隨著教育數(shù)字化的深入推進，深圳市羅湖區(qū)直面學(xué)生學(xué)習(xí)場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，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)智課堂推進過程中的實際需求，從數(shù)字基座搭建、框架組件建設(shè)及智能系統(tǒng)設(shè)計3個方面出發(fā)，對新質(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)動下的空間重構(gòu)需求

在推進數(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)智課堂在實施“1+3+N”多場景學(xué)習(xí)活動（即1個基礎(chǔ)空間支持3類核心場景與N種拓展課程）時面臨嚴重阻礙，迫切需要通過學(xué)習(xí)空間的系統(tǒng)性重構(gòu)實現(xiàn)場域融合。2024年9月，羅湖區(qū)與華東師范大學(xué)、上海師范大學(xué)等專家團隊合作研發(fā)了桃園小學(xué)新質(zhì)教室，在一定程度上實現(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：理念與架構(gòu)雙重創(chuàng)新

新質(zhì)教室在設(shè)計之初便充分考慮了師生使用時的空間體驗，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)場景、一切教學(xué)樣態(tài)均能進行”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：功能集成與場景適配

新質(zhì)教室的硬件按照標(biāo)準(zhǔn)性、可擴展性與先進性的要求建設(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，還預(yù)留有足夠的升級空間。教室基礎(chǔ)框架采用水磨石板臺面(厚度≥12 mm)、高強度型材框架(負荷≥500 kg),配備快速安裝連接件，可拼接實驗臺、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)，實現(xiàn)多樣化的課堂活動，如課桌側(cè)面的磁吸等連接結(jié)構(gòu)設(shè)計、置物板結(jié)構(gòu)設(shè)計（洞洞板等），以及帶靜音剎車的萬向輪腳凳設(shè)計等，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，同時還具備一定的擴展性，以便后續(xù)根據(jù)教學(xué)需求添加其他監(jiān)測設(shè)備或調(diào)控裝置。

數(shù)字互動系統(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墻效果，采用光學(xué)多點觸控技術(shù)方案，可完全捕捉數(shù)字互動墻區(qū)域目標(biāo)，并追蹤200個以上觸摸目標(biāo)對象，同時實現(xiàn)板書內(nèi)容和數(shù)字資源實時同步。相關(guān)的智能設(shè)備包括：①利用IoT傳感器對教室內(nèi)的溫濕度、光照、空氣質(zhì)量等指標(biāo)進行實時監(jiān)測，并與教室智能系統(tǒng)無縫聯(lián)動，自動優(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利用無感擴音系統(tǒng)配備6陣列麥克風(fēng)，拾音距離可達6米，確保教室內(nèi)各個位置的學(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)實學(xué)習(xí)應(yīng)用和虛擬實驗運行，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算為理念，實現(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、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生均可通過虛擬機接入教學(xué)應(yīng)用進行教學(xué)活動。教育軟件系統(tǒng)和智能體集成了課程設(shè)計、學(xué)習(xí)分析、在線測評等功能，可同時支持100人以上并發(fā)在線使用，可采用人工智能算法自動生成個性化學(xué)習(xí)報告。虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實軟件包含各級各類教學(xué)所需要的虛擬實驗室、歷史場景還原等。

空間設(shè)計：場域融合與場景切換

新質(zhì)教室的空間布局運用開放式核心活動區(qū)與多元功能島，以互動墻為核心，布置可移動的階梯座椅，可進行集體授課和作品展示交流。功能島包括科學(xué)實驗島(配有3D打印機、激光切割機)、藝術(shù)創(chuàng)作島(配有繪畫板、軟木板)和閱讀交流島(配有移動書架、舒適座椅)，各種功能島均由可移動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)等基本場景間的轉(zhuǎn)換時間不超過15分鐘。此外，還支持建立無人教輔機器人場景和手工藝術(shù)課堂等多種擴充場景。

新質(zhì)教室實踐應(yīng)用案例

跨學(xué)科項目式學(xué)習(xí)場景——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)實創(chuàng)作區(qū)+互動編程站”模式，用可移動隔斷區(qū)分功能島，并結(jié)合全息投影風(fēng)扇，以及200英寸互動墻打造出虛實融合的創(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)文化元素進行粒子交互設(shè)計，并用增強現(xiàn)實沙盤模擬出非遺文化動態(tài)演繹過程場景，在人工智能的幫助下自動生成非遺文化符號數(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)紋樣動態(tài)化與數(shù)字交互設(shè)計跨學(xué)科任務(wù)，近90%學(xué)生可解釋數(shù)字技術(shù)對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

場景構(gòu)建 學(xué)生佩戴虛擬現(xiàn)實設(shè)備進入虛擬的“數(shù)字時裝秀”場景內(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用于服裝設(shè)計中的作用。

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

數(shù)據(jù)反饋 無感擴音系統(tǒng)和情感識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)實時學(xué)情，動態(tài)調(diào)整教學(xué)方法。

新質(zhì)教室建設(shè)成效與反思

實踐成效

在學(xué)習(xí)場域融合方面，物理空間的模塊化設(shè)計使教室的場景切換時間從傳統(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期的高并發(fā)使用會偶發(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)肩負著為區(qū)域教育創(chuàng)新提供實踐范式的使命。羅湖區(qū)以桃園小學(xué)為“樣板間”，系統(tǒng)驗證了硬件模塊化、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)與實施指南。

來源: 中國青少年科技教育工作者協(xié)會