基于PST框架對智慧教室技術(shù)及實現(xiàn)路徑的思考

【摘要】隨著5G的部署和教育信息化2.0政策的逐步推進(jìn)，智慧教育已經(jīng)成為未來教育領(lǐng)域最重要的前進(jìn)方向。本研究基于PST框架（Pedagogy-Space-Technology，PST），對智慧教室目前的發(fā)展現(xiàn)狀及主要的技術(shù)特征進(jìn)行梳理，并思考如何通過技術(shù)更好地實施智慧教室建設(shè)，探討智慧教室的實現(xiàn)路徑，同時對于在實施過程中亟待解決的問題提出個人建議?！娟P(guān)鍵詞】PST;智慧教室;技術(shù)特征;實現(xiàn)路徑智慧教室一詞起源于1988年羅納德·雷西尼奧提出的一種智慧學(xué)習(xí)環(huán)境，通過自動感知并記錄學(xué)習(xí)情境、提供合適的資源和工具、提供自動測評成果等方式逐步走進(jìn)現(xiàn)代科技社會，形成一種技術(shù)加持下的新型學(xué)習(xí)模式。隨著科技的不斷發(fā)展，智慧教室成為一種典型的智慧學(xué)習(xí)環(huán)境，使真正的智慧教育得以實現(xiàn)。智慧教室提供了必要的環(huán)境支持，為將來更好地實現(xiàn)通過技術(shù)手段提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣以及人性化的師生互動提供了保障，并為將來提高學(xué)生學(xué)習(xí)投入度、改善學(xué)習(xí)質(zhì)量提供了可實現(xiàn)的路徑。PST框架智慧教室的框架設(shè)計如果只從空間和技術(shù)層面考慮，只是把教育當(dāng)作普通應(yīng)用場景進(jìn)行對待，未考慮教育面向的是未成年群體、是祖國的未來這一特殊性，就失去了教育的“人文味兒”。所以，智慧教室的框架設(shè)計不僅要兼顧空間和技術(shù)，更要結(jié)合學(xué)生、教師和教學(xué)模式等多方面進(jìn)行思考。2009年，拉德克利夫（Radcliffe）提出“教學(xué)法—空間—技術(shù)”框架（Pedagogy-Space-Technology，PST）（圖1）。PST框架強(qiáng)調(diào)教學(xué)法、空間、技術(shù)三要素的融合，致力于推動在空間和技術(shù)手段中實現(xiàn)教育目標(biāo)，在利用信息技術(shù)增強(qiáng)教學(xué)效果的同時，拓展學(xué)生學(xué)習(xí)空間。除此之外，PST框架還強(qiáng)調(diào)整體的概念，在對教學(xué)法、空間、技術(shù)三個要素融合之前，先要根據(jù)學(xué)習(xí)空間的生命周期有整體地設(shè)計規(guī)劃，更科學(xué)地考量智慧教室的設(shè)計。圖1

PST框架近些年，有學(xué)者對PST框架進(jìn)行了改進(jìn)，設(shè)計了面向體驗學(xué)習(xí)的未來課堂，本文從以下六個方面進(jìn)行闡述。1.轉(zhuǎn)型智慧課堂傳統(tǒng)課堂未能達(dá)到促進(jìn)深入學(xué)習(xí)的目的，借助信息技術(shù)手段融合課堂教學(xué)，對課前、課中、課后進(jìn)行數(shù)據(jù)模型運算，打通全部教學(xué)環(huán)節(jié)并形成閉環(huán)，將教育模式變革真正應(yīng)用到智慧教室中，促進(jìn)學(xué)生的深度學(xué)習(xí)和發(fā)展。2.軟硬件并行使用信息技術(shù)發(fā)展初期，教室內(nèi)配備了相應(yīng)的硬件設(shè)施以供教學(xué)，但并未得到有效應(yīng)用。隨著技術(shù)的發(fā)展，智慧課堂模式更注重軟硬件并行使用。軟硬件結(jié)合的模塊化架構(gòu)，使得智慧課堂的主體能夠承載多樣的可能性，屏幕上的師生互動技術(shù)、移動端的實時學(xué)習(xí)、虛擬空間和現(xiàn)實空間的有機(jī)融合、大量的數(shù)字化資源等，將教學(xué)過程數(shù)據(jù)化、過程化，不僅打破了時空限制，同時兼顧學(xué)生個性化需求，提升了整體學(xué)習(xí)效果。3.指導(dǎo)學(xué)習(xí)而非傳授知識在智慧教室環(huán)境中，師生地位發(fā)生了根本性改變，教師不再是高高在上的講授者，而是從知識的提供者變成指導(dǎo)者，提供課題咨詢、方向指導(dǎo)、資源協(xié)助，從而幫助學(xué)生更好地培養(yǎng)創(chuàng)新精神。4.個性化實施教學(xué)傳統(tǒng)方式過于注重標(biāo)準(zhǔn)化，而智慧教室模式更注重過程的建構(gòu)、知識的積累和解決問題的能力，以促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展為目標(biāo)，實現(xiàn)教學(xué)模式的根本性變革。5.大數(shù)據(jù)精準(zhǔn)評價通過大數(shù)據(jù)在各個階段的采集、測算、分析等，使教學(xué)方式多元化、過程數(shù)據(jù)化，使教學(xué)形成有機(jī)整體，更好地促進(jìn)學(xué)生的“學(xué)”。