鐵路企業(yè)智慧教室建設(shè)研究

陳藝

摘 ?要 隨著高速鐵路快速發(fā)展，高新技術(shù)、現(xiàn)代化新裝備廣泛應(yīng)用，職工培訓(xùn)越來越重要。為適應(yīng)新形勢下職工培訓(xùn)的需要，利用物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、多媒體等技術(shù)，給職工培訓(xùn)提供良好的學(xué)習(xí)環(huán)境，是加強職工教育信息化的一項重要工作。闡述當(dāng)前多媒體教室在教學(xué)中遇到的困境，概括國內(nèi)專家學(xué)者提出的智慧教室概念，分析智慧教室的功能特征，最后就鐵路企業(yè)職工培訓(xùn)智慧教室建設(shè)進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞 智慧教室;鐵路企業(yè);職工培訓(xùn);智慧教育;智慧教學(xué)系統(tǒng);多媒體教室;電子白板

中圖分類號：G481 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2019）21-0027-04

1 前言

教室是教師向?qū)W生傳授知識的場所。隨著科技發(fā)展，教室的功能發(fā)生很大變化，出現(xiàn)多媒體教室、網(wǎng)絡(luò)教室、數(shù)字教室、微機教室、語音教室等各類專用教室;課堂教學(xué)形式也隨之變化，逐漸由課內(nèi)向課外拓展，出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)課、慕課、微課、翻轉(zhuǎn)課堂、空中課堂等多種教學(xué)方式。授課場所不再以傳統(tǒng)意義上的教學(xué)為主，正朝著多樣化、個性化、專業(yè)化、智能化方向轉(zhuǎn)變。在IBM提出“智慧地球”概念之后，智慧交通、智慧教育、智慧校園、智慧教室應(yīng)運而生，目前對智慧教室的研究還處于初級階段，沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。因此，本文試圖通過對智慧教室的基本功能特征進(jìn)行分析，為鐵路企業(yè)智慧教室的建設(shè)和應(yīng)用提供參考。

2 當(dāng)前多媒體教室的發(fā)展困境

進(jìn)入21世紀(jì)以后，隨著計算機的普及，鐵路職工教育的培訓(xùn)教室也由過去“粉筆+黑板”的傳統(tǒng)模式轉(zhuǎn)變?yōu)椤坝嬎銠C+投影”的多媒體模式。這種授課環(huán)境在一定程度上節(jié)省了教師的板書時間，擴大了傳授知識的信息容量，直觀展示了抽象問題，提高了課堂教學(xué)效率，但是依然沒有擺脫以教為主的“傳遞—接受”式的教學(xué)模式。從布盧姆認(rèn)知教學(xué)目標(biāo)的角度來說，雖能滿足學(xué)習(xí)者識記、理解、運用低層次教學(xué)認(rèn)知目標(biāo)的培養(yǎng)，但不利于分析、綜合、評價高層次認(rèn)知目標(biāo)的培養(yǎng)。歸納其原因，主要表現(xiàn)在三個方面。

1）多媒體教學(xué)內(nèi)容的顯現(xiàn)形式限制了學(xué)員對知識的內(nèi)化。在多媒體教室中投影屏幕替代了黑板，有的教師僅僅用PPT課件代替板書，將教材的大部分內(nèi)容直接粘貼到課件中，靜態(tài)文字居多，信息量超載，課件演示過快，學(xué)員來不及做筆記，思路跟不上，很難快速消化，影響聽課效果。另外，有些授課內(nèi)容需要在傳統(tǒng)教室的黑板上進(jìn)行一步步推導(dǎo)和演算，多媒體設(shè)備卻很難做到，容易導(dǎo)致學(xué)員思維的不連貫。

