鐵路企業智慧教室建設研究

陳藝

摘 ?要 隨著高速鐵路快速發展，高新技術、現代化新裝備廣泛應用，職工培訓越來越重要。為適應新形勢下職工培訓的需要，利用物聯網、云計算、大數據、多媒體等技術，給職工培訓提供良好的學習環境，是加強職工教育信息化的一項重要工作。闡述當前多媒體教室在教學中遇到的困境，概括國內專家學者提出的智慧教室概念，分析智慧教室的功能特征，最后就鐵路企業職工培訓智慧教室建設進行探討。

關鍵詞 智慧教室;鐵路企業;職工培訓;智慧教育;智慧教學系統;多媒體教室;電子白板

中圖分類號：G481 ? ?文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2019）21-0027-04

1 前言

教室是教師向學生傳授知識的場所。隨著科技發展，教室的功能發生很大變化，出現多媒體教室、網絡教室、數字教室、微機教室、語音教室等各類專用教室;課堂教學形式也隨之變化，逐漸由課內向課外拓展，出現網絡課、慕課、微課、翻轉課堂、空中課堂等多種教學方式。授課場所不再以傳統意義上的教學為主，正朝著多樣化、個性化、專業化、智能化方向轉變。在IBM提出“智慧地球”概念之后，智慧交通、智慧教育、智慧校園、智慧教室應運而生，目前對智慧教室的研究還處于初級階段，沒有統一的標準和規范。因此，本文試圖通過對智慧教室的基本功能特征進行分析，為鐵路企業智慧教室的建設和應用提供參考。

2 當前多媒體教室的發展困境

進入21世紀以后，隨著計算機的普及，鐵路職工教育的培訓教室也由過去“粉筆+黑板”的傳統模式轉變為“計算機+投影”的多媒體模式。這種授課環境在一定程度上節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，提高了課堂教學效率，但是依然沒有擺脫以教為主的“傳遞—接受”式的教學模式。從布盧姆認知教學目標的角度來說，雖能滿足學習者識記、理解、運用低層次教學認知目標的培養，但不利于分析、綜合、評價高層次認知目標的培養。歸納其原因，主要表現在三個方面。

1）多媒體教學內容的顯現形式限制了學員對知識的內化。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，將教材的大部分內容直接粘貼到課件中，靜態文字居多，信息量超載，課件演示過快，學員來不及做筆記，思路跟不上，很難快速消化，影響聽課效果。另外，有些授課內容需要在傳統教室的黑板上進行一步步推導和演算，多媒體設備卻很難做到，容易導致學員思維的不連貫。

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、鼠標和計算機屏幕上，無暇顧及學員的反應，不了解學員的接受程度，成了變相的“電灌”式教學。另外，學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”的傳統教育理念，在課堂教學過程中不利于學員主體性的發揮，限制了學員的實踐能力和創新能力，影響了師生之間、生生之間的交流互動，給學員以“我是觀眾或聽眾”的心理暗示，與現代教育所提倡的平等、主動、協作、探究等教學理念背道而馳。

3）多媒體教室的環境影響了學員的身心健康。多媒體教室一般門窗緊閉、通風不好、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，產生頭暈眼花、耳鳴胸悶癥狀，不利于學員的身心健康[1]。

3 智慧教室的概念

關于智慧教室的概念界定，不同專家學者有著自己的看法和理解。何文濤等認為，智慧教室是指配置了多種現代媒體技術以供教學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網信息檢索、分析與呈現服務[2]。張亞珍等認為，智慧教室是借助于普適計算機技術、物聯網技術、云計算技術和智能技術等構建起來的促進學生構建知識的智慧學習空間[3]。黃懷榮等認為，智慧教室是通過網絡技術、傳感技術、富媒體技術、人工智能等技術來改善學習環境的教室，并提出SMART概念模型，即教學內容呈現能力、教室環境布局與管理便利性、教學資源獲取能力、及時高效的互動能力和情境感知能力[4]。

筆者認為，智慧教室是在現代教育理論指導下，結合現代信息技術，深度融合教學環境，促進師生互動和體驗，實現教學最優化的學習環境。

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該包括多屏顯示系統、自動錄播系統、智慧教學系統、全面感知系統和設備安保系統。

