胡沛然， 王宜之

(上海交通大學(xué) 教育技術(shù)中心，上海 200240)

0 引 言

隨著新一代信息技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，各種智能硬件與無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，從而在世界范圍內(nèi)掀起一輪基于教育信息化的改革和創(chuàng)新浪潮[1]。在我國，伴隨“互聯(lián)網(wǎng)+”行動計劃出臺，對教育信息化助推教育教學(xué)的整體改革與發(fā)展非常重視，并將其納入國家戰(zhàn)略?！秶抑虚L期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010-2020)》指出：“信息技術(shù)對教育具有革命性影響，必須予以高度重視”[2]?！督逃畔⒒臧l(fā)展規(guī)劃(2011-2020)》也提出：“要探索現(xiàn)代信息技術(shù)與教育的全面深度融合，以信息化引領(lǐng)教育理念和教育模式的創(chuàng)新”[3]。在第二次全國教育信息化工作電視電話會議上[4]，國務(wù)院副總理劉延?xùn)|明確指出，我國教育信息化工作成效顯著，極大地推動了教育事業(yè)的改革發(fā)展。

在這一新時代背景下，如何應(yīng)對教育信息化發(fā)展所面臨的重大挑戰(zhàn)，并實(shí)現(xiàn)教育的創(chuàng)新與變革，顯得尤為重要。一般認(rèn)為，信息時代背景下的智慧教育更重視利用智慧學(xué)習(xí)環(huán)境來培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的高階認(rèn)知能力[5]。智慧教育是教育信息化的新境界、新訴求[6]，也是教育信息化的全新發(fā)展階段[7]。與此同時，建設(shè)智慧學(xué)習(xí)環(huán)境已成為解困信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合，實(shí)現(xiàn)教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生創(chuàng)新能力提升的必然要求[8]。教育信息化10年發(fā)展規(guī)劃中，便明確提出：“要建設(shè)智能化教學(xué)環(huán)境，提供優(yōu)質(zhì)數(shù)字教育資源和軟件工具”[3]。而且，學(xué)生的智慧生成同樣需借助于教育和學(xué)習(xí)環(huán)境的智能化[6]。

智慧學(xué)習(xí)環(huán)境，絕不是像某些人認(rèn)為只要教室接入互聯(lián)網(wǎng)那樣的簡單。例如美國早在2003年就達(dá)到教室平均4.4人/臺聯(lián)網(wǎng)計算機(jī)的配置水平[9]。2000年以來，我國各級各類學(xué)校也相繼建設(shè)了大規(guī)模以“計算機(jī)+投影”應(yīng)用為主的多媒體教室。然而，這些仍屬于以“知識灌輸”為主的傳統(tǒng)學(xué)習(xí)模式，并未給學(xué)生們帶去滿意的學(xué)習(xí)體驗[8，10-11]，只不過是與教師中心主義的課堂講授一道構(gòu)成“人灌+機(jī)灌”現(xiàn)象[9]，而并不是“互聯(lián)網(wǎng)+教育”。隨著信息化技術(shù)和產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步發(fā)展，各類云錄播、交互白板和數(shù)字化學(xué)習(xí)資源得到應(yīng)用，相繼出現(xiàn)遠(yuǎn)程云錄播教室、交互白板教室等多形式、多類型的智慧教室。與傳統(tǒng)“黑板+粉筆”型教室或“計算機(jī)+投影”型多媒體教室相較而言，這類智慧教室在師生互動、內(nèi)容呈現(xiàn)、資源獲取、環(huán)境管理等多方面為教學(xué)和學(xué)習(xí)帶來了便利[8]，“智慧性”十足。因此，在物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能和移動互聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)支持下，智慧學(xué)習(xí)環(huán)境(如智慧教室)已成為智慧教育，乃至教育信息化的核心組成部分。

1 智慧教育與智慧學(xué)習(xí)環(huán)境的內(nèi)涵特征

智慧教育，國際上常稱“Smart Education”，韓國提出由自我指導(dǎo)(Self-directed)、激發(fā)動機(jī)(Motivated)、靈活適應(yīng)(Adaptive)、豐富資源(Rich Resources)和技術(shù)沉浸(Technology Embedded)這五大特征組成的Smart Education理念和架構(gòu)[12]。國內(nèi)祝智庭等人則分別從教育發(fā)展和人才培養(yǎng)、智慧教育的功能與技術(shù)支持、教育形態(tài)和發(fā)展階段這3個不同視角來定義智慧教育[5,13-14]。簡而言之，智慧教育就是依托物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代信息技術(shù)所創(chuàng)造的教育信息化新階段、新形態(tài)，是未來教育的發(fā)展趨勢和方向。

