隨著教育數(shù)字化的深入推進(jìn)，深圳市羅湖區(qū)直面學(xué)生學(xué)習(xí)場(chǎng)域較為分散和多維空間融合不足的問題，以羅湖區(qū)桃園小學(xué)為試點(diǎn)，從2024年9月起，通過與高校合作，積極探索新質(zhì)教室建設(shè)。本文基于羅湖數(shù)智課堂推進(jìn)過程中的實(shí)際需求，從數(shù)字基座搭建、框架組件建設(shè)及智能系統(tǒng)設(shè)計(jì)3個(gè)方面出發(fā)，對(duì)新質(zhì)教室的建設(shè)模式展開論述，并通過桃園小學(xué)的典型應(yīng)用案例，充分展現(xiàn)新質(zhì)教室通過物理空間重構(gòu)與數(shù)字技術(shù)賦能的深度結(jié)合，為構(gòu)建教師、學(xué)生、智能三體融合的數(shù)智教育生態(tài)提供了硬件載體，也為教育數(shù)字化如何進(jìn)行學(xué)習(xí)空間改造提供了參考。

建設(shè)背景：教育數(shù)字化驅(qū)動(dòng)下的空間重構(gòu)需求

在推進(jìn)數(shù)智課堂過程中，傳統(tǒng)教室空間固化、功能單一、數(shù)字賦能不足、智能助力不系統(tǒng)等弊端日益凸顯，羅湖區(qū)數(shù)智課堂在實(shí)施“1+3+N”多場(chǎng)景學(xué)習(xí)活動(dòng)（即1個(gè)基礎(chǔ)空間支持3類核心場(chǎng)景與N種拓展課程）時(shí)面臨嚴(yán)重阻礙，迫切需要通過學(xué)習(xí)空間的系統(tǒng)性重構(gòu)實(shí)現(xiàn)場(chǎng)域融合。2024年9月，羅湖區(qū)與華東師范大學(xué)、上海師范大學(xué)等專家團(tuán)隊(duì)合作研發(fā)了桃園小學(xué)新質(zhì)教室，在一定程度上實(shí)現(xiàn)了數(shù)智化教學(xué)理念在學(xué)校落地的關(guān)鍵要素。

新質(zhì)教室系統(tǒng)性建設(shè)方案

頂層設(shè)計(jì)：理念與架構(gòu)雙重創(chuàng)新

新質(zhì)教室在設(shè)計(jì)之初便充分考慮了師生使用時(shí)的空間體驗(yàn)，以及滿足信息技術(shù)發(fā)展的教育要求，其建造注重模塊化、智能化、生態(tài)化，打破傳統(tǒng)教室的空間界限，創(chuàng)造“一室百變、一套空間兼容多種教學(xué)場(chǎng)景、一切教學(xué)樣態(tài)均能進(jìn)行”的靈活學(xué)習(xí)環(huán)境，采用數(shù)字基座、框架組件系統(tǒng)、數(shù)字互動(dòng)系統(tǒng)、智能設(shè)備與軟件架構(gòu)五位一體的整體化建設(shè)方案。

硬件配置：功能集成與場(chǎng)景適配

新質(zhì)教室的硬件按照標(biāo)準(zhǔn)性、可擴(kuò)展性與先進(jìn)性的要求建設(shè)，設(shè)備的選擇注重為當(dāng)下教學(xué)提供所需配置的同時(shí)，還預(yù)留有足夠的升級(jí)空間。教室基礎(chǔ)框架采用水磨石板臺(tái)面(厚度≥12 mm)、高強(qiáng)度型材框架(負(fù)荷≥500 kg),配備快速安裝連接件，可拼接實(shí)驗(yàn)臺(tái)、展示架等，以及與組件相適配的大容量收納空間。課桌椅外形、規(guī)格、結(jié)構(gòu)質(zhì)量除滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T3976-2014）和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（QB/T 4071-2010）要求外，還需方便支持小組合作學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)多樣化的課堂活動(dòng)，如課桌側(cè)面的磁吸等連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、置物板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（洞洞板等），以及帶靜音剎車的萬向輪腳凳設(shè)計(jì)等，確保10分鐘內(nèi)就可將全班授課位置調(diào)整為小組討論位置。吊裝系統(tǒng)承重達(dá)300 kg/m,以滿足懸掛各類教學(xué)工具（如投影儀、幕布等）、傳感設(shè)備（如攝像頭、環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器等）及燈光裝置的需求。智能溫室配備模擬自然光照系統(tǒng)、溫濕度傳感器，并具備相應(yīng)的調(diào)控功能，同時(shí)還具備一定的擴(kuò)展性，以便后續(xù)根據(jù)教學(xué)需求添加其他監(jiān)測(cè)設(shè)備或調(diào)控裝置。

