智慧教室与未来教育

 

一、    古代的教室

教室的形成经历了漫长的发展历程，最早教室的信息来自于考古发现，20世纪30年代法国考古学家在名城马里发现的一所房舍，后经推断说明这所房舍是苏美尔人的学校，如图 1所示。房间内有供学习用的石凳、泥板和水槽，其中的泥板书是当时的“教科书”和“作业本”，如图 2。出土的泥板学生作业表明，在公元前3000年左右，苏美尔的学校初具雏形。

                                                        

图 1 苏美尔教室遗址图                 图 2 苏美尔人的泥板书

    古埃及、雅典和罗马也出现类似苏美尔人教室的教学场所，教室采用松散自由的组织方式，如图 3所示。

图 3 古罗马教学情景

中世纪基督教是西方社会的支柱，教会逐步垄断教育，其设置的教室都会有浓厚的宗教气息，如图 4所示。

图 4中世纪的课堂

文艺复兴时期，“人本主义”思想下的教学改革在西方逐步展开。1433年，文本主义的教育代表人物维多里诺在孟都亚建立了一所寄宿学校——“快乐之家”，他认为让学生身处大自然之中是教育的首要条件。教室要光照适度、空气流通、空间宽敞大方、布局生动活泼，充分体现人本主义的教学理念。随后18世纪后的工业革命和信息革命加速推动社会方方面面的变革，教室的组织形式也处在不断的变化中。

二、    现代教室的演变

18世纪后，经过历史的沉淀，教室已发展成一个有秩序、有纪律、有规模的系统，具有稳固班级授课模式，本文将其归为现代教室范畴。进入21世纪后，网络技术的快速发展和先进教育理念的影响，现有教育形式的弊端逐渐显现，如何缩小现有教室形式与时代要求之间的鸿沟，教育信息化起到重要桥梁作用。由此各国将教育现代化作为国家发展的战略核心，并以教育信息化为依托，率先实现校园信息化，构建智能化的数字教学环境。课堂作为教学空间、校园的有效组成部分，无疑是校园信息化实施的首要场所。随着技术的不断发展，新技术和设备也影响着教室的结构，使得教室呈现出不同的表现形态，本文根据技术的不同发展时期可以将教室的发展过程划分为传统教室、视听教室、数字教室和智慧教室四个阶段，如图 5所示。

图 5 现代教室的发展演变

传统教室，教师通过黑板、粉笔、课本等教学工具和教学资源向学生传授知识。教育活动大多受时间和空间的限制，场所固定，资源工具有限。环境条件的限制导致教育形式单一，教师主要采用讲授的教学方式，学生被动接受知识，且校内学习与校外学习无法联通，不能满足教师和学生多样化的发展需求。

随着有声电影和广播录音等视听技术的发展及其在教育领域的应用，传统教室开始向视听教室转变。此时，教育环境的构建主要集中在电教室和语音实验室的建设方面，利用“三片两带”（即幻灯片、投影片、电影片、录音带、录像带）[1]、教学机和多媒体组合系统，改造传统教室，为教师和学生提供更多的教育资源和工具。但视听教室过多关注环境建设，在教学实践中缺乏对视听环境具体应用的积极探索，课堂教学停留在“表演”的形式上，教学方式由“人灌”变成了“电灌”。

20世纪90年代，随着网络信息技术的不断发展以及各种多媒体设备、网络资源、教学工具的出现，电子教室逐渐发展为数字教室。在数字教室中，教师和学生可以不受时空的限制，通过网络进行随时随地的教学和学习。数字教室下进行的教育教学，大多还停留在初级水平，只是简单的将课本上的教学内容机械地移植到计算机和手机上，并没有为教育的改革与完善创设适宜的环境条件，很难实现对个体高阶认知目标和创新能力的培养。

