韓志強 高旭 董堃

（西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院，陜西西安 710065）

智能應(yīng)用型教學(xué)實驗室設(shè)計與探索

韓志強 高旭 董堃

（西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院，陜西西安 710065）

隨著技術(shù)的進步和社會的發(fā)展，智慧教室得到了廣泛應(yīng)用。智能應(yīng)用型教學(xué)實驗室是基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將實驗傳感器模塊轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)據(jù)采集端，以單片機為核心，利用繼電器模塊控制各種控制終端，然后通過紅外遙控器、手機藍牙等無線裝置實現(xiàn)遠程控制；借助計算機完成數(shù)據(jù)分析處理，從而實現(xiàn)教學(xué)實驗室的智能化管理和使用。合理有效地將智能設(shè)備轉(zhuǎn)換為教育實驗設(shè)備，從而構(gòu)建和諧的教、學(xué)、實驗環(huán)境。

智能應(yīng)用型；教學(xué)實驗室；環(huán)境

教室不應(yīng)僅僅是傳授知識的場所，更是提高學(xué)生綜合能力為目的的場所。實驗作為科學(xué)研究的基礎(chǔ)，不僅體現(xiàn)高校辦學(xué)水平，更是理論聯(lián)系實際培養(yǎng)學(xué)生實踐能力和提升科技科技創(chuàng)新能力的根本［1］。在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)快速發(fā)展下，教室向智能化方向發(fā)展。教師積極主動利用教室的智能化，將舒適便捷的體驗轉(zhuǎn)換為各種實驗手段條件。隨著技術(shù)發(fā)展及社會需求不斷轉(zhuǎn)變教育觀念，積極探索創(chuàng)新教學(xué)模式。同時，通過與建筑設(shè)計師相互溝通，將傳統(tǒng)教室、實驗室轉(zhuǎn)變?yōu)橐惑w化智能應(yīng)用型教學(xué)實驗室，構(gòu)建成為良性的生態(tài)環(huán)境圈，為培養(yǎng)具有創(chuàng)造性能力的學(xué)生提供有利的環(huán)境設(shè)施條件。

1 智能應(yīng)用型教學(xué)實驗室

1.1 智能教室作用

信息時代環(huán)境下成長的學(xué)生，其學(xué)習(xí)方式向著主動型、發(fā)現(xiàn)探索型、互動體驗型［2］轉(zhuǎn)變，這對重構(gòu)傳統(tǒng)學(xué)習(xí)環(huán)境提出了新的訴求。

教室經(jīng)歷傳統(tǒng)教室、電子教室、多媒體教室、智能教室4個階段。而智能教室又被稱為SMART Classroom、iClassroom、Intelligent classroom。其中，通過SMART：內(nèi)容呈現(xiàn)（Showing）、環(huán)境管理（Manageable）、資源獲?。ˋc?cessible）、及時互動（Real-time Interactive）和情景感知（Testing）體現(xiàn)智能教室的特征［3］。因此，基于智能建筑的基礎(chǔ)上利用物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)人員考勤、環(huán)境調(diào)節(jié)及遠程控制為一體的智能教室是新型現(xiàn)代化教室系統(tǒng)。其教室融合互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、傳感器技術(shù)、人工智能技術(shù)，也逐步融入虛擬現(xiàn)實，增強現(xiàn)實綜合的混合現(xiàn)實［4］。

1.2 傳統(tǒng)實驗室存在問題

實驗室是學(xué)生實驗實踐以及各項課外科技活動，教師開展各類實踐教學(xué)以及科研的重要場所［5］，但是長期存在如下問題：學(xué)生實驗很多流于形式，應(yīng)付差事，在實驗過程中依照實驗指導(dǎo)書按部就班連線，輸入給定程序編程完成，尤其在缺少項目激勵以及學(xué)習(xí)實驗評價反饋機制下，學(xué)生動手實踐能力及創(chuàng)客能力未得到充分發(fā)揮。

總之，隨著社會、經(jīng)濟、技術(shù)的發(fā)展，對高等教育的實驗室提出了新的要求。同時，目前90后大學(xué)生求知方式多樣，思維開闊接受新事物能力強，思想行為活躍，創(chuàng)造能力強，創(chuàng)新意識及科技活動意愿更為強烈，科技活動方式多樣化［6］，也對教學(xué)實驗室環(huán)境、功能、承載方式都提出了新要求。

圖1 智能應(yīng)用型教學(xué)實驗室基本系統(tǒng)架構(gòu)

2 智能應(yīng)用型教學(xué)實驗室系統(tǒng)架構(gòu)

