胡沛然， 王宜之

(上海交通大學 教育技術中心，上海 200240)

0 引 言

隨著新一代信息技術和產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，各種智能硬件與無線網(wǎng)絡通信技術得到廣泛應用，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)代信息技術與教育的全面深度融合，以信息化引領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]，國務院副總理劉延東明確指出，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，如何應對教育信息化發(fā)展所面臨的重大挑戰(zhàn)，并實現(xiàn)教育的創(chuàng)新與變革，顯得尤為重要。一般認為，信息時代背景下的智慧教育更重視利用智慧學習環(huán)境來培養(yǎng)學習者的高階認知能力[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，建設智慧學習環(huán)境已成為解困信息技術與教育教學深度融合，實現(xiàn)教學質(zhì)量和學生創(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：“要建設智能化教學環(huán)境，提供優(yōu)質(zhì)數(shù)字教育資源和軟件工具”[3]。而且，學生的智慧生成同樣需借助于教育和學習環(huán)境的智能化[6]。

智慧學習環(huán)境，絕不是像某些人認為只要教室接入互聯(lián)網(wǎng)那樣的簡單。例如美國早在2003年就達到教室平均4.4人/臺聯(lián)網(wǎng)計算機的配置水平[9]。2000年以來，我國各級各類學校也相繼建設了大規(guī)模以“計算機+投影”應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)學習模式，并未給學生們帶去滿意的學習體驗[8，10-11]，只不過是與教師中心主義的課堂講授一道構成“人灌+機灌”現(xiàn)象[9]，而并不是“互聯(lián)網(wǎng)+教育”。隨著信息化技術和產(chǎn)業(yè)進一步發(fā)展，各類云錄播、交互白板和數(shù)字化學習資源得到應用，相繼出現(xiàn)遠程云錄播教室、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+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和學習帶來了便利[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)等新一代信息技術支持下，智慧學習環(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 智慧教育與智慧學習環(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(Self-directed)、激發(fā)動機(Motivated)、靈活適應(Adaptive)、豐富資源(Rich Resources)和技術沉浸(Technology Embedded)這五大特征組成的Smart Education理念和架構[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)學習情景不同，智慧學習環(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習環(huán)境，是學校信息化發(fā)展到一定階段的內(nèi)在訴求，同時也是當今智慧學習時代的必然選擇[16]。關于“智慧教室”研究，最早可追溯到1988年由羅納德·雷西尼奧在“教育技術的實際執(zhí)行”一文中提出的“Smart-Classroom”[17]。當下由于各國技術發(fā)展的階段層次和水平不一，其研究內(nèi)容和側重點也不盡相同?；诩夹g促進學習的發(fā)生條件，黃榮懷等人將智慧學習環(huán)境(如智慧教室)的學習體驗構成維度分為學習空間(人造客觀對象，如物理環(huán)境、座位布局)、信息技術(自然客觀對象，如資源獲取、內(nèi)容呈現(xiàn)等)和教學法(主觀對象，如人人交互、教學活動等)[8,15]。本文研究新一代信息技術對智慧學習環(huán)境的影響，主要體現(xiàn)在學習空間的物理環(huán)境、信息技術的資源獲取和內(nèi)容呈現(xiàn)、教學法的人人交互和人機交互等相關維度。

2 “智慧教室”建設案例

為進一步提升我校教學設施水平，利用現(xiàn)代教育技術促進課堂教學，更好地滿足“學在交大”和“雙一流”建設的內(nèi)在需要，教育技術中心，會同教務處、基建處等相關部門，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”學習環(huán)境。黃榮懷等[8]提出智慧學習環(huán)境的學習體驗構成要素，此建設已在表1中所示的幾個維度取得進展。

表1 上海交通大學智慧教室的學習體驗構成維度及內(nèi)容

3 新一代信息技術與智慧學習環(huán)境

在智慧學習環(huán)境的設計與構建、管理過程中，新一代信息技術，特別是物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)、移動互聯(lián)網(wǎng)等技術的深入應用，將教育的信息化建設和管理進一步導向“智能構建”和“智慧管控”，教育的“智慧”轉型已成為不可逆轉的時代潮流。結合我?！爸腔劢淌摇钡膶嶋H建設，對新一代信息技術如何更好地促進智慧學習環(huán)境的建設與管理發(fā)表觀點、進行探討。

