教学录播系统在工业机器人教学中的应用研究

文/中山市建斌中学

陈陵锋

一、教学录播系统的内涵与特点

(一)内涵阐释

教学录播系统是通过整合同步录制现场产生的视频、音频、电子设备(包含电脑、视频展台等)的图像信号，生成标准化的流媒体文件，以直播、存储、后期编辑、点播等多种形式对所产生的媒体文件进行处理后所得到的教学应用。把录播系统和学校教学整合起来，在教室安装高分辨率摄像机、云台、导播系统、网络系统等硬件，适当配置固定机位摄像头和移动摄像头。通过摄像头采集教学空间的活动，通过局域网络上传至导播系统，经过处理后，师生即可从不同的摄像机视角观看学习和教学过程，如图1为教学录播系统的拓扑图。同时，教学录播系统也可以对网上资源进行整合、再现，使学生获得更多维度的知识体验，是实现“三全育人”目标的有力技术支撑。教学与录播系统的有机结合，在教育信息化变革中起到重要作用，这种技术提升给学生以直观和细节的体验，特别适合应用于实操性强的科目教学。

图1 教学录播系统拓扑图

(二)主要特点

教学录播系统具有丰富的功能，如图2所示为录播主机控制画面。

图2 录播主机控制画面

第一，能够灵活进行授课场景的画面切换和调度，实现多视频窗口监视，例如教师授课、生生互动、授课课件、教师板书等都可以实现多窗口的实时播放。学生获得知识更全面更高效。

第二，能选择控制每个窗口视频对应的摄像机云台和镜头进行画面的角度变换和放大缩小，如图2所示。突出细节展示，将学生平时的观察盲区和容易忽略的知识点放大展示，给学生以更直观的观察，引发他们思考。

第三，实现“画中画”显示，将不同镜头采集的画面呈现在一个窗口下，小画面与大画面视频可相互切换，完美、真实、准确表达教学互动的生动情景。

第四，具有窗口录制、视频后期编辑处理功能。将学生学习过程和教师授课过程录制下来，有助于学生回看，在做中学，学中做，提高学生自主学习能力。强大的视频处理功能可以形成高质量的课程建设所需的资料库视频。

二、教学录播系统在工业机器人教学中的应用分析

(一)实时投屏，解决课堂教学一人操作多人围观的弊端

根据扬·阿姆斯·夸美纽斯的直观性教学原则，教学需要让学生直接感知事物、模型或教师形象的语言和动作。因此，在实操课堂中，教师进行示范操作是必不可少的环节，关键的操作过程和技巧、重难点的突出和突破都需要教师的示范引领。对于传统的课堂，只能是一个教师在工位中边操作边讲解，几十个学生围在教师周围听讲。这样的教学示范呈现效果极差，远离教师中心区域的学生完全看不到操作的关键技术点，也无法领会教师所要重点强调的内容。围在后面的学生注意力游离于课堂，整个课堂看起来毫无秩序，学习效率极低，而且教师操作示范过程中既要讲知识又要维持课堂秩序，最后沦为整个课堂只有教师的独角戏，背离了以学生为中心的教学理念。

工业机器人的实操教学如果用传统方法，更难开展。工业机器人是精密的自动化设备，动作误差达到微米级别，比如，利用工业机器人进行焊接时，工件会对焊枪产生干涉，为了避免干涉，就需要微调机器人的姿态，教师将调姿态的关键步骤教给学生，就需要有实时同步的画面投送给学生，让所有学生都能看到如何正确调整工业机器人姿态。同时工业机器人示教器的显示器尺寸只有10英寸左右，上面显示的程序、速度、I/O等关键信息的字体都比较小，如果不通过具有实时放大功能的摄像头，学生就无法看清教师对工业机器人编程、设置、开发等操作的关键信息和操作步骤。针对这些问题，使用录播系统进行实时投屏就可以完美解决，将录播系统与大屏幕通过HDMI高清数据线连接，将摄像头采集的教师或学生操作过程实时投放出来(如图3所示)。这样，学生就可以坐在座位上观察操作细节并进行讨论，教师也可以一边操作机器人一边在屏幕对关键信息进行批注，与全体学生互动，有效解决了教师反复讲解而学生不得其法的窘境。学生有序坐在座位上听讲解，看操作，做笔记，将注意力聚焦于课堂，课堂效率大大提高。

