未来课堂设计方案
2016-11-20 16:50:32   来源：   评论：0 点击：

一．    未来课堂研究的背景
（1）未来课堂内涵的研究
关于未来课堂的涵义界定，国内外的文献中目前没有统一的论述，从名称上有“未来教室”和“未来课堂”两大类。
陈卫东在综合分析国内外各个定义以后认为未来课堂(Future Classroom/ Classroom of the Future)是相对于传统和现代课堂而言的，是在以人本主义、互动、环境心理学等相关理论和智能空间、云计算、人体工学等技术的支持下，以互动为核心，以充分发挥课堂组成各要素(人、技术、资源、环境和方法等)的作用，实施教与学，以促进人的认知、技能和情感的学习与发展的教与学的环境与活动。
（2）未来课堂国内外发展现状研究
目前未来课堂的设计是教育技术的一个前瞻性的领域， 己经有许多探索性的研究， 从日本“Computopia1996”想象中的未来课堂，到 1990 Ocotillo Retreat 设计的凤凰城未来教室模型，NASA 支持的 Pennsylvania Department of Education、Devon Country Council、at the Leigh University、Columbia College 项目，微软支持的University of Szeged 未来课堂项目以及 James Madison University、Harrisonburg （Toward a Future Wireless Classroom Paradigm）项目，Middle Tennessee 州立大学的高级课堂技术实验室，斯坦福大学的 iRoom 项目等。
英国教育部的“未来教室”计划，政府希望通过计划的实施来“引导未来的教室设计”。在亚洲，2005 年3 月 2 日，新加坡信息通信发展管理局和微软公司在新加坡国立教育学院设立 BackPack.Net 中心， 连手打造未来教室，以高科技辅助教学活动。
台湾地区教育主管部门投入新台币 71 亿元经费，积极升级中小学的教室环境，在经济部技术处、工业局、中华电信和电子白板业者的共同支持下，强调信息融入教学、缩短城乡差距的“未来教室”，正是实现教育机会均等、减轻补习支出的大好契机。这里的未来教室包括软硬件、教材、服务全整合解决方案。台湾地区元智大学利用教育主管部门 2008 年奖励大学教学卓越计划 350 万台币建设了创意未来教室。香港圣保禄学校也建有未来课堂体验教室。
 内地的研究起步较晚，研究层次还不够全面、深入。 从文献研究中可以看出最早出现的关于未来课堂的文献是吴国丽 2001 年在《上海教育科研》上刊发的《关于未来课堂的思考》， 目前研究关注的主题是构建未来课堂的主体——交互白板技术。
总的来讲，已有的国内外研究主要围绕着改革传统课堂的途径、课堂的物理架构、课堂的信息、媒体装备和课堂的绿色、智能设计等方面展开，而将未来教室投入正式教学的案例较少，缺乏实践的检验，因而，对于未来教室的构建、使用方面还需要进一步的研究。
 
二．    未来课堂的构建支持
未来课堂是融先进理念和科学技术于一体；时刻关注教与学的主体自由发展；集成多种媒体的课堂。未来课堂应该具有人性化、混合性、开放性、交互性、智能性和生态性等特性。而未来课堂所需要的技术主要包括云端技术、泛在网络技术、多屏显示技术、智能环境控制技术、交互显示终端与互动反馈技术、视频会议技术、智能实录技术、情景感知与智能代理技术等。
在未来课堂的构建中，需要我们更多地从教育、技术、空间的角度来思考未来教学场所和活动的设计，以促进学习者的学习和发展为中心，建立一个体现为学生而设计，能够满足多种不同形式的知识、情感与技巧的教学和交流，体现先进、舒适、方便、高效、人性化、自由、和谐等特点的未来课堂。充分体现以学生为主体的个性化、交互式的新型学习模式，培养学生独特又独立的学习习惯以及相互协作的团队协作学习能力。