面对当前数字教育发展过程中存在的问题和瓶颈，教育改革迫切需要一种新型的智慧教室为其提供支撑。因此，教育研究者应充分利用各种前沿技术（以物联网为代表的新一代智慧技术），提升数字环境的智慧化水平，使其能够提供个性化的教育支持服务，预知教育过程中存在的问题，感知教育共同体的发展需求，从而培养出具有国际竞争力的拔尖创新型人才，实现未来教育的可持续发展，由此智慧教室和未来教室成为了新的研究热点。

三、    智慧教室的内涵与特征

IBM展望未来5年五大智慧科技趋势IBM公司在2013年12月17日发布新一年的“5-in-5”报告，其中展望未来的5年的五大科技趋势。它预测的趋势中包括智慧课堂、智慧商店、智慧医疗、智慧隐私和保护以及智慧城市。智慧课堂作为智慧技术和智慧教学法相融合的产物，具体内涵通过以下说明。

1.  智慧教室内涵

2008年11月，IBM首次提出了“智慧地球”的概念，随后奥巴马在2009年1月公开肯定IBM“智慧地球”的思路。2009年8月，IBM发布的《智慧地球赢在中国》计划书拉开了智慧地球战略性发展的序幕。伴随着云计算、物联网、大数据、泛在网络等新兴信息技术的日趋成熟，智慧地球的发展进程将进一步加快，智慧产业将走向新的高潮。其中智慧教室作为智慧地球的重要组成部分，充分体现了智慧技术在教育中的应用，也使得“智慧教室”、“智慧校园”成为教育领域中新的研究热点。就智慧教室的定义来说，研究者们也从不同视角对其解读，相似概念有未来教室、智能教室、未来课堂、智慧课堂、智能课堂等。陈卫东（2011）[2]认为智能教室是一个能够方便对教室所装备的视听、计算机、投影交互白板等声、光、电设备进行控制和操作，有利于师生无缝地接入资源及从事教与学活动，并能适应包括远程教学在内的多种学习方式，以自然的人机交互为特征的，依靠智能空间技术实现的增强型教室。黄荣怀等[3]认为在传感技术、网络技术、富媒体技术及人工智能技术充分发展的信息时代，教室环境应是一种能优化教学内容呈现、便利学习资源获取、促进课堂交互开展，具有情景感知和环境管理功能的新型教室，这种教室被称为智慧教室。聂风华（2013）[4]从教室环境信息化建设的发展演变入手，首先阐释了智慧教室的理论概念，并从系统组成的角度构建了智慧教室的iSMART 模型，并根据清华大学五道口金融学院智慧教室建设项目的工程案例，文章介绍了智慧教室的建设思路与集成方案，并对智慧教室建成之后的运行模式进行了系统思考。杨宗凯[5]认为未来的教室一定是云端教室，包括电子课本、电子课桌、电子书包、电子白板……在资源方面，由模拟媒体到数字媒体，再到网络媒体，资源最终都在教育云上，内容达到极大丰富，从而满足个性化的学习。此处需要说明的是课堂和教室是两个具有一定争议的概念，有学者认为教室是进行教学的场所，是固定的形态，而课堂则是教师、学生与环境之间形成的互动情境[6]。也有人将智慧教室界定为一种新型的教育形式和现代化教学手段，基于物联网技术集智慧教学、人员考勤、资产管理、环境智慧调节、视频监控及远程控制于一体的新型现代化智慧教室系统，是推进未来学校建设的有效组成部分。[7]

智慧教室是数字教室的高端形态，是未来教室的一种形式。需要说明的是本文对智慧教室和未来教室不进行严格的区分，并统一用智慧教室来表述。综合上述观点，本文认为智慧教室是融合了先进的理念和技术，关注师生需求，集多屏显示、自然交互、智能调控、协作互动等特征。其次，智慧教室是一个人性化的课堂，简洁、舒适和灵活，课桌自由组合，方便多样的教学和互动方式。最后，智慧教室是虚拟教室与现实教室有效融合的课堂，能实现以学习者为中心的线上线下学习的有效对接。智慧教室最大的特征是智慧性，主要体现在技术和教学层面的智慧。下面从技术层面和教育层面详细阐述智慧教室的特征。