6.多元空間教學(xué)堅持構(gòu)建以人為本的育人環(huán)境，綜合教育的各個因素，使其相互配合形成較為完美的社會生態(tài)，從而促進(jìn)學(xué)生的自我發(fā)展和成長。智慧教室空間的多元化，不同區(qū)域?qū)哟慰蔀椴煌愋偷膶W(xué)習(xí)提供支持。智慧教室技術(shù)特征基于PST的智慧教室框架設(shè)計已經(jīng)在本質(zhì)上區(qū)別于傳統(tǒng)教室了，在信息技術(shù)加持下，智慧教室的技術(shù)特征可歸納為以下三點。1.數(shù)據(jù)為中心萬物互聯(lián)時代，任何數(shù)據(jù)都有其價值。在智慧教育背景下，智慧教室中的數(shù)據(jù)需要通過以下三個步驟才能發(fā)揮其真正的價值。首先，數(shù)據(jù)采集。智慧教室中遍布的網(wǎng)絡(luò)感知系統(tǒng)，不間斷收集學(xué)生的即時學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，通過人機(jī)互動、攝像頭采集畫像、眼球追蹤眼動情況從而分析心理等方式，對師生的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)進(jìn)行第一步采集工作，反應(yīng)情感與行為之間的聯(lián)系，也為教師做出合理的教育決策提供參考。其次，數(shù)據(jù)處理。通過各種方式將數(shù)據(jù)收集之后，形成學(xué)生的電子學(xué)檔，通過合適的模型算法處理，就能得出適合學(xué)生學(xué)習(xí)情況的針對性教學(xué)方案。教師或者專家學(xué)者可以通過分析學(xué)習(xí)者的特征和軌跡進(jìn)一步探究教育變量之間的關(guān)系，構(gòu)建更科學(xué)合理的學(xué)習(xí)行為模型，更深入地挖掘?qū)W習(xí)者的行為模式。在大數(shù)據(jù)的驅(qū)動下，精準(zhǔn)的算法可以完成大量個性化工作，智慧教室這套基于數(shù)據(jù)和算法分析的模式將是對整個教育模式的變革。最后，數(shù)據(jù)應(yīng)用。經(jīng)過算法處理的數(shù)據(jù)會顯示出各類相關(guān)性，教師或教育決策者可以通過提示選定更合適的教育方式，學(xué)生在無人監(jiān)控的智慧教室中也可以通過自動采集到的信息生成個性化的學(xué)習(xí)建議，獲得更真實的學(xué)習(xí)體驗。所以，在智慧教室環(huán)境下，需通過數(shù)據(jù)得出重要趨勢和信息，從而調(diào)整教與學(xué)方式，以達(dá)到更好的教學(xué)效果。2.個性化空間智慧教室通過合理的技術(shù)手段，打破時空邊界，打破傳統(tǒng)教育中灌輸式的教學(xué)，為每位學(xué)生提供個性化學(xué)習(xí)指導(dǎo)，更適合學(xué)生個性特點，可推薦相關(guān)資源幫助其提高學(xué)習(xí)興趣。在智慧教室系統(tǒng)中，儲存著每位學(xué)生的個性化學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)單元，將不斷采集到的數(shù)據(jù)信息通過算法處理得到規(guī)劃，并反饋到學(xué)生接下來的學(xué)習(xí)計劃中，自然會得到更為理想的學(xué)習(xí)效果。在個體學(xué)生得到個性化的服務(wù)后，逐漸映射出來一個問題：集體的個性化需要關(guān)注和追求嗎？在智慧教室中，如果將個體的算法直接應(yīng)用于集體是否會有失偏頗？如何把控整個集體或?qū)W校的學(xué)習(xí)風(fēng)格仍舊需要更科學(xué)的算法，被制定的算法需要通過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕逃蒲泄ぷ髡?、教師、學(xué)生等共同決策，再借助工程師的手實現(xiàn)出來。如此說來，個性化空間不僅僅是針對學(xué)生自身，對于整個集體而言也至關(guān)重要。3.全景化敞視以智慧教室的局外人身份來看，幾乎可以用“上帝視角”來描述整個教室及其中的人物關(guān)系，以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的智慧教室生態(tài)所描繪的學(xué)習(xí)像是邊沁的“環(huán)形監(jiān)獄”，倫理上有其可商榷之處。首先是暴露性。在無數(shù)高清攝像頭的拍攝下，所有行為、言語都會被記錄進(jìn)一個龐大的數(shù)據(jù)庫，進(jìn)而形成以數(shù)據(jù)為中心的個性化檔案。師生互動、學(xué)習(xí)狀態(tài)、心理預(yù)期等在智慧教室中都會被記錄、分析，然后形成一份學(xué)習(xí)報告供人決策。學(xué)生的學(xué)習(xí)活動全部數(shù)據(jù)化，在教育教學(xué)活動中的所有一切都暴露給了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。