數(shù)字互動(dòng)系統(tǒng)是新質(zhì)教室最重要的硬件部分，具備顯示分辨率高于4 K的無幾何畸變的互動(dòng)墻效果，采用光學(xué)多點(diǎn)觸控技術(shù)方案，可完全捕捉數(shù)字互動(dòng)墻區(qū)域目標(biāo)，并追蹤200個(gè)以上觸摸目標(biāo)對(duì)象，同時(shí)實(shí)現(xiàn)板書內(nèi)容和數(shù)字資源實(shí)時(shí)同步。相關(guān)的智能設(shè)備包括：①利用IoT傳感器對(duì)教室內(nèi)的溫濕度、光照、空氣質(zhì)量等指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并與教室智能系統(tǒng)無縫聯(lián)動(dòng)，自動(dòng)優(yōu)化教室環(huán)境，為師生創(chuàng)造舒適、健康的教學(xué)環(huán)境；②利用無感擴(kuò)音系統(tǒng)配備6陣列麥克風(fēng)，拾音距離可達(dá)6米，確保教室內(nèi)各個(gè)位置的學(xué)生都能獲得均勻的音量；③配備VR/AR/PAD設(shè)備，具備良好的圖形處理能力，能夠支持復(fù)雜的虛擬現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)應(yīng)用和虛擬實(shí)驗(yàn)運(yùn)行，預(yù)裝全系列教學(xué)應(yīng)用程序，與羅湖區(qū)學(xué)段教育教學(xué)內(nèi)容緊密結(jié)合，具有良好的交互性和趣味性，同時(shí)還要支持教師自定義教學(xué)內(nèi)容和應(yīng)用需求。

軟件架構(gòu)：數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)與智能賦能

新質(zhì)教室以全教室虛擬化、教育智能體與云端混合計(jì)算為理念，實(shí)現(xiàn)了教學(xué)資源和數(shù)據(jù)統(tǒng)一管控、按需分配。全教室虛擬化系統(tǒng)基于VMware等成熟技術(shù)，把服務(wù)器、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)等資源全部虛擬化為教室里的虛擬桌面，任何教師或?qū)W生均可通過虛擬機(jī)接入教學(xué)應(yīng)用進(jìn)行教學(xué)活動(dòng)。教育軟件系統(tǒng)和智能體集成了課程設(shè)計(jì)、學(xué)習(xí)分析、在線測(cè)評(píng)等功能，可同時(shí)支持100人以上并發(fā)在線使用，可采用人工智能算法自動(dòng)生成個(gè)性化學(xué)習(xí)報(bào)告。虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)軟件包含各級(jí)各類教學(xué)所需要的虛擬實(shí)驗(yàn)室、歷史場(chǎng)景還原等。

空間設(shè)計(jì)：場(chǎng)域融合與場(chǎng)景切換

新質(zhì)教室的空間布局運(yùn)用開放式核心活動(dòng)區(qū)與多元功能島，以互動(dòng)墻為核心，布置可移動(dòng)的階梯座椅，可進(jìn)行集體授課和作品展示交流。功能島包括科學(xué)實(shí)驗(yàn)島(配有3D打印機(jī)、激光切割機(jī))、藝術(shù)創(chuàng)作島(配有繪畫板、軟木板)和閱讀交流島(配有移動(dòng)書架、舒適座椅)，各種功能島均由可移動(dòng)的隔斷及吊裝軌道分割，具備物理隔離及視覺連接的功能。在集體授課、小組合作與自主學(xué)習(xí)等基本場(chǎng)景間的轉(zhuǎn)換時(shí)間不超過15分鐘。此外，還支持建立無人教輔機(jī)器人場(chǎng)景和手工藝術(shù)課堂等多種擴(kuò)充場(chǎng)景。

