智能应用型教学实验室设计与探索

韩志强 高旭 董堃

（西安石油大学电子工程学院，陕西西安 710065）

智能应用型教学实验室设计与探索

韩志强 高旭 董堃

（西安石油大学电子工程学院，陕西西安 710065）

随着技术的进步和社会的发展，智慧教室得到了广泛应用。智能应用型教学实验室是基于物联网技术，将实验传感器模块转变为数据采集端，以单片机为核心，利用继电器模块控制各种控制终端，然后通过红外遥控器、手机蓝牙等无线装置实现远程控制；借助计算机完成数据分析处理，从而实现教学实验室的智能化管理和使用。合理有效地将智能设备转换为教育实验设备，从而构建和谐的教、学、实验环境。

智能应用型；教学实验室；环境

教室不应仅仅是传授知识的场所，更是提高学生综合能力为目的的场所。实验作为科学研究的基础，不仅体现高校办学水平，更是理论联系实际培养学生实践能力和提升科技科技创新能力的根本［1］。在物联网技术快速发展下，教室向智能化方向发展。教师积极主动利用教室的智能化，将舒适便捷的体验转换为各种实验手段条件。随着技术发展及社会需求不断转变教育观念，积极探索创新教学模式。同时，通过与建筑设计师相互沟通，将传统教室、实验室转变为一体化智能应用型教学实验室，构建成为良性的生态环境圈，为培养具有创造性能力的学生提供有利的环境设施条件。

1 智能应用型教学实验室

1.1 智能教室作用

信息时代环境下成长的学生，其学习方式向着主动型、发现探索型、互动体验型［2］转变，这对重构传统学习环境提出了新的诉求。

教室经历传统教室、电子教室、多媒体教室、智能教室4个阶段。而智能教室又被称为SMART Classroom、iClassroom、Intelligent classroom。其中，通过SMART：内容呈现（Showing）、环境管理（Manageable）、资源获取（Ac⁃cessible）、及时互动（Real-time Interactive）和情景感知（Testing）体现智能教室的特征［3］。因此，基于智能建筑的基础上利用物联网实现人员考勤、环境调节及远程控制为一体的智能教室是新型现代化教室系统。其教室融合互联网技术、物联网技术、传感器技术、人工智能技术，也逐步融入虚拟现实，增强现实综合的混合现实［4］。

1.2 传统实验室存在问题

实验室是学生实验实践以及各项课外科技活动，教师开展各类实践教学以及科研的重要场所［5］，但是长期存在如下问题：学生实验很多流于形式，应付差事，在实验过程中依照实验指导书按部就班连线，输入给定程序编程完成，尤其在缺少项目激励以及学习实验评价反馈机制下，学生动手实践能力及创客能力未得到充分发挥。

总之，随着社会、经济、技术的发展，对高等教育的实验室提出了新的要求。同时，目前90后大学生求知方式多样，思维开阔接受新事物能力强，思想行为活跃，创造能力强，创新意识及科技活动意愿更为强烈，科技活动方式多样化［6］，也对教学实验室环境、功能、承载方式都提出了新要求。

图1 智能应用型教学实验室基本系统架构

2 智能应用型教学实验室系统架构

在智能应用型教学实验室，教师可通过投影、电子白板、以PC为终端的多种设备多途径传授；学生通过云资源实时便利获取海量、优质教学内容［7］；借助学习评价系统跟踪、分析、反馈、矫正教学内容、方式；通过直播方式，多方式促进教师学生互动及学生评教；开放、高效、互动的智能化教室通过技术优化了教学环境［8］。实践部分则通过熟练运用软件，操作仪器仪表检测，反复调试排查故障，最后通过实验报告撰写总结培养学生思维、总结能力［9］。而管理部分则包括：仪器设备管理，如计算机、投影仪、3D电视等的维护；云网络平台的安全管理维护；实验室安全管理，如设置实施实验人员进出门禁管理规范、操作规范要求。根据“以人为本”的教学理念，智能应用型教学实验室应实行“教”“学”“实践”三维一体的统筹管理，最大限度发挥教师、学生的积极主动性，使用、应用、扩展使其真正行之有效的工作，避免教学内容被教学工具绑架。因此，其基本系统架构如图1所示。

3 智能应用型教学实验室功能应用

工程教育的培养目标要求专业毕业生在毕业后5a左右能够达到职业和专业成就，要求学生学会终身学习，具有自主学习和终身学习的意识，有不断学习和适应发展的能力［10］。

以测控技术与仪器为例，该学科是电子、光学、精密机械、计算机技术与信息技术多学科互相渗透而形成的一门高新技术密集型综合学科。测控技术与仪器专业根据《201版工程教育认证标准》要求：专业类课程应围绕传感技术、测控技术及其集成应用，仪器设计、制造、开发、测试、安全保障、能效评价及工程应用等知识。工程基础与专业基础类课程应包括以下相关知识领域：工程图学基础，程序设计基础，电路、信号与系统分析，误差理论与数据分析，测量理论与测试技术、测控电子技术基础，工程力学与精密机械基础，工程光学基础，控制理论与技术，嵌入式系统与总线通讯技术，信号分析与处理。

