實(shí)驗(yàn)室智能管理系統(tǒng)在高校實(shí)踐教學(xué)中的設(shè)計(jì)及應(yīng)用*

郝 飛 李小磊

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)工程實(shí)訓(xùn)中心 天津 300222）

當(dāng)前，一體化教學(xué)是職業(yè)教育的主流發(fā)展趨勢(shì)，這對(duì)實(shí)驗(yàn)室管理提出更高的要求，但實(shí)驗(yàn)室管理還存在一些問題，如管理實(shí)驗(yàn)設(shè)備占用了大量教學(xué)時(shí)間；實(shí)驗(yàn)室經(jīng)常出現(xiàn)無人使用的儀器在運(yùn)行，浪費(fèi)大量能源；學(xué)生沒有經(jīng)過教師同意擅自通電，造成很多事故等等。筆者以提高教師教學(xué)效率，保護(hù)師生安全，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)室管理為目的，探討實(shí)驗(yàn)室智能管理系統(tǒng)的應(yīng)用。

實(shí)驗(yàn)室智能管理系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)分析

第一，有利于促進(jìn)教學(xué)方法的改進(jìn)。對(duì)項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)法的促進(jìn)。在實(shí)踐教學(xué)中，項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)法是一種適用于一切技能學(xué)員各類實(shí)踐性和操作性較強(qiáng)的知識(shí)技能的教學(xué)方法，是一種目標(biāo)明確、具有目的性的教學(xué)活動(dòng)過程。實(shí)驗(yàn)室智能管理系統(tǒng)在某些方面是針對(duì)項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)法而設(shè)計(jì)的。教師可以在教師客戶端創(chuàng)設(shè)教學(xué)項(xiàng)目，通過無線射頻技術(shù)傳送到實(shí)驗(yàn)桌上的控制器，學(xué)生通過人機(jī)界面查閱教學(xué)項(xiàng)目和相關(guān)技術(shù)文檔而節(jié)約時(shí)間，讓學(xué)生有時(shí)間進(jìn)行技能操作訓(xùn)練。學(xué)生在操作過程中遇到問題可按下提問按鈕，教師即知道學(xué)生有請(qǐng)求，可通過遠(yuǎn)程通訊或面談交流。

對(duì)情境教學(xué)法的促進(jìn)。一般院校所采用的情境教學(xué)法是建立以學(xué)生為主體的課堂問題情境教學(xué)模式，也就是說通過創(chuàng)造討論問題情境、問題情境和實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)操作情境，來激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的興趣。

結(jié)合實(shí)驗(yàn)室智能管理系統(tǒng)，教師創(chuàng)設(shè)課堂問題情境，通過教師客戶端發(fā)送實(shí)驗(yàn)桌的人機(jī)界面，學(xué)生可以了解問題，根據(jù)課程安排了解實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備，在實(shí)踐中相互討論，解決問題。在實(shí)踐教學(xué)過程中，良好的實(shí)踐操作環(huán)境是最基本的。本管理系統(tǒng)將電力電子實(shí)驗(yàn)分為20組，通過智能管理系統(tǒng)創(chuàng)設(shè)電力電子各種主控電路實(shí)踐操作情境。學(xué)生結(jié)合已學(xué)的理論知識(shí)，查閱實(shí)驗(yàn)桌觸摸屏的相關(guān)技術(shù)資料以及說明實(shí)驗(yàn)?zāi)K存放的位置。學(xué)生自由討論，搭建電路完成課題。

第二，解決諸多問題。實(shí)驗(yàn)室智能管理系統(tǒng)在高校及職業(yè)院校實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用是當(dāng)今發(fā)展趨勢(shì)，與一體化教學(xué)相輔相成。以下闡述該系統(tǒng)對(duì)學(xué)生、教師、學(xué)校和社會(huì)的重要意義。

學(xué)生方面。通過網(wǎng)絡(luò)查詢實(shí)驗(yàn)室的當(dāng)前狀況和環(huán)境條件，有效利用實(shí)驗(yàn)室資源，節(jié)約學(xué)生的時(shí)間，為學(xué)生提供可靠的信息和合理的教學(xué)安排。可以督促學(xué)生自覺進(jìn)行實(shí)踐活動(dòng)，防止學(xué)生遲到、早退和曠課等現(xiàn)象的發(fā)生；如設(shè)計(jì)的指紋識(shí)別作為考勤手段；實(shí)驗(yàn)桌的定時(shí)工作，在教師設(shè)定的時(shí)間內(nèi)實(shí)驗(yàn)桌臺(tái)若沒有響應(yīng)會(huì)自動(dòng)斷電；設(shè)計(jì)提問按鈕，學(xué)生可以隨時(shí)向教師提問；設(shè)計(jì)區(qū)域照明等裝置……這些可有效提高教學(xué)效率，實(shí)現(xiàn)合理利用實(shí)驗(yàn)室資源。

