丁雷
摘要:明確在“樓宇智能化技術(shù)”課程中建設(shè)交互式多媒體沙盤的目的和意義,論述了沙盤的設(shè)計思路、微縮建筑實體模型及控制系統(tǒng)的制作,以及相配套教學(xué)平臺與資源庫的建設(shè)。探討了沙盤模型在教學(xué)中的應(yīng)用及效果,讓學(xué)生在情境化的教學(xué)場景下,加強對課程所授知識內(nèi)容的理解與掌握,提升自身的實踐創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)。
關(guān)鍵詞:教學(xué)改革;智能樓宇;沙盤;多媒體;資源庫
中圖分類號:G712? ? 文獻標識碼:A? ? 文章編號:1672-5727(2021)02-0057-06
“樓宇智能化技術(shù)”課程在江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院已開設(shè)多年,學(xué)院建設(shè)有“樓宇智能化技術(shù)”及“樓宇自動化技術(shù)”等課程的實訓(xùn)室,可對學(xué)生開展樓宇智能化系統(tǒng)的設(shè)計安裝、施工布線、調(diào)試維護等實訓(xùn)教學(xué)。但這些實訓(xùn)裝置基本都采用網(wǎng)孔架的平面布局,且分散在多個實訓(xùn)模塊中,缺少空間感與臨場感,學(xué)生難以形成對整棟大廈樓宇智能化系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計、信號流程及聯(lián)動控制的認知與理解。為解決上述問題,我院設(shè)計并建設(shè)了一套基于多媒體技術(shù)的樓宇智能化系統(tǒng)實訓(xùn)沙盤,借助“一平三端”智慧教學(xué)系統(tǒng),采用交互式教學(xué)方式,有利于加強學(xué)生對課程所授知識內(nèi)容的理解與應(yīng)用。
一、沙盤設(shè)計的目的與意義
“樓宇智能化技術(shù)”課程具有明顯的學(xué)科交叉特點,實踐性與綜合性較強,教師多采用模塊化、項目式、案例法等教學(xué)方法,強調(diào)學(xué)生的實踐操作能力。但樓宇智能化系統(tǒng)中的知識復(fù)雜、繁多且零散,在單個實訓(xùn)模塊中學(xué)生較難將這些知識內(nèi)容予以關(guān)聯(lián),把智能大廈以多媒體沙盤的形式引入教學(xué),理論聯(lián)系實際,讓學(xué)生擁有直觀的感受,可以將學(xué)生在樓宇智能化技術(shù)中各模塊所涉及的知識進行系統(tǒng)性講述、回顧及綜合,激發(fā)活躍學(xué)生的思維,提升學(xué)生對樓宇智能化系統(tǒng)的分析判斷、組織協(xié)調(diào)、實踐操作等能力,從而進一步提升他們的綜合應(yīng)用及管理創(chuàng)新能力。
二、沙盤設(shè)計思路
本沙盤設(shè)計從信息化、智能化、互動性角度出發(fā),將無線通信、智能終端、多媒體展示等技術(shù)同微縮實體建筑沙盤結(jié)合起來,以動靜結(jié)合的方式將樓宇智能化系統(tǒng)融合在建筑模型中,利用移動終端控制樓宇智能化技術(shù)中各子系統(tǒng)的工作與運行,采用多種控制技術(shù),將聲、光、電等多維元素及文字、圖片、音視頻等教學(xué)素材與沙盤融為一體。同時,借助“一平三端”智慧教學(xué)系統(tǒng),依托課程網(wǎng)絡(luò)資源教學(xué)平臺,連通“教室端”“教學(xué)端”“移動端”三大端口,把沙盤的互動操作、功能演示與教學(xué)講解、實訓(xùn)練習(xí)有機結(jié)合在一起,將智能樓宇各子系統(tǒng)的工作原理、運轉(zhuǎn)流程、聯(lián)動控制,采用多元智能、立體互動、絢麗逼真的燈光、音效、影像等元素,在沙盤上條理清晰、簡潔準確、生動明快地展現(xiàn)出來[1]。