在智能應(yīng)用型教學(xué)實驗室，教師可通過投影、電子白板、以PC為終端的多種設(shè)備多途徑傳授；學(xué)生通過云資源實時便利獲取海量、優(yōu)質(zhì)教學(xué)內(nèi)容［7］；借助學(xué)習(xí)評價系統(tǒng)跟蹤、分析、反饋、矯正教學(xué)內(nèi)容、方式；通過直播方式，多方式促進教師學(xué)生互動及學(xué)生評教；開放、高效、互動的智能化教室通過技術(shù)優(yōu)化了教學(xué)環(huán)境［8］。實踐部分則通過熟練運用軟件，操作儀器儀表檢測，反復(fù)調(diào)試排查故障，最后通過實驗報告撰寫總結(jié)培養(yǎng)學(xué)生思維、總結(jié)能力［9］。而管理部分則包括：儀器設(shè)備管理，如計算機、投影儀、3D電視等的維護；云網(wǎng)絡(luò)平臺的安全管理維護；實驗室安全管理，如設(shè)置實施實驗人員進出門禁管理規(guī)范、操作規(guī)范要求。根據(jù)“以人為本”的教學(xué)理念，智能應(yīng)用型教學(xué)實驗室應(yīng)實行“教”“學(xué)”“實踐”三維一體的統(tǒng)籌管理，最大限度發(fā)揮教師、學(xué)生的積極主動性，使用、應(yīng)用、擴展使其真正行之有效的工作，避免教學(xué)內(nèi)容被教學(xué)工具綁架。因此，其基本系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

3 智能應(yīng)用型教學(xué)實驗室功能應(yīng)用

工程教育的培養(yǎng)目標(biāo)要求專業(yè)畢業(yè)生在畢業(yè)后5a左右能夠達到職業(yè)和專業(yè)成就，要求學(xué)生學(xué)會終身學(xué)習(xí)，具有自主學(xué)習(xí)和終身學(xué)習(xí)的意識，有不斷學(xué)習(xí)和適應(yīng)發(fā)展的能力［10］。

以測控技術(shù)與儀器為例，該學(xué)科是電子、光學(xué)、精密機械、計算機技術(shù)與信息技術(shù)多學(xué)科互相滲透而形成的一門高新技術(shù)密集型綜合學(xué)科。測控技術(shù)與儀器專業(yè)根據(jù)《201版工程教育認證標(biāo)準》要求：專業(yè)類課程應(yīng)圍繞傳感技術(shù)、測控技術(shù)及其集成應(yīng)用，儀器設(shè)計、制造、開發(fā)、測試、安全保障、能效評價及工程應(yīng)用等知識。工程基礎(chǔ)與專業(yè)基礎(chǔ)類課程應(yīng)包括以下相關(guān)知識領(lǐng)域：工程圖學(xué)基礎(chǔ)，程序設(shè)計基礎(chǔ)，電路、信號與系統(tǒng)分析，誤差理論與數(shù)據(jù)分析，測量理論與測試技術(shù)、測控電子技術(shù)基礎(chǔ)，工程力學(xué)與精密機械基礎(chǔ)，工程光學(xué)基礎(chǔ)，控制理論與技術(shù)，嵌入式系統(tǒng)與總線通訊技術(shù)，信號分析與處理。

智能應(yīng)用型教學(xué)實驗室正是基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，以傳感器為核心，綜合運用云技術(shù)實現(xiàn)智能防盜、報警、照明、環(huán)境檢測等功能，包含了認證標(biāo)準中要求圍繞傳感技術(shù)、測控技術(shù)及其應(yīng)用。通過智能教學(xué)實驗室中的物聯(lián)網(wǎng)、傳感器、總線技術(shù)針對學(xué)生通過切身體驗，在理解其應(yīng)用的基礎(chǔ)上激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。將圖1中智能教室中各類傳感器，以及實驗傳感器模塊轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)據(jù)采集端，以單片機為核心，利用繼電器模塊控制各種控制終端，如電源開關(guān)、照明設(shè)施、通風(fēng)設(shè)施、防盜報警，甚至通過紅外遙控器、手機藍牙等無線裝置實現(xiàn)遠程控制；借助計算機完成數(shù)據(jù)分析處理，將智能教學(xué)實驗室轉(zhuǎn)變?yōu)閷嶒瀸嵺`的儀器設(shè)備，通過系統(tǒng)項目設(shè)計將興趣激勵與項目激勵有機結(jié)合，從而加深理論知識理解，通過實踐活動提高動手實踐能能力，借助手機、計算機編程展寬知識運用。在具有開放性、交互性、人性化特點的傳統(tǒng)智能教室充分利用其設(shè)備轉(zhuǎn)變?yōu)楣こ探逃悓W(xué)生的應(yīng)用性智能實驗教室，根據(jù)學(xué)科的特點要求，使其適用于不同教學(xué)應(yīng)用模式。

