基于沉浸式教學的電力智慧教室構建與創新應用

何澤家, 孫蓉, 鄭家濱, 唐錦, 邵劍, 張力, 崔林

(國網江蘇省電力有限公司 電力科學研究院， 江蘇 南京 211100)

0 引言

早在20世紀六十年代，國外就已經開始應用沉浸式教學方法，國內在引入該教學方法后，將其應用于高校雙語教學之中[1]。隨著科學技術的發展和新的科技信息革命，基于人工智能的現代教學可以通過虛擬現實VR技術、增強現實AR技術等不斷改善高校教學培養策略，提升教學效果[2-3]。沉浸式的教學方法可以廣泛應用于各個專業的教學之中，特別是對于傳統教學中難以理解或者難以進行實操的教學課程，則可以利用虛擬現實技術開展教學[4]。為了能夠更好開展教學任務，基于現代傳感器技術、互聯網技術、多媒體技術等裝備教室以改善學習環境成為當前教學的一個重要方向[5]。智慧教室已經逐漸成為一種典型的智慧學習環境，這也是當前時代背景下智慧學習的必然選擇[6]。電力專業的教學具有復雜性和多樣性的特點，對于電力理論教學及實操演練等，基于智慧教室的沉浸式教學能夠起到非常好的教學效果。此次構建沉浸式智慧教室應用于電力教學中，從而為電力智慧教學提供一定的理論研究。

1 基于電力沉浸式教學的智慧教室構建

1.1 整體規劃

智慧教室的規劃構建是對原有的多媒體教室進行改建和完善，將原本設置投影幕布的位置改成場景舞臺，面積約為24m2，具體包含了投影儀安裝、投影幕布安裝、舞臺框架搭建、行為分析設備安裝、錄播設備安裝等工程。具體的平面布置，如圖1所示。

圖1 智慧教室平面布置圖

智慧教室面向的是電力學習的所有學習者，設計容納人數在60人左右，主要包含如下幾項功能：(1) 實現電力培訓的場景化教學，可以根據不同的教學內容來對應改變教學場景；(2) 實現教學資源的統一化管理，整合既有的教學資源，可以讓教師和學生能夠調用所需教學資源；(3) 能夠兼容VR設備，在教師的指導下，學生能夠利用VR設備進行沉浸式投影設備觀摩；(4) 智慧教室內安裝的班牌可以顯示教學相關信息。

1.2 設備配置

為了實現智慧教室的多項功能，兼容原有的多媒體教室各項設備及功能，此次主要是滿足沉浸式教學的多項設備、軟件等，主要包含了智能場景控制講臺、智能場景教室操作端、智能場景教室無線控制App、富媒體資源編輯軟件、沉浸式投影設備、沉浸式舞臺教學資源存儲平臺、多媒體班牌等、智慧云錄播設備和教學行為識別攝像頭。主要功能，如表1所示。

表1 主要的設備配置

以智能場景控制講臺為例，師生可以通過控制講臺上的三維/VR課程內容、錄播軟件系統、行為跟蹤分析系統、多媒體班牌系統，為學員沉浸式、可視化教學提供應用場景，同時可結合融媒體、智能分析等為多媒體功能教室打造智能教學應用環境，實現智慧場景沉浸式教學的應用落地。智能場景控制講臺，如圖2所示。

圖2 多媒體班牌示意圖

2 基于電力沉浸式教學智慧教室的教學效果分析

2.1 教學實驗

為了驗證基于智慧教室的沉浸式電力教學模式能夠改進傳統教學模式下的各項不足，通過設置教學組和實驗組來進行對比分析，了解在經歷相同教學課時后學生的學習積極性、學習興趣、學習效果等。實驗組和對照組的學生人數均為45人，實驗時間為2019年9月-2019年10月，教學過程中，教學實驗班和對照班的所有教學資源都一致，每周安排4課時的教學時間。實驗有兩個假設，具體假設如下。

假設1：基于智慧教室的電力沉浸式教學能夠提升學生參與學習的積極性。

自變量：基于智慧教室的電力沉浸式教學。

因變量：學生參與學習的積極性。

通過觀察教師所布置作業學生上交作業的情況來定量分析。

假設2：基于智慧教室的電力沉浸式教學可以提升學生的電力專業綜合能力。

自變量：基于智慧教室的電力沉浸式教學。

因變量：學生電力專業理論及實操能力。

實驗一共分為三個階段，分別是實驗準備階段、教學實驗過程以及教學數據收集和分析階段。對照班采用的是傳統的教學模式，實驗班采用的是基于智慧教室的電力沉浸式教學。在智慧教室下的教學模式包含了多個教室教學和學生學習的步驟，從而形成了課前、課中和課后的完整課堂教學過程，如圖3所示。

圖3 基于智慧教室的沉浸式教學設計

2.2 教學實驗效果

通過對比分析實驗班和對照班的作業提交情況，來對比分析學生參與課程的積極性。兩個班級完成作業并上交的情況，如表2所示。

表2 對照班和實驗班上交作業情況對比分析

從表2中可以看出，實驗班的交作業數量要顯著多余對照班的，其中實驗班的交作業率為88.89%，對照班的交作業率為71.11%，且交作業率的檢驗結果p=0.032<0.05，說明其具有顯著性差異。之所以會出現這種情況，是由于智慧教室便捷的操作系統和教學流程，學生更積極參與到課堂之中，且盡可能根據教室要求來完成并提交作業。

為了對比分析實驗班和對照班的教學實驗效果，對兩個班級進行對比實驗前和試驗后的綜合能力測試分析，總分100分，測得的結果，如表3所示。

表3 實驗班和對照班的教學實驗前后測試得分情況

進一步經k-s法檢驗，實驗班和對照班的測試分數均服從于正態分布，因而基于t檢驗來分析前測和后測的得分差異，如表4所示。

表4 實驗班和對照班的前測和后測得分分析

從表4中可以看出，前測得分檢驗結果p=0.347>0.05，說明二者成績無顯著性差異，具有可比性。經過教學試驗后，實驗組的檢驗結果p=0.001<0.05說明存在顯著性的統計學差異。由此可見，改進后的教學實驗方法顯著提升了學生的成績。

進一步將對照班和實驗班的教學實驗前和教學試驗后的得分差值進行對比分析，基于k-s法檢測到二者的分數差值均服從于正態分布，因而進行t分析檢驗，如表5所示。

表5 實驗班和對照班教學實驗前后的成績差分析

從表5中對比分析的結果可以看出，實驗班后測成績相對于前測成績提高了7.04±2.04，對照班的后測成績相對于前測成績提高了2.27±1.92，檢驗結果p=0.000<0.05，可見實驗班和對照班在經過教學后都有顯著的差異，實驗班的效果更優于對照班，說明基于智慧教室環境的電力沉浸式教學對學生提升綜合能力有著正面的影響作用。

3 總結

沉浸式教學進入中國雖然已經有了很長一段時間，但是卻幾乎很少應用到實際教學中。與此同時，多媒體教室在中國已經十分普遍，但是智慧教室卻寥寥無幾。面對電力教學的復雜性，此次引入智慧教室環境下的沉浸式教學方法，在2019年9月-2019年10月開展教學實驗，分別設置實驗班和對照班，人數均為45人。通過對照教學實驗判斷學生參與課程的積極性以及教學實驗前后成績提升情況。對照班交作業率和實驗班交作業率分別為71.11%、88.89%，教學前后對照班的分數差值為2.27±1.92、實驗班的教學前后測得分數差值為7.04±2.14。綜合分析可以看出，實驗班學生的學習積極性要高于對照班，學習成績提升的效果更好。