多屏顯示系統 ?多屏顯示系統反映教學信息的呈現能力。教學顯示屏幕具備高清晰、高分辨率，將教學內容多屏幕、多角度地進行展現，極大滿足了學員對學習材料的認知需求。多屏顯示系統主要包括呈現教學內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的LED電子顯示屏設備。研究表明，教學內容的多屏顯示便于學員觀察比較，特別是能夠顯示一個或多個學生計算機桌面圖像，有利于開展互動式教學。實際應用表明，三屏系統能夠顯著改善教學過程，提高課堂注意力，激發學生參與教學的積極性，提升教學質量[5]。LED電子顯示屏由大量半導體發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據（室內溫度、濕度、光照度、噪聲強度和二氧化碳濃度等）。

自動錄播系統 ?自動錄播系統是智慧教室的標準配置，也是實現優質教學資源共享和師資培養的重要途徑。其架構主要由音視頻信號采集系統（拾音器、攝像機）、全自動定位跟蹤系統（行為識別）、錄播軟件系統組成。系統主要通過拾音器、攝像機對教師的講課內容進行全過程拍攝和錄音，根據教師、學員的行為舉止進行智能跟蹤，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，利用網絡可以實現實時直播或點播回放。

每個學員的認知能力各不相同，部分學員可以輕松理解課堂知識點，而有的學員需要在課下循環再學習，才能掌握所學內容。錄播系統把學員將課堂筆記打包回家的愿望變成現實，錄制的視頻課件上傳到云平臺形成課程資源庫，不僅有利于學員自主訂閱課程進行預習、復習或自學，提升學習質量，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、教案設計、個人儀表、聲音高低和語速快慢等教學細節，能對教學各環節進行反思和評價，從而發現不足之處，加以改進，提高教學水平。

智慧教學系統 ?智慧教學系統是智慧教室開展教學活動的重要模塊，主要由備課系統、課堂互動、教學評價和考勤系統構成。

1）備好課是上好課的前提。備課系統提供不同課程的備課模板，教師只需根據課程標準的要求，將與教學內容相關的學習指導、教案課件、課堂測驗、案例分析、圖形動畫、視頻專輯、課后作業等素材上傳到云平臺即可。同時，物聯網中大量的相關教育資源可供教師借鑒、使用，如優秀教師的課例或其他現成的CAI課件等，讓自己的教案設計更完美。

2）互動是課堂教學的核心，智慧課堂是高互動的學習空間：以教學過程為導向，能夠充分發揮學習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習空間[6]。課堂互動包括人與人的互動、人與機的互動和人與環境的互動。

①人與人的互動是指教師和學員之間的交流互動，教師發布指令，學員通過互動設備進行反饋，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備之間的操作行為，所有互動設備要求界面必須導航清晰、簡單易學，使用起來盡量符合人的操作習慣，用觸摸手寫、語音輸入等方式來代替鍵盤鼠標，使人機互動體驗更加自然。

③人與環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，支持各種教學活動。桌椅設計可以自由擺放，既可組成圓形、扇形，也可拆開擺成秧苗式布局。比如根據教學內容要求和課程安排，課堂教學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，并依據學員工作性質、學習興趣、業務能力形成不同學習共同體，方便對一些專業知識展開深入討論和交流，有利于實現對所學知識的鞏固、理解和加深。另外，桌椅選擇除了顏色搭配和材質環保等因素外，還要根據人機工程學原理來選擇適合人體的尺寸，以滿足長時間學習的舒適要求。

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

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

全面感知系統 ?全面感知系統主要由燈光照明、空調機、新風系統、電動門窗等設備組成，表征了智慧教室對物理環境參數的調控能力。利用各種傳感器和控制器，實時監控教室燈光亮度、氣溫濕度、空氣質量指標等參數，自動調節教室內的相關設備，比如：根據室外天氣的陰晴，自動調節窗簾的開合和燈光的亮度;根據室內空氣二氧化碳濃度和溫度，自動控制新風系統和空調的開關等。通過設備的調節，使教室內的聲音、光線、溫度、空氣達到適合學員身心健康的狀態。

設備安保系統 ?設備安保系統是對教室的財產和安全進行管理，包括設備管理系統、安保監控系統等。設備管理系統是指對教室內的所有設備資產定制“身份證”（存有設備詳細信息的RFID標簽），并在教室門口安裝高頻讀卡器，對進出教室通道的設備進行監控（沒有經過授權的人員將室內設備帶出教室時，系統會自動報警），便于設備管理員對教室設備進行統一管理。安保監控系統由監控攝像頭、監控服務器、監視屏等組成，教室內外各安裝一臺監控攝像頭，24小時不間斷開機，實時監控人員和設備出入教室情況，保證設備和資產的安全。