2）多媒體教室的布局忽略了師生情感交流互動。大部分多媒體控制臺位于教室的一角，為了操作計算機方便，有些教師采取坐姿講課，很少在講臺走動甚至不走動，忽視了肢體語言和眼神交流，過多地把注意力集中在鍵盤、鼠標(biāo)和計算機屏幕上，無暇顧及學(xué)員的反應(yīng)，不了解學(xué)員的接受程度，成了變相的“電灌”式教學(xué)。另外，學(xué)員的桌椅擺放多為秧苗式布局，雖然有利于教師的面授，但隱含著“以教師為中心”的傳統(tǒng)教育理念，在課堂教學(xué)過程中不利于學(xué)員主體性的發(fā)揮，限制了學(xué)員的實踐能力和創(chuàng)新能力，影響了師生之間、生生之間的交流互動，給學(xué)員以“我是觀眾或聽眾”的心理暗示，與現(xiàn)代教育所提倡的平等、主動、協(xié)作、探究等教學(xué)理念背道而馳。

3）多媒體教室的環(huán)境影響了學(xué)員的身心健康。多媒體教室一般門窗緊閉、通風(fēng)不好、光線昏暗，長時間在多媒體教室上課，容易引起視覺、聽覺疲勞，產(chǎn)生頭暈眼花、耳鳴胸悶癥狀，不利于學(xué)員的身心健康[1]。

3 智慧教室的概念

關(guān)于智慧教室的概念界定，不同專家學(xué)者有著自己的看法和理解。何文濤等認(rèn)為，智慧教室是指配置了多種現(xiàn)代媒體技術(shù)以供教學(xué)使用的物理空間和信息空間，具有靈活的空間布局、多種互聯(lián)的手持計算機終端、多角度的投影，可以提供方便快捷的互聯(lián)網(wǎng)信息檢索、分析與呈現(xiàn)服務(wù)[2]。張亞珍等認(rèn)為，智慧教室是借助于普適計算機技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云計算技術(shù)和智能技術(shù)等構(gòu)建起來的促進(jìn)學(xué)生構(gòu)建知識的智慧學(xué)習(xí)空間[3]。黃懷榮等認(rèn)為，智慧教室是通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、傳感技術(shù)、富媒體技術(shù)、人工智能等技術(shù)來改善學(xué)習(xí)環(huán)境的教室，并提出SMART概念模型，即教學(xué)內(nèi)容呈現(xiàn)能力、教室環(huán)境布局與管理便利性、教學(xué)資源獲取能力、及時高效的互動能力和情境感知能力[4]。

筆者認(rèn)為，智慧教室是在現(xiàn)代教育理論指導(dǎo)下，結(jié)合現(xiàn)代信息技術(shù)，深度融合教學(xué)環(huán)境，促進(jìn)師生互動和體驗，實現(xiàn)教學(xué)最優(yōu)化的學(xué)習(xí)環(huán)境。

4 智慧教室的功能特征

從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。一個完善的智慧教室應(yīng)該包括多屏顯示系統(tǒng)、自動錄播系統(tǒng)、智慧教學(xué)系統(tǒng)、全面感知系統(tǒng)和設(shè)備安保系統(tǒng)。

多屏顯示系統(tǒng) ?多屏顯示系統(tǒng)反映教學(xué)信息的呈現(xiàn)能力。教學(xué)顯示屏幕具備高清晰、高分辨率，將教學(xué)內(nèi)容多屏幕、多角度地進(jìn)行展現(xiàn)，極大滿足了學(xué)員對學(xué)習(xí)材料的認(rèn)知需求。多屏顯示系統(tǒng)主要包括呈現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容的觸摸一體機電子白板、無線投影儀、液晶電視、3D顯示器、平板電腦、移動PC、手機等，以及顯示班級信息和教室參數(shù)的LED電子顯示屏設(shè)備。研究表明，教學(xué)內(nèi)容的多屏顯示便于學(xué)員觀察比較，特別是能夠顯示一個或多個學(xué)生計算機桌面圖像，有利于開展互動式教學(xué)。實際應(yīng)用表明，三屏系統(tǒng)能夠顯著改善教學(xué)過程，提高課堂注意力，激發(fā)學(xué)生參與教學(xué)的積極性，提升教學(xué)質(zhì)量[5]。LED電子顯示屏由大量半導(dǎo)體發(fā)光二極管均勻排列組成，可以安裝在教室前后頂部，主要用于顯示班級信息（課程名稱、班級名稱、任課教師、班主任、出勤率）和傳感器采集的物理數(shù)據(jù)（室內(nèi)溫度、濕度、光照度、噪聲強度和二氧化碳濃度等）。

