基于沉浸式教学的电力智慧教室构建与创新应用

何泽家, 孙蓉, 郑家滨, 唐锦, 邵剑, 张力, 崔林

(国网江苏省电力有限公司 电力科学研究院， 江苏 南京 211100)

0 引言

早在20世纪六十年代，国外就已经开始应用沉浸式教学方法，国内在引入该教学方法后，将其应用于高校双语教学之中[1]。随着科学技术的发展和新的科技信息革命，基于人工智能的现代教学可以通过虚拟现实VR技术、增强现实AR技术等不断改善高校教学培养策略，提升教学效果[2-3]。沉浸式的教学方法可以广泛应用于各个专业的教学之中，特别是对于传统教学中难以理解或者难以进行实操的教学课程，则可以利用虚拟现实技术开展教学[4]。为了能够更好开展教学任务，基于现代传感器技术、互联网技术、多媒体技术等装备教室以改善学习环境成为当前教学的一个重要方向[5]。智慧教室已经逐渐成为一种典型的智慧学习环境，这也是当前时代背景下智慧学习的必然选择[6]。电力专业的教学具有复杂性和多样性的特点，对于电力理论教学及实操演练等，基于智慧教室的沉浸式教学能够起到非常好的教学效果。此次构建沉浸式智慧教室应用于电力教学中，从而为电力智慧教学提供一定的理论研究。

1 基于电力沉浸式教学的智慧教室构建

1.1 整体规划

智慧教室的规划构建是对原有的多媒体教室进行改建和完善，将原本设置投影幕布的位置改成场景舞台，面积约为24m2，具体包含了投影仪安装、投影幕布安装、舞台框架搭建、行为分析设备安装、录播设备安装等工程。具体的平面布置，如图1所示。

图1 智慧教室平面布置图

智慧教室面向的是电力学习的所有学习者，设计容纳人数在60人左右，主要包含如下几项功能：(1) 实现电力培训的场景化教学，可以根据不同的教学内容来对应改变教学场景；(2) 实现教学资源的统一化管理，整合既有的教学资源，可以让教师和学生能够调用所需教学资源；(3) 能够兼容VR设备，在教师的指导下，学生能够利用VR设备进行沉浸式投影设备观摩；(4) 智慧教室内安装的班牌可以显示教学相关信息。

1.2 设备配置

为了实现智慧教室的多项功能，兼容原有的多媒体教室各项设备及功能，此次主要是满足沉浸式教学的多项设备、软件等，主要包含了智能场景控制讲台、智能场景教室操作端、智能场景教室无线控制App、富媒体资源编辑软件、沉浸式投影设备、沉浸式舞台教学资源存储平台、多媒体班牌等、智慧云录播设备和教学行为识别摄像头。主要功能，如表1所示。

表1 主要的设备配置

以智能场景控制讲台为例，师生可以通过控制讲台上的三维/VR课程内容、录播软件系统、行为跟踪分析系统、多媒体班牌系统，为学员沉浸式、可视化教学提供应用场景，同时可结合融媒体、智能分析等为多媒体功能教室打造智能教学应用环境，实现智慧场景沉浸式教学的应用落地。智能场景控制讲台，如图2所示。

图2 多媒体班牌示意图

2 基于电力沉浸式教学智慧教室的教学效果分析

2.1 教学实验

为了验证基于智慧教室的沉浸式电力教学模式能够改进传统教学模式下的各项不足，通过设置教学组和实验组来进行对比分析，了解在经历相同教学课时后学生的学习积极性、学习兴趣、学习效果等。实验组和对照组的学生人数均为45人，实验时间为2019年9月-2019年10月，教学过程中，教学实验班和对照班的所有教学资源都一致，每周安排4课时的教学时间。实验有两个假设，具体假设如下。

假设1：基于智慧教室的电力沉浸式教学能够提升学生参与学习的积极性。

自变量：基于智慧教室的电力沉浸式教学。

因变量：学生参与学习的积极性。

通过观察教师所布置作业学生上交作业的情况来定量分析。

假设2：基于智慧教室的电力沉浸式教学可以提升学生的电力专业综合能力。

自变量：基于智慧教室的电力沉浸式教学。

因变量：学生电力专业理论及实操能力。

实验一共分为三个阶段，分别是实验准备阶段、教学实验过程以及教学数据收集和分析阶段。对照班采用的是传统的教学模式，实验班采用的是基于智慧教室的电力沉浸式教学。在智慧教室下的教学模式包含了多个教室教学和学生学习的步骤，从而形成了课前、课中和课后的完整课堂教学过程，如图3所示。

图3 基于智慧教室的沉浸式教学设计

2.2 教学实验效果

通过对比分析实验班和对照班的作业提交情况，来对比分析学生参与课程的积极性。两个班级完成作业并上交的情况，如表2所示。

表2 对照班和实验班上交作业情况对比分析

从表2中可以看出，实验班的交作业数量要显著多余对照班的，其中实验班的交作业率为88.89%，对照班的交作业率为71.11%，且交作业率的检验结果p=0.032<0.05，说明其具有显著性差异。之所以会出现这种情况，是由于智慧教室便捷的操作系统和教学流程，学生更积极参与到课堂之中，且尽可能根据教室要求来完成并提交作业。

为了对比分析实验班和对照班的教学实验效果，对两个班级进行对比实验前和试验后的综合能力测试分析，总分100分，测得的结果，如表3所示。

表3 实验班和对照班的教学实验前后测试得分情况

进一步经k-s法检验，实验班和对照班的测试分数均服从于正态分布，因而基于t检验来分析前测和后测的得分差异，如表4所示。

表4 实验班和对照班的前测和后测得分分析

从表4中可以看出，前测得分检验结果p=0.347>0.05，说明二者成绩无显著性差异，具有可比性。经过教学试验后，实验组的检验结果p=0.001<0.05说明存在显著性的统计学差异。由此可见，改进后的教学实验方法显著提升了学生的成绩。

进一步将对照班和实验班的教学实验前和教学试验后的得分差值进行对比分析，基于k-s法检测到二者的分数差值均服从于正态分布，因而进行t分析检验，如表5所示。

表5 实验班和对照班教学实验前后的成绩差分析

从表5中对比分析的结果可以看出，实验班后测成绩相对于前测成绩提高了7.04±2.04，对照班的后测成绩相对于前测成绩提高了2.27±1.92，检验结果p=0.000<0.05，可见实验班和对照班在经过教学后都有显著的差异，实验班的效果更优于对照班，说明基于智慧教室环境的电力沉浸式教学对学生提升综合能力有着正面的影响作用。

3 总结

沉浸式教学进入中国虽然已经有了很长一段时间，但是却几乎很少应用到实际教学中。与此同时，多媒体教室在中国已经十分普遍，但是智慧教室却寥寥无几。面对电力教学的复杂性，此次引入智慧教室环境下的沉浸式教学方法，在2019年9月-2019年10月开展教学实验，分别设置实验班和对照班，人数均为45人。通过对照教学实验判断学生参与课程的积极性以及教学实验前后成绩提升情况。对照班交作业率和实验班交作业率分别为71.11%、88.89%，教学前后对照班的分数差值为2.27±1.92、实验班的教学前后测得分数差值为7.04±2.14。综合分析可以看出，实验班学生的学习积极性要高于对照班，学习成绩提升的效果更好。