蒋达央姚 琪

1.常州信息职业技术学院信息中心 江苏常州 213164 2.常州信息职业技术学院经贸管理学院 江苏常州 213164

智能可视化教学环境的设计与研究

蒋达央1姚 琪2

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在智慧教育的兴起，可视化、大数据、云计算、物联网应用越来越深入的背景下，以双主模式为基础，根据“以人为本”“以学生为中心”的设计理念，设计智能教学环境的功能结构。以课堂环境系统构成为切入点，设计了VISUAL可视化教学环境模型，并结合国内外智能教室的经典案例，展现当前对智能教学环境设计的探索热潮。

可视化；教学环境；智能教室；教学管理

随着国家“十三五”规划的发布，创新人才培养理念的提出引发了人才培养策略和教学形式的转变。新的教育理论与教学技术的应用要求传统形态的教学环境改变，可视化技术、多媒体技术、人工智能以及计算机通讯技术的发展为教学环境的改变提供了可能。

自20世纪80年代以来，教学环境的发展主要经历多媒体和网络化两个阶段。多媒体阶段以计算机和多媒体设备(投影仪、实物展台、VCD、音响等)为主要的电子化教学硬件。网络化阶段以教室接入校园网，并能便捷的访问互联网，调用网络教学资源，并组织教学活动为主要表现形式。网络化阶段大大拓展了教学活动的空间，实现了教学实时或非实时的互动。

随着“智慧”一词的兴起，以物联网、大数据、云计算为代表的新兴信息技术应用日趋广泛。在教育领域，具有智能管理、智慧应用、可视化等特征的智能教学环境成为新的建设热点。新一代智能教学环境将成为以“学生为主体，教师为主导”的双主模式的教学主阵地[1]。

1 设计理念和原则

1.1 设计理念

智能教学环境的设计首先需实现智能化。教学过程摸不清，看不透，设备控制无序混乱的课堂成为过去时。智能教学环境的设计理念体现“以人为本”“以学习者为中心”理念，专注于学习环境对学习者产生的影响，从技术层面满足需求。

智能教学环境是社会发展的需求，是一种对传统课堂的重构与突破。基于可视化技术，重新对课堂的空间布局、设备选型及技术进行选择，重新对教学资

源展开设计及应用方式的变更，对教学活动的组织实施形式都要以学习者为中心。利用物联网技术更好地关注学习者的情感、心理需求，把他们积极的学习动机和行为调动起来，充分发挥课堂主体的主动性、能动性，使学习更有成效。

1.2 设计原则

本文的智能教学环境指的是一个物理空间。智能教学环境的设计应体现新颖性、稳定性、智能性、集成性、兼容性、友好性、便捷性的原则。它是学习者开展协作、交互的聚集地，是学习中心。它是一个教学仪器设备的集合体，是远程可视化智能系统的一个终端模块。它把学习资源、信息资源、设备资源、技术资源、人力资源有机融合，体现出一个包容的、可拓展延伸的空间。

2 功能设计

2.1 教学全程可视

在智能教学环境下，配有教学全程实录系统。未来教学将是预设性与生产性并重的教学过程。在教学过程中，会有很多临时性、过程性资源产生，实录系统将整个教与学的过程记录下来，以视频形式上传到资源云系统中，形成一种可视的教学资源。课后，学习者即可通过资源云中的录像重新回顾或反思学习内容，也可供其他学习者做学习的参考。另外，教学管理者或教师自身也可通过实录资源，观察教师的授课状态或学生的学习状态，进而提升教育行为艺术与教学效果。

2.2 教学资源网络化

云计算技术的出现，使得网络教学资源得以更便捷的开展应用。智能教学环境中教学资源寄存于学校资源云中，师生随时随地可通过移动终端或PC访问“云”中的资源。每个师生均有一个自己独立的云空间，可开放共享部分或全部资源给其他人，也可私有保密。对于每位师生而言，云存储提供了近乎无限量的存储空间和万无一失的数据安全。U盘、移动硬盘等传统存储媒介的不稳定、易染病毒等缺陷完全消失。

2.3 教学内容多屏交互显示

根据美国学者埃德加•戴尔提出的“学习金字塔”理论，观看影像资料、参与交流讨论和实际操作所习得的知识记忆率都在50%以上，甚至高达90%[2]。因而从学习规律来看，智能教学环境中教学内容的展现需要采用多块交互式显示屏实现。交互式多屏显示的意义除了使师生摆脱固定绿板与粉尘污染的弊端外，更多的是便于教师利用多块显示屏同步或异步展现更具有吸引力和更易记忆的教学内容，同时也利用学生开展小组学习时的互动、交流与展示。显示屏可以是具有交互功能的大屏，也可以是静态屏与交互屏的结合。多屏显示设计的空间布局须具有灵活性，可要满足多种教学形式的需求。

