基于PST框架對智慧教室技術(shù)及實現(xiàn)路徑的思考

郝夢姍

【摘 要】隨著5G的部署和教育信息化2.0政策的逐步推進，智慧教育已經(jīng)成為未來教育領(lǐng)域最重要的前進方向。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。

【關(guān)鍵詞】PST;智慧教室;技術(shù)特征;實現(xiàn)路徑

【中圖分類號】G434 ? 【文獻標識碼】A

【論文編號】1671-7384（2022）06-081-04

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習環(huán)境，通過自動感知并記錄學習情境、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現(xiàn)代科技社會，形成一種技術(shù)加持下的新型學習模式。

隨著科技的不斷發(fā)展，智慧教室成為一種典型的智慧學習環(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)手段提高學生學習興趣以及人性化的師生互動提供了保障，并為將來提高學生學習投入度、改善學習質(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，只是把教育當作普通應用場景進行對待，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)合學生、教師和教學模式等多方面進行思考。

2009年，拉德克利夫（Radcliffe）提出“教學法—空間—技術(shù)”框架 （Pedagogy-Space-Technology，PST） （圖1）。PST框架強調(diào)教學法、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，在利用信息技術(shù)增強教學效果的同時，拓展學生學習空間。除此之外，PST框架還強調(diào)整體的概念，在對教學法、空間、技術(shù)三個要素融合之前，先要根據(jù)學習空間的生命周期有整體地設(shè)計規(guī)劃，更科學地考量智慧教室的設(shè)計。

圖1 ?PST框架

近些年，有學者對PST框架進行了改進，設(shè)計了面向體驗學習的未來課堂，本文從以下六個方面進行闡述。

1.轉(zhuǎn)型智慧課堂

傳統(tǒng)課堂未能達到促進深入學習的目的，借助信息技術(shù)手段融合課堂教學，對課前、課中、課后進行數(shù)據(jù)模型運算，打通全部教學環(huán)節(jié)并形成閉環(huán)，將教育模式變革真正應用到智慧教室中，促進學生的深度學習和發(fā)展。

2.軟硬件并行使用

信息技術(shù)發(fā)展初期，教室內(nèi)配備了相應的硬件設(shè)施以供教學，但并未得到有效應用。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)、移動端的實時學習、虛擬空間和現(xiàn)實空間的有機融合、大量的數(shù)字化資源等，將教學過程數(shù)據(jù)化、過程化，不僅打破了時空限制，同時兼顧學生個性化需求，提升了整體學習效果。

3.指導學習而非傳授知識

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者，提供課題咨詢、方向指導、資源協(xié)助，從而幫助學生更好地培養(yǎng)創(chuàng)新精神。

4.個性化實施教學

傳統(tǒng)方式過于注重標準化，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，以促進學生全面發(fā)展為目標，實現(xiàn)教學模式的根本性變革。

5.大數(shù)據(jù)精準評價

通過大數(shù)據(jù)在各個階段的采集、測算、分析等，使教學方式多元化、過程數(shù)據(jù)化，使教學形成有機整體，更好地促進學生的“學”。

6.多元空間教學

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)，從而促進學生的自我發(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習提供支持。

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)，不間斷收集學生的即時學習數(shù)據(jù)，通過人機互動、攝像頭采集畫像、眼球追蹤眼動情況從而分析心理等方式，對師生的學習數(shù)據(jù)進行第一步采集工作，反應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，形成學生的電子學檔，通過合適的模型算法處理，就能得出適合學生學習情況的針對性教學方案。教師或者專家學者可以通過分析學習者的特征和軌跡進一步探究教育變量之間的關(guān)系，構(gòu)建更科學合理的學習行為模型，更深入地挖掘?qū)W習者的行為模式。在大數(shù)據(jù)的驅(qū)動下，精準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習建議，獲得更真實的學習體驗。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)整教與學方式，以達到更好的教學效果。