其次是透明性。數(shù)據(jù)完全暴露就帶來了完全的透明，對智慧教室中的師生而言就是完全將自己的任何行為暴露在技術(shù)手段下，大數(shù)據(jù)技術(shù)需要全面了解學(xué)生的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)才能實現(xiàn)合理化決策和推薦，合乎計算邏輯才能實現(xiàn)智慧教室的“智慧性”。不過這種完全透明的方式真的能幫助學(xué)生更好地提高學(xué)習(xí)效果嗎？不同學(xué)生的隱秘、陌生和各類差異暴露在智慧教室的大數(shù)據(jù)下，雖然合乎算法的計算邏輯，但人性的倫理邏輯是否得到了保障仍舊值得考量。最后是異質(zhì)性。在智慧教室中，算法的邏輯也可以相當(dāng)于是監(jiān)獄的紀(jì)律，同樣可以宣判學(xué)生的活動準(zhǔn)則。也就是說，專家和教師設(shè)定的算法邏輯就是學(xué)生必須遵守紀(jì)律，盡管保證了一定個性化學(xué)習(xí)方式，但是話語權(quán)和主動權(quán)仍舊不在學(xué)生手中，一旦出現(xiàn)不一致的情況，最終受害者還是學(xué)生個體。智慧教室的準(zhǔn)入門檻就是使用這套系統(tǒng)，每位教師和學(xué)生都有獨一無二的身份ID，以后所有采集到的數(shù)據(jù)、分析出來的結(jié)果都會按照ID輸入到不同的數(shù)據(jù)電子檔案中。而最開始注冊ID的同意使用協(xié)議就是我們所說的紀(jì)律的一部分。使用協(xié)議就像是一份自由轉(zhuǎn)讓協(xié)議，數(shù)據(jù)系統(tǒng)可以將采集到的信息通過各種方式進(jìn)行處理，而身在其中的個體并沒有多少權(quán)利和自由“不同意”。這樣的一致性要求也讓學(xué)生和教師必須遵守紀(jì)律，否則就不會被納入到智慧的學(xué)習(xí)環(huán)境中。智慧教室實現(xiàn)路徑基于以上技術(shù)特征，智慧教室若要實現(xiàn)其功能，還將遵循以下幾方面的實施路徑，將智慧教育在智慧教室中完美融合。1.智能感知系統(tǒng)智慧教室中所需的大量數(shù)據(jù)采集就是通過智能感知設(shè)備來進(jìn)行的，包括圖像收集、可靠傳輸?shù)?，主要體現(xiàn)在以下三個方面。首先是環(huán)境感知。智慧教室的環(huán)境信息包括溫濕度、煙霧、物體設(shè)備、位置等，通過互動終端、書籍、工具、空間、資源等感知教學(xué)場景和認(rèn)知場景。收集學(xué)習(xí)者的先前數(shù)據(jù)并和學(xué)習(xí)過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行算法處理，在服務(wù)器端進(jìn)行環(huán)境和學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)建模，形成學(xué)生的電子學(xué)習(xí)檔案。其次是學(xué)習(xí)內(nèi)容的智能感知。不僅包括每位學(xué)生的個性化學(xué)習(xí)目標(biāo)、學(xué)習(xí)習(xí)慣、個性特征、學(xué)習(xí)風(fēng)格、學(xué)習(xí)動機(jī)、學(xué)習(xí)偏好等，而且還根據(jù)學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)提供自主的學(xué)習(xí)系統(tǒng)，從多方面保證學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。最后是學(xué)習(xí)情境智能感知。通過采集到的學(xué)生表情、語言、行為、脈搏等判斷學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)和需要提供的幫助，適配學(xué)習(xí)情境，通過算法聚合到更高級的情境反過來促進(jìn)教學(xué)活動。通過多重情境重構(gòu)，推理出更高層的情境嵌入追蹤芯片，將情境更新到新的數(shù)據(jù)系統(tǒng)中，以促成更合適的教學(xué)。2.智慧管理系統(tǒng)面向物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計框架的智慧教室是一個整體的智慧管理系統(tǒng)，將師生身份識別、教學(xué)流程管理、信息查詢和預(yù)警等綜合處理，構(gòu)建成一個龐大的智慧管理系統(tǒng)。在智慧教室中，通過RFID傳感器芯片讀寫信息，再面向終端進(jìn)行查詢、發(fā)布、呈現(xiàn)等一些列操作，同時精準(zhǔn)識別身份ID信息記錄基本的出勤情況等。智慧教室的白板具備會議管理功能，有傳感器識別的椅子和終端投影儀，能自動識別會議日期、參會人員、導(dǎo)入會議所需資料等。同時，還可以人性化地設(shè)置一些溫馨提示語音。3.