基于沉浸式教學(xué)的電力智慧教室構(gòu)建與創(chuàng)新應(yīng)用

何澤家, 孫蓉, 鄭家濱, 唐錦, 邵劍, 張力, 崔林

(國網(wǎng)江蘇省電力有限公司 電力科學(xué)研究院， 江蘇 南京 211100)

0 引言

早在20世紀(jì)六十年代，國外就已經(jīng)開始應(yīng)用沉浸式教學(xué)方法，國內(nèi)在引入該教學(xué)方法后，將其應(yīng)用于高校雙語教學(xué)之中[1]。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和新的科技信息革命，基于人工智能的現(xiàn)代教學(xué)可以通過虛擬現(xiàn)實VR技術(shù)、增強現(xiàn)實AR技術(shù)等不斷改善高校教學(xué)培養(yǎng)策略，提升教學(xué)效果[2-3]。沉浸式的教學(xué)方法可以廣泛應(yīng)用于各個專業(yè)的教學(xué)之中，特別是對于傳統(tǒng)教學(xué)中難以理解或者難以進行實操的教學(xué)課程，則可以利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)開展教學(xué)[4]。為了能夠更好開展教學(xué)任務(wù)，基于現(xiàn)代傳感器技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、多媒體技術(shù)等裝備教室以改善學(xué)習(xí)環(huán)境成為當(dāng)前教學(xué)的一個重要方向[5]。智慧教室已經(jīng)逐漸成為一種典型的智慧學(xué)習(xí)環(huán)境，這也是當(dāng)前時代背景下智慧學(xué)習(xí)的必然選擇[6]。電力專業(yè)的教學(xué)具有復(fù)雜性和多樣性的特點，對于電力理論教學(xué)及實操演練等，基于智慧教室的沉浸式教學(xué)能夠起到非常好的教學(xué)效果。此次構(gòu)建沉浸式智慧教室應(yīng)用于電力教學(xué)中，從而為電力智慧教學(xué)提供一定的理論研究。

1 基于電力沉浸式教學(xué)的智慧教室構(gòu)建

1.1 整體規(guī)劃

智慧教室的規(guī)劃構(gòu)建是對原有的多媒體教室進行改建和完善，將原本設(shè)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(shè)備安裝、錄播設(shè)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(xué)習(xí)的所有學(xué)習(xí)者，設(shè)計容納人數(shù)在60人左右，主要包含如下幾項功能：(1) 實現(xiàn)電力培訓(xùn)的場景化教學(xué)，可以根據(jù)不同的教學(xué)內(nèi)容來對應(yīng)改變教學(xué)場景；(2) 實現(xiàn)教學(xué)資源的統(tǒng)一化管理，整合既有的教學(xué)資源，可以讓教師和學(xué)生能夠調(diào)用所需教學(xué)資源；(3) 能夠兼容VR設(shè)備，在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生能夠利用VR設(shè)備進行沉浸式投影設(shè)備觀摩；(4) 智慧教室內(nèi)安裝的班牌可以顯示教學(xué)相關(guān)信息。

1.2 設(shè)備配置

為了實現(xiàn)智慧教室的多項功能，兼容原有的多媒體教室各項設(shè)備及功能，此次主要是滿足沉浸式教學(xué)的多項設(shè)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(shè)備、沉浸式舞臺教學(xué)資源存儲平臺、多媒體班牌等、智慧云錄播設(shè)備和教學(xué)行為識別攝像頭。主要功能，如表1所示。

表1 主要的設(shè)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(nèi)容、錄播軟件系統(tǒng)、行為跟蹤分析系統(tǒng)、多媒體班牌系統(tǒng)，為學(xué)員沉浸式、可視化教學(xué)提供應(yīng)用場景，同時可結(jié)合融媒體、智能分析等為多媒體功能教室打造智能教學(xué)應(yīng)用環(huán)境，實現(xiàn)智慧場景沉浸式教學(xué)的應(yīng)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(xué)智慧教室的教學(xué)效果分析

2.1 教學(xué)實驗

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

假設(shè)1：基于智慧教室的電力沉浸式教學(xué)能夠提升學(xué)生參與學(xué)習(xí)的積極性。

自變量：基于智慧教室的電力沉浸式教學(xué)。

因變量：學(xué)生參與學(xué)習(xí)的積極性。

通過觀察教師所布置作業(yè)學(xué)生上交作業(yè)的情況來定量分析。

假設(shè)2：基于智慧教室的電力沉浸式教學(xué)可以提升學(xué)生的電力專業(yè)綜合能力。

自變量：基于智慧教室的電力沉浸式教學(xué)。

因變量：學(xué)生電力專業(yè)理論及實操能力。

實驗一共分為三個階段，分別是實驗準(zhǔn)備階段、教學(xué)實驗過程以及教學(xué)數(shù)據(jù)收集和分析階段。對照班采用的是傳統(tǒng)的教學(xué)模式，實驗班采用的是基于智慧教室的電力沉浸式教學(xué)。在智慧教室下的教學(xué)模式包含了多個教室教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)的步驟，從而形成了課前、課中和課后的完整課堂教學(xué)過程，如圖3所示。

圖3 基于智慧教室的沉浸式教學(xué)設(shè)計

2.2 教學(xué)實驗效果

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

表2 對照班和實驗班上交作業(yè)情況對比分析

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

為了對比分析實驗班和對照班的教學(xué)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(jié)果，如表3所示。

表3 實驗班和對照班的教學(xué)實驗前后測試得分情況

進一步經(jīng)k-s法檢驗，實驗班和對照班的測試分?jǐn)?shù)均服從于正態(tài)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(jié)果p=0.347>0.05，說明二者成績無顯著性差異，具有可比性。經(jīng)過教學(xué)試驗后，實驗組的檢驗結(jié)果p=0.001<0.05說明存在顯著性的統(tǒng)計學(xué)差異。由此可見，改進后的教學(xué)實驗方法顯著提升了學(xué)生的成績。

進一步將對照班和實驗班的教學(xué)實驗前和教學(xué)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?jǐn)?shù)差值均服從于正態(tài)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(xué)實驗前后的成績差分析

從表5中對比分析的結(jié)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(jié)果p=0.000<0.05，可見實驗班和對照班在經(jīng)過教學(xué)后都有顯著的差異，實驗班的效果更優(yōu)于對照班，說明基于智慧教室環(huán)境的電力沉浸式教學(xué)對學(xué)生提升綜合能力有著正面的影響作用。

3 總結(jié)

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