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    苏州市“未来教室”项目建设方案
    作者:公共教学服务中心  日期:2015/5/27 8:33:50  阅读:5584
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     苏州市“未来教室”项目建设方案

    华中师范大学    国家数字化学习工程技术研究中心

    2013-10-11

     

    1. 建设依据

    1.1 建设背景和意义

    《教育信息化十年发展规划(2011—2020年)》已明确指出:以教育信息化带动教育现代化,破解制约教育发展的难题,促进教育的创新与变革,是加快从教育大国(市)向教育强国(市)迈进的重大战略抉择。教育信息化充分发挥现代信息技术优势,注重信息技术与教育的全面深度融合,在促进教育公平和实现优质教育资源广泛共享、提高教育质量和建设学习型社会、推动教育理念变革和培养具有国际竞争力的创新人才等方面具有独特的重要作用,是实现我国(市)教育现代化宏伟目标不可或缺的动力与支撑。

    随着信息技术的快速发展和教育理论的进步,世界各国越来越多地倡导ICT与教室的深度融合,以构建全新的教室学习环境来提高学习质量和效率。多媒体教室及其装备将向全数字化、虚拟化的智慧教室方向发展,其特征主要体现为交互性、网络化、虚拟化、智能化等方面:交互性指从简单的幻灯片演示加传统黑板的教学模式,向全新的数字化白板、教师与数字化资源的丰富互动、学生与数字化资源的互动、师生的课堂网络化互动方向发展;网络化则指从传统的局部课堂教学,逐步向基于固网、移动网延伸到教室和学校以外,将学习活动全面渗透到学校(School)、户外(Outdoor)和家庭(Family)的每个角落;虚拟化指应用虚拟现实、计算机视觉、图像处理等先进技术,建立真实的沉浸式虚拟学习环境,构建虚拟教室、智慧教室等;智能化则指在智慧教室的设计和建设中引入越来越多的面向教育领域专门研发的智能技术和装备,从而为学习者营造更丰富、更有趣、更便捷、更高效的学习环境。

    教室是一种物理环境,必须能够为课程的实施提供支撑。在传感技术、网络技术、富媒体技术及人工智能技术充分发展的信息时代,教室环境应是一种“能优化教学内容呈现、便利学习资源获取、促进课堂交互开展,具有情境感知和环境管理功能的新型教室”,这种教室被称为未来教室。未来教室是一种典型的智慧学习环境的物化,是多媒体和网络教室的高端形态。未来教室的“智慧性”涉及教学内容的优化呈现、学习资源的便利性获取、课堂教学的深度互动、情境感知与检测、教室布局与电气管理等多个方面的内容,可概括为内容呈现(Showing)、环境管理(Manageable)、资源、获取(Accessible)、及时互动(Real-time Interactive)、情境感知(Testing)五个维度,简写为“S. M. A. R. T.”,这五个维度正好体现了未来教室的智慧性特征,可称为“SMART”概念模型。

    本未来教室教学环境集成解决方案着重强调教育内容、教学手段和教学方法的现代化,突出课堂教学设计和组织的作用,体现并适应教学个性化的需求,力求提高教师信息技术应用水平、更新教学观念,激发学生学习的兴趣和主动性,提高课堂教学的效率和效果,促进课堂教学的变革与创新。

