智能應用型教學實驗室設計與探索

韓志強 高旭 董堃

（西安石油大學電子工程學院，陜西西安 710065）

智能應用型教學實驗室設計與探索

韓志強 高旭 董堃

（西安石油大學電子工程學院，陜西西安 710065）

隨著技術的進步和社會的發展，智慧教室得到了廣泛應用。智能應用型教學實驗室是基于物聯網技術，將實驗傳感器模塊轉變為數據采集端，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遠程控制；借助計算機完成數據分析處理，從而實現教學實驗室的智能化管理和使用。合理有效地將智能設備轉換為教育實驗設備，從而構建和諧的教、學、實驗環境。

智能應用型；教學實驗室；環境

教室不應僅僅是傳授知識的場所，更是提高學生綜合能力為目的的場所。實驗作為科學研究的基礎，不僅體現高校辦學水平，更是理論聯系實際培養學生實踐能力和提升科技科技創新能力的根本［1］。在物聯網技術快速發展下，教室向智能化方向發展。教師積極主動利用教室的智能化，將舒適便捷的體驗轉換為各種實驗手段條件。隨著技術發展及社會需求不斷轉變教育觀念，積極探索創新教學模式。同時，通過與建筑設計師相互溝通，將傳統教室、實驗室轉變為一體化智能應用型教學實驗室，構建成為良性的生態環境圈，為培養具有創造性能力的學生提供有利的環境設施條件。

1 智能應用型教學實驗室

1.1 智能教室作用

信息時代環境下成長的學生，其學習方式向著主動型、發現探索型、互動體驗型［2］轉變，這對重構傳統學習環境提出了新的訴求。

教室經歷傳統教室、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：內容呈現（Showing）、環境管理（Manageable）、資源獲取（Ac?cessible）、及時互動（Real-time Interactive）和情景感知（Testing）體現智能教室的特征［3］。因此，基于智能建筑的基礎上利用物聯網實現人員考勤、環境調節及遠程控制為一體的智能教室是新型現代化教室系統。其教室融合互聯網技術、物聯網技術、傳感器技術、人工智能技術，也逐步融入虛擬現實，增強現實綜合的混合現實［4］。

1.2 傳統實驗室存在問題

實驗室是學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以及科研的重要場所［5］，但是長期存在如下問題：學生實驗很多流于形式，應付差事，在實驗過程中依照實驗指導書按部就班連線，輸入給定程序編程完成，尤其在缺少項目激勵以及學習實驗評價反饋機制下，學生動手實踐能力及創客能力未得到充分發揮。

總之，隨著社會、經濟、技術的發展，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，創造能力強，創新意識及科技活動意愿更為強烈，科技活動方式多樣化［6］，也對教學實驗室環境、功能、承載方式都提出了新要求。

圖1 智能應用型教學實驗室基本系統架構

2 智能應用型教學實驗室系統架構

在智能應用型教學實驗室，教師可通過投影、電子白板、以PC為終端的多種設備多途徑傳授；學生通過云資源實時便利獲取海量、優質教學內容［7］；借助學習評價系統跟蹤、分析、反饋、矯正教學內容、方式；通過直播方式，多方式促進教師學生互動及學生評教；開放、高效、互動的智能化教室通過技術優化了教學環境［8］。實踐部分則通過熟練運用軟件，操作儀器儀表檢測，反復調試排查故障，最后通過實驗報告撰寫總結培養學生思維、總結能力［9］。而管理部分則包括：儀器設備管理，如計算機、投影儀、3D電視等的維護；云網絡平臺的安全管理維護；實驗室安全管理，如設置實施實驗人員進出門禁管理規范、操作規范要求。根據“以人為本”的教學理念，智能應用型教學實驗室應實行“教”“學”“實踐”三維一體的統籌管理，最大限度發揮教師、學生的積極主動性，使用、應用、擴展使其真正行之有效的工作，避免教學內容被教學工具綁架。因此，其基本系統架構如圖1所示。

3 智能應用型教學實驗室功能應用

工程教育的培養目標要求專業畢業生在畢業后5a左右能夠達到職業和專業成就，要求學生學會終身學習，具有自主學習和終身學習的意識，有不斷學習和適應發展的能力［10］。

以測控技術與儀器為例，該學科是電子、光學、精密機械、計算機技術與信息技術多學科互相滲透而形成的一門高新技術密集型綜合學科。測控技術與儀器專業根據《201版工程教育認證標準》要求：專業類課程應圍繞傳感技術、測控技術及其集成應用，儀器設計、制造、開發、測試、安全保障、能效評價及工程應用等知識。工程基礎與專業基礎類課程應包括以下相關知識領域：工程圖學基礎，程序設計基礎，電路、信號與系統分析，誤差理論與數據分析，測量理論與測試技術、測控電子技術基礎，工程力學與精密機械基礎，工程光學基礎，控制理論與技術，嵌入式系統與總線通訊技術，信號分析與處理。