根據(jù)學(xué)習(xí)情景不同，智慧學(xué)習(xí)環(huán)境又可分為多種類型[15]。智慧教室，作為一種典型的智慧學(xué)習(xí)環(huán)境，是學(xué)校信息化發(fā)展到一定階段的內(nèi)在訴求，同時也是當(dāng)今智慧學(xué)習(xí)時代的必然選擇[16]。關(guān)于“智慧教室”研究，最早可追溯到1988年由羅納德·雷西尼奧在“教育技術(shù)的實(shí)際執(zhí)行”一文中提出的“Smart-Classroom”[17]。當(dāng)下由于各國技術(shù)發(fā)展的階段層次和水平不一，其研究內(nèi)容和側(cè)重點(diǎn)也不盡相同?；诩夹g(shù)促進(jìn)學(xué)習(xí)的發(fā)生條件，黃榮懷等人將智慧學(xué)習(xí)環(huán)境(如智慧教室)的學(xué)習(xí)體驗構(gòu)成維度分為學(xué)習(xí)空間(人造客觀對象，如物理環(huán)境、座位布局)、信息技術(shù)(自然客觀對象，如資源獲取、內(nèi)容呈現(xiàn)等)和教學(xué)法(主觀對象，如人人交互、教學(xué)活動等)[8,15]。本文研究新一代信息技術(shù)對智慧學(xué)習(xí)環(huán)境的影響，主要體現(xiàn)在學(xué)習(xí)空間的物理環(huán)境、信息技術(shù)的資源獲取和內(nèi)容呈現(xiàn)、教學(xué)法的人人交互和人機(jī)交互等相關(guān)維度。

2 “智慧教室”建設(shè)案例

為進(jìn)一步提升我校教學(xué)設(shè)施水平，利用現(xiàn)代教育技術(shù)促進(jìn)課堂教學(xué)，更好地滿足“學(xué)在交大”和“雙一流”建設(shè)的內(nèi)在需要，教育技術(shù)中心，會同教務(wù)處、基建處等相關(guān)部門，于2016年暑期正式啟動閔行校區(qū)中院8間普通教室的升級改造，打造全新“智慧教室”學(xué)習(xí)環(huán)境。黃榮懷等[8]提出智慧學(xué)習(xí)環(huán)境的學(xué)習(xí)體驗構(gòu)成要素，此建設(shè)已在表1中所示的幾個維度取得進(jìn)展。

表1 上海交通大學(xué)智慧教室的學(xué)習(xí)體驗構(gòu)成維度及內(nèi)容

3 新一代信息技術(shù)與智慧學(xué)習(xí)環(huán)境

在智慧學(xué)習(xí)環(huán)境的設(shè)計與構(gòu)建、管理過程中，新一代信息技術(shù)，特別是物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)、移動互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的深入應(yīng)用，將教育的信息化建設(shè)和管理進(jìn)一步導(dǎo)向“智能構(gòu)建”和“智慧管控”，教育的“智慧”轉(zhuǎn)型已成為不可逆轉(zhuǎn)的時代潮流。結(jié)合我?！爸腔劢淌摇钡膶?shí)際建設(shè)，對新一代信息技術(shù)如何更好地促進(jìn)智慧學(xué)習(xí)環(huán)境的建設(shè)與管理發(fā)表觀點(diǎn)、進(jìn)行探討。

3.1 物聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)，被譽(yù)為繼計算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后世界信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展與革命的第三次浪潮。自2005年國際電信聯(lián)盟ITU正式提出物聯(lián)網(wǎng)“The Internet of Things”基本概念以來[18]，該項技術(shù)蓬勃發(fā)展并廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，如智能交通、智能物流等，教育環(huán)境也不例外。

一般來說，基于物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用體系結(jié)構(gòu)，可分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。閻堅等[19]就提出采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)或ZigBee技術(shù)(即一種低速低功耗的多跳無線傳輸)組網(wǎng)，把地理隔離的各校區(qū)多媒體教室所有感知點(diǎn)統(tǒng)一接入傳感網(wǎng)絡(luò)，并連入校園網(wǎng)，從而搭建一套全新的智慧教室系統(tǒng)架構(gòu)和設(shè)計方案。在前期廣泛調(diào)研和深入論證的基礎(chǔ)上，設(shè)想通過在智慧教室安裝傳感器并網(wǎng)絡(luò)連接，既可根據(jù)教室內(nèi)光線的強(qiáng)弱，自動調(diào)節(jié)教室光源亮度；也可根據(jù)教室環(huán)境溫濕度的變化，通過紅外感應(yīng)設(shè)備自動控制教室空氣更換率；更可利用物聯(lián)網(wǎng)識別技術(shù)，建立教師和對應(yīng)上課教室間的關(guān)聯(lián)授權(quán)，從而實(shí)現(xiàn)智能控制教學(xué)設(shè)備的使用等。