    1.2 发展现状与趋势

    黑板和粉笔是教师最习惯和最常用的传统教学工具。绝大多数教师的书写、绘图、板书设计等都经过了专门的训练。黑板和粉笔作为最简单的教学工具代表着自然的课堂教学交互方式,为教师和学生所熟悉,当教师运用恰当时,它们可以为课堂教学提供灵活多样的支持。同时,这一传统教学模式在形成学生逻辑性思维、分析解决问题能力方面也具有强大的优势。信息技术进入课堂教学后,为教学提供了颇多便利,同时也将以计算机操作为核心的信息技术操作模式带进了课堂教学。但是,信息技术操作模式与传统的操作模式这两种在使用方式上大相径庭,使得教师在信息技术支持下的课堂教学中,不得不频繁地在两种模式之间来回切换,教学的流畅性得不到保障,也给教学的设计和实施提出了更高的要求。当前国内信息化教室存在的缺点包括:(1)无法将多媒体展示功能与板书活动较好地结合,教学活动中缺乏过程推导,操作方式缺乏连贯性;(2)软件功能并不适用于教学,教学资源的展示方式缺乏前后对照,无法保证学生思维的连续性;(3)多媒体设备分散独立,操作方式复杂繁琐。在国际上,可以应用于教学的课件制作软件的发展已经相当成熟,但是这些软件一是无法兼容并包的支持各种格式教学资源,二是主要还局限于在一种顺序的展示,三是没有配套的硬件支撑,或者难以引进,使得教师,教学内容,学生之间即时的互动无法实现。

    课堂教学信息化经历了三个阶段:第一阶段以计算机、投影机和幕布组成的多媒体教室,在多媒体教室里使用PowerPoint幻灯片进行教学已成为当今很多学校教师采用的教学方式。但是这种计算机、投影机和幕布组成的多媒体教学方式已经逐步演化为一种新型的照本宣科,PPT教学的教学结构高度固化、教学顺序线性化、教师不能与PPT和学生交互,以及教师无法组织教学活动等问题成为影响多媒体教室在教学中有效应用的关键因素。电子白板以及交互白板的出现正在使上述集丰富的数字资源和交互合作的教学平台于课堂教学环境的变成可能。第二阶段则是以交互电子白板教室为代表,交互式电子白板教学是一种集成的交互式教学方式,可实现老师和学习者之间在显示介质上与教学资源进行交互。由于交互式电子白板中使用最多的是PPT教学,白板更多是被当成另一个昂贵的幕布。多媒体呈现与板书如何协调?课件如何共享?如何组织课堂教学活动?当前的交互式教学只是将计算机鼠标的功能移到教学资源的呈现介质上,并没有从本质上突破多媒体教学所面临的困境。第三阶段是教室的信息化,最大程度实现助教与助学,教室信息化的关键是提供给老师充分自由的工具。教师能够在保留传统教学的优势的同时,吸收教育信息化带来的增量。总体来说,教师在课堂教学中需要信息化带来的教学自由,而不是技术的束缚。

    本项目所构建的是属于第三阶段的未来教室的信息化,它即实现传统模式与信息技术模式的融合,有效地将传统操作模式与信息技术操作模式统一起来,充分汲取了两种模式的优势,并进行大胆的创新,实现传统黑板与交互式电子白板的完美融合,将板书、演算、推理、标注等传统课堂活动回归现代课堂,达到“随处可写,随时可写”的效果。并且,课堂书写痕迹可以按需保存,也实现信息技术与课堂教学理论的融合:采用双轨展示教学模式,在双重编码理论、多媒体学教学理论指导下,通过信息化手段将教学内容以双画面的形式呈现,图文并茂,意义关联,达到促进学习者大脑语言系统与非语言系统激活,方便教师组织课堂教学,促进学生认知建构的教学模式。以学习活动为核心的教学设计理念,为教师组织教学活动提供技术支撑,充分尊重教师教学设计的个性化与创造性,实现了课堂教学过程的序列化和标准化,实现优质教学资源和教学设计的共享。

    2.   关键技术与设计方案

    2.1  关键技术

    2.1.1   PGP电子双板课堂教学平台

    本项目以国家数字化学习工程技术研究中心发明的电子双板(液晶双屏)课堂教学平台为核心,该教学平台一般是由两块由红外感应的电子白板或触控液晶屏作为显示终端,配合专用的软、硬件以及相关辅助设备组成一个有机的整体,它除了具有普通电子白板或触控液晶屏的所有功能以外。其整体设计体现如下的特点:

    (1)开放性。PGP电子双板课堂教学平台提供的是一套供老师自由地组织教学活动的教学工具,目前教学时常用的媒体资源包括Microsoft Officr文档,WPS Office文档、Adobe PDF文档,图像文档、各种视音频文档、Flash动画文档,各种类型的WEB页面文档等,这些文档不需要任何修改都可以在PGP平台上使用。

    (2)可扩展性。PGP系统采用开放式的架构,可提供对未来一些文档格式的支持。

    (3)易用性。各种各样类型的资源在展示和操作时很不相同,PGP平台采用一个统一界面来展示各种类型的资源,对于不同类型资源的操作尽可能做到一致。

    (4)方便性。PGP平台为做到教师使用的方便性,对课件制作、各种资源播放、界面控制、书写、交互等方面均进行优化,为教师提供信息化带来的自由。

    (5)实用性。可保证系统在不同的教室环境(电子单板,电子双板,电子单板+投影)和教师教学习惯(使用PPT教学、使用粉笔+黑板的教学、PPT+板书教学等)的条件下,都可以利用本平台方便地进行教学,从而既可以布置全新的电子双板教学环境,也可以对现有的多媒体教室进行升级、节约资源。

    (6)先进性。主要体现在如下几个方面:①教学内容、教学手段和方法的现代化;②采用目前最先进技术,提升我国课堂设备的先进性;③采用以活动为核心的教学设计理论,为教师组织教学活动提供技术支撑;④提供多样化的教学方式,可以满足不同教师的不同教学风格的需要;⑤提供多种课堂交互方式,教师教学可以采用以“学”为主的教学模式。⑥在双重编码理论、多媒体教学理论等的指导下,创造性地采用了双轨展示的教学模式,实现了教学模式的变革。

    (7)丰富的教学资源支持:PGP平台除了可以直接使用目前常用的教学资源外,还与多所名校联合建立教学资源库,教师可以在制作课件时直接使用这些资源,大大地减少教师的工作量,减轻村镇与城市因师资力量不平均而引起的教学效果参差不齐的状况。

    2.1.2   Clicker师生互动系统

    互动教学实现从“灌输式”式的讲授到“启发式”、“案例式”的逐步引导。学生与教师依托教学活动,强调学生的积极参与和主动感受,注重教师的组织和引导活动,是一种“主导-主体”结构的教学模式,这种教学模式更有助于培养学生的认知能力和创新思维。

    Clicker师生互动系统由国家数字化学习工程研究中心自主研发(专利号:ZL201020646811.6)、倡导学生参与课堂互动、以“学生为中心”的教学实时交互系统。该系统是一种通过电子工具(如PDA、手机或者遥控器),将班级全体同学的反馈信息实时反馈给教师的一种教学系统。教师可以从全体同学的反馈信息(而不是通过提问方式时少许学生的反馈信息)了解学生的整体学习状态,进而更好地进行师生互动、改变教学策略和调整教学进度。

    系统包括硬件和软件两个部分。硬件部分主要包括若干个手持终端、基站,组成星形网络结构。配合教室中计算机和大型显示器(如投影幕布、背投电视或电子白板等),形成完整的教学系统。其中,手持终端是学生用来发送反馈信息,基站是系统用来接收学生的反馈答案。软件部分主要用来帮助教师编辑题目,接收学生提交的答案并进行分析和呈现。整个系统结构图如图2所示。


    图2Clicker系统结构图

    一般来说,Clicker系统在课堂上的使用过程主要由以下三种阶段构成:

    (1)教师指导和问题呈现(Instruction & Questioning):教师将相关问题呈现在大屏幕上,让教师和所有的学生有共同注视的区域,方便教师讲解和学生的学习。

    (2)学生答题和答案展示(Response & Display):学生进行答题后,借助手持终端来提交答案,教师端快速显示出所有学生的答题情况,教师和学生可以实时了解全班答案的分布状况或对错比例。

    (3)数据管理和分析(Data Management & Analysis):学生的答案会记录在数据库中,教师通过观察、分析学生答案的分布情况来掌握班级同学对知识的掌握情况,并以此为依据动态调整教学策略。

