声场系统，还原真实、震撼的语言场景，这对于外语影视情境教学是很有必要的。

2 环境管理智慧化

①优化基础装修。一直以来，语言实验室在装修方面投入较少。不过，新时代的学生都喜欢美观、时尚、舒适的学习环境，因此有必要对实验室进行更好的装修，如使用非白颜色对教室墙面进行涂装并安装吸音材料；安装嵌入式轨道插座，以方便自带设备的续航；改用双层隔音玻璃，以减少环境干扰；选用带遮光层的双层窗帘，以减少自然光影响并更好地吸音；在研讨教室墙面涂刷高分子纳米材料，同时满足投影和书写的要求；在吊顶装修时选择LED护眼灯，同时加装变色效果灯，营造自然、宁静、清新、温暖、活泼等各种学习氛围。

②增强布局的灵活性。语言实验室受大班教学、布线较多以及空间较小的限制，多为秧苗式教室布局。然而，桌椅固定、环境保守的传统教室，极大地限制了师生、学生之间的互动讨论，不利于批判性思维的培养[6]。因此，可取消部分语言实验室课桌上的隔板，便于师生的眼神和情感交流；可以采用多边形、圆形、扇形、U形等多种形式的布局；可以将讲台置于教室中间，实现师生之间更加平等、深入的交流；可以采用三角形可移动桌椅，结合教室环境营造虚拟实境的海关、车站、餐厅等英语体验空间，构建适合英语交际的情景体验语言实验室[7]。

③构建物联网综合管理平台。目前，语言实验室对环境和设备的控制主要依靠人工，有必要利用物联网等技术进行集约化管控。智能管控功能包括对设备、供电、门锁、灯光、窗帘、风扇、空调等进行本地集中控制和网络化远程控制，并实现自动控制和手动控制的结合，以及对设备的远程故障诊断。因此，可以预置各种应用场景，通过一键操作，实现上课、下课、多视窗教学、远程教学等模式的切换，对教学设备和环境设备进行组合控制[8]；还可以通过可编程中控、IP对讲系统或电子班牌，与服务人员及时沟通。

3 资源获取智慧化

①配置专业录播系统。课堂教学录像是重要的教学资源，广泛用于督查评教、教师反思、学生复习和教学研究。目前，部分语言实验室具有“准录播”功能，能利用教师PC、耳麦和摄像头，对上课过程中的教师头像、授课屏幕和讲解进行自动录制。目前，专业录播系统已成为智慧教室的核心配置之一，其影音质量是“准录播”无法比拟的。建设录播系统应采用先进的图像识别技术，配合摄像机进行师生的智能定位和动态跟踪，实现教学场景切换、特写等操作，并能通过录播主控模块实现智能导播、智能直播和摄像机的智能控制[9]。对于外语精品课的录制，可以采用广播级4K录像和广播级建筑声学设计。而对于多校区的学校，录播系统宜设计远程点播、远程直播、远程视频编辑等功能。

②加强影视等高清视频资源建设。基于对体验式、情境化外语听说教学环境的需要，高清视频能还原真实的听说场景，引起感觉和情感的共鸣，使学生更好地理解语言和应用语言。当视觉和听觉信息同时呈现，或者视觉先于听觉时，学习才能得到优化[10]。通过观看带有字幕的视频来比较听到、看到、读到的内容，有利于培养学生的在线阅读理解能力[11]。除了借助专业录播系统、非编系统制作外语视频，还可以从世界权威网站选取不断更新的视频片段，这样学生能同时获得语言知识，提升人文素养。

③实现资源的个性化服务。目前，语言实验室能提供一些简单的个性化服务，如音视频的自主点播、分组教学、同传频道选听等，点播中能实现变速播放、书签设置和句段的复听。其实，还可以引入更多的个性化服务，如利用Widget整合多渠道教学资源，定制个性化学习场景，智能分析学生的浏览行为与习惯，个性化推送学习资源[12]；智能分析每个学生的学习情况，自动推送相关复习内容，进行智能分组和小组辅导；根据教学资料的来源、类型和内容关键字，为教师推荐最佳教学模式和辅助工具，如教材类资料的课文讲解模式、音视频类资料的听力讲解模式。

4 及时互动智慧化

①增强多屏互动。语言实验室大多支持教师屏幕广播，且支持教师对学生屏幕的监看、转播和锁定。在智慧化升级中，可以通过双大屏幕、高分辨率、学生无线显示等方式来增强演示效果，促进学生对学习内容的展示和分享[13]。在教学互动中，实验室应支持师生的手写交互、图像交互和视频交互，支持学生终端与小组屏之间、小组屏与小组屏之间、讲台双屏与小组屏之间的交互[14]。小组屏应具有小组内投屏（最好同时支持有线和无线方式）、接受教师广播和向全班广播三大工作模式。显示大屏最好支持多路信号同时投屏，且支持移动设备和PC混投，以方便同屏对比。