目前，我校智慧教室的建設(shè)選用快思聰Crestron環(huán)境照度感應(yīng)器(型號：GLS-LOL)、溫濕度感應(yīng)器(型號：C2N-RTHS)及相應(yīng)環(huán)境控制軟件，并與學(xué)校原課表系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、人數(shù)統(tǒng)計系統(tǒng)等進(jìn)行對接，根據(jù)實(shí)際情況自動調(diào)節(jié)。經(jīng)過實(shí)際建設(shè)和后續(xù)的管理實(shí)踐，還可做進(jìn)一步優(yōu)化：

(1) 增加物聯(lián)網(wǎng)感知層范圍、種類和感知點(diǎn)，例如CO2傳感器、PM2.5傳感器、風(fēng)速風(fēng)向傳感器等，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)全方位、多功能的環(huán)境智能化調(diào)節(jié)。

(2) 物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理和應(yīng)用階段，需要考慮搭建后端處理平臺，除常見的購買安裝服務(wù)器設(shè)備外，還可通過公共云服務(wù)平臺進(jìn)行資源配置。

(3) 最終的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層，可考慮增加相關(guān)應(yīng)用聯(lián)動，例如室內(nèi)照度與投影儀、窗簾間的聯(lián)動，就可根據(jù)照度值的強(qiáng)弱自動調(diào)節(jié)投影流明度。若室外陽光過于強(qiáng)烈，窗簾還可自動拉下，如此這般滿足學(xué)生上課清晰觀看的需求，也有利于師生們的視力保護(hù)。另外，空氣質(zhì)量監(jiān)測與空調(diào)、新風(fēng)系統(tǒng)之間的聯(lián)動等均可考慮。

(4) 系統(tǒng)可考慮增加對人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的進(jìn)一步支持，真正做到“自主化學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)分析、精細(xì)化調(diào)節(jié)”。例如，我校95%以上學(xué)生使用智能手機(jī)，所有教室都裝有WiFi，這時可通過學(xué)生手機(jī)與網(wǎng)絡(luò)間交換“大數(shù)據(jù)”，及時分析出教室內(nèi)學(xué)生數(shù)量等大概情況[20]，進(jìn)而精細(xì)化、智能化控制教室空調(diào)、燈光等設(shè)施。這樣既提高了教學(xué)樓管理效率，同時其能耗利用率也大為改善。

3.2 人工智能(人臉識別)

進(jìn)入21世紀(jì)以來，研究者提出一系列以智慧教育為核心的教育新概念，如智慧校園、智慧課堂、智慧學(xué)習(xí)環(huán)境等。由此可看出，現(xiàn)在的教育正朝智能化、個性化、精準(zhǔn)化的方向在發(fā)展[21]，而在這所有“智慧”理念的背后，均離不開“智能”技術(shù)的支持[22]。人工智能(Artificial Intelligent，簡稱AI)技術(shù)蓬勃發(fā)展，特別是2016年谷歌推出基于深度學(xué)習(xí)的機(jī)器人AlphaGo戰(zhàn)勝圍棋世界冠軍李世石，引起巨大轟動。就連美國白宮，都聯(lián)合美國國家科學(xué)技術(shù)委員會NSTC，共同發(fā)布“規(guī)劃未來，迎接人工智能時代”的研究報告[23]，以期為美國和世界AI技術(shù)的發(fā)展提供指引。

目前，AI技術(shù)在工業(yè)、能源、環(huán)境、教育等各領(lǐng)域都扮演著重要角色，在一些特定領(lǐng)域(如圖像識別、語音識別)，其問題解決能力甚至超過人類?！跋茸寵C(jī)器看懂世界，再讓機(jī)器真正思考”——作為智能社會第一入口，在我國，上至BAT互聯(lián)網(wǎng)巨頭，下到各創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊都紛紛布局人臉識別，以搶占先機(jī)。例如百度人臉識別2016年便進(jìn)入生活應(yīng)用，其員工在百度大廈均刷臉進(jìn)樓；阿里則將人臉識別應(yīng)用于旗下支付寶等平臺[24]。今年2月，“麻省理工科技評論”發(fā)布“2017全球十大突破性技術(shù)”，阿里“刷臉支付”榜上有名，這也是該榜單創(chuàng)建16年來首個來自中國的技術(shù)性突破。