情感計算模塊人類情感的多樣性、復(fù)雜性是近幾年隨著技術(shù)進(jìn)步才有所涉及的領(lǐng)域，而計算機(jī)的情感計算是通過芯片、圖像等采集手段識別人體數(shù)據(jù)信息并分析關(guān)鍵情感、姿勢、語音、嗅覺等，通過深度學(xué)習(xí)算法計算人的基本反應(yīng)和推測。智慧教室應(yīng)用該項技術(shù)高質(zhì)量獲取情境數(shù)據(jù)，解析處理師生情感動向，從而提高教學(xué)效果。在普適性的情感計算領(lǐng)域，平臺依據(jù)上傳的諸多情感數(shù)據(jù)庫建模成更人性化的情感交互，從而提供更為精準(zhǔn)的教學(xué)決策。而在文本情感計算方面，也通過構(gòu)建核心情感語義塊，計算文本情感值，從而判斷學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的情感傾向，將分析結(jié)果反饋到智慧管理平臺。4.設(shè)備共享模塊智慧教室中的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備是基本的“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”，不同設(shè)備通過共享的方式將數(shù)據(jù)、分析結(jié)果等回傳到智慧平臺及各個物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中，實時更新最新動態(tài)以供分析、決策。共享設(shè)備以大數(shù)據(jù)為核心，以物聯(lián)網(wǎng)硬件設(shè)備為神經(jīng)末梢，通過自適應(yīng)交互為師生不斷產(chǎn)生價值。智慧教室中的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備共享模塊共分為四層：底層的智慧感知層負(fù)責(zé)收集各類基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息，第二層的網(wǎng)絡(luò)通信層利用網(wǎng)絡(luò)高速傳輸數(shù)據(jù)，第三層的數(shù)據(jù)處理層儲存分析傳輸過來的信息，并通過算法進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘和數(shù)據(jù)分析等。第四層為應(yīng)用交互層，包括用戶和交互工具，是智慧教室的關(guān)鍵層，通過這些應(yīng)用設(shè)備和軟件構(gòu)建了整個智慧教室的表面和活動系統(tǒng)。5.虛擬仿真模塊技術(shù)的進(jìn)步逐漸轉(zhuǎn)向虛擬和現(xiàn)實結(jié)合的方向，近些年虛擬仿真領(lǐng)域的大火，包括各類高端的人機(jī)接口、虛擬現(xiàn)實（VR）、增強(qiáng)現(xiàn)實（AR）、混合現(xiàn)實（MR）等技術(shù)也在教育領(lǐng)域產(chǎn)生更多效應(yīng)。近些年被提及的具身認(rèn)知也在虛擬仿真的加持下再次走進(jìn)教育者的視野，增強(qiáng)師生互動、產(chǎn)生虛實結(jié)合的場景、更直觀感受科學(xué)情境都讓該領(lǐng)域進(jìn)一步得到更多教育工作者的認(rèn)可。該種方式可以降低學(xué)習(xí)焦慮、增強(qiáng)學(xué)習(xí)動機(jī)、激發(fā)高階思維，未來構(gòu)建教育元宇宙也是指日可待。智慧教室發(fā)展待解決的問題1.構(gòu)建智慧系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)智慧教室感知層面向多個教育場景采集信息，如果沒有建立統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)致數(shù)據(jù)格式不一致，就會產(chǎn)生設(shè)備不兼容、無法共享信息等問題，根本無法實現(xiàn)統(tǒng)一的交互與管理。智慧教室采用的各類物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的設(shè)備都要具有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膰倚袠I(yè)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，在總體設(shè)計上借鑒各類其他系統(tǒng)的經(jīng)驗才能保證在教育這片熱土上發(fā)揮其應(yīng)有的價值。2.均衡教育資源我國教育資源的不均衡可以通過智慧教育來不斷改善，通過采用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)動態(tài)調(diào)度資源、按需使用，真正在電子化資源時代提升教育質(zhì)量。智慧教室在技術(shù)上也要考慮諸多可操作性問題，比如存儲介質(zhì)如何進(jìn)行能量供應(yīng);采用何種統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格