楊 飚 張杰民

（石油化工管理干部學(xué)院，北京 100012）

教室是教學(xué)過(guò)程關(guān)鍵的支撐環(huán)境，隨著音視頻和信息化技術(shù)的不斷發(fā)展，教室越來(lái)越成為豐富技術(shù)的環(huán)境，也成為近幾年的熱點(diǎn)。然而熱度也導(dǎo)致行業(yè)的浮躁，教室信息化能否真正支撐教學(xué)過(guò)程，解決教學(xué)過(guò)程中存在的實(shí)際，存在很大的爭(zhēng)議。主要體現(xiàn)為以下問(wèn)題：

一是重單一教室空間或單一系統(tǒng)建設(shè)，不關(guān)注整體校園的環(huán)境與業(yè)務(wù)集成，形成單一教室或系統(tǒng)的“孤島”，信息化支撐作用有限；二是以技術(shù)為導(dǎo)向，而非以教育規(guī)律和現(xiàn)實(shí)教學(xué)為依據(jù)，造成教室成為各種技術(shù)設(shè)備堆砌的場(chǎng)所，操作困難，學(xué)習(xí)成本高，無(wú)法真正發(fā)揮支撐輔助作用；三是以AI、語(yǔ)音和行為識(shí)別等未來(lái)技術(shù)或應(yīng)用局限性技術(shù)為假設(shè)依據(jù)，進(jìn)行教室設(shè)計(jì)推理，可操作性不足。

上述問(wèn)題是目前很多教室信息化普遍的實(shí)際狀況，因此有必要對(duì)教室信息化的概念、定位、方案進(jìn)行深入分析，形成可操作、真正帶來(lái)價(jià)值的整體解決方案。

1 智能化教室的內(nèi)涵

捷克教育學(xué)家夸美紐斯創(chuàng)立了班級(jí)授課制度。其設(shè)計(jì)是根據(jù)學(xué)生年齡特點(diǎn)和知識(shí)水平，分成不同的班級(jí)；每個(gè)班級(jí)擁有一個(gè)專用教室；每個(gè)班級(jí)，在同一時(shí)間有一位老師，針對(duì)所有學(xué)生進(jìn)行教學(xué)。承載班級(jí)授課的物理空間也就是現(xiàn)代意義上的教室。

隨著音視頻技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展，附加了各種時(shí)代技術(shù)色彩的教室被賦予了各種名詞，例如“視聽教室” “多媒體教室” “智能化教室”“智慧教室”等?！兜仄骄€報(bào)告》進(jìn)一步提出了“學(xué)習(xí)空間重構(gòu)”概念，其核心是從單一的講授式轉(zhuǎn)變?yōu)閳F(tuán)隊(duì)合作研討式，從注重講轉(zhuǎn)變?yōu)殛P(guān)注學(xué)，從簡(jiǎn)單的方式方法轉(zhuǎn)變?yōu)槎鄻踊募夹g(shù)手段和空間設(shè)計(jì)。

由于信息化發(fā)展迅速，不同的研究者從不定位和角度，對(duì)教室信息化提出不同的概念定義，目前仍處在探索階段，并沒有形成統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。我們認(rèn)為不論什么概念，教室信息化一定要立足于兩個(gè)基本點(diǎn)：一是教室信息化的核心依然是教學(xué)環(huán)境，信息化只是塑造和豐富教學(xué)場(chǎng)景、支撐輔助教學(xué)活動(dòng)的手段；二是使用方法一定要簡(jiǎn)單實(shí)用，具備現(xiàn)實(shí)可操作性。我們將教室信息化的概念稱之為“智能化教室”。理解“智能化教室”概念的內(nèi)涵，要從以下四個(gè)維度入手（見圖1）：

圖1 “智能化教室”概念內(nèi)涵架構(gòu)

