SCENA：信息化教学模式改革实践的舞台

    刘朝斌 刘剑 孙雪 余泰 沙琨

    摘 要：在信息化浪潮席卷全球的大背景下，信息化教学模式改革也迎来新高潮，业界对构建能够激活课堂互动、引入课外资源、拓展课堂时空的新型教学环境的需求日益强烈。为构建一体化、智能化的新型教学环境，适应探索实践新的教学理念和方法需求，推动信息化教学模式的深度变革，文章基于“SMART”概念模型，紧跟教育发展趋势，聚焦信息化教改需求，吸收先进教学理念，应用前沿信息技术，综合医科院校特点，提出智慧教室“SCENA”概念模型，并结合学校智慧教室建设的实践探索，给出具体可实施的建设建议，并综合分析了“SCENA”模型智慧教室的建设效果。

    关键词：智慧教室;信息化教学;模式改革;概念模型

    中图分类号：G434 ? ? ? ? ? 文献标志码：A ? ? ? ? ? 文章编号：1673-8454（2019）20-0023-04

    一、引言

    当前，“互联网+”、大数据、云计算、物联网、社交网络、移动网络等前沿信息技术日新月异、飞速发展，慕课、O2O、PBL、翻转课堂、移动学习、自主学习等新型教学理念与模式不断深化、日益普及，全球信息化教学模式改革迎来新高潮，推动着教育朝着呈现多样化、学习碎片化、互动多元化的方向迅猛发展。

    在此大背景下，配备电子白板、计算机、投影仪等常规设施、设备的传统多媒体教室越来越难以适应教育发展的需求，业界对构建能够激活课堂互动、引入课外资源、拓展课堂时空的新型教学环境的需求日益强烈。智慧教室作为一体化、智能化的新型教学环境，是当前探索实践新型教学方法、推进信息化教学模式改革的关键支撑，并成为当前教育领域研究与实践的焦点。

    二、智慧教室研究现状

    智慧教室的相关研究可以追溯到上世纪80年代，苹果公司首开先河实施了“明日苹果教室”（ACOT）项目，并引发了智慧教室研究与实践探索的热潮。

    国外智慧教室研究常用“Smart Classroom”“Intelligent Classroom”“Classroom of Future”“Classroom of Tomorrow”等术语[1-6]，比较知名的探索研究有加拿大麦吉尔大学（McGill University）的智能教室、Szeged大学由微软资助的未来课堂项目、Middle Tennessee州立大学的高级课堂技术实验室、斯坦福大学的iRoom项目等。

    国内智慧教室研究常用智能教室、未来教室、未来课堂等术语[7-11]，比较知名的研究有清华大学“智能教室”项目、华东师范大学的“未来课堂”研究项目和“未来教师空间站”等。这些探索研究因核心理念不同，在环境控制、课堂交互、内容展示和资源获取等教室功能方面，往往侧重于其中一两个方面，缺少整体系统的研究。

    黄荣怀提出智慧教室“SMART”概念模型[12]，定义了智慧教室的内容呈现（Showing）、环境管理（Manageable）、资源获取（Accessible）、及时互动（Real-time Interactive）、情景感知（Testing）五个维度特征，但主要停留在理论层面研究，模型的维度划分缺少具体实践支撑。

    三、智慧教室“SCENA”概念模型

    本文基于“SMART”概念模型，按照“前沿信息技术引领教学改革实践、教学改革需求牵引整体功能建设、深化开放共享拓展立体辐射范围”的建设理念，紧跟教育发展趋势，聚焦信息化教改需求，吸收先进教学理念，应用前沿信息技术，综合医科院校特点，提出智慧教室“SCENA”概念模型，即信息展示（Showing）、中央控制（Central Control）、环境设施（Environmental Facility）、網络环境（Network）、应用拓展（Applied Extension），简写为“SCENA”，并结合我校智慧教室建设的实践探索，给出具体可实施的建设建议，打造一个真正一体化、智能化的信息化教学模式改革“舞台”。