5 鐵路企業智慧教室建設探討

在實際應用中，要以職工培訓需求為導向，結合單位多媒體教室現有條件，根據培訓的內容、目標、規模、特點等要求進行定制，這是智慧教室建設的關鍵。智慧教室建設主要包括桌椅布局、內容展現、教學互動、自動錄播、智能管理和全面感知等方面的內容。依據應用目標的不同，可以分為標準型智慧教室、遠程型智慧教室和VR型智慧教室。

標準型智慧教室 ?標準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，能夠根據培訓任務和內容的需要進行改變。在內容展現上，可以采用多屏顯示的方式呈現教學內容，教室前方墻上固定安裝雙屏86寸的觸摸一體機電子白板，一屏顯示教學內容，一屏顯示教師和學員交互的手寫內容，也可用作同時顯示教學過程中的對比內容。根據教室空間大小，在四周設置至少四個移動32寸的觸摸一體機電子白板，主要用于小組合作學習和探究式學習，可以和教室主屏同步顯示教學內容，也可顯示小組的具體學習討論內容。在教學互動上，師生既可在電子白板中進行互動，也可用手持設備（PAD、手機、搶答器等）進行交流反饋，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、一部學員攝像機，能夠自動跟蹤教師授課、學員聽課情況，全程錄制教學內容，并能根據教師提問、學員發言進行特寫拍攝。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備、各類網絡設備、各種控制器等設備。在全面感知上，要安裝多種傳感器，對聲、光、電、溫、氣等參數進行實時檢測，保證燈光、窗簾、空調、新風系統等設備適宜學員身心健康。另外，利用RFID對考勤、設備資產進行自動管理。

遠程型智慧教室 ?遠程型智慧教室由一個教師端+多個學員端教室組成，學員端教室不受地理位置的限制，各教室之間通過高速網絡無縫連接、互聯互通。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，設置少量的桌椅，也可不設置;學員端教室的桌椅相對靈活，秧苗式、圓形或矩形均可。在內容展現上，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，功能同標準型智慧教室一樣;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生端教室的上課情況。學生端教室呈現方式比較靈活，投影儀、拼接屏、LED屏、液晶電視均可，還可以根據教室大小配置屏幕尺寸和個數。在教學互動上，支持手勢識別的自然交互方式，同樣可以用手持設備（PAD、手機、搶答器等）進行交流反饋。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，學生端教室屏幕顯示教學內容;在師生交流互動時，學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，根據具體情況可以選擇是否安裝傳感器、RFID射頻識別器。遠程型智慧教室主要突出錄播和互動環節，能夠滿足人數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場所，設備比較大，適合于分組分批訓練，以掌握實際操作技能為主，比如機車模擬駕駛仿真實訓教室。

虛擬現實教室是將虛擬現實技術與教學場景相融合，集軟硬件和VR資源于一體，把抽象概念具象化，實現體驗式教學，為學生創設接近真實的學習環境。虛擬現實教室整合了標準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習各類場景與設備。它很適合于鐵路各個專業的業務培訓、安全培訓、管理培訓。比如在鐵路設備維修中，由于設備內部構造比較復雜，受訓人員無法通過肉眼直觀地觀察其內部結構，尤其是對運行過程、運行狀態的情況更是無法了解。利用3D虛擬技術，可以通過360°的旋轉以及隨意縮放來展示設備的每個方向結構;也可以通過點擊設備外殼，使該設備逐漸透明的方法，逐漸清晰地顯示其每一層內部結構。另外，可以通過動畫方式觀察內部設備的運行情況，直觀形象地了解設備的運行狀態[7]。

6 結語

智慧教室的研究具有前瞻性，它的設計要遵循教育學、心理學、建筑學、人體工程學原理，借助計算機軟硬件技術，為教學提供一個靈活舒適、高效互動的學習環境。智慧教室的應用要與具體培訓內容相結合，根據培訓的性質和專業，設計不同的方案和教學應用模式。鐵路智慧教室的建設提升了職工培訓的信息化水平，為開展鐵路企業職工智慧教育打下良好基礎。

參考文獻

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[2]何文濤，楊開城，張慧慧.智慧教室環境下協作學習的行為構成及其特征分析[J].電化教育研究，2017（11）：87-95.

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