岳恩妮，周偉杰，朱守業(yè)

(1.江蘇師范大學(xué) 智慧教育學(xué)院；2.江蘇師范大學(xué) 數(shù)學(xué)與統(tǒng)計(jì)學(xué)院，江蘇 徐州 221000)

1 智慧教室概念

國外學(xué)者認(rèn)為智慧教室是運(yùn)用計(jì)算機(jī)對信息進(jìn)行傳輸和處理，并提供即時(shí)反饋給教師和學(xué)生，促進(jìn)個(gè)性化教學(xué)活動(dòng)開展的教學(xué)環(huán)境。國內(nèi)關(guān)于智慧教室的代表性說法為：智慧教室是一種優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容呈現(xiàn)、便利學(xué)習(xí)資源獲取、促進(jìn)課堂交互開展、具有情境感知和環(huán)境管理功能的新型教室[1]。筆者認(rèn)為智慧教室應(yīng)該至少有以下特點(diǎn)：

(1)技術(shù)先進(jìn)。智慧教室需要綜合應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)挖掘、虛擬現(xiàn)實(shí)、人工智能等先進(jìn)技術(shù)手段，提高教學(xué)效果。

(2)資源豐富。能提供并便捷利用多元化數(shù)字資源和智能的學(xué)科專用工具，個(gè)性化地推送和共享資源，增進(jìn)學(xué)生對學(xué)習(xí)內(nèi)容的深度認(rèn)知加工。

(3)智能交互。在學(xué)生與學(xué)生、學(xué)生與教師、師生與環(huán)境、師生與資源的交互中，學(xué)生多感官融入環(huán)境，思維得到顯性化，將知識(shí)同化入原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)，認(rèn)知結(jié)構(gòu)得到改變。

(4)類型多樣。不同學(xué)科、課程、課型有不同教學(xué)需求，所以智慧教室應(yīng)該根據(jù)不同教學(xué)模式及其需求變換多種類型與形式。

(5)人本關(guān)懷。教育培養(yǎng)目標(biāo)應(yīng)該是“知情合一”的人，即既會(huì)運(yùn)用理性思考，同時(shí)也善于感性思考。因此在教學(xué)過程中更要注重情感作用，營造良好課堂氣氛。

(6)虛實(shí)融合。在先進(jìn)技術(shù)和豐富資源支持下，云端一體化的智慧學(xué)習(xí)空間架構(gòu)已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、MOOC平臺(tái)、教學(xué)管理系統(tǒng)等多種虛擬學(xué)習(xí)空間和智慧教室融為一體，更加系統(tǒng)地為教學(xué)提供支持和服務(wù)。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

智慧教室中聲音處理系統(tǒng)主要由物理環(huán)境模塊、語音處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析模塊、移動(dòng)端與云平臺(tái)等模塊組成，系統(tǒng)整體構(gòu)成如圖1所示。

圖1 智慧教室系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 物理環(huán)境

智慧教室在選擇材質(zhì)、空間布局、安放設(shè)備和色彩搭配等方面，應(yīng)力求整潔舒適、讓人賞心悅目；在環(huán)境管理方面，要做到實(shí)時(shí)監(jiān)測教室環(huán)境，智能設(shè)備根據(jù)狀況數(shù)據(jù)自動(dòng)調(diào)整；在人機(jī)交互方面，學(xué)生可以通過簡便、友好的操作獲取到有價(jià)值的信息，促進(jìn)學(xué)生與老師、學(xué)生與學(xué)生間的交流，構(gòu)建和諧平等的教學(xué)環(huán)境。

系統(tǒng)特別強(qiáng)調(diào)在聲音處理方面，墻紙和頂面均需采用吸音材料，例如墻面與頂面可采用防火型聚酯纖維綿或礦棉吸音板，盡可能提高降噪系數(shù)。并且，教室每個(gè)角落設(shè)置懸置麥克風(fēng)，一個(gè)教室一般設(shè)置4～6個(gè)麥克風(fēng)，這種懸置麥克風(fēng)的方式可最大限度實(shí)現(xiàn)對上課過程的零干預(yù)，保證聲音的全方位采集并提高聲音處理的準(zhǔn)確性[2]。

2.2 語音處理系統(tǒng)

該語音處理系統(tǒng)主要是基于三個(gè)語音處理技術(shù)：聲紋識(shí)別技術(shù)、語音內(nèi)容識(shí)別技術(shù)、語音情感識(shí)別技術(shù)。對采集的聲音數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，識(shí)別說話人、說話內(nèi)容及說話情緒，對整個(gè)課堂進(jìn)行全程跟蹤。