3.1 物聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)，被譽為繼計算機、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]，該項技術蓬勃發(fā)展并廣泛應用于各行各業(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)的應用體系結構，可分為感知層、網(wǎng)絡層和應用層。閻堅等[19]就提出采用星型拓撲結構或ZigBee技術(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統(tǒng)一接入傳感網(wǎng)絡，并連入校園網(wǎng)，從而搭建一套全新的智慧教室系統(tǒng)架構和設計方案。在前期廣泛調(diào)研和深入論證的基礎上，設想通過在智慧教室安裝傳感器并網(wǎng)絡連接，既可根據(jù)教室內(nèi)光線的強弱，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，通過紅外感應設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，建立教師和對應上課教室間的關聯(lián)授權，從而實現(xiàn)智能控制教學設備的使用等。

目前，我校智慧教室的建設選用快思聰Crestron環(huán)境照度感應器(型號：GLS-LOL)、溫濕度感應器(型號：C2N-RTHS)及相應環(huán)境控制軟件，并與學校原課表系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、人數(shù)統(tǒng)計系統(tǒng)等進行對接，根據(jù)實際情況自動調(diào)節(jié)。經(jīng)過實際建設和后續(xù)的管理實踐，還可做進一步優(yōu)化：

(1) 增加物聯(lián)網(wǎng)感知層范圍、種類和感知點，例如CO2傳感器、PM2.5傳感器、風速風向傳感器等，進而實現(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器設備外，還可通過公共云服務平臺進行資源配置。

(3) 最終的物聯(lián)網(wǎng)應用層，可考慮增加相關應用聯(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)照度值的強弱自動調(diào)節(jié)投影流明度。若室外陽光過于強烈，窗簾還可自動拉下，如此這般滿足學生上課清晰觀看的需求，也有利于師生們的視力保護。另外，空氣質(zhì)量監(jiān)測與空調(diào)、新風系統(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)等技術的進一步支持，真正做到“自主化學習、大數(shù)據(jù)分析、精細化調(diào)節(jié)”。例如，我校95%以上學生使用智能手機，所有教室都裝有WiFi，這時可通過學生手機與網(wǎng)絡間交換“大數(shù)據(jù)”，及時分析出教室內(nèi)學生數(shù)量等大概情況[20]，進而精細化、智能化控制教室空調(diào)、燈光等設施。這樣既提高了教學樓管理效率，同時其能耗利用率也大為改善。

3.2 人工智能(人臉識別)

進入21世紀以來，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、智慧學習環(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”技術的支持[22]。人工智能(Artificial Intelligent，簡稱AI)技術蓬勃發(fā)展，特別是2016年谷歌推出基于深度學習的機器人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)合美國國家科學技術委員會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技術的發(fā)展提供指引。

目前，AI技術在工業(yè)、能源、環(huán)境、教育等各領域都扮演著重要角色，在一些特定領域(如圖像識別、語音識別)，其問題解決能力甚至超過人類。“先讓機器看懂世界，再讓機器真正思考”——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)團隊都紛紛布局人臉識別，以搶占先機。例如百度人臉識別2016年便進入生活應用，其員工在百度大廈均刷臉進樓；阿里則將人臉識別應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”，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性突破。

人臉識別，是基于人臉部特征信息進行身份識別的一種生物識別技術，通常也叫人像識別、面部識別。根據(jù)人員的運動軌跡、人臉的正面朝向等差別，其應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動軌跡相對固定(例如行進方向相對一致、運動邊界相對封閉)，應用于智慧學習環(huán)境的人臉識別技術，應該考慮通道型場景的應用。目前，學校智慧教室采用威爾攝像考勤機(型號：WEDS-F6)進行課堂打卡簽到，與校園管理平臺對接。