“積木式創(chuàng)新”是指在創(chuàng)新的過程中，不同要素之間如“積木”般的組合方式。如谷歌（Google）在2014年就公布了自己的Project Ara模塊化手機項目，消費者可以根據(jù)自己的意愿來搭載一部個性化的模塊化手機，這意味著可以以積木方式組建完成個性化手機，而且新推出物聯(lián)網(wǎng)積木平臺［11］。同樣，高等教育教學(xué)模式、思想應(yīng)當(dāng)緊扣經(jīng)濟、社會發(fā)展的趨勢。智能教學(xué)實驗的應(yīng)用倒逼教學(xué)形式轉(zhuǎn)變，不在是學(xué)完模擬、數(shù)字電路之后再學(xué)習(xí)單片機、虛擬儀器等技術(shù)，而可以在低年級階段，利用電子積木搭建學(xué)習(xí)單片機、虛擬儀器后再通過模擬、數(shù)字電路等知識更深入細致地掌握其應(yīng)用。因此，針對低年級同學(xué)，借助硬件積木Arduino+軟件積木Labview，在入學(xué)階段可以不必從零學(xué)習(xí)電子、機械等就能完成硬件模塊搭建，培養(yǎng)創(chuàng)客精神，提升學(xué)習(xí)興趣。所以，又可以將智能教室轉(zhuǎn)變?yōu)閱纹瑱C物聯(lián)網(wǎng)實驗系統(tǒng)，充分使用智能教室內(nèi)原有傳感器，還可以通過外接傳感器模塊，完成單片機、傳感器、電子電路設(shè)計等實驗內(nèi)容，如圖2所示。

圖2 單片機物聯(lián)網(wǎng)實驗系統(tǒng)

通過圖2可以看出，學(xué)生能在教學(xué)過程中完成下位機單片機：液晶顯示、蜂鳴報警、按鍵設(shè)置等基礎(chǔ)實驗部分。在此基礎(chǔ)上，利用溫濕度傳感器、粉塵傳感器采集數(shù)據(jù)，電機驅(qū)動開關(guān)、照明等系統(tǒng)實驗。甚至通過Arduino電子積木設(shè)計3D打印，組建機器人培養(yǎng)激發(fā)創(chuàng)客精神。而在上位機中，利用Labview可以擴展實現(xiàn)多點溫度采集、數(shù)據(jù)分析；利用Matlab對下位機提供的數(shù)據(jù)進行數(shù)字信號處理分析。這樣使實驗不再是教學(xué)之后的單純仿真，而是教學(xué)過程中的行之有物，促進教學(xué)實驗向?qū)嶒灲虒W(xué)轉(zhuǎn)型，也促進教師教學(xué)觀念及教學(xué)模式、內(nèi)容不斷地變化提升，更能促進師生相互交流，提高動手能力，實現(xiàn)創(chuàng)新思想碰撞。

4 結(jié)語

由專業(yè)技術(shù)教師與建筑設(shè)計師、物聯(lián)網(wǎng)公司共建教學(xué)環(huán)境，充分發(fā)揮教師引擎作用，積極改變教學(xué)觀念，合理高效地使用設(shè)備條件，轉(zhuǎn)變教學(xué)形式，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，發(fā)揮學(xué)生自主學(xué)習(xí)主動性，為學(xué)生未來能發(fā)揮創(chuàng)造力奠定扎實基礎(chǔ)，共同形成良性的生態(tài)圈。

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Design and Exploration of Intelligent Application Teaching Laboratory

Han ZhiqiangGao XuDong Kun
（School of Electrical and Engineering，Xi’an Shiyou University,Xi’an Shaanxi 710065）

With the progress of technology and the development of society,smart classroom has been widely used.In?telligent application teaching laboratory was based on Internet of things technology,the experimental sensor module was transformed into data acquisition terminal,with the single chip processor as the core,the relay module was used to control all kinds of control terminals,and then remote control was realized by wireless devices such as infrared re?mote control,mobile phone Bluetooth and so on;With the help of computer to complete the data analysis and process?ing,so as to realize the intelligent management and use of the teaching laboratory.The intelligent equipment was con?verted into educational experiment equipment reasonably and effectively,in order to construct a harmonious environ?ment of teaching,learning and experiment.

intelligent application；teaching laboratory；environment

G481

A

1003-5168（2016）12-0055-03

2016-11-11

陜西省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（1368）。

韓志強（1994-），男，本科，研究方向：測控技術(shù)與儀器專業(yè)開放實驗室研究。