（1）未来课堂技术环境支持
未来教室，我们认为是一个装备了视听设备，能利用触摸、电子白板、投影等手段进行交互的，智能化的教学环境。在这个环境中，泛在网络环境提供无线接入，便于学习者、设备、资源相互之间的无缝连接；师生能利用各种智能终端获取教学资源实施教学活动；电子白板和触控技术实现了教学者、学习者之间的多元形式的互动；师生利用课堂反馈系统进行实时交互；课堂实录系统对课堂中学习者的学习进程进行记录，并存放在云存储服务器上供学习者和教学者使用；基于RFID的物联网技术为未来课堂提供智能环境系统控制，可根据学习者的需要对课堂内的光、电、声、温度等进行环境参数进行调节；基于云计算的教育资源服务平台，为教师和学生的教与学提供了足够的支撑和服务。
 
（2）未来课堂技术选型原则
二十一世纪以计算机技术、电子技术、通信技术为代表的高新技术的发展，为人类的学习方式带来了前所未有的变革，当我们在面对纷繁复杂的各种新技术的时候，往往会陷入一种就技术而技术的误区，怎样在众多的技术中选出适合未来课堂需要，满足未来教学活动要求的技术，我们认为应把握以下几个原则：
模块化原则：模块化原则主要是指各种技术之间没有任何联系，相互独立，可任意组合。在未来课堂中采用的各种技术往往需要根据各种教学活动的需要，产生多种组合方式，在这些组合方式中就需要把各种技术放在不同的位置上，或者把几种技术有机地融合在一起。因此，这就要求未来课堂所采用的技术应该是模块化的，以便于使用者随机拆分、组合，构建不同的教学环境，满足不同的教学需要。
交互性原则：交互性原则主要是指技术应能够满足各种交流活动的需要。未来的课堂一定是以老师为主导，学生为主体的教学环境，教学活动必然是由教师引导学生利用各种新技术获取所需的教学资源，解决各种问题，最终获得科学知识的过程。在这个过程中必然会产生教师与学生、学生与学生、人与设备、人与技术、人与环境、人与资源、技术与技术、技术与环境、技术与资源和环境与资源之间的互动，作为交互的主要载体，未来课堂中的技术必须具备上述交互功能，满足交互性的要求。
友好性原则：友好性原则主要是指各种硬件软件的用户使用界面或操作方法能很好地被用户接受，用户只需要花较短的时间就能学会。友好性原则包括了用户界面的友好性、操作的友好性、使用的友好性。在未来课堂中我们应该考虑所采用的技术是否能帮助教师和学生把主要工作完成好，而不是让教师和学生分散出一部分精力来研究这些技术如何使用，影响他们的主要工作。因此，未来课堂所采用的技术应该具有很好的用户友好性，很低的技术复杂性，要让教师和学生能在很短的时间内，花费很少的精力就能使用。
便利性原则：便利性原则主要是指各种软硬件在使用时，操作步骤尽可能少，用户使用很方便。未来课堂的教学环境中的各种技术的操作步骤应该尽可能地少，以避免把课堂教学时间过多地花费在设备、软件的操作中，提高教学效率。
稳定性原则：未来课堂教学环境的构建离不开各种技术的实现，技术的稳定性和设备的稳定性在教学活动进行过程中就显得至关重要，如果教学活动因为出现技术问题而中断或者进行不下去显然是我们不愿意看到的。未来课堂中的教学活动应该是在技术的支撑下，把教师预先设计好的教学活动圆满地、流畅地实现。
兼容性原则：兼容性原则是指各种软硬件环境应该具有统一的标准和规格，凡是满足标准和规格的设备和软件都能容纳进来，无论基于什么平台。兼容性包含了两方面的内容，即硬件的兼容性和软件的兼容性。未来课堂中的硬件设备应都符合国际标准和国家标准，软件应该能兼容各种平台。
透明性原则：透明性原则指的是各项技术所包含的技术细节对普通用户来说是不可见的，用户不需要了解过多的技术细节就能很好地使用这项技术。未来课堂中的用户都不是专业的技术人员，因此未来课堂所采用的技术应具有很好的透明性，不能让未来课堂的教师和学生过多纠缠于技术细节，应该让他们使用这些技术能信手拈来，把他们主要的精力和时间用于