    1.信息展示

    信息展示是指智慧教室从视觉和听觉两个方面对教学信息逼真、直观、灵活、高效的呈现能力。视觉方面，构建沉浸、环绕、协同的多屏幕显示环境，增强学生注意力，推动思维可视化，实现思维连续性，解决单屏幕造成的思维间断性问题。屏幕数量应控制在3-7个，屏幕数量过少难以达到多屏协同的效果，屏幕数量过多则超过大多数学生的记忆广度，影响教学效果，且给屏幕协同控制带来较大困难。

    屏幕布局可根据教室空间采用“一主多辅”或“无主多屏”的方式实施。“一主多辅”方式适用于各种教室，“无主多屏”方式主要适用于空间较小的教室，且屏幕规格与“一主多辅”方式中的辅屏幕一致。所有屏幕均须支持全高清信号输入，主屏幕大小应不低于150英寸，可采用DLP背投拼接或专业级高清投影仪方案实现;辅屏幕大小应不低于70英寸，全部采用液晶单屏触控一体机，实现计算机、电子白板、投影仪三大功能。辅屏幕作为计算机，能够联网获取各类网络资源，离线接入各类存储设备，并支持本地桌面触摸控制和远程桌面协助控制;作为电子白板，通过在计算机中安装第三方电子白板软件，实现所有电子白板实体功能;作为投影仪，支持有线和无线两种信号接收方式，兼容便携式计算机、平板电脑、手机等各类终端的投影信号接入，实现师生在课堂上的自由投影。

    同时，为达到多屏协同展示的效果，智慧教室屏幕控制应实现 “自由切”的功能，即屏幕工作状态应能够在计算机、电子白板、投影仪三种功能中自由切换，屏幕显示内容应能够自由切换到其他屏幕上显示。听觉方面，教室部署高保真环绕立体音响设备和专业噪音抑制系统，加装吸音板和吸音窗帘，降低背景噪音，为师生课堂教学提供高质量的听闻环境。

    2.中央控制

    中央控制是指智慧教室对教室内各类系统设备、环境要素的移动、触控、多模的便捷管控能力。建设中央控制系统，通过平板电脑、教师机、控制机等各类终端，对教室内的屏幕、音响、网络、照明、环境等设施、设备进行智能、高效的管理。屏幕控制方面，通过串口控制、网络传输等技术设备，实现屏幕显示信号自由切换、显示分工协同互动、桌面操作远程控制及工作状态自由切换。

    音响控制方面，远程控制音频处理器，对教室内所有设备的各路音频输入、输出信号的开关、声道、音量、音质进行精确管控。网络控制方面，支持互联网与局域网两种工作模式的自由切换，以实现中央控制系统在任一应用场景中的正常运行。

    照明控制方面，引入自动感光传感器智能控制教室各路灯光开关及窗帘开关，使教室照度保持在500流明的前提下，实现最大节能。

    环境控制方面，通过温湿度、空气质量传感器，实时感知教室温湿度及空气质量，并通过设置环境要素指标的合理区间，自动控制教室中央空调、抽湿机、加湿器、空气净化器等设备，在保持教室环境舒适、健康的前提下，最大限度地实现节能。

    同时，中央管控系统预设多种常用场景模式，方便教师的教学应用与管理员的日常管理。预设进场、离场模式，实现一键对教室内所有系统设备的开关机。预设全投影、白板+投影、互动研讨、互动讲评、资源引入、跨校授课等教学场景模式，方便师生开展PBL、翻转课堂、O2O等各类新型教学模式实践。预设影音观摩、正常授课等照明场景模式，方便师生根据教学需要对照明系统进行一键管控。此外，中央管控系统还支持场景模式自定义，教师、助教及管理员可根据实际需求设置自己需要的场景模式。

    3.环境设施

    环境设施是指智慧教室在室内装修、配套桌椅、人性化设施方面对激发课堂教学活力、提高互动研讨效率、方便多元功能拓展的支撑能力。室内装修整体应以原木色、白色等浅色系为主，搭配黑色、红色等深色系色彩，着重增加金属材质比例，自然清新、典雅沉稳、层次分明，凸显教室空间感和现代感，放松师生心情、激发学生思考、促进互动交流;教室全部采用LED灯，亮度高、节能好，在无任何自然光的情况下能够达到500流明以上。