第一維度是空間維度。傳統(tǒng)認(rèn)知中，教室是單一的物理內(nèi)部空間。我們認(rèn)為除了這個(gè)范疇外，還要包括兩個(gè)空間，一是教室物理空間的組合，即如何將局限在一個(gè)空間的教學(xué)活動(dòng)擴(kuò)展到所有物理空間；二是虛擬空間，即如何將物理教室的教學(xué)活動(dòng)擴(kuò)展到網(wǎng)絡(luò)虛擬空間。智能化教室的立足點(diǎn)是從物理空間擴(kuò)展到虛擬空間，而不是構(gòu)筑單純的虛擬空間，與單純的線上教學(xué)有本質(zhì)的區(qū)別。

第二維度是參與者及活動(dòng)。除了關(guān)注教師與學(xué)生的教學(xué)互動(dòng)關(guān)系，以及學(xué)生的學(xué)習(xí)活動(dòng)，還要重視教學(xué)管理人員和教學(xué)服務(wù)人員的行為活動(dòng)。

第三維度是技術(shù)。首先，教學(xué)活動(dòng)本質(zhì)上是人與人的溝通、以及個(gè)體人的感知和心理活動(dòng)。我們認(rèn)為，教室建設(shè)最核心的內(nèi)容依然是要解決溝通和視覺、聽覺等感知因素，因此音視頻技術(shù)仍是信息化建設(shè)的重點(diǎn)。其次，還要解決管理和服務(wù)行為的支撐因素，否則大量教室設(shè)備無(wú)法正常運(yùn)行或操作技術(shù)要求過(guò)高，支撐教學(xué)的基礎(chǔ)條件就會(huì)崩塌。第三，目前所有設(shè)備都在向數(shù)字化、信息化轉(zhuǎn)變，建立解決人和設(shè)備通信的有線/無(wú)線網(wǎng)絡(luò)是有機(jī)關(guān)聯(lián)的基礎(chǔ)，尤其是建設(shè)教學(xué)設(shè)備管理的物聯(lián)專網(wǎng)是實(shí)現(xiàn)教室智能化管理的關(guān)鍵要素。沒有物聯(lián)專網(wǎng)的支撐，各種教學(xué)設(shè)備只能存在于簡(jiǎn)單單一的設(shè)備功能，無(wú)法起到集成的作用。

第四維度是整體規(guī)劃集成。要以“5W1H”方法論為指導(dǎo)，從教學(xué)規(guī)律出發(fā)，研究教室參與者及其活動(dòng)特征，建設(shè)技術(shù)集成整體方案，起到整體的支撐作用，避免陷入單一系統(tǒng)單一功能的“孤島”狀態(tài)。同時(shí)，實(shí)事求是地對(duì)待現(xiàn)實(shí)技術(shù)水平，發(fā)揮技術(shù)優(yōu)勢(shì)，避免其局限性，真正能夠?qū)虒W(xué)和服務(wù)活動(dòng)起到支撐作用。

2 智能化教室的技術(shù)架構(gòu)

基于我們對(duì)智能化教室內(nèi)涵的理解，我們進(jìn)一步設(shè)計(jì)了二維四層的一體化集成技術(shù)架構(gòu)（圖2）。有應(yīng)用場(chǎng)景空間和技術(shù)兩個(gè)維度，技術(shù)包含了音頻系統(tǒng)、視頻系統(tǒng)、中控系統(tǒng)、教學(xué)監(jiān)控系統(tǒng)、電話服務(wù)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等多個(gè)有機(jī)集成的子系統(tǒng)。未來(lái)可以基于架構(gòu)進(jìn)一步豐富和擴(kuò)展。四層包含單一應(yīng)用層、集成應(yīng)用層、虛擬應(yīng)用層、集中管控層等應(yīng)用場(chǎng)景空間。

圖2 智能化教室二維四層的一體化集成技術(shù)架構(gòu)

2.1 四層應(yīng)用場(chǎng)景空間維度

應(yīng)用場(chǎng)景空間維度是設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)和落腳點(diǎn)，技術(shù)也需要落實(shí)在應(yīng)用場(chǎng)景空間。