教師方面。以往，高校實(shí)驗(yàn)教師除了在教學(xué)上要花費(fèi)時(shí)間，在實(shí)驗(yàn)室管理上還要花很多時(shí)間。而實(shí)驗(yàn)室智能管理系統(tǒng)在教學(xué)設(shè)計(jì)、教學(xué)安排和課堂管理方面為教師提供了很多方便。教師可以通過教師客戶端控制學(xué)生的實(shí)驗(yàn)桌和區(qū)域照明，有效節(jié)約能源，合理分配實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)臺(tái)，可以及時(shí)知道學(xué)生的狀態(tài)，如考勤和操作狀況。實(shí)驗(yàn)室智能管理系統(tǒng)有效地節(jié)約教師的管理時(shí)間，減輕了教師的工作壓力。

學(xué)校方面。目前，許多高校在實(shí)踐教學(xué)及管理等方面存在諸多問題，還沒有合理規(guī)范的制度。通過智能管理系統(tǒng)集中控制可以實(shí)現(xiàn)制度的合理化和規(guī)范化，做到實(shí)驗(yàn)教學(xué)學(xué)生學(xué)習(xí)和成績(jī)?cè)u(píng)定的公平性。根據(jù)學(xué)校的專業(yè)理念和特色、教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)發(fā)展計(jì)劃，加大對(duì)公共實(shí)訓(xùn)中心資源的合理利用，鼓勵(lì)各個(gè)教研室及相關(guān)學(xué)科共同管理，集中控制，實(shí)現(xiàn)資源共享。

社會(huì)方面。高校為社會(huì)培養(yǎng)技能人才、促進(jìn)科學(xué)研究，智能化管理系統(tǒng)對(duì)培養(yǎng)技能型人才意義重大。學(xué)校實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用智能化管理系統(tǒng)有利于培養(yǎng)高技能、深層次管理人才。

第三，提升實(shí)驗(yàn)室內(nèi)涵建設(shè)。筆者設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)室智能管理系統(tǒng)，在人才培養(yǎng)效果方面得到了認(rèn)可。從實(shí)驗(yàn)室內(nèi)涵建設(shè)方面培養(yǎng)合格人才，為社會(huì)服務(wù)。實(shí)驗(yàn)室智能管理系統(tǒng)為理論與實(shí)際相結(jié)合提供了有利條件。學(xué)生能夠加強(qiáng)理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，根據(jù)學(xué)科內(nèi)容、任務(wù)及學(xué)生特點(diǎn)正確恰當(dāng)?shù)芈?lián)系實(shí)際，并且提高管理意識(shí)。這作為高技能人才職業(yè)素質(zhì)是首要條件，提高管理能力是必要條件之一。教師應(yīng)堅(jiān)持教學(xué)和科研相結(jié)合，因材施教與統(tǒng)一要求相結(jié)合，教師的主導(dǎo)性與學(xué)生的主體性相結(jié)合的原則，將理論應(yīng)用到實(shí)踐教學(xué)中。

實(shí)驗(yàn)室智能管理系統(tǒng)所需環(huán)境條件

第一，實(shí)驗(yàn)室環(huán)境。本系統(tǒng)適用于任何高校實(shí)踐教學(xué)。利用實(shí)驗(yàn)室智能管理系統(tǒng)，首先該實(shí)驗(yàn)室要具備一定的硬件條件和環(huán)境參數(shù)。（1）本系統(tǒng)安裝在各實(shí)驗(yàn)桌上，需要一定的安裝空間。（2）使用我國工頻交流電，為了保護(hù)設(shè)備和人身安全，系統(tǒng)需要PE保護(hù)線。（3）室內(nèi)至少具備一臺(tái)主機(jī)作為教師客戶端，使用2.4G無線射頻網(wǎng)絡(luò)，要求屏蔽性好，不能有干擾無線數(shù)據(jù)傳送的信號(hào)源。具備這些條件，本系統(tǒng)就可以在該實(shí)驗(yàn)室正常投入使用了。如果要區(qū)域照明控制投入使用，實(shí)驗(yàn)室照明裝置需要進(jìn)行修改，進(jìn)而可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)區(qū)域控制，最多有128個(gè)網(wǎng)絡(luò)控制節(jié)點(diǎn)。

第二，相關(guān)人員的業(yè)務(wù)水平。作為實(shí)驗(yàn)室管理者、技術(shù)人員及實(shí)驗(yàn)教師，必然需要具備一定的技術(shù)水平和職業(yè)素養(yǎng)。實(shí)驗(yàn)教師不僅要熟練使用計(jì)算機(jī)并且了解信息化管理系統(tǒng)，而且要具備一定的專業(yè)技術(shù)知識(shí)，才能熟練使用智能管理系統(tǒng)。在各實(shí)驗(yàn)桌配置相應(yīng)的人機(jī)界面，這些界面用來存放和控制實(shí)驗(yàn)桌、智能收發(fā)數(shù)據(jù)和查閱資料。管理者和實(shí)驗(yàn)教師可以根據(jù)學(xué)習(xí)的需要自行修改與設(shè)計(jì)，有利于提高管理和教學(xué)水平。其中，技術(shù)人員的職業(yè)素養(yǎng)最為重要，必須遵守實(shí)驗(yàn)室規(guī)章制度和設(shè)備使用操作規(guī)范，認(rèn)真閱讀系統(tǒng)使用說明，熟悉操作流程，體現(xiàn)智能管理系統(tǒng)的優(yōu)越性。