    教室内配套桌椅应依据教室大小、装修风格和人体工程学，对桌椅高低、大小、样式、颜色等要素进行详细定制，桌子全部选用梯形桌面，可自由拼接为圆形、菱形、方形、长条形、椭圆形、平行四边形等形状，为师生开展互动研讨教学提供灵活、便捷的布局选择。人性化设施方面，安装强、弱电地插，方便师生为便携式计算机、平板电脑、手机等个人终端进行充电;加装可灵活拆卸的移动屏风，支持对教室空间的自由划分，为教室进行多功能拓展提供支撑;配备衣帽架、鞋套机、伞套机、饮水机等设施设备，为师生提供人性化服务保障。

    4.网络环境

    网络环境是指智慧教室在网络接入、网络带宽、网络管理、網络防护方面的支撑能力。智慧教室内应实现光纤网络接入，出口带宽不低于千兆，全面无线WiFi覆盖，支持各品牌、各型号便携式计算机、平板电脑、智能手机、触控大屏等设备安全便利接入，实时获取校内外网络公开资源，并在教室内屏幕上进行自由展示，以全新的资源获取方式推动传统课堂教学模式的改革。

    为增强智慧教室的普适性，提高中央控制的可靠性，满足多功能应用需求，教室网络应支持互联网和局域网两种工作模式，并可通过中央控制系统进行自由切换。互联网工作模式下，教室内所有设备均可自由访问互联网;局域网工作模式下，教室内所有设备形成一个与外界隔离的逻辑局域网，无法访问互联网。为提高网络防护水平，可依托学校信息安全整体防护体系，在智慧教室配置部分专用的防火墙、入侵检测、行为审计、流量控制等网络安全防护设备，并加强网络实名认证管理，做到“事前可防控，事后可追踪”。

    5.应用拓展

    应用拓展是指智慧教室支持多种应用功能接入、拓展课堂教学时空的综合能力。智慧教室作为一个开放共享的智能舞台，教室内设施、设备应具有很强的兼容性、稳定性和复用性，支持多种相关的应用功能拓展，典型的应用拓展有高清自动录播、手术直播示教、跨校互动教学、远程视频会议等。

    通过在教室部署广播级高清摄像机、自动定位球和高清录播系统，实现高清自动录播功能，并可与学校视频中心进行无缝对接，实现资源自动上传、网上直播、点播等功能，打造教学资源制作、展示、共享一条龙服务中心;通过在教室部署手术示教终端，与医院手术室的手术直播车联动，实现手术直播示教功能，建立教室与手术室的音、视频互动通道，实现理论教学与实操教学的无缝融合;通过部署定制开发的远程会议终端，实现跨校互动教学和远程会议功能，大幅拓展教室时空。同时，基于已有设施、设备，通过适当的布局调整，智慧教室还可进行学术会议、大师论坛、师资培训、应急指挥、影音观摩、电子竞技等功能应用，有效拓展了智慧教室的应用外延，大大提高了智慧教室的建设效益。

    四、“SCENA”模型的建设成效

    1.激发传统课堂教学的结构性变革

    在传统的课堂教学中，教师在课堂上把知识传授给学生，并给学生布置作业，学生课后完成作业，以此实现知识的内化和迁移。

    “SCENA”模型智慧教室能够与网络在线学习平台无缝对接，颠覆传统的教学结构及流程，充分发挥“技术支持学习”的优势，激发课堂教学结构的全面变革。“知识传授”的过程放在了课前，由学生在课前观看教师推送的教学资料（含视频、图片、文本、PPT等），进行自主学习新知识。课堂上，教师依托智慧教室，组织和指导学生讨论交流、探究活动，引导学生实现“知识的内化”。在该过程中，智慧教室的“技术支持学习”体现在教学系统的各个要素、教学活动的各个环节和技术应用的各个方面，而应用于教学和学习过程的“技术”，既包括有形的硬件和软件“物化技术”（如以智能中控中心和信息网络技术为核心的物化技术形态），也包括无形的“智能技术”（如学习过程设计和学习环境设计策略等）。

