教學錄播系統在工業機器人教學中的應用研究

文/中山市建斌中學

陳陵鋒

一、教學錄播系統的內涵與特點

(一)內涵闡釋

教學錄播系統是通過整合同步錄制現場產生的視頻、音頻、電子設備(包含電腦、視頻展臺等)的圖像信號，生成標準化的流媒體文件，以直播、存儲、后期編輯、點播等多種形式對所產生的媒體文件進行處理后所得到的教學應用。把錄播系統和學校教學整合起來，在教室安裝高分辨率攝像機、云臺、導播系統、網絡系統等硬件，適當配置固定機位攝像頭和移動攝像頭。通過攝像頭采集教學空間的活動，通過局域網絡上傳至導播系統，經過處理后，師生即可從不同的攝像機視角觀看學習和教學過程，如圖1為教學錄播系統的拓撲圖。同時，教學錄播系統也可以對網上資源進行整合、再現，使學生獲得更多維度的知識體驗，是實現“三全育人”目標的有力技術支撐。教學與錄播系統的有機結合，在教育信息化變革中起到重要作用，這種技術提升給學生以直觀和細節的體驗，特別適合應用于實操性強的科目教學。

圖1 教學錄播系統拓撲圖

(二)主要特點

教學錄播系統具有豐富的功能，如圖2所示為錄播主機控制畫面。

圖2 錄播主機控制畫面

第一，能夠靈活進行授課場景的畫面切換和調度，實現多視頻窗口監視，例如教師授課、生生互動、授課課件、教師板書等都可以實現多窗口的實時播放。學生獲得知識更全面更高效。

第二，能選擇控制每個窗口視頻對應的攝像機云臺和鏡頭進行畫面的角度變換和放大縮小，如圖2所示。突出細節展示，將學生平時的觀察盲區和容易忽略的知識點放大展示，給學生以更直觀的觀察，引發他們思考。

第三，實現“畫中畫”顯示，將不同鏡頭采集的畫面呈現在一個窗口下，小畫面與大畫面視頻可相互切換，完美、真實、準確表達教學互動的生動情景。

第四，具有窗口錄制、視頻后期編輯處理功能。將學生學習過程和教師授課過程錄制下來，有助于學生回看，在做中學，學中做，提高學生自主學習能力。強大的視頻處理功能可以形成高質量的課程建設所需的資料庫視頻。

二、教學錄播系統在工業機器人教學中的應用分析

(一)實時投屏，解決課堂教學一人操作多人圍觀的弊端

根據揚·阿姆斯·夸美紐斯的直觀性教學原則，教學需要讓學生直接感知事物、模型或教師形象的語言和動作。因此，在實操課堂中，教師進行示范操作是必不可少的環節，關鍵的操作過程和技巧、重難點的突出和突破都需要教師的示范引領。對于傳統的課堂，只能是一個教師在工位中邊操作邊講解，幾十個學生圍在教師周圍聽講。這樣的教學示范呈現效果極差，遠離教師中心區域的學生完全看不到操作的關鍵技術點，也無法領會教師所要重點強調的內容。圍在后面的學生注意力游離于課堂，整個課堂看起來毫無秩序，學習效率極低，而且教師操作示范過程中既要講知識又要維持課堂秩序，最后淪為整個課堂只有教師的獨角戲，背離了以學生為中心的教學理念。

工業機器人的實操教學如果用傳統方法，更難開展。工業機器人是精密的自動化設備，動作誤差達到微米級別，比如，利用工業機器人進行焊接時，工件會對焊槍產生干涉，為了避免干涉，就需要微調機器人的姿態，教師將調姿態的關鍵步驟教給學生，就需要有實時同步的畫面投送給學生，讓所有學生都能看到如何正確調整工業機器人姿態。同時工業機器人示教器的顯示器尺寸只有10英寸左右，上面顯示的程序、速度、I/O等關鍵信息的字體都比較小，如果不通過具有實時放大功能的攝像頭，學生就無法看清教師對工業機器人編程、設置、開發等操作的關鍵信息和操作步驟。針對這些問題，使用錄播系統進行實時投屏就可以完美解決，將錄播系統與大屏幕通過HDMI高清數據線連接，將攝像頭采集的教師或學生操作過程實時投放出來(如圖3所示)。這樣，學生就可以坐在座位上觀察操作細節并進行討論，教師也可以一邊操作機器人一邊在屏幕對關鍵信息進行批注，與全體學生互動，有效解決了教師反復講解而學生不得其法的窘境。學生有序坐在座位上聽講解，看操作，做筆記，將注意力聚焦于課堂，課堂效率大大提高。