第一層是單一應(yīng)用層。指單一的物理教室空間，在此空間內(nèi)，存在每一個(gè)技術(shù)子系統(tǒng)，且在同一空間內(nèi)集成。

第二層是集成應(yīng)用層。指所有教室組成的教室集群，將一間教室的教學(xué)活動(dòng)擴(kuò)展到其它教室。

第三層是虛擬應(yīng)用層。指將教室活動(dòng)進(jìn)一步擴(kuò)展到網(wǎng)絡(luò)層次，使得教學(xué)活動(dòng)的空間局限泛化。

第四層是集中管控層。指所有子系統(tǒng)在整體層面，能夠做到管理和服務(wù)行為的集中管控和集成。

2.2 技術(shù)維度

技術(shù)維度是實(shí)際存在的技術(shù)系統(tǒng)，各系統(tǒng)既邊界清晰，也必須整體集成，并能夠明確解釋在四層應(yīng)用場(chǎng)景空間的應(yīng)用功能。

音頻系統(tǒng)以單一教室內(nèi)數(shù)字音頻處理器或數(shù)字調(diào)音臺(tái)為中心，話筒等設(shè)備作為音頻輸入源，音箱等設(shè)備作為音頻輸出，構(gòu)成教室內(nèi)的音頻系統(tǒng)。

視頻系統(tǒng)分為兩個(gè)子系統(tǒng)。傳統(tǒng)意義上的視頻子系統(tǒng)，以視頻矩陣為中心，VGA、攝像機(jī)等設(shè)備為視頻輸入源，投影機(jī)等設(shè)備為視頻輸出源，構(gòu)成教室內(nèi)的視頻系統(tǒng)。教學(xué)過(guò)程中，需要音視頻同時(shí)作用于感覺器官，才能夠形成更好的刺激作用，因此要同步設(shè)計(jì)構(gòu)建音視頻系統(tǒng)。以數(shù)字音頻處理器和視頻矩陣為中心的音視頻系統(tǒng)架構(gòu)，是為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)架構(gòu)層次和設(shè)備關(guān)系，提升系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性、可維護(hù)性、擴(kuò)展性。除傳統(tǒng)視頻子系統(tǒng)外，增加分布式視頻系統(tǒng)，將一間教室的音視頻信號(hào)混合轉(zhuǎn)換成H.264信號(hào)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)廣播至其它教室，從而達(dá)成第二層次集成應(yīng)用層的應(yīng)用。

教學(xué)監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)是第一層次單一應(yīng)用層的每個(gè)教室的攝像頭，攝像頭信號(hào)集中存儲(chǔ)，可以形成多層次的業(yè)務(wù)應(yīng)用，如第三層虛擬應(yīng)用層的教學(xué)管理和網(wǎng)絡(luò)聽課，第四層次集中管控層教學(xué)服務(wù)中心的集中管控。

電話服務(wù)系統(tǒng)與教學(xué)監(jiān)控系統(tǒng)的架構(gòu)基本一致，第一層次每個(gè)教室有一個(gè)IP電話終端，可以與第四層次教學(xué)服務(wù)中心的集成管控電話聯(lián)系，幫助建立教室?guī)熒c教室服務(wù)人員的聯(lián)系。

中控系統(tǒng)是智能化教室的核心管控系統(tǒng)。傳統(tǒng)的中控系統(tǒng)只是單一教室的管控系統(tǒng)，因此只能應(yīng)用于第一層面，有助于教師面對(duì)復(fù)雜設(shè)備的簡(jiǎn)單控制，例如一鍵開關(guān)幕布、投影機(jī)、燈光等多種設(shè)備聯(lián)動(dòng)的復(fù)雜場(chǎng)景，但是當(dāng)教師面臨使用問(wèn)題，需要幫助時(shí)，依然解決不了。因此我們認(rèn)為中控系統(tǒng)仍然要建立集中/分布式的系統(tǒng)體系，可以在第四層次的教學(xué)服務(wù)中心的PC端及移動(dòng)端設(shè)備進(jìn)行教室設(shè)備的遠(yuǎn)程管控，幫助解決操作問(wèn)題。