由于樓宇智能化系統(tǒng)針對的各類業(yè)態(tài)建筑具有不同的標準和要求,該沙盤的建筑模型設(shè)計采用了綜合體,包括廣場、道路、商業(yè)樓、寫字樓、公寓、住宅、地面(下)停車場等多種形式。配合沙盤模型,還要進行電路中控系統(tǒng)、信號流程展示、多媒體教學(xué)資源的設(shè)計建設(shè),使所有系統(tǒng)在一個體系內(nèi)實現(xiàn)靈活、便捷的同步互動,讓學(xué)生可以產(chǎn)生沉浸式、情境化的動態(tài)視聽效果,該沙盤的設(shè)計內(nèi)容及組成模塊如圖1所示。
樓宇智能化技術(shù)中的子系統(tǒng)很多,該多媒體沙盤可以進行控制與展示的包括暖通空調(diào)系統(tǒng)、消防報警與聯(lián)動系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)、供配電與照明系統(tǒng)、弱電安防系統(tǒng)等。沙盤通過傳感器、機電設(shè)備及流動燈光,模擬了空調(diào)的新風(fēng)流向、噴淋系統(tǒng)和給排水系統(tǒng)的水流方向、供配電及照明系統(tǒng)的流程控制、風(fēng)機、水泵運轉(zhuǎn)、道閘啟停等情景,并針對每個子系統(tǒng)都配有相應(yīng)的可操控圖形化架構(gòu)圖,以實現(xiàn)對樓宇智能化技術(shù)各子系統(tǒng)運作原理的拆分講解[2]。
三、沙盤制作過程
(一)微縮建筑實體模型制作
該多媒體電子沙盤是融合了微縮建筑實體模型制作、3D打印技術(shù)、控制系統(tǒng)動態(tài)圖形展示、觸控一體化多模式控制,軟硬件結(jié)合的綜合性教學(xué)實訓(xùn)裝置。
沙盤南北長4m,東西寬3m,面積12m2,桌面高度0.8m,桌面上方建筑高度1.5~1.8m,圍擋高度為0.2m。沙盤的建筑業(yè)態(tài)選擇了綜合體形式,包含三層的商業(yè)裙樓,十三層的寫字樓及公寓,十層的住宅及一層地下車庫。
該沙盤采用三維模型來表現(xiàn)建筑實體及樓宇智能化系統(tǒng)中的設(shè)施設(shè)備。參考實際建筑的尺寸與結(jié)構(gòu),沙盤主體建筑的水平面及垂直面比例尺定為1∶20,由于受沙盤幅面的限制,設(shè)備模型如果太小則無法進行展示,考慮到智能化系統(tǒng)中設(shè)備設(shè)施模型的設(shè)置、運轉(zhuǎn)及動態(tài)展示,部分樓層房間的比例尺定為1∶10。樓宇智能化系統(tǒng)中的設(shè)備設(shè)施,依據(jù)工程項目實際要求,按照一定的模型比例,采用3D打印技術(shù)制作,分別設(shè)置在沙盤的地面、地下車庫、相關(guān)樓層設(shè)備間、避難層、樓頂設(shè)備平臺等處,并進行標識,如圖2所示。
沙盤制作的內(nèi)容包括主體建筑、道路、周邊環(huán)境及綠化、樓宇智能化系統(tǒng)設(shè)備設(shè)施等要素,再結(jié)合相關(guān)燈光照明布置,完善沙盤的景觀效果。制作沙盤模型的材料種類很多,該沙盤主體材料考慮到材質(zhì)、效果、色彩色調(diào)及易于裁切、粘接、成型等因素,所選擇的具體材料如表1所示。