图3 录播画面投屏到大屏幕

(二)全过程记录，学习行为有迹可循

学生的学习过程就是“学习-实践-学习”辩证交替的过程。对于理论性强的科目，学生通过书面解题、论述、笔记等形式可以较完整记录学习过程和学习行为，反思学习过程中的不足，进而改进，做到有的放矢。但是中职工业机器人教学侧重于操作技能的掌握，此类学习过程具有即时性和不可重复性的特点。引入教学录播系统就可很好地解决传统手段无法对学生学习行为真实再现的问题，录播系统具有强大的窗口录制功能，配上数百万级像素的摄像头就可全程记录每个学生的操作过程，学生也可以随时回放查看自己学习过程中做得好和不好的方面，及时修正错误的操作。如图4所示是工业机器人实训室配置的录播系统，每个工作站都有一个固定机位摄像头和一个移动摄像头，固定机位可以记录工作站总体画面，移动摄像头则记录细节画面。

图4 工业机器人实训室录播系统布局图

摄像头都可以通过平板电脑(便携式导播终端)进行角度调节和画面放大缩小，教学过程中教师也能随时控制。如图5所示是录播系统“画中画”的显示窗口，例如进行工业机器人码垛操作的时候，可以将机器人码垛的动作放在一个画面，将示教器的屏幕信息放在另一个画面，学生不仅可以看到机器人每个关节的动作和码垛的过程，还能看到示教器上码垛配置信息和编程过程，两个画面结合在一起就是完整的实际的操作过程。如果需要更多信息呈现，还可以分成三画面、四画面等。将两个画面同时记录到一个窗口并录制下来，学生就可以清楚地看到机器人的动作和示教器的操作过程，每一步都清晰记录下来，学生在课前、课中、课后都可以通过平台进行回放观察。全过程记录学生学习痕迹，有助教师进行学情分析，学生分组更科学，也有利于培养学生独立思考的习惯。

图5 “画中画”分屏显示效果

图6 平行班对比图

(三)借助技术升级，促进工业机器人课程建设

工业机器人专业在近5年才开始较大范围在中职学校开设，对很多学校来说都是新专业，很多教学配套不完善，课程建设进度有待进一步加快，在现有资源中很难找到工业机器人优秀的课例。教学录播系统的引入是信息化、智慧化课堂的最好表现形式。新专业只有在新技术的加持下才能迸发出更强的生命力，课程建设才能快速推进。教师可以通过录播系统进行工业机器人微课建设，因为有稳定、高清的录像技术，还有后期剪辑的功能，微课做出来的质量都很高；录播系统不仅可以辅助教学，还可以将整个教室的教学活动录制下来，一堂课就是一个优秀的课例，不断丰富校本工业机器人教学视频资源；网络系统可以将好的教学案例进行同步直播，分享先进的技术和教学理念，万人同上一堂课有了强大的技术支撑。这样就可以快速高效建成有本校特色的工业机器人课程，每个专业课教师、信息教师都可以参与其中，形成一个开放、生动的教学教研实践场所。

三、教学录播系统在工业机器人教学中的应用效果

教学录播系统在工业机器人教学中产生了良好的效果，通过在线学习平台数据反馈、问卷、平行班对比等形式可以看到，与传统的工业机器人课堂教学相比成效明显。100%的学生认为教学录播系统有助学习效率的提升，95.4%的学生会通过录播系统记录的学习过程反思自己学习工业机器人时出现的问题。与平行班对比，学生学习效率显著提高。

四、教学录播系统在工业机器人教学中存在的问题

(一)教师用不好

录播教室的建设费用不菲，很多学校投入大量资金建设，结果只有很少的教师会用或者坚持用。这一方面与教师本身的信息化能力有关，另一方面学校没有组织信息化能力强的教师组成团队成立专门的培训部门。再者，没有与建设方达成长期培训的协议，导致验收交付后，没有后续技术支持。

(二)教师不想用

目前教学录播系统建设企业良莠不齐，很多相关企业将大量的时间与精力倾注于产品本身，只是简单地“将技术做出来，将产品卖出去”，而忽略教育的真正内涵，导致产品不切实际，违背教育规律，所以教师弃之不用。

五、结束语

教学录播系统在实时投屏、知识再现、远程教学和课程建设等方面具有强大的辅助作用。工业机器人教学课程新、教学内容要求细节呈现多、学生需要随时回看内容，因此教学录播系统非常契合工业机器人这门课程的特点。从教学实践来看，也反馈出教学录播系统对学生进行知识掌握、知识总结和知识延伸有很大的帮助，非常值得在工业机器人教学中推广。