人臉識別，是基于人臉部特征信息進(jìn)行身份識別的一種生物識別技術(shù)，通常也叫人像識別、面部識別。根據(jù)人員的運(yùn)動軌跡、人臉的正面朝向等差別，其應(yīng)用場景主要分為通道型場景與綜合型場景兩類。顯然，由于師生們上課時的運(yùn)動軌跡相對固定(例如行進(jìn)方向相對一致、運(yùn)動邊界相對封閉)，應(yīng)用于智慧學(xué)習(xí)環(huán)境的人臉識別技術(shù)，應(yīng)該考慮通道型場景的應(yīng)用。目前，學(xué)校智慧教室采用威爾攝像考勤機(jī)(型號：WEDS-F6)進(jìn)行課堂打卡簽到，與校園管理平臺對接。

在方案最初設(shè)計中，考慮加入3D人臉生物識別系統(tǒng)，并與配備全高清1 080P防爆攝像頭的平臺監(jiān)控及視質(zhì)輪巡系統(tǒng)聯(lián)動。具體應(yīng)用時，其難點(diǎn)主要在于隨著人們年齡的自然增長，面部相貌會有些許變化，還有外部光照等干擾因素項的存在。這時候，就可綜合運(yùn)用臉部生理年齡還原引擎、自然光/燈光干擾還原引擎、高速對比引擎等多層疊加式引擎，逐一進(jìn)行3D最佳狀態(tài)辨別抓拍。事實(shí)上，目前已有相關(guān)商業(yè)應(yīng)用能夠?qū)崿F(xiàn)上億級別的數(shù)據(jù)識別，且識別率較高，識別速度達(dá)到秒級。

此外，原始數(shù)據(jù)采集工作，既可對接學(xué)校教務(wù)管理平臺，例如新生入學(xué)時的信息數(shù)據(jù)和圖像等；又可現(xiàn)場抓拍并錄入信息。關(guān)鍵還在于，隨著AI技術(shù)的進(jìn)步，人臉識別系統(tǒng)可進(jìn)入“深度學(xué)習(xí)”狀態(tài)，不斷進(jìn)化，從而達(dá)到更加方便、可靠的教學(xué)管理效果。當(dāng)然在這過程中，如何合理保護(hù)師生的個人隱私，也是必須要考慮的問題。

3.3 移動互聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)

當(dāng)今社會，大屏幕多媒體演示已成為一種常態(tài)化課堂教學(xué)模式，主要由計算機(jī)、投影、屏幕和音箱等設(shè)施構(gòu)成支持，在為廣大教師多媒體教學(xué)提供便利的同時，也存在一些固有局限性[25]，如前文提及那樣，很可能出現(xiàn)“人灌+機(jī)灌”現(xiàn)象。另一方面，隨著智能手機(jī)和移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的日益普及，它們早已突破傳統(tǒng)多媒體范疇，成為除通話、短信外承載更多信息傳播功能的多媒體平臺[26]。

將智能手機(jī)融入多媒體教學(xué)，構(gòu)成移動授課平臺，除傳統(tǒng)“有線”或“手機(jī)+APP”方案外，還有“手機(jī)+同屏”模式，即學(xué)校這次采用的無線投屏(Airplay、微軟Miracast)技術(shù)。其技術(shù)原理是：智能手機(jī)或平板通過“同屏功能”發(fā)射自己屏幕上的內(nèi)容數(shù)據(jù)流，并被同屏器接收和編碼視音頻信號，再以HDMI/VGA形式輸出信號，繼而傳輸?shù)蕉嗝襟w系統(tǒng)中控器，最終被選擇、分配到投影和音箱進(jìn)行播放，見圖1。

圖1 無線投屏原理示意圖

在實(shí)際操作過程中，如果教室多媒體系統(tǒng)中控器不具備HDMI輸入，可以在同屏器與中控器間增加一個VGA信號轉(zhuǎn)換器，繼而接入教室多媒體系統(tǒng)。另外，在后期測試和應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，有時投影畫面會出現(xiàn)卡頓、重影等現(xiàn)象，主要還是傳輸數(shù)據(jù)量過大，無線信道數(shù)據(jù)傳輸速率限制所致。而且，智能手機(jī)或平板本身的配置，如CPU運(yùn)算速度、內(nèi)存空間大小等，均會直接影響到同屏傳輸效果。所以，在智慧教室前期設(shè)計時，就考慮配置兩套以上的高速無線網(wǎng)絡(luò)，將師生上網(wǎng)、無線投屏、設(shè)備控制等分開進(jìn)行，互不干擾。