沙盤模型采用準確的比例及精細的制作,如實還原出綜合體的建筑業(yè)態(tài),再利用3D打印機將樓宇智能化系統(tǒng)中的設(shè)施設(shè)備打印成實體模型,此類模型在實體設(shè)備的基礎(chǔ)上進行了局部美化和藝術(shù)處理,使之既具有真實性又不乏觀賞感。這些設(shè)施設(shè)備模型按照其在智能建筑中的實際位置進行放置,并采用LED燈帶直觀展示信號流程及其走向[3]。
動態(tài)燈光顯示是沙盤表現(xiàn)的核心與亮點之一,可以加深學(xué)生對系統(tǒng)架構(gòu)及信號流程的認知和感受。在燈光布局上,沙盤中的路燈、公共照明、應(yīng)急照明、監(jiān)控攝像機等設(shè)施在模型中采用不同顏色的單體LED光源來表示。智能樓宇中的給排水系統(tǒng)、供配電系統(tǒng)、冷凍(卻)水循環(huán)系統(tǒng)、通(排)風(fēng)系統(tǒng)、消防噴淋系統(tǒng)的信號流程采用不同色彩的LED燈帶進行流動顯示,而防盜報警系統(tǒng)、消防報警系統(tǒng)的報警信號則采用定制的小型聲光報警器進行閃爍(蜂鳴)顯示,這些燈光均采用獨立線路控制。
樓宇智能化技術(shù)中的通(排)風(fēng)、排煙、給排水、道閘等系統(tǒng)均會使用到電機,在沙盤中采用小型直流電機及風(fēng)扇來模擬代替,配合微縮模型,可以產(chǎn)生真實生動的動作效果。
(二)控制系統(tǒng)制作
控制系統(tǒng)是該沙盤制作的核心,計算機控制系統(tǒng)將建筑實體模型(含燈光、機電控制)、平板、手機等移動終端、交互式智能屏幕、多媒體展示等分系統(tǒng)互聯(lián)打通,實現(xiàn)沙盤系統(tǒng)展示與使用的集中統(tǒng)一、同步控制。
多媒體沙盤包括了感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層及用戶層,如圖3所示??刂葡到y(tǒng)開發(fā)包括無線局域網(wǎng)、手機、平板等移動終端同步控制、觸摸屏上位機和總控、沙盤控制器工控板下位機模塊、移動終端與交互式智能屏幕同步輸出模塊等系統(tǒng)的構(gòu)建。手機、平板等移動終端通過WiFi信號連接至網(wǎng)絡(luò),通過Web頁面相應(yīng)開關(guān)按鈕發(fā)送控制指令,這些指令經(jīng)中控服務(wù)器中轉(zhuǎn)與處理后,再發(fā)送給沙盤中的燈光。機電設(shè)備控制單元、互動教學(xué)大屏展示單元、多媒體信息庫等模塊,實現(xiàn)沙盤的遠程控制、效果展示及多媒體點播、互動教學(xué)等功能[4]。
(三)教學(xué)平臺及資源庫制作
該沙盤設(shè)計制作是為了提供給學(xué)生情境化自主學(xué)習(xí)平臺,讓學(xué)生通過對沙盤的操作、演示、探索、反思進行延伸學(xué)習(xí),進一步理解掌握樓宇智能化系統(tǒng)的工作原理及信號流程,該沙盤建設(shè)依托學(xué)院已構(gòu)建的課程資源信息服務(wù)平臺,把沙盤與課程教學(xué)平臺及資源庫進行開放快捷、方便高效的充分互聯(lián),實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源共享。
在互聯(lián)網(wǎng)時代,無處不在的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)讓學(xué)生的學(xué)習(xí)方式發(fā)生了巨大改變,移動學(xué)習(xí)的內(nèi)容與手段也越來越豐富。該沙盤在制作過程中專門開發(fā)設(shè)計了基于Android的移動教學(xué)APP,一方面便于學(xué)生更好的操作、控制、演示沙盤,另一方面學(xué)生可通過移動終端接入課程教學(xué)資源庫,在庫中按照已分類的教學(xué)資源,結(jié)合沙盤的現(xiàn)場操作演示,對相關(guān)內(nèi)容進行瀏覽、點播,并可完成師生間的信息交流與互動答疑,極大地提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性[5]。