在方案最初設計中，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。具體應用時，其難點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，逐一進行3D最佳狀態(tài)辨別抓拍。事實上，目前已有相關商業(yè)應用能夠?qū)崿F(xiàn)上億級別的數(shù)據(jù)識別，且識別率較高，識別速度達到秒級。

此外，原始數(shù)據(jù)采集工作，既可對接學校教務管理平臺，例如新生入學時的信息數(shù)據(jù)和圖像等；又可現(xiàn)場抓拍并錄入信息。關鍵還在于，隨著AI技術的進步，人臉識別系統(tǒng)可進入“深度學習”狀態(tài)，不斷進化，從而達到更加方便、可靠的教學管理效果。當然在這過程中，如何合理保護師生的個人隱私，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)

當今社會，大屏幕多媒體演示已成為一種常態(tài)化課堂教學模式，主要由計算機、投影、屏幕和音箱等設施構成支持，在為廣大教師多媒體教學提供便利的同時，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+機灌”現(xiàn)象。另一方面，隨著智能手機和移動互聯(lián)網(wǎng)技術的日益普及，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]。

將智能手機融入多媒體教學，構成移動授課平臺，除傳統(tǒng)“有線”或“手機+APP”方案外，還有“手機+同屏”模式，即學校這次采用的無線投屏(Airplay、微軟Miracast)技術。其技術原理是：智能手機或平板通過“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行播放，見圖1。

圖1 無線投屏原理示意圖

在實際操作過程中，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信號轉換器，繼而接入教室多媒體系統(tǒng)。另外，在后期測試和應用中發(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，智能手機或平板本身的配置，如CPU運算速度、內(nèi)存空間大小等，均會直接影響到同屏傳輸效果。所以，在智慧教室前期設計時，就考慮配置兩套以上的高速無線網(wǎng)絡，將師生上網(wǎng)、無線投屏、設備控制等分開進行，互不干擾。

通常，在談到移動學習的時候，認為它是隨著無線通信技術、移動計算技術和移動終端的發(fā)展而興起的一種新型學習方式，能夠滿足人們隨時隨地的自主學習需求[27]。在這種智慧學習環(huán)境的人機交互過程中，充分考慮到移動學習的發(fā)展趨勢與前景，努力推廣網(wǎng)絡答題器——網(wǎng)班系統(tǒng)NetBan.cn。該系統(tǒng)是依托于當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，以及基于二維碼的課堂互動系統(tǒng)等多項創(chuàng)新科技基礎上構建的智慧教學平臺。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)、在線移動學習(基于手機/PAD端的在線學習、課堂測驗等)、云資源管理和大數(shù)據(jù)分析。此外，還可拓展到學員學習狀態(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，在移動學習領域的應用優(yōu)勢不可估量[27-28]。日常教學中，教師以Office界面編輯互動內(nèi)容后，系統(tǒng)會自動生成二維碼，學生以手機/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?，最終形成互動數(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、人機交互的模式非常簡單，利用微信這樣一款“國民級”工具，可實現(xiàn)輕便的、即刻進入式的，并由教師方便掌控的課堂互動。這樣的變化，對于智慧學習環(huán)境的打造極為有利，是移動互聯(lián)網(wǎng)技術助推傳統(tǒng)教育轉型和智慧教育發(fā)展的典型應用。

4 結 語

通過智慧教育，引領教育信息化的創(chuàng)新與變革，從而帶動教育教學全面現(xiàn)代化建設，已成為當今變革時代的鮮明特征和主旋律。當前，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在教育行業(yè)蓬勃發(fā)展，這極大地刺激研究者和教育實踐者去拓展智慧學習環(huán)境(如智慧教室)的設計、建設與評價體系，同時也在加速推動學習環(huán)境的研究與實踐由數(shù)字化走向智能化的轉變和突破。

當然，隨著這些新一代信息技術在教育領域的進一步發(fā)展與應用，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術機密，必須得到保護，都是此類應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所帶來的革命性變化，加快構建智慧學習環(huán)境的步伐，扎實推進智慧教育的縱深發(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。