第三，使用培訓(xùn)。為了更好地實(shí)現(xiàn)智能管理系統(tǒng)的真正價(jià)值，提前進(jìn)行使用培訓(xùn)是必要的。培訓(xùn)還能為設(shè)備系統(tǒng)保養(yǎng)和維修帶來方便。教師可以根據(jù)現(xiàn)有設(shè)備的功能，分析未來的發(fā)展趨勢(shì)和應(yīng)用前景，為設(shè)備系統(tǒng)擴(kuò)展和更新?lián)Q代提供參考。

實(shí)驗(yàn)室具備以上條件，智能管理系統(tǒng)就可以投入安裝并使用了。實(shí)驗(yàn)教師有責(zé)任密切結(jié)合學(xué)生現(xiàn)有的技能水平，并與教學(xué)融為一體，將智能管理系統(tǒng)正確使用，合理使用。教師應(yīng)熟練掌握智能管理系統(tǒng)改進(jìn)和設(shè)置方法，將課堂知識(shí)由教師客戶端發(fā)送至實(shí)驗(yàn)桌的人機(jī)界面，配合實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)設(shè)備完成正常教學(xué)及管理工作，使智能管理系統(tǒng)發(fā)揮最大作用。

實(shí)驗(yàn)室智能管理系統(tǒng)在實(shí)踐教學(xué)中的使用

使用智能管理系統(tǒng)，要熟悉系統(tǒng)的上位機(jī)顯示控制單元、主機(jī)控制單元以及實(shí)驗(yàn)桌控制單元及其在各種教學(xué)活動(dòng)中的應(yīng)用。（1）顯示控制單元。Labview上位機(jī)采用圖形化語言實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳輸，即通過PC機(jī)232串口向主機(jī)MCU發(fā)送數(shù)據(jù)，單片機(jī)根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)執(zhí)行相應(yīng)的操作。可監(jiān)控實(shí)驗(yàn)室區(qū)域照明、實(shí)驗(yàn)桌電源、學(xué)生考勤和實(shí)驗(yàn)桌使用記錄等信息。（2）主機(jī)控制單元。利用NF2401無線網(wǎng)絡(luò)建立主機(jī)與從機(jī)無線通訊，實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室智能管理系統(tǒng)。主機(jī)向指定的從機(jī)發(fā)出控制信號(hào)，控制其相應(yīng)電源開關(guān)的通斷以及實(shí)驗(yàn)室的照明設(shè)備。從機(jī)可以向主機(jī)發(fā)出請(qǐng)求指令，如學(xué)生的提問信息以及實(shí)驗(yàn)桌的故障信息等。（3）實(shí)驗(yàn)桌控制單元。該單元采用了整體封裝，將各模塊都安裝到電源盒中，在觸摸屏上設(shè)有提問按鍵、課時(shí)任務(wù)等頁面。在電源盒內(nèi)部則集成了MCU和電源檢測(cè)等控制模塊。（4）具體操作。實(shí)驗(yàn)桌的HMI設(shè)有提問按鈕，學(xué)生按下按鈕，教師客戶端顯示學(xué)生的提問信息，為教師與學(xué)生的交流提供了便利；教師客戶端都可以控制實(shí)驗(yàn)桌的三相電源、單相電源、實(shí)驗(yàn)室照明以及空調(diào)等電源的通斷；觸摸屏顯示模塊主要顯示作品介紹、課時(shí)任務(wù)、請(qǐng)求答疑、教學(xué)資源、使用說明等。觸摸屏采用串口屏，從機(jī)接受到相應(yīng)的指令并通過串口為觸摸屏發(fā)送相應(yīng)的指令，從而實(shí)現(xiàn)觸摸屏的相應(yīng)操作。

國內(nèi)高校對(duì)實(shí)驗(yàn)室智能控制的研究較少，隨著一體化教學(xué)的推進(jìn)，大量實(shí)驗(yàn)室投入使用，實(shí)驗(yàn)室智能管理系統(tǒng)的應(yīng)用是必然趨勢(shì)。教育主要是培養(yǎng)人才并為社會(huì)服務(wù)，智能實(shí)驗(yàn)室裝置對(duì)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品的開發(fā)、培養(yǎng)職教師資、實(shí)現(xiàn)一體化智能管理均大有裨益。

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