    在答案的呈现上,教师有权利决定以实名制或者匿名制的形式来显示学生的答案,显示全部学生或者是部分学生的答案。此外,教师可以进一步利用学生的答案分布来引导学生阐述答题理由,进而进行小组讨论和班级讨论,促进课堂中学生之间的互动与沟通。

    2.1.3远程交互式教学系统

    相较于通常的远程教学系统,由于未来教室建设中将采用电子双板教学平台,因此本远程交互式教学系统需要支持整个双板范围的直、录播(其拓扑关系图应如图3所示)。系统可以在教师双轨授课的同时自动生成教学实况录像,完整地记录教师在授课中的活动,不仅包含教学现场实况,还包含过程中教师使用的双轨教学课件,并把他们按照发生的时间、顺序、流畅剪辑,自动编辑、手动编辑;生成该课程有价值的授课实况录像,同时以流媒体的方式在网络中直播、保存起来,以供广大师生、管理者实时收看,课后点播观研。

    图3双板教学智能录播系统拓扑图

    多个未来教室以及安装了软件视频终端的师生可组成一个虚拟课堂,每个未来教室都可以做为主讲教室。所有终端之间都可以进行视音频交互。本方案除可满足教学交互及录制、直播等功能外,还可以做为教学管理的视频会议系统使用,并可与内部原有的采用标准SIP或H.323协议的会议系统互通。另外,该系统通过互联网还可与国内外其它学校的教学系统或会议系统互通。具体可实现如下功能:

    (1)远程高清互动教学:可任意组合两个或多个教室,形成一个虚拟课堂,实现远程高清互动实时教学。教师也可以通过个人终端或软件终端在任何地方参与到虚拟课堂,并能够随时与教室内的老师和学生进行实时互动。

    (2)课堂实时录播:在互动教室内完成的所有课堂内容可以根据需求随时进行实时录制,录制完成的资源自动存储在云中心的服务器端。系统可将课件资源转换为各种终端支持的格式和码率,再通过发布系统发布。

    (3)课件资源点播:云中心存储的课件资源可供互动教室或普通教室内的教学电脑、教师的办公电脑、各种移动终端等点播收看。

    (4)网络直播教学:互动教室支持所有教学活动的网络直播教学,学生可以通过网络收看课堂直播。

    (5)高清视频会议:可以利用互动教室的视频终端与本校或其它学校的教室、教师、管理者等开展视频会议,进行实时研讨与交流。

    (6)多地教学研讨:支持通过教育网或互联网与国内、外采用标准SIP或H.323视频终端实现课程教学团队或科研团队的远程互动交流与研讨、集体备课。教学人员可以相互辅助,共同高效的完成互动教学。

    (7)课件资源管理:系统支持对课件资源进行后期处理、访问控制、查询和搜索。

    (8)开放的API接口:系统可与教学应用软件通过API接口编程实现深度集成。


    2.1.4基于PGP教学系统的资源平台

    面向基础教育的课堂教学,基于公共服务模型、服务体系架构、服务接口规范、多模式用户接入、知识共享等技术,提供包括课堂在线学习、在线测试、在线资源服务在内的未来教室支撑服务平台,促进教学内容、教学方式和学习方式的创新与变革,推进信息技术与学科教学的深层次整合。

    资源平台支持个人计算机、电子白板、移动式便携终端等多种传统或新型教室终端设备的访问,并为未来教室提供多种开放式的教育应用,通过提供统一服务支持,以适应新业务的快速变化,并可支持遗留系统的集成;同时,平台采用开放的存储系统实现教育资源的存储和高效使用。

    通过在线学习平台,教师可以为学生提供各种类型的学习资源,可以监督学生的学习进度。学生在课堂内可以参加在线学习,并通过平台参加课程知识点测评、阶段测试、综合测试等多种形式的测试以检查是否已经掌握学过的知识;通过参加在线答疑、课程讨论等多种学习活动以巩固对知识的理解;支持课堂内外的师生参与包括在线交流、课程社区交流、学习小组交流以及视频互动等方式的教学互动;提供学习跟踪与行为检测服务,为学生提供个性化学习评价和支持服务。