教和学。
先进性原则：先进性原则是指所采用的技术应是这类技术中比较前沿的技术，代表了这类技术的发展趋势。未来课堂代表的是将来的一种学习方式，因此我们应该追踪当前最先进的技术，在保证上述原则的基础上，尽可能的选用新的，先进的技术。
 
（3）未来课堂主要技术装备
结合以上各项技术选型原则以及目前现有技术发展水平，笔者试图采用无线wifi、无线投影、智能终端、多屏显示、多点触屏、云计算、活动桌椅等主要技术装备构建未来课堂的环境，我们主要关注如何利用这些技术装备改善或者是改革现有的教学环节和效果。
1.     无线WIFI
    在信息爆炸的时代，教师和学生往往需要在互联网上获取大量的学习资源，尤其是在课堂上，如果课堂网络接入技术太复杂的话，必然会带来一些问题，影响教学进程，由此造成的直接结果就是老师为了完成教学任务而排斥它。首先是操作太复杂，比如IP地址、网关的配置都需要学生和老师具有一定的计算机网络知识；其次就是教室中的位置是经常变化的，固定的信息点不够灵活，不能适应这种变化；第三就是常有的局域网技术对学生访问互联网资源不能进行有效的控制，老师对学生的上网行为不能进行控制和管理。因此，传统局域网技术已不能满足教师和学生在教室中进行的各种教学活动。
无线局域网技术在最近几年得到了迅速的发展，尤其是伴随着无线路由设备价格的下降，使得无线局域网技术已经逐步成为有线网的补充，尤其是在会议室、教室这种空间大、信息点多、布线麻烦的场所，无线局域网能充分地体现其优越性，且具有良好的跨平台性和兼容性。在未来课堂这种电磁环境比较单一的场所，使用无线局域网技术接入互联网既充分发挥了灵活、方便、配置简单、操作不负责的优点，又克服了无线局域网技术自身易受电磁辐射的干扰和气候的影响的弱点。
2.     无线投影
随着最近几年投影机在教育、商务、政府部门等行业的应用日益广泛，传统教室已经逐步装备上了有线投影设备。然而，传统的无线投影机需要安装布线，施工难度大，对教室环境也会造成一定的破坏。随着近年来无线技术的不断提高和芯片升级，无线投影设备开始崭露头角。在传统的课堂上，如果学生需要把自己的学习结果展示给大家必须带着他的终端到讲台上，连接投影机的VGA线才能进行，这样既耽误了教学进程，又影响了教学秩序。同时，随着各种智能终端的出现，教师和学生使用的终端不再局限在传统的笔记本，他们可能会使用IPad和智能手机作为终端，并希望能够把这些终端上的内容投影出来，传统的有线投影机显然不能适应这种要求。
3.     智能终端
智能终端是指那些具有多媒体功能的智能设备，这些设备支持音频、视频、数据等方面的功能。伴随着计算机技术、电子技术的发展，个人用户终端不断趋于智能化，各种智能终端层出不穷，先后出现了笔记本、IPad、智能手机等。同时随着电子书包技术的成熟，传统的电子书包已不能满足现有的教育资源的需要，更先进、高速、智能的终端设备替代现有的电子书包终端已经成为一种必然。因此我们在设计未来课堂技术环境的时候，重点关注了现在流行的几种智能终端：笔记本电脑、IPad和智能手机。
4.     多屏显示
在信息爆炸的时代，人们每天通过互联网获得的信息比以前几十年所获得的信息还要多，因此教师在课堂上要传递给学生的信息也呈爆炸性地增长，面对这个情况传统的单屏环境已经不能满足这个需要，因此多屏课堂的产生是大势所趋。我们对现有的显示技术进行了研究，多屏显示卡的出现让我们眼前一亮。多屏显示卡是专为PC机更深层的应用要求而设计的高性能显示卡，它使一台PC机支持多台VGA显示器、电视机或DV数字平面显示器。多屏显示卡并不是简单的多个显示器显示多个相同内容，而是多个屏幕显示各自不同的画面，并可显示拼接的组合大画面。通过在未来课堂实施这一技术，我们认为它能很好地解决课堂教学中的一些问题。
5.     多点触屏
