基于课堂实时动态互动的交通运输设备课程方案设计

周桂良 毛丽娜 黄东辉 程晓凡

摘  要：文章根据交通运输设备课程特点，以师生高效实时互动、学生主动参与、构建高质量教学环境为目标，以基于物联网技术的智慧教室为硬件基础，以智慧教室六大子系统为技术支撑，以师生情感互动为填充设计课程互动教学方案。方案分为课前预习、课中学习、课后复习三个模块，全面涵盖情景导入、教师讲解、及时测评、实时互动、课堂讨论、个性教学、学生展示、反馈评价、复习巩固等教学环节，并选取交通运输设备课程中汽车构造部分的教学为方案设计实施案例，实现了师生实时互动的高效性与有效性。课程设计方案符合未来信息化教学改革中多维性、集成性、交互性、实时性和沉浸性发展的需求。

  关键词：动态互动;智慧教室;课程方案设计

  中图分类号：G642    文献标识码：A

Abstract： According to the features of transportation equipment course， this paper designs the interactive teaching scheme aiming at efficient real-time interaction between teachers and students， active participation of students and construction of high-quality teaching environment. The design takes the smart classroom basing on internet of things as hardware foundation， sets the six subsystems of smart classroom as technical support and fills the emotional interaction between teachers and students. The scheme consists of three modules： pre-class preview， in-class learning and after-class review， which fully covers the teaching links such as scene introduction， teacher explanation， timely evaluation， real-time interaction， classroom discussion， personality teaching， student presentation， feedback， evaluation and review. The design is implemented on the part of automobile structure in transportation equipment course for case study. It realizes the efficiency and effectiveness of real-time interaction between teachers and students and meets the needs of multidimensional， integrated， interactive， real-time and immersive development in the future information-based teaching reform.

Key words： dynamic interaction; smart classroom; course scheme design

  近年来，随着我国社会经济、互联网技术的快速发展，网民数量也快速增长。中国互联网协会发布的《中国互联网发展报告2020》显示截至2019年年底，我国移动互联网用户规模达13.19亿人[1]。互联网技术的广泛应用将互联网+教育、未来教育等教育改革思想逐步融入现代教育改革中，同时VR技术、物联网技术等现代化技术也得到广泛重视。本文通过对交通运输设备课程目前教学方式分析，同时结合本专业学生课程改革需求，提出基于课堂实时动态互动的交通运输设备课程信息方案设计。

1  实时动态互动课程方案研究现状

  随着互联网、物联网等新兴技术发展，新技术融入课堂教学改革已成为必然趋势。针对智慧教室设计和建设方面的研究，有学者强调加入多屏互动、VR教学、智能录播以及智能反馈系统等技术，以此来丰富智慧教室系统[2-5]。在理论研究方面有学者强调现代课程方案的设计应该增加情感互动、学生学习偏好、智慧教育影响因素的研究。通过资料研究显示大多智慧教室存在系统单一、互动性不高、互动范围受限、整体设计不足等问题[6-8]。基于上述问题，本文提出建立基于物联网技术支持的交通运输设备课程实时动态互动信息方案。

2  实时动态互动课程方案整体构架设计

  课程互动方案整体构架主要介绍教师、智慧教室、学生三者之间的互动配合。教師、学生通过各自设备以智慧教室子系统为介质在课前、课中、课后保持实时互动联系，如图1所示。

课前互动环节。该环节是教师通过自带设备登录智能反馈系统设置课程要求与预习内容，智能反馈系统根据课程需求自动设计预习方案，学生登录智能反馈系统完成预习并上传预习内容，系统自动分析预习情况反馈给教师，教师根据反馈调整优化授课内容。

  课中互动环节。该环节由教师进入教室打开智慧教室设备，教师、学生登陆智慧教室系统进行设备连接。教师根据教学要求利用智慧教室各子系统组织学生参与课堂教学，根据每个章节具体知识特点，运用VR等不同技术进行多种互动。同时依据互动结果，实时监控学生学习效果，及时调整互动方案。

课后互动环节。该环节为教师根据系统收集学生整体学习情况分析，设置课后任务，并及时上传至智能反馈系统，并由智能录播系统录制处理上课视频提供学生复习使用。系统根据学生不同学习情况，设计推送个性化复习方案。系统自动分析学生上传资料并对学生学习情况进行定量考核供学生和教师参考。

3  智慧教室技术构架

  物联网是一种协调性网络，包括应用层、平台层、网络层、感知层四个层次。针对实时动态互动的特点，本课程以基于物联网技术的智慧教室为基础，利用局域网、ZigBee网关作为智慧教室基本网络支撑，对各种设备、系统进行联结，并运用多源数据技术获取教室、教师教学、学生学习各种信息进行分析处理，如图2、图3所示。

4  实例分析

（1）课前预习互动

  教师将汽车构造章节教学要求上传智能反馈系统，系统根据要求推送预习资料。学生通过自带设备登录系统并根据预习要求和计划完成该次预习内容，了解汽车组成的四大部分以及相关构件运行原理。系统根据学生预习情况分析得出预习整体概况，教师根据预习情况加强学生弱项备课内容，如图4所示，教师需要优化教学课件中发动机、底盘内容并在课堂中重点加强对发动机、底盘知识点的讲解。