另外，還可以完成多種復(fù)雜應(yīng)用功能。例如，通過(guò)教室傳感器，了解教室的溫度、二氧化碳等的數(shù)據(jù)規(guī)律，幫助改善教室環(huán)境建設(shè)；集中進(jìn)行燈光開關(guān)，簡(jiǎn)化管理、節(jié)約能源；獲取投影機(jī)燈泡的生命期數(shù)據(jù)，提升教學(xué)服務(wù)水平等等傳統(tǒng)中控?zé)o法達(dá)到的集成化功能。

監(jiān)控系統(tǒng)、電話服務(wù)系統(tǒng)、中控系統(tǒng)構(gòu)成了完整的管控服務(wù)技術(shù)體系，各系統(tǒng)架構(gòu)圖也可以疊加在一起，形成整體的技術(shù)架構(gòu)圖。完整的流程案例是，教學(xué)活動(dòng)中教師和學(xué)生面臨教學(xué)設(shè)備操作和服務(wù)困難，用電話服務(wù)系統(tǒng)與后端服務(wù)人員聯(lián)系，服務(wù)人員可以遠(yuǎn)程幫助解決，也可以到現(xiàn)場(chǎng)解決，大幅度提升教學(xué)服務(wù)水平。

網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是基礎(chǔ)的通訊系統(tǒng)。一般對(duì)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)是平面的通信系統(tǒng)，即網(wǎng)絡(luò)可達(dá)，但實(shí)際上不同的應(yīng)用和場(chǎng)景，對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信、安全、通信模式等多方面的要求是不同的，因此需要建設(shè)多維度的、立體網(wǎng)絡(luò)。智能化教室的網(wǎng)絡(luò)包含兩部分：一是有線/無(wú)線一體化的用戶網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，保證在單一教室空間內(nèi)設(shè)備的互通。二是教室內(nèi)設(shè)備間通信的網(wǎng)絡(luò)，其實(shí)質(zhì)是物聯(lián)網(wǎng)，因此可稱為教學(xué)設(shè)備物聯(lián)專網(wǎng)。由于各種教學(xué)設(shè)備安全性普遍不足，為了保證物聯(lián)專網(wǎng)的安全性，物聯(lián)專網(wǎng)物理上應(yīng)當(dāng)隔離，通過(guò)橋接或堡壘機(jī)的方式與整體校園網(wǎng)保持通信。

3 智能化教室的應(yīng)用場(chǎng)景

智能化教室的建設(shè)，可以形成多層次的豐富應(yīng)用場(chǎng)景。

一是設(shè)備操作方面的場(chǎng)景。教師通過(guò)中控系統(tǒng)，對(duì)教室內(nèi)各種設(shè)備進(jìn)行操控，簡(jiǎn)化操作流程，可以降低學(xué)習(xí)成本，將精力集中在教學(xué)過(guò)程。出現(xiàn)任何問(wèn)題，教師可以通過(guò)電話服務(wù)系統(tǒng)，與教學(xué)服務(wù)中心溝通，迅速解決問(wèn)題。教學(xué)服務(wù)中心管理人員可以通過(guò)集中中控系統(tǒng)，遠(yuǎn)程幫助教師解決問(wèn)題，迅速解決問(wèn)題。同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)集中關(guān)燈等管理難題。

二是教學(xué)空間擴(kuò)展及資源建設(shè)的場(chǎng)景通過(guò)分布式視頻，將一個(gè)教室的講課畫面同步擴(kuò)展到其它教室，滿足多教室上課的需要。通過(guò)教學(xué)監(jiān)控系統(tǒng)，可以在校園網(wǎng)內(nèi)進(jìn)行網(wǎng)上學(xué)習(xí)。教學(xué)監(jiān)控系統(tǒng)及計(jì)算機(jī)采集畫面，可以作為教學(xué)資源建設(shè)的素材。