②开发多元互动。文科课程的教学内容比理工科课程更具有开放性、生成性，更有利于教师利用交互技术开展互动生成性教学[15]。当前，语言实验室常见的互动功能有学生呼叫、师生对讲、学生示范、分组讨论、教师监听、文件传输、文字交流、学生签到、作业与考试等，有的语言实验室还配置了摄像头，能进行可视互动。其他可以开发的互动功能有随机选人、抢答、游戏、比赛、投票、点赞、发红包、评价、互动画板、论坛与公告等，这些功能可以融入专业语言教学软件中。在人机互动方面，触控一体机在课堂上使用频繁，因此操作必须简单、人性化，如通过五指按压的手势来实现显示与书写功能的切换；有的一体机还能让显示窗口下移，以方便不同身高的教师操作；有的白板软件具有英语专用的四线三格手写工具，便于英文书写规范的教学。在移动教学方面，很多教学网站、APP和公众号都支持课堂互动；有的无线话筒具有激光教鞭、PPT翻页、外接话筒、外接音源等功能；有的电容笔能通过语音遥控，打开应用程序、调整音量、黑屏、截屏等。另外，有的录播系统具有语音转写功能，可以将教师的讲解实时转换为原语字幕或中英互译后的字幕，并能根据字幕进行视频检索。

③进行虚拟情境互动。语言互动通常要依托必要的学习情境，虚拟情境的构建可以弥补真实情境的欠缺。当前，虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术被大量引入语言教学，为情境化互动学习提供了技术支持。沉浸式VR学习提供高度的参与性、即时性、个性化学习体验，交互能力和沉浸式界面已成为VR教学的重要特征。近年来，国家大力倡导虚拟仿真实验教学课程和平台的建设，学校与厂商合作，既可以在语言实验室中融入VR技术，也可以建设专用VR实训室。

④加强互动信息的记录和智能分析。对互动学习过程的跟踪和及时评估，是智慧教学的重要特征。语言实验室一般都具有测试功能，能进行自动评分、排列名次和分数段分析等，但还缺少对预习、问答、练习、作业等全过程的记录和分析。例如，实验室还需要记录每个学生每门课程的学习时长、学习笔记、相关练习、学习效果等，方便学生复习和反思；对于学生的教学互动表现，可以在讲台大屏显示加分、排名、光荣榜等；可以将机器学习应用于语言应用能力的评估和及时反馈，一旦训练好机器，就可以轻松完成成千上万的评估任务[16]。总之，可以利用大数据与AI技术，对教、学行为数据进行记录和分析，对写作（包括手写）和口语进行智能评阅，帮助师生进行教学诊断和决策。

5 情境感知智慧化

①自然情境的感知与控制。一直以来，语言实验室建设对自然情境的感知重视不够。当前，语言实验室需要借鉴智慧教室的成熟经验，充分利用传感器和物联网获取的物联感知（IOT Perception）大数据，实现对物理环境的健康评价、智能管控和对设备系统的全生命周期管理。利用当前的技术，能够对实验室温度、照度、CO2、PM2.5、烟雾、粉尘、起火、进水、入侵、门磁、电压、电流等进行环境和设备状态的智能监测；同时，能够根据安全性、舒适性和教学模式（环节）的特殊要求，控制空调、电灯、换气扇、空气净化器、窗帘、门锁、报警器、智能插座等装置，如根据环境的光线，自动调整灯光和窗帘；通过人体热释电传感器的感知，自动控制电灯的开和关；当出现烟雾或火光时，启动报警器等。

②人文情境的感知与反馈。目前，语言实验室的人文感知功能较弱，有很大的提升空间。对此，可借助眼动仪、高清摄像机等智能设备，充分利用AI技术和图像分析技术，对人脸及表情，以及抬头、低头、睡觉、起立、举手等行为进行情境感知和记录[17]。而对人文情境的感知和数据挖掘，可用于无感考勤、学情分析、教学反馈和教学评估等。人文情境的感知技术较多，如通过测量热红外图像，来评估学生的心理状态和学习参与度；利用摄像头、麦克风、触觉手套等，对课堂演讲者进行多模态感知和情绪识别；利用声纹识别、语音识别技术，进行自动身份识别和演讲统计；利用多功能电子班牌和考勤机，进行考场验证、体温检测和健康码核验等。

四结语

本研究初步梳理了智慧语言实验室的基本概念、概念模型、典型系统架构和建设思路，有助于高校和专业厂商在设备建设实践中，充分考虑设备的功能特点与外语教学需求之间的适应性，合理配置可选用的智慧化设备、设计可规划的智慧化功能，从而不断完善外语智慧教学环境。此外，本研究对外语同声传译实验室、VR实验室以及其他专业实验室的智慧化建设也具有一定的参考价值。未来，随着技术的不断进步，厂商应充分整合、拓展软硬件设备的功能并提升相关性能，教育工作者应不断更新教学理念，以共同促进信息技术与实验教学的协同发展和深度融合，打造更多学科特色突出、应用效果良好的专业化智慧实验室。

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Research on the Concept, Architecture and Construction of Smart Language Laboratory

ZHOU Yong-sheng CHEN Gang SONG Zhu YIN Hua-ling

With the development of modern information technology, language laboratory has gradually evolved from digital and intelligent to smart, and the research on smart language laboratory has become the need of the times. Based on this, this paper firstly drew on the “SMART” (Showing, Manageable, Accessible, Real-time Interactive and Testing) conceptual model of the smart classroom, and analyzed the basic concepts and conceptual model of the smart language laboratory. Then, combined with the compositional characteristics of the smart classroom and the language laboratory, this paper sorted out the typical system framework of the smart language laboratory from the perspective of the circuit block diagram. Finally, the construction ideas of the smart language laboratory were discussed from five dimensions of content presentation, environmental management, resource access, timely interaction, and situational awareness. Oriented by the needs of foreign language teaching, relevant construction concepts and methods were proposed through the integration research of smart classrooms and traditional language laboratories, expecting to help schools and professional manufacturers better implement the smart construction of the language laboratory.

smart classroom; “SMART”model; smart language laboratory; real-time interactive