智能應用型教學實驗室正是基于物聯網技術，以傳感器為核心，綜合運用云技術實現智能防盜、報警、照明、環境檢測等功能，包含了認證標準中要求圍繞傳感技術、測控技術及其應用。通過智能教學實驗室中的物聯網、傳感器、總線技術針對學生通過切身體驗，在理解其應用的基礎上激發學生學習興趣。將圖1中智能教室中各類傳感器，以及實驗傳感器模塊轉變為數據采集端，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、照明設施、通風設施、防盜報警，甚至通過紅外遙控器、手機藍牙等無線裝置實現遠程控制；借助計算機完成數據分析處理，將智能教學實驗室轉變為實驗實踐的儀器設備，通過系統項目設計將興趣激勵與項目激勵有機結合，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、人性化特點的傳統智能教室充分利用其設備轉變為工程教育類學生的應用性智能實驗教室，根據學科的特點要求，使其適用于不同教學應用模式。

“積木式創新”是指在創新的過程中，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，而且新推出物聯網積木平臺［11］。同樣，高等教育教學模式、思想應當緊扣經濟、社會發展的趨勢。智能教學實驗的應用倒逼教學形式轉變，不在是學完模擬、數字電路之后再學習單片機、虛擬儀器等技術，而可以在低年級階段，利用電子積木搭建學習單片機、虛擬儀器后再通過模擬、數字電路等知識更深入細致地掌握其應用。因此，針對低年級同學，借助硬件積木Arduino+軟件積木Labview，在入學階段可以不必從零學習電子、機械等就能完成硬件模塊搭建，培養創客精神，提升學習興趣。所以，又可以將智能教室轉變為單片機物聯網實驗系統，充分使用智能教室內原有傳感器，還可以通過外接傳感器模塊，完成單片機、傳感器、電子電路設計等實驗內容，如圖2所示。

圖2 單片機物聯網實驗系統

通過圖2可以看出，學生能在教學過程中完成下位機單片機：液晶顯示、蜂鳴報警、按鍵設置等基礎實驗部分。在此基礎上，利用溫濕度傳感器、粉塵傳感器采集數據，電機驅動開關、照明等系統實驗。甚至通過Arduino電子積木設計3D打印，組建機器人培養激發創客精神。而在上位機中，利用Labview可以擴展實現多點溫度采集、數據分析；利用Matlab對下位機提供的數據進行數字信號處理分析。這樣使實驗不再是教學之后的單純仿真，而是教學過程中的行之有物，促進教學實驗向實驗教學轉型，也促進教師教學觀念及教學模式、內容不斷地變化提升，更能促進師生相互交流，提高動手能力，實現創新思想碰撞。

4 結語

由專業技術教師與建筑設計師、物聯網公司共建教學環境，充分發揮教師引擎作用，積極改變教學觀念，合理高效地使用設備條件，轉變教學形式，優化教學內容，發揮學生自主學習主動性，為學生未來能發揮創造力奠定扎實基礎，共同形成良性的生態圈。

［1］張宏玉.地方高校實驗室建設管理的探索與實踐［J］.實驗技術與管理，2016（7）：4-7.

［2］魏小英.基于創新創業導向的專業教學模式改革［J］.教育與職業，2015（2）：115-11.

［3］黃榮懷，胡永斌，楊俊峰，等.智慧教室的概念及特征.開放教育研究，2012（2）：22-27.

［4］喬沛昕，李紅波.智能教室系統架構研究［J］.亞太教育，2015（2）：261-262.

［5］桑宏強，張建業，隋修武，等.測控技術與儀器專業開放實驗室研究［J］.教育教學論壇，2014（7）：249-250.

［6］趙慧杰.促進90后大學生科研創新的對策研究——基于與80后、70后的比較［J］.黑龍江高教研究，2016（7）：11-15.

［7］陳磊，徐佳麗.基于物聯網的高職智慧教室建設研究［J］.職教論壇，2014（35）：23-25.

［8］王玉龍，蔣家傅.以需求為導向的智慧教室系統構建［J］.現代教育技術，2014（6）：99-105.

［9］孫英，邢慶國，翁玲.培養“90后”大學生創新能力的實踐與探索［J］.實驗技術與管理，2016（4）：172-175.

［10］中國工程教育專業認證協會.中國工程教育專業認證標準（2015版）［EB/OL］.（2015-03-27）［2016-11-06］.http://jwc. cczu.edu.cn/jxzlw/32/bf/c1439a12991/page.htm.

［11］新華網.全球已經步入“積木式創新”的時代［EB/OL］.（2016-01-15）［2016-11-06］.http://www.zj.xinhuanet.com/kfkt/ 2016-01/15/c_1117787398.htm.

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

陜西省大學生創新創業訓練計劃項目（1368）。

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