教學(xué)資源庫的建設(shè)是沙盤系統(tǒng)的重要支撐,為學(xué)生提供了靈活、智能、專業(yè)的學(xué)習(xí)條件。教師將教學(xué)內(nèi)容及實體模型中不易或無法展示的部分通過文字、圖表、動畫、音(視)頻等信息做成教學(xué)資源庫,通過Web來進行操作,以實現(xiàn)對沙盤展示內(nèi)容的補充擴展,有利于師生間的雙向互動交流,大大增強了多媒體電子沙盤的表現(xiàn)能力。學(xué)生可以通過APP軟件,在教師授權(quán)下對樓宇智能化系統(tǒng)中各模塊的工作原理、設(shè)備資料、運轉(zhuǎn)流程進行逐層的展示、講解與操控。教學(xué)資源庫的數(shù)據(jù)分為三個層次,如圖4所示。
最底層為基礎(chǔ)資源,包含了樓宇智能化技術(shù)中相關(guān)的文本、圖表、動畫、音頻、視頻等課程最基本元素,涵蓋了在課程多媒體教學(xué)過程中應(yīng)用到的多種素材。這些素材具備廣泛的共享性,將按照各子庫的標準進行分類、標引及入庫,用來制作不同形式與特點的課件。
中間層為針對樓宇智能化系統(tǒng)不同模塊的教學(xué)單元資源,包含了工程案例、專業(yè)名詞術(shù)語、標準與規(guī)范、各類參考資料、試題集等,這些內(nèi)容以樓宇智能化系統(tǒng)中的功能模塊作為專題,講述其中分散的知識點及綜合性應(yīng)用,這類教學(xué)資源可直接用于課程的模塊化教學(xué),也可與其他資源靈活快捷地構(gòu)建打造相關(guān)課件。
最頂層為利用基礎(chǔ)資源及教學(xué)單元資源構(gòu)建而成的多種形式的課件,包括PPT多媒體課件、課程講授的音(視)頻、樓宇智能化技術(shù)多個知識點的微視頻、動畫及系統(tǒng)仿真,課后相關(guān)知識的拓展訓(xùn)練等,這些數(shù)字化的資源可以生動形象地向?qū)W生展示樓宇智能化技術(shù)中各系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)及信號流程,有助于學(xué)生有序開展自主學(xué)習(xí)[6]。
四、沙盤的教學(xué)應(yīng)用
借助該沙盤,教師采用探究式教學(xué),培養(yǎng)和鼓勵學(xué)生在信息化的教學(xué)環(huán)境中開展主動、自主、合作式學(xué)習(xí),激發(fā)他們學(xué)習(xí)的興趣、動機與潛能,增強他們提出、分析、解決問題的能力,為后續(xù)的技能實訓(xùn)打下良好的基礎(chǔ)和做好充分的準備,更加牢固地掌握樓宇智能化系統(tǒng)中的相關(guān)技術(shù)。
在探究式教學(xué)中,教師從引出問題開始,到交流探討、解決問題,再到最終的整合提升,問題會貫穿教學(xué)過程的始終,如圖5所示。
(一)引出問題
問題的引出需要具體的教學(xué)情境及探究對象。教師通過對沙盤模型進行講解、操作、演示,再結(jié)合教學(xué)平臺中的多媒體教學(xué)資源及仿真設(shè)計,創(chuàng)設(shè)真實與虛擬的問題情境,引出樓宇智能化系統(tǒng)中各模塊的教學(xué)問題,激發(fā)學(xué)生思考的主動性與積極性。
(二)提出問題