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，為每位學生提供個性化學習指導，更適合學生個性特點，可推薦相關(guān)資源幫助其提高學習興趣。在智慧教室系統(tǒng)中，儲存著每位學生的個性化學習數(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，并反饋到學生接下來的學習計劃中，自然會得到更為理想的學習效果。在個體學生得到個性化的服務后，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校的學習風格仍舊需要更科學的算法，被制定的算法需要通過嚴謹?shù)慕逃蒲泄ぷ髡?、教師、學生等共同決策，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)所描繪的學習像是邊沁的“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、言語都會被記錄進一個龐大的數(shù)據(jù)庫，進而形成以數(shù)據(jù)為中心的個性化檔案。師生互動、學習狀態(tài)、心理預期等在智慧教室中都會被記錄、分析，然后形成一份學習報告供人決策。學生的學習活動全部數(shù)據(jù)化，在教育教學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)需要全面了解學生的學習數(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生更好地提高學習效果嗎？不同學生的隱秘、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于是監(jiān)獄的紀律，同樣可以宣判學生的活動準則。也就是說，專家和教師設(shè)定的算法邏輯就是學生必須遵守紀律，盡管保證了一定個性化學習方式，但是話語權(quán)和主動權(quán)仍舊不在學生手中，一旦出現(xiàn)不一致的情況，最終受害者還是學生個體。智慧教室的準入門檻就是使用這套系統(tǒng)，每位教師和學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生和教師必須遵守紀律，否則就不會被納入到智慧的學習環(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)備來進行的，包括圖像收集、可靠傳輸?shù)龋饕w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、資源等感知教學場景和認知場景。收集學習者的先前數(shù)據(jù)并和學習過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進行算法處理，在服務器端進行環(huán)境和學習數(shù)據(jù)建模，形成學生的電子學習檔案。

其次是學習內(nèi)容的智能感知。不僅包括每位學生的個性化學習目標、學習習慣、個性特征、學習風格、學習動機、學習偏好等，而且還根據(jù)學生的認知結(jié)構(gòu)提供自主的學習系統(tǒng)，從多方面保證學生的學習效果。

最后是學習情境智能感知。通過采集到的學生表情、語言、行為、脈搏等判斷學生的學習狀態(tài)和需要提供的幫助，適配學習情境，通過算法聚合到更高級的情境反過來促進教學活動。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。

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、教學流程管理、信息查詢和預警等綜合處理，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，再面向終端進行查詢、發(fā)布、呈現(xiàn)等一些列操作，同時精準識別身份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、復雜性是近幾年隨著技術(shù)進步才有所涉及的領(lǐng)域，而計算機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，通過深度學習算法計算人的基本反應和推測。智慧教室應用該項技術(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，從而提供更為精準的教學決策。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，從而判斷學生在學習過程中的情感傾向，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責收集各類基礎(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，并通過算法進行數(shù)據(jù)挖掘和數(shù)據(jù)分析等。第四層為應用交互層，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接口、虛擬現(xiàn)實（VR）、增強現(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。近些年被提及的具身認知也在虛擬仿真的加持下再次走進教育者的視野，增強師生互動、產(chǎn)生虛實結(jié)合的場景、更直觀感受科學情境都讓該領(lǐng)域進一步得到更多教育工作者的認可。該種方式可以降低學習焦慮、增強學習動機、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)標準

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)一的標準導致數(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)備都要具有嚴謹?shù)膰倚袠I(yè)規(guī)范標準，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)一的標準動態(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)如何進行能量供應;采用何種統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式;其他物聯(lián)網(wǎng)資源如何接入;感知技術(shù)有待進一步挖掘;多樣化的數(shù)據(jù)如何合理應用等。

3.保護數(shù)據(jù)安全

智慧教室的核心是海量的數(shù)據(jù)信息，那么數(shù)據(jù)安全就成為一個很重要的命題。如何在學生交互感知時保護其隱私，如何避免非法用戶偽造RFID標簽盜取信息或者擾亂系統(tǒng)等，都需要我們引起足夠重視。電子檔案包含一個學生的所有學習數(shù)據(jù)，有很多涉及師生合法權(quán)益的數(shù)據(jù)無法得到有效保障。在數(shù)據(jù)安全方面，仍需要更強的技術(shù)來追蹤并實時地刷新儲存信息，以避免個人信息泄露，保護師生隱私。同時還要完善相關(guān)法律，以免造成合法的教育信息被利用進行非法盈利。

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