智能应用型教学实验室正是基于物联网技术，以传感器为核心，综合运用云技术实现智能防盗、报警、照明、环境检测等功能，包含了认证标准中要求围绕传感技术、测控技术及其应用。通过智能教学实验室中的物联网、传感器、总线技术针对学生通过切身体验，在理解其应用的基础上激发学生学习兴趣。将图1中智能教室中各类传感器，以及实验传感器模块转变为数据采集端，以单片机为核心，利用继电器模块控制各种控制终端，如电源开关、照明设施、通风设施、防盗报警，甚至通过红外遥控器、手机蓝牙等无线装置实现远程控制；借助计算机完成数据分析处理，将智能教学实验室转变为实验实践的仪器设备，通过系统项目设计将兴趣激励与项目激励有机结合，从而加深理论知识理解，通过实践活动提高动手实践能能力，借助手机、计算机编程展宽知识运用。在具有开放性、交互性、人性化特点的传统智能教室充分利用其设备转变为工程教育类学生的应用性智能实验教室，根据学科的特点要求，使其适用于不同教学应用模式。

“积木式创新”是指在创新的过程中，不同要素之间如“积木”般的组合方式。如谷歌（Google）在2014年就公布了自己的Project Ara模块化手机项目，消费者可以根据自己的意愿来搭载一部个性化的模块化手机，这意味着可以以积木方式组建完成个性化手机，而且新推出物联网积木平台［11］。同样，高等教育教学模式、思想应当紧扣经济、社会发展的趋势。智能教学实验的应用倒逼教学形式转变，不在是学完模拟、数字电路之后再学习单片机、虚拟仪器等技术，而可以在低年级阶段，利用电子积木搭建学习单片机、虚拟仪器后再通过模拟、数字电路等知识更深入细致地掌握其应用。因此，针对低年级同学，借助硬件积木Arduino+软件积木Labview，在入学阶段可以不必从零学习电子、机械等就能完成硬件模块搭建，培养创客精神，提升学习兴趣。所以，又可以将智能教室转变为单片机物联网实验系统，充分使用智能教室内原有传感器，还可以通过外接传感器模块，完成单片机、传感器、电子电路设计等实验内容，如图2所示。

图2 单片机物联网实验系统

通过图2可以看出，学生能在教学过程中完成下位机单片机：液晶显示、蜂鸣报警、按键设置等基础实验部分。在此基础上，利用温湿度传感器、粉尘传感器采集数据，电机驱动开关、照明等系统实验。甚至通过Arduino电子积木设计3D打印，组建机器人培养激发创客精神。而在上位机中，利用Labview可以扩展实现多点温度采集、数据分析；利用Matlab对下位机提供的数据进行数字信号处理分析。这样使实验不再是教学之后的单纯仿真，而是教学过程中的行之有物，促进教学实验向实验教学转型，也促进教师教学观念及教学模式、内容不断地变化提升，更能促进师生相互交流，提高动手能力，实现创新思想碰撞。

4 结语

由专业技术教师与建筑设计师、物联网公司共建教学环境，充分发挥教师引擎作用，积极改变教学观念，合理高效地使用设备条件，转变教学形式，优化教学内容，发挥学生自主学习主动性，为学生未来能发挥创造力奠定扎实基础，共同形成良性的生态圈。

［1］张宏玉.地方高校实验室建设管理的探索与实践［J］.实验技术与管理，2016（7）：4-7.

［2］魏小英.基于创新创业导向的专业教学模式改革［J］.教育与职业，2015（2）：115-11.

［3］黄荣怀，胡永斌，杨俊峰，等.智慧教室的概念及特征.开放教育研究，2012（2）：22-27.

［4］乔沛昕，李红波.智能教室系统架构研究［J］.亚太教育，2015（2）：261-262.

［5］桑宏强，张建业，隋修武，等.测控技术与仪器专业开放实验室研究［J］.教育教学论坛，2014（7）：249-250.

［6］赵慧杰.促进90后大学生科研创新的对策研究——基于与80后、70后的比较［J］.黑龙江高教研究，2016（7）：11-15.

［7］陈磊，徐佳丽.基于物联网的高职智慧教室建设研究［J］.职教论坛，2014（35）：23-25.

［8］王玉龙，蒋家傅.以需求为导向的智慧教室系统构建［J］.现代教育技术，2014（6）：99-105.

［9］孙英，邢庆国，翁玲.培养“90后”大学生创新能力的实践与探索［J］.实验技术与管理，2016（4）：172-175.

［10］中国工程教育专业认证协会.中国工程教育专业认证标准（2015版）［EB/OL］.（2015-03-27）［2016-11-06］.http://jwc. cczu.edu.cn/jxzlw/32/bf/c1439a12991/page.htm.

［11］新华网.全球已经步入“积木式创新”的时代［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

陕西省大学生创新创业训练计划项目（1368）。

韩志强（1994-），男，本科，研究方向：测控技术与仪器专业开放实验室研究。