通常，在談到移動學(xué)習(xí)的時候，認(rèn)為它是隨著無線通信技術(shù)、移動計算技術(shù)和移動終端的發(fā)展而興起的一種新型學(xué)習(xí)方式，能夠滿足人們隨時隨地的自主學(xué)習(xí)需求[27]。在這種智慧學(xué)習(xí)環(huán)境的人機(jī)交互過程中，充分考慮到移動學(xué)習(xí)的發(fā)展趨勢與前景，努力推廣網(wǎng)絡(luò)答題器——網(wǎng)班系統(tǒng)NetBan.cn。該系統(tǒng)是依托于當(dāng)前流行的云計算和物聯(lián)網(wǎng)科技，采用網(wǎng)頁流移動課件制作技術(shù)，以及基于二維碼的課堂互動系統(tǒng)等多項創(chuàng)新科技基礎(chǔ)上構(gòu)建的智慧教學(xué)平臺。其基本功能主要包括：課堂互動(基于微信的課堂問答系統(tǒng)等)、在線移動學(xué)習(xí)(基于手機(jī)/PAD端的在線學(xué)習(xí)、課堂測驗等)、云資源管理和大數(shù)據(jù)分析。此外，還可拓展到學(xué)員學(xué)習(xí)狀態(tài)檢測(如體態(tài)、腦電波)等高級功能。

簡而言之，它可通過微信“掃一掃”，快捷、方便地進(jìn)入課堂互動。微信是騰訊于2011年初推出的一款可發(fā)送圖文、聲像等信息，支持多人語音對講等功能的移動社交軟件，是時下最熱門的移動社交平臺，在移動學(xué)習(xí)領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢不可估量[27-28]。日常教學(xué)中，教師以O(shè)ffice界面編輯互動內(nèi)容后，系統(tǒng)會自動生成二維碼，學(xué)生以手機(jī)/PAD微信掃碼，即可輕松參與互動問答，而且回答數(shù)據(jù)會傳輸?shù)皆贫颂幚恚罱K形成互動數(shù)據(jù)分析報表并現(xiàn)場展示。

該套系統(tǒng)最大優(yōu)勢就在于師生互動、人機(jī)交互的模式非常簡單，利用微信這樣一款“國民級”工具，可實(shí)現(xiàn)輕便的、即刻進(jìn)入式的，并由教師方便掌控的課堂互動。這樣的變化，對于智慧學(xué)習(xí)環(huán)境的打造極為有利，是移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)助推傳統(tǒng)教育轉(zhuǎn)型和智慧教育發(fā)展的典型應(yīng)用。

4 結(jié) 語

通過智慧教育，引領(lǐng)教育信息化的創(chuàng)新與變革，從而帶動教育教學(xué)全面現(xiàn)代化建設(shè)，已成為當(dāng)今變革時代的鮮明特征和主旋律。當(dāng)前，以物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能和移動通信等為代表的新一代信息技術(shù)在教育行業(yè)蓬勃發(fā)展，這極大地刺激研究者和教育實(shí)踐者去拓展智慧學(xué)習(xí)環(huán)境(如智慧教室)的設(shè)計、建設(shè)與評價體系，同時也在加速推動學(xué)習(xí)環(huán)境的研究與實(shí)踐由數(shù)字化走向智能化的轉(zhuǎn)變和突破。

當(dāng)然，隨著這些新一代信息技術(shù)在教育領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展與應(yīng)用，必然會面臨一系列問題與挑戰(zhàn)，例如智慧教室的大數(shù)據(jù)信息采集過程中，如何保障其自身的安全性和可控性，顯得尤為重要。這些數(shù)據(jù)和信息中，哪些屬于師生個人隱私，或?qū)W術(shù)機(jī)密，必須得到保護(hù)，都是此類應(yīng)用中所無法回避的問題，但切不可因噎廢食，而是要積極去直面問題、主動去解決問題。始終堅信，深入擁抱新一代信息技術(shù)所帶來的革命性變化，加快構(gòu)建智慧學(xué)習(xí)環(huán)境的步伐，扎實(shí)推進(jìn)智慧教育的縱深發(fā)展，將為我國教育事業(yè)的創(chuàng)新與變革提供充沛的原動力和無比廣闊的前景。