一直以来，人机交互是制约教育技术推广的重要“瓶颈”。随着电子交互白板、触屏技术的出现为消除这一瓶颈提供了很好的解决方案。触摸屏技术是一种
新型的人机交互输入方式，与传统的键盘和鼠标输入方式相比，触摸屏输入更直观。配合识别软件，触摸屏还可以实现手写输入。触摸屏由安装在显示器屏幕前面的检测部件和触摸屏控制器组成。当手指或其它物体触摸安装在显示器前端的触摸屏时，所触摸的位置由触摸屏控制器检测，并通过接口（如RS—232串行口, USB等）送到主机。目前触摸屏已经由单点触屏发展到实现多点触屏了。
6.     云计算
云计算作为新一代IT模式，在后端规模庞大、非常自动化和高可靠性的云计算中心支持下，人们只要接入互联网，就能很方便地访问各种基于云的应用和信息，并免去了安装和维护等烦琐操作。云计算技术的出现为我们展现了一副美好的画卷，我们认为它对教育将产生划时代的作用。
7.     活动桌椅
在集体教学中，不同的座位编排方式对学生的学习态度、课堂行为、情感交流以及整个教育活动都将产生不同的影响。因此根据教学内容、教学目标和教学情景的变化，充分发挥不同座位模式的特点，灵活、科学地编排学生座位。
未来课堂中采用人性化设计、灵活易拼装的活动桌椅主要方便学习者在课堂
教与学的过程中根据小组学习的需求进行组合，可以根据活动需要组合成各种不
同的形状，方便成员间面对面的进行互动、交流。
    由于未来课堂内的课桌椅可以灵活方便地移动，也易于拼接，形成不同形状
的组合，所以在实际教学过程中，教师可以根据教学活动的需要，动态的调整桌
椅的排列，不一定是某一种固定的形式，可以在同一时间允许多种形式的共同存
在，只要这种组合样式利于教学活动的开展就可以。
 
三．    未来课堂构建方案
安徽师范大学作为新晋的省部共建的高校，推进本校教育信息化建设刻不容缓。师大现有的网络教室在实现未来课堂的功能构想上还有很大差距，在已有硬件基础上通过新技术装备的整合和合理搭建，从而完成接近或达到未来课堂教学方面的目标，这正是本方案的出发点和最终归宿。同时，构建未来课堂也希望为教师培训和高校教学改革提供新的思路和实证样本。
（1）  主要技术设备的需求和功能分析
     安徽师范大学已有的网络教室的教学功能存在很大的局限性，我们希望在已有的教师格局和基础硬件上搭建如下图模型所示的未来课堂。
    
1、首先是无线网络的覆盖，通过在未来课堂部署无线局域网，克服了传统课堂中的不足，充分体现了未来课堂灵活、方便、开放的特点：① 接入简单：在现有的无线路由设备中通常都采用了DHCP技术，这样就使得未来课堂中的教师和学生要接入互联网只需要连接这个无线网络，不需要做IP地址和网关等的配置就能完成，既降低了操作的技术难度，也减小了计算机操作对教学进程所产生影响。② 具有良好的跨平台性和兼容性：无线局域网对接入终端没有任何特殊要求，无论教师和学生的终端使用的是windows系统、IOS系统还是Android系统，都可以很方便的接入到无线网中。同时无论你的终端是笔记本、IPad还是智能手机，都可以接入到无线网中，这样教师和学生在教室中就不需要购买指定的终端，降低成本和管理难度。③ 便于管理：我们可以在无线路由设备上配置合理的用户访问队列，对允许学生访问的资源和禁止学生访问的资源进行区分，设置权限。可实现对课堂上的学生上网行为的有效管理，提高学生的学习效率。
2、无线投影的运用，我们认为通过无线投影机可以完成以下教学活动：① 投影终端位置灵活，设备种类多样。未来课堂中的教师和学生可以在教室内的任一位置连接到无线投影设备，就可以很方便地把自己的内容投影出来，完全不受位置的限制。同时我们除了能够把笔记本的内容投影出来，还可以把IPad的内容投影出来，正在开发基于Android系统的客户端软件，一旦开发成功，将能对现在所有主流的智能终端实现无线投影，完全解决跨终端问题。② 实现多终端投影，为小组讨论提供了有益的帮助。再例如一道物理题的多种解法。在传统课堂环境中，这几种解法不能同时展示出来，学生缺乏对比，所以不能很好地理解这几种解法的优缺点，讨论效果差。现在我们利用无线投影机同时接入了四台笔记本的内容，让小组的所有的同学能同时看到四种解法，并对这四种解法进行对比和分析，得出它们各自的优缺点，达到了讨论的效果。