三是教學(xué)管理方面的場(chǎng)景?？梢酝ㄟ^(guò)教學(xué)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)或回看教室情況，可以輔助領(lǐng)導(dǎo)、教學(xué)管理部門、安全部門等從自身業(yè)務(wù)視角，掌握教學(xué)動(dòng)態(tài)、教學(xué)秩序、安全等情況。

四是數(shù)據(jù)分析應(yīng)用方面的場(chǎng)景。通過(guò)溫濕度、二氧化碳等傳感器采集的數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析，可以為教室環(huán)境建設(shè)提供數(shù)據(jù)支撐。

4 智能化教室達(dá)成的業(yè)務(wù)目標(biāo)

通過(guò)場(chǎng)景應(yīng)用，我們認(rèn)為需要達(dá)成以下業(yè)務(wù)目標(biāo)：

一是形成一體化集成教學(xué)輔助信息化環(huán)境。一定要形成整體校園的一體化集成教學(xué)輔助信息化環(huán)境，避免出現(xiàn)單一教室或單一系統(tǒng)的“信息孤島”。

二是達(dá)成空間、服務(wù)、教學(xué)活動(dòng)的連接，促進(jìn)教學(xué)服務(wù)體系、教學(xué)空間體系的業(yè)務(wù)變革。通過(guò)各系統(tǒng)技術(shù)維度的有機(jī)關(guān)聯(lián)集成，形成各種空間、服務(wù)、教學(xué)活動(dòng)在業(yè)務(wù)維度的連接，從而形成支撐教學(xué)、管理服務(wù)業(yè)務(wù)的技術(shù)基礎(chǔ)環(huán)境，促進(jìn)學(xué)校教學(xué)服務(wù)體系、教學(xué)空間體系的業(yè)務(wù)變革。

首先，以教學(xué)監(jiān)控系統(tǒng)、電話服務(wù)系統(tǒng)、中控系統(tǒng)構(gòu)成的管理服務(wù)技術(shù)體系，可以建立教學(xué)人員、服務(wù)人員和系統(tǒng)連接關(guān)系，為快速解決操作和服務(wù)問(wèn)題，創(chuàng)造基礎(chǔ)條件，為變革教學(xué)服務(wù)體系打下基礎(chǔ)。其次，通過(guò)分布式視頻系統(tǒng)，可以將不同物理空間的教室連接起來(lái)，在學(xué)習(xí)人員過(guò)多的情況下，可以分散在多間教室進(jìn)行教學(xué)活動(dòng)，促進(jìn)教學(xué)空間體系的變革。 第三，通過(guò)教學(xué)監(jiān)控系統(tǒng)，可以建立教學(xué)管理部門與教學(xué)活動(dòng)的連接，幫助教學(xué)管理人員更加有效地管理，促進(jìn)教學(xué)管理體系的變革。

5 結(jié)語(yǔ)

智能化教室建設(shè)是校園信息化建設(shè)的有機(jī)組成部分，也是在教育規(guī)律和技術(shù)規(guī)律的指導(dǎo)下，不斷地發(fā)展、演進(jìn)的過(guò)程。我們?cè)O(shè)計(jì)的智能化教室架構(gòu)是開放性可擴(kuò)展的架構(gòu)，例如可以衍生出多屏研討式使用場(chǎng)景，建設(shè)自動(dòng)錄播系統(tǒng)形成資源等。

不過(guò)，在現(xiàn)階段技術(shù)和教育信息化水平條件下，我們認(rèn)為，智能化教室的建設(shè)，應(yīng)當(dāng)基于成熟技術(shù)。學(xué)校應(yīng)當(dāng)進(jìn)行深入研究，掌握規(guī)劃建設(shè)主導(dǎo)權(quán)?；谡w集成技術(shù)環(huán)境，才能夠真正建設(shè)落地可用的智能化教室，具備支撐教學(xué)、管理服務(wù)活動(dòng)的能力。