    (a)在线学习平台门户

    (b)在线测试系统功能流程

     

    图4资源平台界面及流程图

    2.2 方案设计

    未来教室建设将以国家数字化学习工程技术研究中心研发的PGP电子双板课堂教学平台为核心,其中采用交互式电子白板或触控平板一体机组成电子双板展示系统,以多台触控平板一体机或学生个人学习终端作为分组学习时,小组讨论、探究性学习等个性化学习模式的展示平台;通过灵活调整教室教学环境的布置,实现不同的教学与学习模式,下面分别介绍教室一中几种典型的教室环境布置模式。

    (1)电影院模式

    电影院模式的排列特点是多排,但是面向同一个方向。每一排的形状可以是直线,如普通教室就是按这种形式排列;也可以是弯曲程度不大的圆弧(如图5所示),如常见的阶梯教室就是以这种形式排列。在这种排列模式下,由于学生不是面对面,学生之间的交互或合作不多,因此比较适合的教学模式是“以教师为中心”的授导型模式。其优点是可以有效地利用投影设备同时面向相当多的人教学,缺点是学生之间甚至师生之间的交互性不够,在学生能力培养上作用微乎其微。

    图5教室一的电影院模式效果图

    (2)宴会厅模式

    该模式在物理空间上进行分组,每组围绕在一张比较大的课桌周围,必要的时候可以很方便地移动座位共同面向讲台(如图6所示)。在这种排列模式下,可以以多种模式进行协作,因此信息的传递是多维的。这种模式的缺点是进行讨论式教学时,因为不同分组的学生互相之间不能看到,很可能会产生无组织,无纪律的环境。虽然该模式能支持授导式教学也支持讨论合作式教学模式,但是相对来说对讨论合作式教学模式支持比较多,而对授导式教学模式支持较少。

     

    图6教室一的宴会厅模式效果图

    (3)混合模式

    混合模式下桌椅采用类似电影院和宴会厅样式的灵活组合(如图7所示),既支持教师为中心的授导式教学,又支持小组的协作学习。协作模式下桌椅采用宴会厅样式的摆放,将桌椅拼成适当大小的圆形,搭配教室内必要的硬件配置,如电子白板、触控一体电脑等很方便学生进行合作学习。

    图7教室一的混合模式


     (4)会议桌模式

    宴会厅模式对讨论合作式教学模式的支持大于对授导型模式的支持,而电影院模式对授导型教学模式的支持要大于对讨论合作式教学模式的支持,而会议桌模式却是这两种模式的折衷,对两种模式的支持基本上差不多。一般情况下只有一张大桌子,讲台位于桌子的一端,这种情况比较适合人数比较少的班级,一般公司企业的培训教室都采取这种形式,它主要支持全班范围内的合作式、讨论式学习(如图8所示)。

    图8教室二的会议桌模式

    (5)培训室模式

    这种模式的排列模式如图9所示,每位学生都面向墙壁,它比较适合于强调个体独立学习的场所,在这种模式下教师可随时观察学生正在从事的任务,并且在必要时可方便地给以指导。

    图9教室二的培训室模式

    (6)咖啡馆模式

    与宴会厅模式相比,形式基本上差不多,但是每张课桌旁的人数相对来说较少一点,一般情况下为3人或5人,课桌在教室内分散放置,桌与桌之间的距离比较大,这种模式比较适合教师主导下的分组学习模式(如图12所示)。一方面各分组可以自由讨论,另一方面又方便老师到各个课桌旁,必要时教师可以参与各分组的工作,幼儿园及小学低年级大都采用这种形式,这种设置模式促进学生之间的相互依赖与面对面的交互,它主要支持分组讨论式、合作式学习。

    图12教室三的咖啡馆模式