（2）课中互动教学

签到识别：课程开始前5分钟进行人脸识别签到环节，监控会对进入和已经在教室学生面部识别签到，为防止学生中途无故缺席，人脸识别系统会在课程开始后定时对教室内学生人脸进行统一扫描比对以确定学生是否还在教室內。

  情景导入，任务驱动：教师利用教学屏幕播放汽车运行原理视频、展示不同汽车构造，教师提出问题引发学生思考，例如：简述汽车动力的传输过程。

  课件展示，教师讲解：该环节在教师与学生对本节课程有一定互动交流的基础上，教师登录账号打开智能反馈系统中的汽车构造教学资料，为学生讲解汽车构造课程，着重讲解学生预习难点。在这个环节中会穿插以下环节：

  团队氛围，情感互动：生生互动根据课堂要求成立小组，组长协调小组学习讨论，也可以进行小组间的讨论;师生互动包括课堂眼神，肢体交流、情感互动，语言交流、提问环节，激发思考等互动环节。

  实时记录，平台互动：学生在课堂开始前登录智能反馈系统打开汽车构造章节课件，学生会在教师讲解过程中，同步看到教学屏幕资源，通过自带设备同步在自己屏幕上做笔记、标记知识模糊点。

  实时测评，及时反馈：教师对当前知识点讲解结束后智能反馈系统实时弹出测评题目，学生作答并将结果实时反馈。

  人脸识别，实时监测：该环节通过人脸识别系统对课堂学生面部表情、眼神、动作进行监测，判断学生课堂专注情况。如系统判断学生长时间走神或注意力不集中，则通过学生设备实时提醒学生。

  VR辅助，立体学习：教师可在情景导入环节及课堂教学中利用VR视频展示发动机、车身、车辆电气设备、底盘结构等，增强学生对车辆的立体感知。完成某部分知识点讲解后可借助VR视频互动，如完成发动机部分讲解，指导学生观看VR发动机视频，同时可通过体感鼠标控制视频暂停、开始、调取文字介绍等，还能将零件从设备中分离出来单独展示。理论部分讲解完成后可通过VR虚拟设备辅助学生模拟拆装发动机和底盘进行虚拟仿真实验。

  多屏互动，即时讨论：以多屏互动系统为基础，可实现师生、生生及人机即时互动。教师根据课程内容设置讨论议题，如议题为发动机气缸不同排列方式的优缺点，指导学生进行小组讨论。各组员通过学生设备输出观点，由多屏互动系统整理小组成员观点形成小组结论并标记不同组员观点;小组之间通过多屏互动系统交流小组观点，达成小组间讨论，最后由教师对各组讨论结果进行评价与总结。该环节需要教师全程主动参与各小组的组内讨论，即时引导，有序推进，达到教学有效反馈。

  （3）课后复习巩固

  以汽车构造章节为例，在该板块课程结束后智能反馈系统会及时收集教学过程信息，主要包括教师讲授内容，学生学习情况等，并根据分析结果发布复习计划。如系统分析发现某学生发动机部分知识掌握不足，如图5所示，即针对发动机知识点推送讲解视频及相关题目。教师根据教学重点及学生整体学习情况设置复习内容，其中包括章节思维导图绘制，以帮助学生系统理解课程知识。此外，教师需在课后关注课堂参与度较低的学生，通过面谈或手机社交软件加强课后师生交流，提高课堂参与度和学习效果。

5  结  论

  通过调查本专业学生学习本课程后的课程改革需求及目前教学方式存在的问题，本文提出并设计了一个以物联网下智慧教室为基础的互动教学方案。该方案分为课前、课中、课后三个部分，包括智能中央控制与物联网系统、智能录播系统、多屏互动系统、VR智能教学系统、智能反馈系统、人脸识别系统六个子系统，以录播分享、人脸识别、实时记录、VR辅助、多屏互动、系统分析等功能的实现，全面涵盖情景导入、教师讲解、及时测评、实时互动、课堂讨论、个性教学、学生展示、反馈评价、复习巩固等教学环节的实施。选取交通运输设备课程汽车构造部分的教学为本方案实施样本。本方案着眼于提升学生课堂参与度，方便并强化师生互动，打造立体学习环境进行设计，以现代技术提高课堂的科技感，实现师生互动的高效率与有效性。本方案属于理论上的设计探讨，具体实施中还需根据具体课程特点进行调整，仅为实时动态互动教学方案设计提供参考。

参考文献：

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[4] 车启凤，方媛. 多屏互动技术应用于教学的案例设计[J]. 自动化与仪器仪表，2015（11）：113-115.

[5] 张会. 基于VR的互动式教学平台的设计与实现[D]. 成都：电子科技大学（硕士学位论文），2019.

[6] 齐媛媛，楚彤. 关于智慧教室的大学生学习环境偏好与学习策略研究[J]. 中国新通信，2020，22（23）：157-158.

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