3、关于智能终端的引入，现在流行的几种智能终端：笔记本电脑、IPad和智能手机。虽然它们在功能和应用上日趋强大，但在融入课堂教学上还有待改进，因此，在已有智能终端上改进一种操作简单、功能较少的终端是十分必要的，我们认为这种终端首先是操作必须傻瓜化，一开机就能自动打开浏览器，自动访问设计的远端的云虚拟桌面和教学资源库，教师和学生可以运行虚拟桌面上的应用程序，使用教学资源库中的各种资源；其次，各种程序必须固化在存储器上，学生不能自己安装其他应用程序。最后这种终端的价格应该比较便宜。
4、多屏技术的引入首先可以增加知识传授的连续性。在传统单屏课堂环境下，教师制作的幻灯片往往只能单张按教师预先设计的方式播放，那么就会出现一些问题，首先是学生在观看幻灯片的时候会往往会看了后面的，而忘记前面的这种现象。学生可能最终记住的只有最后两张幻灯片的内容，大部分的教学内容都忘了。其次，学生在逐张观看幻灯片的时候，往往不能把把所有幻灯片的内容串联起来形成一个连续的知识序列，所学到的只是一些孤立的知识片段，知识孤岛问题一直以来是困扰我们教学的问题，现在都没有得到很好的解决。最后，研究表明学生对孤立的知识片段的遗忘要比对一个知识序列的遗忘快。通过多屏技术我们很好地解决了这个问题，我们通过4屏显示技术同时把7张幻灯片的内容展示给学生，并且形成一个显示队列，这样就保证学生总是能把新的知识与旧的知识联系起来。通过这种方式学生看到的不再是单张幻灯片，而获得的是一个知识序列，学生形成的不再是一个个的知识孤岛，而是一片知识大陆。在利用幻灯片教学中，很多学生反应速度太快，做笔记的速度跟不上。通过这种方式，教师在幻灯片上做的标注都很好地保留下来，很好地缓解了这一矛盾。
其次多屏技术的使用实现了多维度的知识讲授。根据研究显示，一个学生在学习知识的时候如果能够得到来自多方面的刺激，那么这个学生对这个知识点的遗忘速度会大大降低。在信息时代，教师通过互联网可以获得很多教学资源，教师需要一个场所能够把这些资源传递给学生，但是传统的单屏环境根本不能满足这一要求，因此我们需要对传统课堂进行变革。在未来课堂中，我们构建了多屏显示环境。在多屏显示下，教师可以向学生同时展示多种资源。例如设计《登泰山记》的教学内容，在这个四屏环境中，我们分别展示了幻灯片、泰山风光视频、泰山游览地图和泰山游记评论四个类型的资源，让学生获得的一种全方位、多视角、多层次的立体的知识，对于学生对教学内容的理解和记忆有很好的作用。
5、多点触屏的技术主要体现在电子白板的使用上，电子白板的运用为高度人机交互提供了条件，在教学中拟实现的功能如下：提升课堂教学气氛，增强师生互动能力；能够让学生理论联系实际，提高学生运用知识的能力；能够将抽象的东西变成具体的东西表现出来；能够提高老师的教学效率，增强教学的计划性；能够提高学生的注意力，增强学生的理解力；能够全面记录教学过程，便于学生复习和总结。
   6、控制台是整个未来课堂教学行动中的关键。因此，设备集成和智能化控制必须是控制台要达到的第一个要求，并且安全、可靠稳定的数据存储和管理也是必不可少的因素，最后要实现数据和应用程序的高度共享。
7、未来课堂中没有固定的座位，未来课堂的桌椅要能满足各种教学活动的需要，要做到随机安排座位和整体格局。例如，在集体讲授时，可采取常见的行列式(秧田式)排列法，圆形排列法或弧形排列法；小组合作学习时，可采取分组式排列法；进行游戏化学习或角色扮演时时可以采取圆形、弧形、马蹄形等。进行课堂讨论或情景对话时可以采取会议式排列法。