铁路企业智慧教室建设研究

来源:用户上传      作者:陈艺

　　摘  要 隨着高速铁路快速发展，高新技术、现代化新装备广泛应用，职工培训越来越重要。为适应新形势下职工培训的需要，利用物联网、云计算、大数据、多媒体等技术，给职工培训提供良好的学习环境，是加强职工教育信息化的一项重要工作。阐述当前多媒体教室在教学中遇到的困境，概括国内专家学者提出的智慧教室概念，分析智慧教室的功能特征，最后就铁路企业职工培训智慧教室建设进行探讨。
　　关键词 智慧教室;铁路企业;职工培训;智慧教育;智慧教学系统;多媒体教室;电子白板
　　中图分类号：G481    文献标识码：B
　　文章编号：1671-489X（2019）21-0027-04
　　1 前言
　　教室是教师向学生传授知识的场所。随着科技发展，教室的功能发生很大变化，出现多媒体教室、网络教室、数字教室、微机教室、语音教室等各类专用教室;课堂教学形式也随之变化，逐渐由课内向课外拓展，出现网络课、慕课、微课、翻转课堂、空中课堂等多种教学方式。授课场所不再以传统意义上的教学为主，正朝着多样化、个性化、专业化、智能化方向转变。在IBM提出“智慧地球”概念之后，智慧交通、智慧教育、智慧校园、智慧教室应运而生，目前对智慧教室的研究还处于初级阶段，没有统一的标准和规范。因此，本文试图通过对智慧教室的基本功能特征进行分析，为铁路企业智慧教室的建设和应用提供参考。
　　2 当前多媒体教室的发展困境
　　进入21世纪以后，随着计算机的普及，铁路职工教育的培训教室也由过去“粉笔+黑板”的传统模式转变为“计算机+投影”的多媒体模式。这种授课环境在一定程度上节省了教师的板书时间，扩大了传授知识的信息容量，直观展示了抽象问题，提高了课堂教学效率，但是依然没有摆脱以教为主的“传递—接受”式的教学模式。从布卢姆认知教学目标的角度来说，虽能满足学习者识记、理解、运用低层次教学认知目标的培养，但不利于分析、综合、评价高层次认知目标的培养。归纳其原因，主要表现在三个方面。
　　1）多媒体教学内容的显现形式限制了学员对知识的内化。在多媒体教室中投影屏幕替代了黑板，有的教师仅仅用PPT课件代替板书，将教材的大部分内容直接粘贴到课件中，静态文字居多，信息量超载，课件演示过快，学员来不及做笔记，思路跟不上，很难快速消化，影响听课效果。另外，有些授课内容需要在传统教室的黑板上进行一步步推导和演算，多媒体设备却很难做到，容易导致学员思维的不连贯。
　　2）多媒体教室的布局忽略了师生情感交流互动。大部分多媒体控制台位于教室的一角，为了操作计算机方便，有些教师采取坐姿讲课，很少在讲台走动甚至不走动，忽视了肢体语言和眼神交流，过多地把注意力集中在键盘、鼠标和计算机屏幕上，无暇顾及学员的反应，不了解学员的接受程度，成了变相的“电灌”式教学。另外，学员的桌椅摆放多为秧苗式布局，虽然有利于教师的面授，但隐含着“以教师为中心”的传统教育理念，在课堂教学过程中不利于学员主体性的发挥，限制了学员的实践能力和创新能力，影响了师生之间、生生之间的交流互动，给学员以“我是观众或听众”的心理暗示，与现代教育所提倡的平等、主动、协作、探究等教学理念背道而驰。
　　3）多媒体教室的环境影响了学员的身心健康。多媒体教室一般门窗紧闭、通风不好、光线昏暗，长时间在多媒体教室上课，容易引起视觉、听觉疲劳，产生头晕眼花、耳鸣胸闷症状，不利于学员的身心健康[1]。
　　3 智慧教室的概念
　　关于智慧教室的概念界定，不同专家学者有着自己的看法和理解。何文涛等认为，智慧教室是指配置了多种现代媒体技术以供教学使用的物理空间和信息空间，具有灵活的空间布局、多种互联的手持计算机终端、多角度的投影，可以提供方便快捷的互联网信息检索、分析与呈现服务[2]。张亚珍等认为，智慧教室是借助于普适计算机技术、物联网技术、云计算技术和智能技术等构建起来的促进学生构建知识的智慧学习空间[3]。黄怀荣等认为，智慧教室是通过网络技术、传感技术、富媒体技术、人工智能等技术来改善学习环境的教室，并提出SMART概念模型，即教学内容呈现能力、教室环境布局与管理便利性、教学资源获取能力、及时高效的互动能力和情境感知能力[4]。