新質(zhì)教室實(shí)踐應(yīng)用案例

跨學(xué)科項(xiàng)目式學(xué)習(xí)場(chǎng)景——數(shù)字媒體藝術(shù)與嶺南文化傳承

空間配置 教室變成“嶺南文化展示區(qū)+虛擬現(xiàn)實(shí)創(chuàng)作區(qū)+互動(dòng)編程站”模式，用可移動(dòng)隔斷區(qū)分功能島，并結(jié)合全息投影風(fēng)扇，以及200英寸互動(dòng)墻打造出虛實(shí)融合的創(chuàng)作空間。

技術(shù)賦能 學(xué)生用TouchDesigner軟件把嶺南舞獅、魚燈等非遺傳統(tǒng)文化元素進(jìn)行粒子交互設(shè)計(jì)，并用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)沙盤模擬出非遺文化動(dòng)態(tài)演繹過程場(chǎng)景，在人工智能的幫助下自動(dòng)生成非遺文化符號(hào)數(shù)字化轉(zhuǎn)化推薦方案。

教學(xué)成效 學(xué)生基本完成了傳統(tǒng)紋樣動(dòng)態(tài)化與數(shù)字交互設(shè)計(jì)跨學(xué)科任務(wù)，近90%學(xué)生可解釋數(shù)字技術(shù)對(duì)于嶺南文化傳播的創(chuàng)新意義。

數(shù)學(xué)與藝術(shù)融合的沉浸式學(xué)習(xí)——當(dāng)高跟鞋遇上黃金分割比

場(chǎng)景構(gòu)建 學(xué)生佩戴虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備進(jìn)入虛擬的“數(shù)字時(shí)裝秀”場(chǎng)景內(nèi)，并由人工智能講解員結(jié)合人體工學(xué)原理分析講解黃金分割運(yùn)用于服裝設(shè)計(jì)中的作用。

交互創(chuàng)作 觸控墻實(shí)時(shí)呈現(xiàn)學(xué)生設(shè)計(jì)的高跟鞋比例模型，人工智能算法根據(jù)學(xué)生上傳的照片，分析高跟鞋設(shè)計(jì)是否符合黃金分割比，自動(dòng)給出建議。

數(shù)據(jù)反饋 無感擴(kuò)音系統(tǒng)和情感識(shí)別攝像頭接收小組討論聲音和小組表情，教師通過人工智能體獲取學(xué)情數(shù)據(jù)，并根據(jù)實(shí)時(shí)學(xué)情，動(dòng)態(tài)調(diào)整教學(xué)方法。

新質(zhì)教室建設(shè)成效與反思

實(shí)踐成效

在學(xué)習(xí)場(chǎng)域融合方面，物理空間的模塊化設(shè)計(jì)使教室的場(chǎng)景切換時(shí)間從傳統(tǒng)教室的40分鐘縮短至8分鐘，設(shè)備重組效率提升數(shù)倍；虛擬空間與物理空間的聯(lián)動(dòng)方面，IoT 傳感器數(shù)據(jù)與教學(xué)行為數(shù)據(jù)的融合分析，提升了教師對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)狀態(tài)的把握精度。

面臨挑戰(zhàn)

從技術(shù)上講，智能體裝置因高峰時(shí)期的高并發(fā)使用會(huì)偶發(fā)性卡頓，其設(shè)備損壞率也超出普通教室的2倍，建設(shè)硬件費(fèi)用也高出類似規(guī)模常規(guī)教室5倍多。

作為教育數(shù)字化的重要探索，新質(zhì)教室建設(shè)肩負(fù)著為區(qū)域教育創(chuàng)新提供實(shí)踐范式的使命。羅湖區(qū)以桃園小學(xué)為“樣板間”，系統(tǒng)驗(yàn)證了硬件模塊化、軟件智能化與空間彈性化的建設(shè)路徑，形成了可復(fù)制、可推廣的新質(zhì)教室建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)與實(shí)施指南。

來源: 中國(guó)青少年科技教育工作者協(xié)會(huì)