2.      智慧教室的特征

（1）       技术层面

技术性主要体现在硬件和软件两个方面，硬件技术主要是教室设备，如多媒体计算机、网络设备、交互电视、录播系统、扩音系统等物理设备；软件技术强调智慧教室是在物联网、云计算、大数据、增强现实、泛在网络、移动终端、交互电视等新兴信息技术的推动下，教室信息化建设的最新形态。在融合硬、软件技术优势的基础上，向师生提供智慧服务，如智能跟踪和记录、虚实主体间的无障碍交互、智能管理和推送、远程教学与协作等。

（2）       教育层面

教育层面关注教育理论、学习原则和学习方式等。与传统教室最大的区别是智慧教室实现了人、技术、资源和环境间的高度耦合，是在泛在技术和智能终端技术支撑下的智能化教学活动场所，其中技术、资源与活动等要素环绕学习者身心发展的高互动学习空间[8]。在智慧教室中，教学模式不是传统的灌输式教学，教学模式上更倾向于情境探究模式、游戏化教学模式、问题探究式教学模式、远程协同教学模式和体验式教学模式[9]，从教学层面来说智慧教室是具备“高度互动”、“协作学习”、“真实情境”、“个性化教学”等关键特征。教学强调培养学习者解决问题的能力，通过创设虚实学习坏境，因材施教，鼓励学习者深度互动、主动学习、积极反思，发挥自我、参与实践。同时智慧教室关注教学活动的主体，在技术的支撑下充分彰显人本的教育理念，设计方面主要体现为绿色环保、无障碍设计。正如2002年英国教育和技能部所推广的未来教室项目的目的是在于提供高品质、灵活的、可持续的授课和学习环境，同时还可以用于展示可持续设计原则和工艺的场所，展现未来课堂的人性化特色。对师生来说，教室具有易用性、有用性、愉悦性、自我效能感、参与性。

四、    智慧教室的功能

 从智慧教室的功能上来看，有学者将智能教室教学系统分为呈现部分、传感部分、信息获取部分、整合部分和控制部分[10]这五大部分来分析，如图 6图 7。

图 6 智慧教室的3D模型图[[1]]

图 7 智慧教室系统的基本组成[[2]]

这五部分有主要分为双屏交互式电子白板、触摸式液晶电视、电子书包、无线手写板、无线网络设备、护眼短焦投影机、数字化事物展示台、智能教室影像录编系统、控制台、实时反馈系统、学习历程数据库系统、智能教室管理系统等子系统组成。其中智能教室管理系统实现教室内物理坏境的自动调控，如温度、光照、电源开关等自动调节。

除此之外，Northwestern大学的一个项目，实现在教室中录制课堂录像时，自动化选取摄像机角度。通过计算机视觉方法，安装在电动云台上的摄像机镜头能够始终跟踪教师的位置变化，或者教师也可以用手势指引摄像机聚焦于某个区域[11] 。

清华大学计算机系人机交互与媒体集成研究所正在进行一个samrtclassroom研究计划，即在智能教室中引入交互空间的概念，把一个普通的教室空间增强为一个教师和远程教育系统的交互界面，在这个空间中，教师可以摆脱键盘、鼠标、显示器的束缚，而用语音、手势甚至身体语言等传统的授课经验来与远程学生进行交互。现场的课堂教育和远程教育的界限被打破了，教师可以同时对现场和远程的学生进行授课[12]。

此外，DePauw大学的DEBBIE项目研发了一个系统[13]，该系统在课堂的每个课桌和讲台上安装了一个联网的平板电脑，教师通过笔在讲台上的平板电脑上进行板书，通过软件的支持其笔迹会被分发到每个学生的平板电脑上，在那里这些信息可以连同学生自己书写的文字一起被记录，从而免去了每个学生抄录教师板书的重复劳动。