　　笔者认为，智慧教室是在现代教育理论指导下，结合现代信息技术，深度融合教学环境，促进师生互动和体验，实现教学最优化的学习环境。
　　4 智慧教室的功能特征
　　从以上概念的描述可以看出，智慧教室的突出特征就是其功能的智慧性。一个完善的智慧教室应该包括多屏显示系统、自动录播系统、智慧教学系统、全面感知系统和设备安保系统。
　　多屏显示系统  多屏显示系统反映教学信息的呈现能力。教学显示屏幕具备高清晰、高分辨率，将教学内容多屏幕、多角度地进行展现，极大满足了学员对学习材料的认知需求。多屏显示系统主要包括呈现教学内容的触摸一体机电子白板、无线投影仪、液晶电视、3D显示器、平板电脑、移动PC、手机等，以及显示班级信息和教室参数的LED电子显示屏设备。研究表明，教学内容的多屏显示便于学员观察比较，特别是能够显示一个或多个学生计算机桌面图像，有利于开展互动式教学。实际应用表明，三屏系统能够显著改善教学过程，提高课堂注意力，激发学生参与教学的积极性，提升教学质量[5]。LED电子显示屏由大量半导体发光二极管均匀排列组成，可以安装在教室前后顶部，主要用于显示班级信息（课程名称、班级名称、任课教师、班主任、出勤率）和传感器采集的物理数据（室内温度、湿度、光照度、噪声强度和二氧化碳浓度等）。
　　自动录播系统  自动录播系统是智慧教室的标准配置，也是实现优质教学资源共享和师资培养的重要途径。其架构主要由音视频信号采集系统（拾音器、摄像机）、全自动定位跟踪系统（行为识别）、录播软件系统组成。系统主要通过拾音器、摄像机对教师的讲课内容进行全过程拍摄和录音，根据教师、学员的行为举止进行智能跟踪，并自动切换特写视频录制，在无人操作控制下自动生成授课实况录像，再通过录播软件制作成单画面、画中画、多画面模式的课件，利用网络可以实现实时直播或点播回放。 　　每个学员的认知能力各不相同，部分學员可以轻松理解课堂知识点，而有的学员需要在课下循环再学习，才能掌握所学内容。录播系统把学员将课堂笔记打包回家的愿望变成现实，录制的视频课件上传到云平台形成课程资源库，不仅有利于学员自主订阅课程进行预习、复习或自学，提升学习质量，而且有利于教师的自我完善和提高。教师可通过录像观察自己的课件制作、教案设计、个人仪表、声音高低和语速快慢等教学细节，能对教学各环节进行反思和评价，从而发现不足之处，加以改进，提高教学水平。
　　智慧教学系统  智慧教学系统是智慧教室开展教学活动的重要模块，主要由备课系统、课堂互动、教学评价和考勤系统构成。
　　1）备好课是上好课的前提。备课系统提供不同课程的备课模板，教师只需根据课程标准的要求，将与教学内容相关的学习指导、教案课件、课堂测验、案例分析、图形动画、视频专辑、课后作业等素材上传到云平台即可。同时，物联网中大量的相关教育资源可供教师借鉴、使用，如优秀教师的课例或其他现成的CAI课件等，让自己的教案设计更完美。
　　2）互动是课堂教学的核心，智慧课堂是高互动的学习空间：以教学过程为导向，能够充分发挥学习空间的主要特点和效能，具有丰富多样的互动形式，具有良好的互动效果的学习空间[6]。课堂互动包括人与人的互动、人与机的互动和人与环境的互动。
　　①人与人的互动是指教师和学员之间的交流互动，教师发布指令，学员通过互动设备进行反馈，常见的互动有提问、抢答、点赞、互评、测验、答疑、摇一摇选人等。
　　②人与机互动是指师生和各类互动设备之间的操作行为，所有互动设备要求界面必须导航清晰、简单易学，使用起来尽量符合人的操作习惯，用触摸手写、语音输入等方式来代替键盘鼠标，使人机互动体验更加自然。