2.4 声、光、温、湿智能调节

在智能教学环境下，如何创建一个舒适的环境，体现“以人为本”的设计理念，其中声场、光线、温度、湿度等影响教学的外围设施的布局设计与操控功能非常关键。师生应专注于教学内容与教学过程，外围声、光、电的调节与控制由智能化系统根据环境变化自动实现。扩音器和音箱的声场布局要均匀，注意混响延时；光线根据教学情景自动调节窗帘开合、灯光亮度及照射角度；温度和湿度通过传感器利用中央通风设备自动对室内温湿环境进行控制。

2.5 WI-FI网络与电气集成控制

由于各类智能便携式移动终端设备的普及化，智能教学环境的创建离不开优质的网络配套服务。高速、高并发连接数的WI-FI网络成为智能教学环境的必要装备。教学资源的访问、设备终端接入、学习交流互动、电气控制、课堂实录等均需要网络来支撑。

智能教学环境下的智慧环境体验很大程度上缘于电气设施的智能调控。室内电气设施的集成化、网络化、智能化设计依赖稳定可靠的物联网。网络集成控制方式既便于统一管控，又能降低每个单元的能耗。

2.6 移动拼接式课桌

智能教学环境下的课桌椅是可以自由组合和分离的。课桌的形状也可以多样，例如正三角形、长方形、正六边形等。这些形状多样的课桌可自由组合成更多的形状，便于开展各类教学，方便学生面对面的交流讨论(如图1所示)。

图1 组合拼接式课桌

3 模型设计

黄荣怀教授等认为智慧教室包含内容呈现、环境管理、资源获取、及时互动、情境感知这5个维度，并建立了SMART智慧教室概念模型[3]。该模型侧重从教室的智慧性角度来描述。本文则从课堂环境系统的组成来分析的智能教学环境的结构和功能，本文设计了VISUAL教学环境模型。该模型由可视管理(Visual Management)、基础装备(Infrastructure)、传感物联(Sensor combination)、泛在网络(Ubiquitous Network)、接入开放(Access Free)、全程摄录(Lasted Record)这六大系统组成，分别取这几个系统的首字母，即组成VISUAL，具体结构如图2所示。

图2 智能教学环境设计模型

可视管理系统是指对室内的所有电子电气设备及子系统实现监测控制的智能化可视管理信息系统。智能教学环境中的所有电气设备的运行状态、耗能节能情况通过远程可视管理系统被实时监管。可视管理系统可远程监看课堂所有设备，并可远程下发控制指令。可视管理系统将接收到的各设备运行数据进行状态分析，便于管理员形成更高效快捷人性化的管理策略。

基础装备系统是指教学环境中的基础装备，如物理空间结构、组合拼接式桌椅、交互显示屏、灯光照明、电动窗帘、投影、计算机、音响、功放等各种新一代教学所需的器具。物理空间可突破原有单一的空间结构，采用移动挡板来实现可变式空间分割。组合式桌椅在符合人体工学的基础上能自由拼合分离，满足多种你教学实施所需。灯光照明、窗帘等其它基础电气化设备实现集成智能控制，由可视管理系统远程接管。

传感物联系统是指利用传感器将电气设备连接起来，形成室内物联网。该物联网的作用主要用于结合可视管理系统，通过传感器网络实现设备状态数据的采集，实现对终端电子电气设备的智能控制。如室内温湿度及氧传感器将采集到的数据信号传递给可视管理系统，系统将自动比对数据，进而控制该教室的通风系统，以调节室内空气和温湿度。泛在网络系统在智能教学环境中主要是指基于校园网络的无线WIFI、云端服务和大数据平台。随着智能移动终端设备使用的普及，单一有线网络已经无法满足使用，具有多点接入、高并发量的无线网络是新一代人才培养教学所需的必备品。基于云服务的各类系统、软硬件教学资源实现融合。基于云计算的大数据分析系统也提供配套的应用服务。

接口开放系统主要是针对种类日益繁多的电子设备接口，如网络接口、音频接口、视频接口、电源接口等。为了确保智能教学环境的长期可持续使用，确保不影响教学活动的开展，种类丰富的标准化协议接口成为未来教学环境中的必备品。开放协议、自由接入、免费使用是实现电子设备之间信息通畅传输的渠道，同时也是可视管理系统开展数据监测分析的通道。