自動錄播系統(tǒng) ?自動錄播系統(tǒng)是智慧教室的標(biāo)準(zhǔn)配置，也是實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源共享和師資培養(yǎng)的重要途徑。其架構(gòu)主要由音視頻信號采集系統(tǒng)（拾音器、攝像機）、全自動定位跟蹤系統(tǒng)（行為識別）、錄播軟件系統(tǒng)組成。系統(tǒng)主要通過拾音器、攝像機對教師的講課內(nèi)容進(jìn)行全過程拍攝和錄音，根據(jù)教師、學(xué)員的行為舉止進(jìn)行智能跟蹤，并自動切換特寫視頻錄制，在無人操作控制下自動生成授課實況錄像，再通過錄播軟件制作成單畫面、畫中畫、多畫面模式的課件，利用網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)實時直播或點播回放。

每個學(xué)員的認(rèn)知能力各不相同，部分學(xué)員可以輕松理解課堂知識點，而有的學(xué)員需要在課下循環(huán)再學(xué)習(xí)，才能掌握所學(xué)內(nèi)容。錄播系統(tǒng)把學(xué)員將課堂筆記打包回家的愿望變成現(xiàn)實，錄制的視頻課件上傳到云平臺形成課程資源庫，不僅有利于學(xué)員自主訂閱課程進(jìn)行預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)或自學(xué)，提升學(xué)習(xí)質(zhì)量，而且有利于教師的自我完善和提高。教師可通過錄像觀察自己的課件制作、教案設(shè)計、個人儀表、聲音高低和語速快慢等教學(xué)細(xì)節(jié)，能對教學(xué)各環(huán)節(jié)進(jìn)行反思和評價，從而發(fā)現(xiàn)不足之處，加以改進(jìn)，提高教學(xué)水平。

智慧教學(xué)系統(tǒng) ?智慧教學(xué)系統(tǒng)是智慧教室開展教學(xué)活動的重要模塊，主要由備課系統(tǒng)、課堂互動、教學(xué)評價和考勤系統(tǒng)構(gòu)成。

1）備好課是上好課的前提。備課系統(tǒng)提供不同課程的備課模板，教師只需根據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)的要求，將與教學(xué)內(nèi)容相關(guān)的學(xué)習(xí)指導(dǎo)、教案課件、課堂測驗、案例分析、圖形動畫、視頻專輯、課后作業(yè)等素材上傳到云平臺即可。同時，物聯(lián)網(wǎng)中大量的相關(guān)教育資源可供教師借鑒、使用，如優(yōu)秀教師的課例或其他現(xiàn)成的CAI課件等，讓自己的教案設(shè)計更完美。

2）互動是課堂教學(xué)的核心，智慧課堂是高互動的學(xué)習(xí)空間：以教學(xué)過程為導(dǎo)向，能夠充分發(fā)揮學(xué)習(xí)空間的主要特點和效能，具有豐富多樣的互動形式，具有良好的互動效果的學(xué)習(xí)空間[6]。課堂互動包括人與人的互動、人與機的互動和人與環(huán)境的互動。

①人與人的互動是指教師和學(xué)員之間的交流互動，教師發(fā)布指令，學(xué)員通過互動設(shè)備進(jìn)行反饋，常見的互動有提問、搶答、點贊、互評、測驗、答疑、搖一搖選人等。

②人與機互動是指師生和各類互動設(shè)備之間的操作行為，所有互動設(shè)備要求界面必須導(dǎo)航清晰、簡單易學(xué)，使用起來盡量符合人的操作習(xí)慣，用觸摸手寫、語音輸入等方式來代替鍵盤鼠標(biāo)，使人機互動體驗更加自然。