　　③人与环境的互动这里指的是教室布局方面。智慧教室布局灵活多样，支持各种教学活动。桌椅设计可以自由摆放，既可组成圆形、扇形，也可拆开摆成秧苗式布局。比如根据教学内容要求和课程安排，课堂教学需要采用小组讨论或合作探究的方式，这时可以将桌椅摆放成圆形或矩形，并依据学员工作性质、学习兴趣、业务能力形成不同学习共同体，方便对一些专业知识展开深入讨论和交流，有利于实现对所学知识的巩固、理解和加深。另外，桌椅选择除了颜色搭配和材质环保等因素外，还要根据人机工程学原理来选择适合人体的尺寸，以满足长时间学习的舒适要求。
　　3）教学评价是通过自动记录来存储师生互动轨迹，利用大数据挖掘与图表统计的方法，对学员的学习行为进行直观分析，从而为教师的决策和教学效果的评估提供有力支持。比如通过随堂测验即时分析，使教师准确地了解学员掌握知识的情况，对错误率高的问题课上进行重点讲解，对错误率低的问题课下有针对性地辅导，制作面向个人的微课，做到“一对一”个性化教学服务。
　　4）考勤系统采用射频识别技术（RFID），通过校园一卡通、指纹、人脸识别等方法实现自动考勤和人数实时统计等功能，可快捷地查询每个学员每个时间段内每门课的到课信息，清晰地查看学生旷课、迟到、早退、请假等状态，方便学员、教师、教务管理者实时掌握教室使用情况，提升学生到课率。
　　全面感知系统  全面感知系统主要由灯光照明、空调机、新风系统、电动门窗等设备组成，表征了智慧教室对物理环境参数的调控能力。利用各种传感器和控制器，实时监控教室灯光亮度、气温湿度、空气质量指标等参数，自动调节教室内的相关设备，比如：根据室外天气的阴晴，自动调节窗帘的开合和灯光的亮度;根据室内空气二氧化碳浓度和温度，自动控制新风系统和空调的开关等。通过设备的调节，使教室内的声音、光线、温度、空气达到适合学员身心健康的状态。
　　设备安保系统  设备安保系统是对教室的财产和安全进行管理，包括设备管理系统、安保监控系统等。设备管理系统是指对教室内的所有设备资产定制“身份证”（存有设备详细信息的RFID标签），并在教室门口安装高频读卡器，对进出教室通道的设备进行监控（没有经过授权的人员将室内设备带出教室时，系统会自动报警），便于设备管理员对教室设备进行统一管理。安保监控系统由监控摄像头、监控服务器、监视屏等组成，教室内外各安装一台监控摄像头，24小时不间断开机，实时监控人员和设备出入教室情况，保证设备和资产的安全。
　　5 铁路企业智慧教室建设探讨
　　在实际应用中，要以职工培训需求为导向，结合单位多媒体教室现有条件，根据培训的内容、目标、规模、特点等要求进行定制，这是智慧教室建设的关键。智慧教室建设主要包括桌椅布局、内容展现、教学互动、自动录播、智能管理和全面感知等方面的内容。依据应用目标的不同，可以分为标准型智慧教室、远程型智慧教室和VR型智慧教室。
　　标准型智慧教室  标准型智慧教室在桌椅布局上采用可以折叠、拆分、自由组合的桌椅，能够根据培训任务和内容的需要进行改变。在内容展现上，可以采用多屏显示的方式呈现教学内容，教室前方墙上固定安装双屏86寸的触摸一体机电子白板，一屏显示教学内容，一屏显示教师和学员交互的手写内容，也可用作同时显示教学过程中的对比内容。根据教室空间大小，在四周设置至少四个移动32寸的触摸一体机电子白板，主要用于小组合作学习和探究式学习，可以和教室主屏同步显示教学内容，也可显示小组的具体学习讨论内容。在教学互动上，师生既可在电子白板中进行互动，也可用手持设备（PAD、手机、抢答器等）进行交流反馈，比如可以使用手机、PAD的拍照功能直接将问题的答案投射到教师屏幕上。在自动录播上，配置四部4k高清摄像机，包括两部板书摄像机、一部教师摄像机、一部学员摄像机，能够自动跟踪教师授课、学员听课情况，全程录制教学内容，并能根据教师提问、学员发言进行特写拍摄。在智能管理上，可以在教室一个角落隔离出一间小屋，用于管理视频编辑设备、各类网络设备、各种控制器等设备。在全面感知上，要安装多种传感器，对声、光、电、温、气等参数进行实时检测，保证灯光、窗帘、空调、新风系统等设备适宜学员身心健康。