在相應(yīng)的教學(xué)情境被創(chuàng)設(shè)后,教師就需要提出問題,借助沙盤模型及相關(guān)教學(xué)資源,引導(dǎo)學(xué)生對問題進行思考、理解及內(nèi)化。在這一過程中,沙盤模型既是教學(xué)內(nèi)容的呈現(xiàn)工具,師生之間進行交流溝通的有效橋梁,讓學(xué)生能夠正確理解教師的授課目的與意圖,同時也是教學(xué)的引導(dǎo)工具,沙盤模型動態(tài)演示結(jié)合豐富的教學(xué)資源,能有效引導(dǎo)學(xué)生對教師提出的問題展開積極的分析與思考[7]。
(三)猜想假設(shè)
提出問題后,教師就要充分利用多媒體沙盤的展示功能,結(jié)合相關(guān)教學(xué)資源,通過結(jié)構(gòu)圖、思維導(dǎo)圖等思維工具引導(dǎo)學(xué)生對所提出的問題進行分析、探究,借助教學(xué)資源庫收集有用的資料,并分小組進行交流探討、充分猜想、建立假設(shè),提升學(xué)生的推理、判斷及思維創(chuàng)新能力。
(四)探究問題
對問題提出猜想假設(shè)后,就要針對該問題展開探索研究,這一過程包括探究的對象、目的、目標、內(nèi)容、思路、流程等。教師利用沙盤這一認知工具,結(jié)合具體的教學(xué)情境,匯同豐富的課程資源一起呈現(xiàn)給學(xué)生,教師指導(dǎo)學(xué)生在大量的資源和數(shù)據(jù)中如何探究有效信息,并對所探究問題進行觀察、分析、討論及記錄,來驗證上一步的猜想假設(shè)是否正確,激發(fā)學(xué)生的問題意識。
(五)解決問題
學(xué)生在以上探究活動過程中獲得了大量信息與數(shù)據(jù),接下來就要在教師指導(dǎo)下對這些信息數(shù)據(jù)進行分析、篩選和處理,相互探討、共同協(xié)作,找到解決問題的途徑和辦法,得到結(jié)論,使學(xué)生在提出解決問題方法與策略的同時真正獲得解決問題的能力。
(六)交流互動、整合提升
學(xué)生解決好問題,并不意味著教學(xué)就止步于此。教師還要依托沙盤和教學(xué)平臺,結(jié)合教學(xué)目標,組織學(xué)生對整個教學(xué)模塊(單元)的觀察了解、主動探究、思考判斷、小組協(xié)作、問題歸納等過程進行自評、互評、反思及點評,做出過程評價與總結(jié)評價,實現(xiàn)智“教”慧“學(xué)”,整合提升,進一步激發(fā)學(xué)生的問題意識及思維創(chuàng)新能力,為下一個問題的探究做好準備與鋪墊[8]。
五、教學(xué)效果
由于“樓宇智能化技術(shù)”課程的系統(tǒng)性與工程性較強,學(xué)生在一些知識點上并不能完全理解與接受。多媒體沙盤可以將教學(xué)對象直觀形象、生動活潑地呈現(xiàn)在學(xué)生面前,學(xué)生通過移動終端上的APP進入教學(xué)平臺,對具體對象進行操控、觀察、學(xué)習(xí)、研究與思考,在學(xué)中做,做中學(xué),學(xué)習(xí)過程更加開放、自主與交互,進一步發(fā)揮出多媒體演示教學(xué)、課程資源庫的作用,體現(xiàn)出數(shù)字化教學(xué)的優(yōu)勢,增強學(xué)生的理論與實踐能力,提升教學(xué)效果與質(zhì)量。
(一)創(chuàng)新教學(xué)模式