③人與環(huán)境的互動這里指的是教室布局方面。智慧教室布局靈活多樣，支持各種教學(xué)活動。桌椅設(shè)計可以自由擺放，既可組成圓形、扇形，也可拆開擺成秧苗式布局。比如根據(jù)教學(xué)內(nèi)容要求和課程安排，課堂教學(xué)需要采用小組討論或合作探究的方式，這時可以將桌椅擺放成圓形或矩形，并依據(jù)學(xué)員工作性質(zhì)、學(xué)習(xí)興趣、業(yè)務(wù)能力形成不同學(xué)習(xí)共同體，方便對一些專業(yè)知識展開深入討論和交流，有利于實現(xiàn)對所學(xué)知識的鞏固、理解和加深。另外，桌椅選擇除了顏色搭配和材質(zhì)環(huán)保等因素外，還要根據(jù)人機工程學(xué)原理來選擇適合人體的尺寸，以滿足長時間學(xué)習(xí)的舒適要求。

3）教學(xué)評價是通過自動記錄來存儲師生互動軌跡，利用大數(shù)據(jù)挖掘與圖表統(tǒng)計的方法，對學(xué)員的學(xué)習(xí)行為進(jìn)行直觀分析，從而為教師的決策和教學(xué)效果的評估提供有力支持。比如通過隨堂測驗即時分析，使教師準(zhǔn)確地了解學(xué)員掌握知識的情況，對錯誤率高的問題課上進(jìn)行重點講解，對錯誤率低的問題課下有針對性地輔導(dǎo)，制作面向個人的微課，做到“一對一”個性化教學(xué)服務(wù)。

4）考勤系統(tǒng)采用射頻識別技術(shù)（RFID），通過校園一卡通、指紋、人臉識別等方法實現(xiàn)自動考勤和人數(shù)實時統(tǒng)計等功能，可快捷地查詢每個學(xué)員每個時間段內(nèi)每門課的到課信息，清晰地查看學(xué)生曠課、遲到、早退、請假等狀態(tài)，方便學(xué)員、教師、教務(wù)管理者實時掌握教室使用情況，提升學(xué)生到課率。

全面感知系統(tǒng) ?全面感知系統(tǒng)主要由燈光照明、空調(diào)機、新風(fēng)系統(tǒng)、電動門窗等設(shè)備組成，表征了智慧教室對物理環(huán)境參數(shù)的調(diào)控能力。利用各種傳感器和控制器，實時監(jiān)控教室燈光亮度、氣溫濕度、空氣質(zhì)量指標(biāo)等參數(shù)，自動調(diào)節(jié)教室內(nèi)的相關(guān)設(shè)備，比如：根據(jù)室外天氣的陰晴，自動調(diào)節(jié)窗簾的開合和燈光的亮度;根據(jù)室內(nèi)空氣二氧化碳濃度和溫度，自動控制新風(fēng)系統(tǒng)和空調(diào)的開關(guān)等。通過設(shè)備的調(diào)節(jié)，使教室內(nèi)的聲音、光線、溫度、空氣達(dá)到適合學(xué)員身心健康的狀態(tài)。

設(shè)備安保系統(tǒng) ?設(shè)備安保系統(tǒng)是對教室的財產(chǎn)和安全進(jìn)行管理，包括設(shè)備管理系統(tǒng)、安保監(jiān)控系統(tǒng)等。設(shè)備管理系統(tǒng)是指對教室內(nèi)的所有設(shè)備資產(chǎn)定制“身份證”（存有設(shè)備詳細(xì)信息的RFID標(biāo)簽），并在教室門口安裝高頻讀卡器，對進(jìn)出教室通道的設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控（沒有經(jīng)過授權(quán)的人員將室內(nèi)設(shè)備帶出教室時，系統(tǒng)會自動報警），便于設(shè)備管理員對教室設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一管理。安保監(jiān)控系統(tǒng)由監(jiān)控攝像頭、監(jiān)控服務(wù)器、監(jiān)視屏等組成，教室內(nèi)外各安裝一臺監(jiān)控攝像頭，24小時不間斷開機，實時監(jiān)控人員和設(shè)備出入教室情況，保證設(shè)備和資產(chǎn)的安全。