圖3 錄播畫面投屏到大屏幕

(二)全過程記錄，學習行為有跡可循

學生的學習過程就是“學習-實踐-學習”辯證交替的過程。對于理論性強的科目，學生通過書面解題、論述、筆記等形式可以較完整記錄學習過程和學習行為，反思學習過程中的不足，進而改進，做到有的放矢。但是中職工業機器人教學側重于操作技能的掌握，此類學習過程具有即時性和不可重復性的特點。引入教學錄播系統就可很好地解決傳統手段無法對學生學習行為真實再現的問題，錄播系統具有強大的窗口錄制功能，配上數百萬級像素的攝像頭就可全程記錄每個學生的操作過程，學生也可以隨時回放查看自己學習過程中做得好和不好的方面，及時修正錯誤的操作。如圖4所示是工業機器人實訓室配置的錄播系統，每個工作站都有一個固定機位攝像頭和一個移動攝像頭，固定機位可以記錄工作站總體畫面，移動攝像頭則記錄細節畫面。

圖4 工業機器人實訓室錄播系統布局圖

攝像頭都可以通過平板電腦(便攜式導播終端)進行角度調節和畫面放大縮小，教學過程中教師也能隨時控制。如圖5所示是錄播系統“畫中畫”的顯示窗口，例如進行工業機器人碼垛操作的時候，可以將機器人碼垛的動作放在一個畫面，將示教器的屏幕信息放在另一個畫面，學生不僅可以看到機器人每個關節的動作和碼垛的過程，還能看到示教器上碼垛配置信息和編程過程，兩個畫面結合在一起就是完整的實際的操作過程。如果需要更多信息呈現，還可以分成三畫面、四畫面等。將兩個畫面同時記錄到一個窗口并錄制下來，學生就可以清楚地看到機器人的動作和示教器的操作過程，每一步都清晰記錄下來，學生在課前、課中、課后都可以通過平臺進行回放觀察。全過程記錄學生學習痕跡，有助教師進行學情分析，學生分組更科學，也有利于培養學生獨立思考的習慣。

圖5 “畫中畫”分屏顯示效果

圖6 平行班對比圖

(三)借助技術升級，促進工業機器人課程建設

工業機器人專業在近5年才開始較大范圍在中職學校開設，對很多學校來說都是新專業，很多教學配套不完善，課程建設進度有待進一步加快，在現有資源中很難找到工業機器人優秀的課例。教學錄播系統的引入是信息化、智慧化課堂的最好表現形式。新專業只有在新技術的加持下才能迸發出更強的生命力，課程建設才能快速推進。教師可以通過錄播系統進行工業機器人微課建設，因為有穩定、高清的錄像技術，還有后期剪輯的功能，微課做出來的質量都很高；錄播系統不僅可以輔助教學，還可以將整個教室的教學活動錄制下來，一堂課就是一個優秀的課例，不斷豐富校本工業機器人教學視頻資源；網絡系統可以將好的教學案例進行同步直播，分享先進的技術和教學理念，萬人同上一堂課有了強大的技術支撐。這樣就可以快速高效建成有本校特色的工業機器人課程，每個專業課教師、信息教師都可以參與其中，形成一個開放、生動的教學教研實踐場所。

三、教學錄播系統在工業機器人教學中的應用效果

教學錄播系統在工業機器人教學中產生了良好的效果，通過在線學習平臺數據反饋、問卷、平行班對比等形式可以看到，與傳統的工業機器人課堂教學相比成效明顯。100%的學生認為教學錄播系統有助學習效率的提升，95.4%的學生會通過錄播系統記錄的學習過程反思自己學習工業機器人時出現的問題。與平行班對比，學生學習效率顯著提高。

四、教學錄播系統在工業機器人教學中存在的問題

(一)教師用不好

錄播教室的建設費用不菲，很多學校投入大量資金建設，結果只有很少的教師會用或者堅持用。這一方面與教師本身的信息化能力有關，另一方面學校沒有組織信息化能力強的教師組成團隊成立專門的培訓部門。再者，沒有與建設方達成長期培訓的協議，導致驗收交付后，沒有后續技術支持。

(二)教師不想用

目前教學錄播系統建設企業良莠不齊，很多相關企業將大量的時間與精力傾注于產品本身，只是簡單地“將技術做出來，將產品賣出去”，而忽略教育的真正內涵，導致產品不切實際，違背教育規律，所以教師棄之不用。

五、結束語

教學錄播系統在實時投屏、知識再現、遠程教學和課程建設等方面具有強大的輔助作用。工業機器人教學課程新、教學內容要求細節呈現多、學生需要隨時回看內容，因此教學錄播系統非常契合工業機器人這門課程的特點。從教學實踐來看，也反饋出教學錄播系統對學生進行知識掌握、知識總結和知識延伸有很大的幫助，非常值得在工業機器人教學中推廣。