采用多媒體沙盤模型,借助移動終端,結(jié)合教學(xué)平臺,使教學(xué)環(huán)境更為開放,互動性更強。教學(xué)中教師將樓宇智能化系統(tǒng)中的多個模塊以動態(tài)沙盤模型的形式真實的展示在學(xué)生面前,學(xué)生構(gòu)建學(xué)習(xí)小組,通過對沙盤模型的操作、運行、展示與探討,充分調(diào)動了他們主動學(xué)習(xí)的積極性,加深了對系統(tǒng)的整體認知,熟悉了相關(guān)模塊的工作原理與信號運轉(zhuǎn)流程,使學(xué)生真正成為教學(xué)過程中的主體。
(二)整合零碎知識
樓宇智能化系統(tǒng)較為復(fù)雜,功能模塊眾多,在課程教學(xué)中分布了大量零碎的知識點,難以形成體系。傳統(tǒng)的教學(xué)方式以純理論講解、灌輸為主,學(xué)生由于缺乏直觀的感受和切身的體會,在聽課過程中覺得晦澀難懂,影響學(xué)習(xí)效果。現(xiàn)在以多媒體沙盤作為載體,成為整合課程零碎理論知識點的平臺,再深入結(jié)合教學(xué)資源庫,理論結(jié)合實際,系統(tǒng)性的對學(xué)生開展認知與實踐教學(xué),通過沙盤教學(xué)中的角色帶入,激發(fā)學(xué)生對前期所學(xué)知識的回顧,加強學(xué)生對樓宇智能化系統(tǒng)中零碎知識點之間關(guān)聯(lián)性的理解[9]。
(三)培養(yǎng)探究思維
傳統(tǒng)的灌輸式教學(xué)注重結(jié)果而非過程,但在實際教學(xué)中,學(xué)生對問題探索的過程比答案本身更為重要。在教學(xué)中,學(xué)生通過自主和互動的學(xué)習(xí),依托沙盤模型和教學(xué)平臺,對樓宇智能化系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)、工作原理、運轉(zhuǎn)流程、動作特點、聯(lián)動控制等知識內(nèi)容開展探究性學(xué)習(xí),不是盲目地從他人處得到直接的答案,也更加尊重實踐、探索得出的結(jié)論,在此過程中,學(xué)生會從多維度、多角色出發(fā),形成探究性思維來看待問題、思考問題和解決問題,在過程中找尋結(jié)果、評判得失、提升技能。
(四)建立合作意識
沙盤教學(xué)以工程案例作為分析對象,教師將學(xué)生分成多個學(xué)習(xí)小組,在組內(nèi),學(xué)生將圍繞教學(xué)內(nèi)容開展探討交流、協(xié)調(diào)溝通、合作評價,小組之間也會存在著上述行為。在此過程中,充分調(diào)動了學(xué)生互幫互助的熱情,取長補短,培養(yǎng)他們團隊配合、齊心協(xié)力、分享合作的意識,正確對待和處理團隊內(nèi)部出現(xiàn)的矛盾與問題,完成學(xué)習(xí)任務(wù),把個人成績與團隊成效緊密聯(lián)系在一起,促進學(xué)生團隊合作意識的建立與養(yǎng)成[10]。
綜上所述,多媒體沙盤的應(yīng)用構(gòu)建了一個以學(xué)生為中心的交互式教學(xué)模式,從以教師施教為主的教學(xué)轉(zhuǎn)向以學(xué)生探索發(fā)現(xiàn)、協(xié)作創(chuàng)新的教學(xué),讓學(xué)生充分感受到體驗式學(xué)習(xí)的快樂,激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情,強化了學(xué)生的工程實踐創(chuàng)新能力、工程設(shè)計及項目管理能力、工程現(xiàn)場處置能力、資源合理調(diào)配能力、與人溝通交流能力、項目團隊協(xié)作意識,主動消化外在知識并內(nèi)化為自身能力及素質(zhì)。
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(責(zé)任編輯:劉東菊)