5 鐵路企業(yè)智慧教室建設(shè)探討

在實際應(yīng)用中，要以職工培訓(xùn)需求為導(dǎo)向，結(jié)合單位多媒體教室現(xiàn)有條件，根據(jù)培訓(xùn)的內(nèi)容、目標(biāo)、規(guī)模、特點等要求進(jìn)行定制，這是智慧教室建設(shè)的關(guān)鍵。智慧教室建設(shè)主要包括桌椅布局、內(nèi)容展現(xiàn)、教學(xué)互動、自動錄播、智能管理和全面感知等方面的內(nèi)容。依據(jù)應(yīng)用目標(biāo)的不同，可以分為標(biāo)準(zhǔn)型智慧教室、遠(yuǎn)程型智慧教室和VR型智慧教室。

標(biāo)準(zhǔn)型智慧教室 ?標(biāo)準(zhǔn)型智慧教室在桌椅布局上采用可以折疊、拆分、自由組合的桌椅，能夠根據(jù)培訓(xùn)任務(wù)和內(nèi)容的需要進(jìn)行改變。在內(nèi)容展現(xiàn)上，可以采用多屏顯示的方式呈現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容，教室前方墻上固定安裝雙屏86寸的觸摸一體機電子白板，一屏顯示教學(xué)內(nèi)容，一屏顯示教師和學(xué)員交互的手寫內(nèi)容，也可用作同時顯示教學(xué)過程中的對比內(nèi)容。根據(jù)教室空間大小，在四周設(shè)置至少四個移動32寸的觸摸一體機電子白板，主要用于小組合作學(xué)習(xí)和探究式學(xué)習(xí)，可以和教室主屏同步顯示教學(xué)內(nèi)容，也可顯示小組的具體學(xué)習(xí)討論內(nèi)容。在教學(xué)互動上，師生既可在電子白板中進(jìn)行互動，也可用手持設(shè)備（PAD、手機、搶答器等）進(jìn)行交流反饋，比如可以使用手機、PAD的拍照功能直接將問題的答案投射到教師屏幕上。在自動錄播上，配置四部4k高清攝像機，包括兩部板書攝像機、一部教師攝像機、一部學(xué)員攝像機，能夠自動跟蹤教師授課、學(xué)員聽課情況，全程錄制教學(xué)內(nèi)容，并能根據(jù)教師提問、學(xué)員發(fā)言進(jìn)行特寫拍攝。在智能管理上，可以在教室一個角落隔離出一間小屋，用于管理視頻編輯設(shè)備、各類網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、各種控制器等設(shè)備。在全面感知上，要安裝多種傳感器，對聲、光、電、溫、氣等參數(shù)進(jìn)行實時檢測，保證燈光、窗簾、空調(diào)、新風(fēng)系統(tǒng)等設(shè)備適宜學(xué)員身心健康。另外，利用RFID對考勤、設(shè)備資產(chǎn)進(jìn)行自動管理。