    2.打造突破时空限制的无边界课堂

    无边界课堂重在突破学科和学科之间、学校和学校之间、内容和内容之间的已有界限，创设课内外和校内外、知识和技能、过去和未来之间的畅通平台，构建更加综合、互动、前瞻的教学模式，追求更加开放、主动、创新的学习方式。

    “SCENA”模型智慧教室作为实现无边界课堂的核心支撑平台，能够充分发挥信息网络优势，突破时空限制，并深度整合教室内屏幕、终端、桌椅等设施设备，构建一体化、智能化教学环境，支持混合式教学、翻转课堂教学、跨校互动教学等多种教学模式，让教师自由教、学生自由学。随着“互联网+”在教育领域的进一步发酵，智慧教室将会无限放大未来课堂的边界。

    3.构建信息化条件下的教与学闭环

    传统课堂常见的教学技术手段包括投影、幻灯、多媒体系统和电子白板等设备。“SCENA”模型智慧教室通过融入前沿信息技术和先进教学理念，支持微课教学平台、网络学习社区、电子书包、实操教学等多种教学形式的拓展，使学习方法、教学方式发生根本性变革，实现单一的教学视频向互动学习资源转变、单一的学习工具向学习社区和无边界学习空间拓展、单一的教学平台建设向立体化的学习环境构建。整个教与学过程，呈现互动化、社区化、泛在化、智能化等特点，并辐射教师和学生课前、课中、课后整个过程，打造真正教与学的闭环，实现教与学成效质的飞跃。

    五、总结与展望

    科技引领发展，创新改变世界。信息技术发展日新月异，教学理念蓬勃发展，两者相互交织更相互融合、相互碰撞更相互促进，共同孕育全新的教育需求，激发全面的教育变革和创新。智慧教室作为信息技术与教育教学深度融合的代表，创新教学模式、优化教学流程、丰富教学内容、改善教学体验、拓展教学时空、提高教学质量，是实践现代教学理念和方法的重要舞台，推动着信息化教学模式的深度变革，必将在未来教育改革和发展过程中发挥愈发重要的作用。

    参考文献：

    [1]Gligoric' Nenad，Uzelac Ana，Krco Srdjan. Smart Classroom：Real-time feedback on lecture quality[C].Proceedings of the 2012 IEEE International Conference on Pervasive Computing and Communications （PERCOM'12），2012：391-394.

    [2]YuanChih Yu，Shingchern D.You，DwenRen Tsai.Social interaction feedback system for the smart classroom[C].Proceedings of the 2012 IEEE International Conference on Consumer Electronics （ICCE'12），2012：500-501.

    [3]Margherita Antona，Asterios Leonidis，George Margetis， et al. A Student-Centric Intelligent Classroom[J].Lecture Notes in Computer Science， 2011，7040：248-252.

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    [5]Sotiriou Sofoklis， Bogner Franz X.Inspiring Science Learning： Designing the Science Classroom of the Future[J].Journal of Computational and Theoretical Nanoscience，2011，volume 4（11-12）：3304-3309.

    [6]Fabrizio Giorgini，Peter Reimann. Engaging Learning Technologies for the Classroom of Tomorrow[J].Lecture Notes in Computer Science， 2013，8095：556-559.

    [7]陈卫东，叶新东，张际平.智能教室研究现状与未来展望[J].远程教育雜志，2011，29（4）：39-45.

    [8]宋卫华.未来教室的构建及应用探讨[J].中国信息技术教育，2011（Z2）：123-126.

    [9]杨宗凯.未来教室 未来教师 未来教育 信息技术与教育的融合变革[J].中国现代教育装备，2014（11）：6-11.

    [10]陈卫东，高晶，叶新东.未来课堂：多屏学习空间[J].中小学信息技术教育，2013（3）：27-33.

    [11]张际平，陈卫东.教学之主阵地：未来课堂研究[J].现代教育技术，2010，20（10）：44-50.

    [12]黄荣怀，胡永斌，杨俊锋，等.智慧教室的概念及特征[J].开放教育研究，2012，18（2）：22-27.（编辑：李晓萍）