全程摄录系统主要是指基于网络的教学全过程实时录播系统，包括课堂实录系统、课堂广播系统、教学监控系统、电子考场系统以及课堂扩音拾音系统等。该系统既包含摄像机对教学过程的录制和对现场声音的采集，也包括对显示屏交互操作和板书的记录。该系统除了传统的录制功能外，还具有向其他课

堂同步传输实况教学场景的功能。

4 建设案例

4.1 卓越未来教室

上海卓越电子有限公司推出了多媒体教室与录播教室融合的新一代教室建设方案。该方案的主要功能有身份识别(特定时间特定教室必须由特定的卡才能开启设备)、集成网络媒体中控(将投影机、计算机、音箱、功放、电子白板通过网络集中管控)、多元接口(供外部便携式设备使用，有网络、音频、电源、视频、USB等)、课程录播系统(具有自动录制和手动录制两种功能，并可与PPT结合，录制完成后直接传送至网络课程中心平台)。

4.2 加拿大MCGILL UNIVERSITY大学智慧教学环境

该学校对智慧教室建设进行的试验，在部分教室中在原有投影显示设备的基础上增加了大量传感器计算机系统[4]。该传感器能根据教师的行为自动激活相应的设备，无须手动操作，系统搭配出特有的适合本次课堂的教学环境。例如，教师进入计算机系统时，系统自动打开投影，降下幕布，室内局部灯光自动调节位置及亮度，窗帘自动开关，实录系统自动开始录制，并自动上传到网络资源平台。该大学的智慧教学环境建设的目的是用技术提高教学和学习效果，让师生在一个舒适的环境中把最多的注意力投放到教学过程与教学内容中。

4.3 澳大利亚未来课堂

澳大利亚维多利亚州在2010年上海世博会展出未来课堂设计理念的样本模型。该教室的教学是在哈佛大学埃尔摩教授的支持下，形成的“e5”教学模式，即参与、探索、解释、阐述、评估五个重要环节[5]。它把一个普通教室分隔成四大区域，分别是集中交流区、独立学习区、合作学习区、室外开放学习区。各区域之间的分隔用软隔断进行隔离，便于调整。集中交流区类采用半圆形课桌椅摆放样式，类似于会议厅。独立学习区由一个个单人可移动桌椅构成，互不干扰；合作学习区采用小组讨论式布局设计，利用组合式桌椅实现自由搭配的小组讨论；室外开放学习区是利用室外的一块空间，以休闲和茶吧的形式进行交流学习。

5 总结

从对智能教学环境的功能需求、设计模型以及相关案例可以看出，未来教学环境的设计是多样的，各自有特点，智能教学环境仅是其中一种。有的设计侧重与智能控制，有的侧重与空间设计，有的侧重于集成化管理，但其目的都是为了提高教学与学习效果。“以人为本”“以学生为中心”的设计思路，均为充分展现学生在教学过程中扮演的主体角色。无论是可视化技术、物联网技术还是其他信息技术，都是一种手段，都是为了让师生从技术中脱离出来，更专注于教学与学习，同时也是一种新的高效管理方式。随着不断涌现的新技术，应用的广度和深度越来越大，这必将会改变课堂的结构，改变教学形式，最终会形成一个面向培养未来创新人才所需的和谐的智能教学新环境。

[1] 陈卫东,张际平.未来课堂的定位与特性研究[J].电化教育研究,2010(7):3-28.

[2] 王竹立.新建构主义的理论体系和创新实践[J].远程教育杂志,2012(6):3-10.

[3] 黄荣怀,胡永斌,杨俊锋,肖广德.智慧教室的概念及特征[J].开放教育研究,2012(2):22-27.

[4] 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.

[5] 熊建辉.澳大利亚维多利亚州科学教师专业标准述评[J].世界教育信息,2008(10):46-50.

Design and Research on Intelligent Visualization Teaching Environment

Jiang Dayang1, Yao Qi2
1. Information Center, Changzhou College of Information Technology, Changzhou, 213164, China 2.School of Economic and Trade Management, Changzhou College of Information Technology, Changzhou, 213164, China

With the rise of smart education, the application is more and more deeply about Visualization, Big Data, Cloud Computing and Internet of things. This paper is based on the dual master mode, and according to the design concept of "people oriented" and "student centered", that in order to design the function and structure of visual intelligent environment. The article takes the classroom environment system as the breakthrough point, and design a VISUAL visual teaching environment model. This paper combined with the classic example of intelligent classroom at home and abroad, and shows the current exploration upsurge of the design of intelligent teaching environment.

visualization; teaching environment; smart classroom; teaching management

2016-03-08

蒋达央，硕士，工程师。姚琪，硕士，副教授。

本文系2015年江苏省高校哲学社会科学课题(编号：2015SJD538)研究成果之一。