遠(yuǎn)程型智慧教室 ?遠(yuǎn)程型智慧教室由一個教師端+多個學(xué)員端教室組成，學(xué)員端教室不受地理位置的限制，各教室之間通過高速網(wǎng)絡(luò)無縫連接、互聯(lián)互通。在桌椅布局上，教師端可以采用一間小教室作為授課錄播室，設(shè)置少量的桌椅，也可不設(shè)置;學(xué)員端教室的桌椅相對靈活，秧苗式、圓形或矩形均可。在內(nèi)容展現(xiàn)上，教師端錄播室的前面墻上同樣要安裝雙屏86寸的觸摸一體機電子白板，功能同標(biāo)準(zhǔn)型智慧教室一樣;后面墻上必須要有一個大屏幕拼接屏，可以分屏顯示各個學(xué)生端教室的上課情況。學(xué)生端教室呈現(xiàn)方式比較靈活，投影儀、拼接屏、LED屏、液晶電視均可，還可以根據(jù)教室大小配置屏幕尺寸和個數(shù)。在教學(xué)互動上，支持手勢識別的自然交互方式，同樣可以用手持設(shè)備（PAD、手機、搶答器等）進(jìn)行交流反饋。在自動錄播上，各個教室都要配置多部4k高清攝像頭，在教師講課時，學(xué)生端教室屏幕顯示教學(xué)內(nèi)容;在師生交流互動時，學(xué)生端教室屏幕自動切換畫中畫模式，同時顯示師生不同畫面。在智能管理上，可以在主教室講臺旁設(shè)計一個控制臺，教師通過面板方便地操作錄制、直播、回放、畫面切換等功能。在全面感知上，根據(jù)具體情況可以選擇是否安裝傳感器、RFID射頻識別器。遠(yuǎn)程型智慧教室主要突出錄播和互動環(huán)節(jié)，能夠滿足人數(shù)較多或者在異地同時上課情況，是基于云平臺的空中課堂的升級版。

VR型智慧教室 ?VR型智慧教室分為模擬仿真教室和虛擬現(xiàn)實教室。

模擬仿真教室是基于場景實物1：1模型的仿真操作實訓(xùn)場所，設(shè)備比較大，適合于分組分批訓(xùn)練，以掌握實際操作技能為主，比如機車模擬駕駛仿真實訓(xùn)教室。

虛擬現(xiàn)實教室是將虛擬現(xiàn)實技術(shù)與教學(xué)場景相融合，集軟硬件和VR資源于一體，把抽象概念具象化，實現(xiàn)體驗式教學(xué)，為學(xué)生創(chuàng)設(shè)接近真實的學(xué)習(xí)環(huán)境。虛擬現(xiàn)實教室整合了標(biāo)準(zhǔn)型智慧教室的各項功能，師生戴上VR眼鏡，就可以在虛擬空間中演示和學(xué)習(xí)各類場景與設(shè)備。它很適合于鐵路各個專業(yè)的業(yè)務(wù)培訓(xùn)、安全培訓(xùn)、管理培訓(xùn)。比如在鐵路設(shè)備維修中，由于設(shè)備內(nèi)部構(gòu)造比較復(fù)雜，受訓(xùn)人員無法通過肉眼直觀地觀察其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，尤其是對運行過程、運行狀態(tài)的情況更是無法了解。利用3D虛擬技術(shù)，可以通過360°的旋轉(zhuǎn)以及隨意縮放來展示設(shè)備的每個方向結(jié)構(gòu);也可以通過點擊設(shè)備外殼，使該設(shè)備逐漸透明的方法，逐漸清晰地顯示其每一層內(nèi)部結(jié)構(gòu)。另外，可以通過動畫方式觀察內(nèi)部設(shè)備的運行情況，直觀形象地了解設(shè)備的運行狀態(tài)[7]。

6 結(jié)語

智慧教室的研究具有前瞻性，它的設(shè)計要遵循教育學(xué)、心理學(xué)、建筑學(xué)、人體工程學(xué)原理，借助計算機軟硬件技術(shù)，為教學(xué)提供一個靈活舒適、高效互動的學(xué)習(xí)環(huán)境。智慧教室的應(yīng)用要與具體培訓(xùn)內(nèi)容相結(jié)合，根據(jù)培訓(xùn)的性質(zhì)和專業(yè)，設(shè)計不同的方案和教學(xué)應(yīng)用模式。鐵路智慧教室的建設(shè)提升了職工培訓(xùn)的信息化水平，為開展鐵路企業(yè)職工智慧教育打下良好基礎(chǔ)。

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