五、    智慧教室的关键技术

智能教室构建的关键技术包含云计算、物联网、交互电视、移动终端、多屏显示、增强现实、情境感知、分布式伺候技术等技术，本文对若干技术进行简要介绍。

1.      云计算

云计算是继个人计算机变革、互联网变革之后的第三次IT浪潮，已成为我国战略性新兴产业的重要组成部分。云计算中的“云”主要用来强调计算泛在性和分布性，实质上是分布式计算、并行计算和网格计算等技术的发展[14]。云计算热潮的出现源于其能够将分布在各地的服务器群进行网联，能够实现大规模计算能力、海量数据处理和信息服务的需求。云计算技术在智慧教育体系中的应用主要集中在教育资源（硬件、平台、软件、学习资源）的共享上，可以有效解决我国教育信息化推进过程中一直存在的重复投资、信息孤岛等“顽疾”。此外，云计算技术还可以用于打造云学习环境，学生通过电子书包等终端随时随地享受云端的各种学习服务。学习者的学习过程数据也将及时存储到云端，保证学习数据的永不丢失，为学习分析提供数据支持。

2.      物联网

物联网是指通过各种信息传感设备，实时采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程等各种需要的信息，与互联网结合形成的一个巨大网络，其目的是实现物与物、物与人，所有的物品与网络的连接，方便识别、管理和控制^[15]。物联网具有全面感知、可靠传递、智能处理等特征，使人们的生活、工作和学习更加智能、更加便捷。物联网技术支持下，我们可以通过网络识别、定位、跟踪、监控、干预现实坏境下的物体，实现信息的共享与互联，使得我们身处的坏境变得更加的智能。物联网基于传感器和电子标签两大主要技术，可以在课堂教学、课外学习和教育管理三个方面给教育提供支持，优化教育环境，丰富教学资源，改善学习方式，节省管理成本，提高管理效率^[16]。智慧教室是一种基于物联网技术集智慧教学、人员考勤、资产管理、环境智慧调节、视频监控及远程控制于一体的智能化教学环境，运用智慧技术，支持智慧教与学，实现教室的智慧管理^[17]。

3.      分布式伺候技术

“分布式”包含了两个方面的含义：（1）环境分布。在此环境中，计算机将嵌入到环境的各种设备中，以至可穿戴在人身上。这时无需且无法区分所使用的是哪一台计算机，而是由整个分布式环境主动地为用户提供计算机服务，也就是说用户是在一个“交互空间”中使用计算机并得到计算服务。（2）服务分布。“侍候式”（attentiveor self-aware）则是指在这样的环境中使用计算机时，计算机不是被动地等待用户的命令，而是能觉察到交互的上下文（context awareness），主动地适应用户的特殊需求并提供个性化的服务，如识别某个对象的位置、个人信息、动作意图、记忆用户的习惯与爱好，一遍为用户提供更好的服务。

4.      交互电视

交互电视是数字电视的一种应用。如今的普通电视不但向着高清晰度电视方向发展，同时将发展成可提供丰富信息和娱乐业务的双向交互式媒体，它在单向分配业务的基础上，增加交互功能，形成双向信道。交互电视提供点播电视、电视购物、电视教育、电子银行、多媒体电子邮件，交互式游戏等功能，具有性价比高、信息呈现质量优、互动体验好等优势，与交互式电子白板一样具有以下几点优势：（1）直接板书，随时保存和共享。（2）随时调用各种资源。（3）模板化、程序化的框架，减轻教师负担。（4）电子标注，强调重难点。（5）可视呈现，触摸交互，使得学生具有临场的情感体验。（6）性价比相对较高。其中性价比高的优势决定了在教育领域中，交互电视相对于交互式电子白板更具应用前景。

5.      手写智能数字终端

手写智能数字终端设备（智能手机、平板电脑等）的发展与成熟，即基于手势运算的各种教与学的数字化终端设备。当前的键盘操作数字化课堂文化正快速地向以手势运算为特征的新数字化课堂文化转变，相应的各种基于手势操作的智能化终端设备快速形成并成熟，伴随新媒体设备的引入，教师和学生的活动会更加简便深入与个性化。

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[1]刘茂森.电化教育与教育环境的优化[J].中国电化教育,1990,(1):15-17.

[2]15 16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.