(1)聲紋識(shí)別。聲紋其實(shí)就是對語音中所蘊(yùn)含的、能表征和標(biāo)識(shí)說話人的語音特征，以及基于這些特征(參數(shù))所建立的語音模型的總稱，而聲紋識(shí)別是根據(jù)待識(shí)別語音的聲紋特征識(shí)別該段語音所對應(yīng)的說話人的過程[3]。因?yàn)槊總€(gè)人的發(fā)聲器官，例如舌頭、牙齒、口腔、聲帶、肺、鼻腔等在大小和形狀等方面都有所不同，以及個(gè)人年齡、性格、語言習(xí)慣等方面的不同，加之發(fā)音容量大小和發(fā)音頻率差異，因而每個(gè)人發(fā)出的聲音必然有著各自特點(diǎn)，每個(gè)人聲紋圖譜都不同。因此，聲紋識(shí)別技術(shù)又稱說話人識(shí)別技術(shù)，它是一種實(shí)現(xiàn)說話人檢測和識(shí)別的生物特征識(shí)別技術(shù)。聲紋識(shí)別主要任務(wù)包括：語音信號(hào)處理、聲紋特征提取、聲紋建模、聲紋比對、判別決策等[4]。

(2)語音內(nèi)容識(shí)別。在生活中，語音信號(hào)不僅是人們傳遞信息的最直接、便捷、高效的方式，也是人類思想和情感交流的最主要途徑。但是傳統(tǒng)的人機(jī)交互只是讓機(jī)器根據(jù)人類操縱鼠標(biāo)和鍵盤指令去執(zhí)行命令，這種人機(jī)交互相比于人類的語音交互不自然且不方便。所以人們一直希望將人與人之間的語音交互推廣到人與機(jī)器的智能語音交互。語音識(shí)別一般有3種方法：①基于信道模型和語音知識(shí)的方法；②基于模板匹配的方法；③基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的語音識(shí)別方法。目前語音識(shí)別技術(shù)應(yīng)用非常廣泛，例如語音輸入、語音撥號(hào)、智能家電、語音翻譯等。

(3)語音情感識(shí)別。語音情感識(shí)別是指計(jì)算機(jī)自動(dòng)識(shí)別輸入語音的情感狀態(tài)。不同人表達(dá)的語言信號(hào)不同，即使是同一人，不同時(shí)間表達(dá)的聲音信號(hào)在時(shí)間結(jié)構(gòu)、振幅結(jié)構(gòu)、基頻結(jié)構(gòu)和共振峰結(jié)構(gòu)等方面也有不同結(jié)構(gòu)特征和分布規(guī)律。因此，只要測量、計(jì)算和分析各種具體模式的語言聲調(diào)表情在時(shí)間構(gòu)造、振幅構(gòu)造、基頻構(gòu)造和共振峰構(gòu)造等特征方面的構(gòu)造特點(diǎn)和分布規(guī)律，并以此為基礎(chǔ)或模板，就可以識(shí)別出所有語言聲調(diào)中所隱含的情感內(nèi)容[5]。

2.3 數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)

數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)是在聲紋識(shí)別、語音識(shí)別、語音情感識(shí)別基礎(chǔ)上，統(tǒng)計(jì)記錄學(xué)生每次上課發(fā)言次數(shù)、發(fā)言時(shí)間、發(fā)言內(nèi)容概要、發(fā)音情況、發(fā)言時(shí)情緒等信息，為每個(gè)學(xué)生生成課堂報(bào)告與建立數(shù)字檔案，并為教師推送班級(jí)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況及情緒狀態(tài)，為實(shí)現(xiàn)精確的個(gè)性化培養(yǎng)提供支撐。教師和學(xué)生雖然接收的分析結(jié)果源于同一份數(shù)據(jù)，但是分析角度及提供建議有所不同。

(1)學(xué)生需要通過課堂報(bào)告了解自己發(fā)音及知識(shí)體系的薄弱之處，在課后針對性練習(xí)。所以學(xué)生收到的課堂學(xué)習(xí)報(bào)告有以下內(nèi)容：上課發(fā)言次數(shù)的頻次變化；錯(cuò)誤讀音及矯正；發(fā)言內(nèi)容分析結(jié)果并對發(fā)言內(nèi)容從知識(shí)正確性、回答條理性、自信程度、新穎程度進(jìn)行評價(jià)；將上課發(fā)言情況結(jié)合每個(gè)學(xué)生的基本信息、學(xué)習(xí)風(fēng)格、學(xué)習(xí)情況推薦必要的課后資源。

(2)教師需要通過課堂報(bào)告掌握學(xué)生上課的積極程度及回答問題或研討時(shí)的情緒狀態(tài)，及時(shí)調(diào)整課堂活動(dòng)并且在課后為易感焦慮的學(xué)生進(jìn)行鼓勵(lì)和引導(dǎo)。教師收到的課堂教學(xué)報(bào)告有以下內(nèi)容：學(xué)生上課發(fā)言次數(shù)的頻次變化；不同教學(xué)內(nèi)容學(xué)生討論及發(fā)言頻次的統(tǒng)計(jì)；上課過程有異常情緒的學(xué)生及其情緒隨上課進(jìn)程的變化情況。

這些分析結(jié)果對教學(xué)過程起著重要支持作用：①可以實(shí)時(shí)反饋給上課的教師和學(xué)生，實(shí)現(xiàn)對課堂全過程的智能檢測；②可以利用統(tǒng)計(jì)分析、數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)，研究不同教學(xué)模式對學(xué)生上課積極性的影響，幫助教師調(diào)整教學(xué)方式；③可以豐富教學(xué)系統(tǒng)中每位學(xué)生的畫像，為學(xué)情預(yù)警和教學(xué)干預(yù)提供數(shù)據(jù)來源。