另外，利用RFID对考勤、设备资产进行自动管理。 　　远程型智慧教室  遠程型智慧教室由一个教师端+多个学员端教室组成，学员端教室不受地理位置的限制，各教室之间通过高速网络无缝连接、互联互通。在桌椅布局上，教师端可以采用一间小教室作为授课录播室，设置少量的桌椅，也可不设置;学员端教室的桌椅相对灵活，秧苗式、圆形或矩形均可。在内容展现上，教师端录播室的前面墙上同样要安装双屏86寸的触摸一体机电子白板，功能同标准型智慧教室一样;后面墙上必须要有一个大屏幕拼接屏，可以分屏显示各个学生端教室的上课情况。学生端教室呈现方式比较灵活，投影仪、拼接屏、LED屏、液晶电视均可，还可以根据教室大小配置屏幕尺寸和个数。在教学互动上，支持手势识别的自然交互方式，同样可以用手持设备（PAD、手机、抢答器等）进行交流反馈。在自动录播上，各个教室都要配置多部4k高清摄像头，在教师讲课时，学生端教室屏幕显示教学内容;在师生交流互动时，学生端教室屏幕自动切换画中画模式，同时显示师生不同画面。在智能管理上，可以在主教室讲台旁设计一个控制台，教师通过面板方便地操作录制、直播、回放、画面切换等功能。在全面感知上，根据具体情况可以选择是否安装传感器、RFID射频识别器。远程型智慧教室主要突出录播和互动环节，能够满足人数较多或者在异地同时上课情况，是基于云平台的空中课堂的升级版。
　　VR型智慧教室  VR型智慧教室分为模拟仿真教室和虚拟现实教室。
　　模拟仿真教室是基于场景实物1：1模型的仿真操作实训场所，设备比较大，适合于分组分批训练，以掌握实际操作技能为主，比如机车模拟驾驶仿真实训教室。
　　虚拟现实教室是将虚拟现实技术与教学场景相融合，集软硬件和VR资源于一体，把抽象概念具象化，实现体验式教学，为学生创设接近真实的学习环境。虚拟现实教室整合了标准型智慧教室的各项功能，师生戴上VR眼镜，就可以在虚拟空间中演示和学习各类场景与设备。它很适合于铁路各个专业的业务培训、安全培训、管理培训。比如在铁路设备维修中，由于设备内部构造比较复杂，受训人员无法通过肉眼直观地观察其内部结构，尤其是对运行过程、运行状态的情况更是无法了解。利用3D虚拟技术，可以通过360°的旋转以及随意缩放来展示设备的每个方向结构;也可以通过点击设备外壳，使该设备逐渐透明的方法，逐渐清晰地显示其每一层内部结构。另外，可以通过动画方式观察内部设备的运行情况，直观形象地了解设备的运行状态[7]。
　　6 结语
　　智慧教室的研究具有前瞻性，它的设计要遵循教育学、心理学、建筑学、人体工程学原理，借助计算机软硬件技术，为教学提供一个灵活舒适、高效互动的学习环境。智慧教室的应用要与具体培训内容相结合，根据培训的性质和专业，设计不同的方案和教学应用模式。铁路智慧教室的建设提升了职工培训的信息化水平，为开展铁路企业职工智慧教育打下良好基础。
　　参考文献
　　[1]刘国华.高校多媒体教学的缺陷及对策[J].湖南科技学院学报，2008，29（3）：204-205.
　　[2]何文涛，杨开城，张慧慧.智慧教室环境下协作学习的行为构成及其特征分析[J].电化教育研究，2017（11）：87-95.
　　[3]张亚珍，张宝辉，韩云霞.国内外智慧教室研究评论及展望[J].开放教育研究，2014，20（1）：81-91.
　　[4]黄荣怀，胡永斌，杨俊锋，等.智慧教室的概念及特征[J].开放教育研究，2012，18（2）：22-27.
　　[5]黄东军，杨颖华.基于三屏显示技术的多媒体教学支持系统研究与应用[J].中国教育信息化，2017（4）：93-96.
　　[6]陈卫东，叶新东，秦嘉悦，等.未来课堂：高互动学习空间[J].中国电化教育，2011（8）：6-13.
　　[7]孙煜.虚拟现实技术及其在铁路教育培训中的应用[J].上海铁道科技，2011（2）：118，107，124.
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