2.4 移動(dòng)端

移動(dòng)端不僅是學(xué)生與教師的交互媒介，也是教師與整個(gè)教學(xué)環(huán)境、學(xué)生與整個(gè)教學(xué)環(huán)境的交互媒介。有研究表明移動(dòng)端的使用能增強(qiáng)教學(xué)的情境性，可以更好地實(shí)現(xiàn)個(gè)性化教學(xué)。本文所強(qiáng)調(diào)的移動(dòng)端的功能主要包括以下方面：

(1)作為課堂發(fā)言和討論數(shù)據(jù)分析結(jié)果實(shí)時(shí)反饋的呈現(xiàn)載體，在課堂互動(dòng)過程中，實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)分析結(jié)果反饋給上課教師和學(xué)生，反饋內(nèi)容包括發(fā)言時(shí)長、發(fā)言內(nèi)容概要、讀音問題以及發(fā)言內(nèi)容的知識(shí)正確性、回答條理性、自信程度、新穎程度等評價(jià)。通過對課堂上課情況全過程智能檢測，有利于對學(xué)生發(fā)言及時(shí)反饋并且?guī)椭處煾鶕?jù)學(xué)生回答及情緒狀態(tài)掌控與調(diào)整課堂進(jìn)展，營造良好課堂氣氛。

(2)作為課內(nèi)課外打通、線上線下融合的平臺(tái)，課后師生可以在此平臺(tái)討論沒有完成的或者討論過程中引出的新問題，課后查看自己的課堂生成報(bào)告進(jìn)行針對性的個(gè)性化學(xué)習(xí)。

(3)作為實(shí)時(shí)獲取各類資源、工具與模擬教學(xué)情境的媒介，學(xué)生可通過移動(dòng)端查找與接收各類資源，進(jìn)行線上討論、視頻點(diǎn)播、在線測試等，幫助師生嘗試并適應(yīng)多形態(tài)的課堂教學(xué)。

2.5 云平臺(tái)

整個(gè)智慧教室教學(xué)系統(tǒng)直接通過云課堂平臺(tái)自動(dòng)獲取學(xué)生的基礎(chǔ)信息、課程信息，并將行為記錄等信息與之關(guān)聯(lián)；課后的課堂發(fā)言與討論文本可以上傳至云平臺(tái)，供學(xué)生在復(fù)習(xí)時(shí)在線查看，不斷地實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源的豐富和充分共享；云平臺(tái)中存儲(chǔ)的學(xué)生畫像和個(gè)人數(shù)據(jù)中心會(huì)自動(dòng)根據(jù)智慧教室中采集的大數(shù)據(jù)更新，為教學(xué)管理、教學(xué)指導(dǎo)、教育監(jiān)測評估和智能決策等提供支持。

3 結(jié)語

智慧教室在建設(shè)的過程中應(yīng)該強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為主體、追求個(gè)性化的有意義學(xué)習(xí)，彰顯以人為本的教育理念。本文基于聲紋識(shí)別技術(shù)、自動(dòng)語音識(shí)別技術(shù)、語音情感識(shí)別技術(shù)建構(gòu)的智慧教室聲音處理系統(tǒng)，借助物理設(shè)備、移動(dòng)端、云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了教學(xué)過程的實(shí)時(shí)監(jiān)測和個(gè)性化教學(xué)，體現(xiàn)了智慧教室虛實(shí)融合、智能交互、人本關(guān)懷的特點(diǎn)。本文提出的基于聲音處理技術(shù)的智慧教室系統(tǒng)架構(gòu)具有以下優(yōu)勢：

(1)借助語音處理技術(shù)，不需要學(xué)生與硬件設(shè)備直接接觸，即可實(shí)現(xiàn)零干預(yù)采集教學(xué)活動(dòng)過程的聲音數(shù)據(jù)，促進(jìn)師生在智慧學(xué)習(xí)空間中協(xié)作與交流。

(2)利用語音識(shí)別技術(shù)，有利于在語文與英語課堂對學(xué)生讀音進(jìn)行及時(shí)反饋與針對性指導(dǎo)。

(3)利用語音情感識(shí)別技術(shù)，對學(xué)生發(fā)言時(shí)的情緒狀態(tài)進(jìn)行檢測，特別是有無焦慮情緒，教師可在教學(xué)活動(dòng)或策略上進(jìn)行改變以營造良好課堂氛圍。

(4)相關(guān)數(shù)據(jù)分析結(jié)果會(huì)實(shí)時(shí)反饋給教師和學(xué)生，教師可以動(dòng)態(tài)調(diào)整教學(xué)進(jìn)程。

(5)多角度、多層次的統(tǒng)計(jì)分析可以更清晰展現(xiàn)出學(xué)生現(xiàn)有的知識(shí)結(jié)構(gòu)并且豐富學(xué)生畫像，為不同學(xué)生提供有針對性的預(yù)習(xí)資料、課后作業(yè)與資源等，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化教學(xué)。