中职院校智慧实训馆的探索和实践

文｜张文增

智慧校园是基于相对成熟的物联网，以信息和教学资源的共享为主要手段，以打造优质和高效的教学效果为主要目标的智能化网络校园平台。实训教学是职业教育教学的核心内容，是连接学校教育与企业生产的桥梁。随着智慧校园建设的逐步深入，信息化技术的不断发展和广泛应用，智慧实训馆建设也迫在眉睫。

一、智慧实训馆概述

智慧实训馆是在传统的实验室、实训馆的基础上，基于物联网建立的智能化综合实训平台，把建立的1：1建筑实体模型引入课堂，使教师获得了丰富多样资源共享的教学授课环境。

智慧实训馆建设是实训教学改革的重要环节，是为社会培养高质量专业技能人才的需要，也是建筑类专业技术人才培养的重要组成部分和实践教学体系的主要模块，实现了教学内容的创新、课堂教学和现场教学的有机结合，更是培养学生实践能力的有效教学形式。

二、智慧实训馆建设背景

职业教育重视专业技能的培养，学生在学习职业技能的同时，要掌握一定的专业理论知识，提高学生思维创造能力。在实训馆中建立1:1实体教学模型，对中职院校教学效果的提高、学生知识技能的培养有着显著的作用。

第一，教学中对抽象知识点的理解掌握，需要更为直观的实物模型，有些等比例缩小的实物模型虽可以搬入课堂，但知识点展示难度大（如楼房、桥梁），所以在实训馆中，需建立1:1的实体比例实物模型。

第二，教师在教学中带领学生直接到学校实训馆，对教学知识点进行现场直观教学和实训。避免了教师组织学生、联系企业、考察校外工程实体施工进度和教学知识点是否同步，还要重视学生外出施工工地安全等事项，为提高时效性、节省时间、减少外出实习开资，也需建立1:1实体教学模型。

第三，中职学生知识基础不够牢固，对抽象知识的理解掌握有难度，学习主动性不强，1:1实体教学模型的建立，把课堂教学与现场教学有机结合，直观呈现专业知识内容，实现“教、学、做”一体化，创新教学方式，教学效果得到提高。

在建立的1:1建筑实体模型、建筑装饰实体模型、道路桥梁实体模型、市政工程实体模型、VR体验馆中运用物联网技术和互联网技术，构建一个虚实结合、内外互通、高效智慧的教学实训馆环境，在提高智能化管理水平的同时，不仅使物联网技术和现代教育技术融合，也应用到教学实训中，丰富实习实训方式，使教师获得丰富多样、资源共享的教学授课环境，提升了中职院校的教学效果。

三、智慧实训馆系统的层次架构

智慧实训馆系统采用感知互动层、网络传输层、应用服务层的物联网三层结构。

馆中感知层设备有RFID标签和读写器、条码和二维码标签、传感器、摄像头等。RFID(射频识别）技术在物联网中使用非常广泛，作为感知层的主体设备集成了RFID读写芯片，配合其他种类的传感器，组成了优势明显功能强大的感知层，学生身份标识的校园一卡通，RFID标识的馆中的仪器设备、刷卡器等；作为感知层重要组成的温度传感器、湿度传感器、压力传感器、红外传感器、照度传感器、摄像头辅助传感型设备等，感知层设备识别身份、物体，采集数据，作为基础层把数据信息向上传递。

网络传输层处于物联网承上启下的中间层。智慧实训馆中都有全面覆盖的校园网和校园WLAN，运营商的移动3G/4G网络，以及馆内无线传感器网络，对感知互动层采集到的数据信息进行接收、转换、传输等工作，实现设备互联、设备与互联网互联、互联网与物联网互联，各个网络实体之间协同工作。

应用层是物联网的最上层，是物联网与应用服务的融合，分析处理由网络层传输来的各类数据，通过对应的设备和应用平台进行人机交互的访问和控制，实现馆中教学管理、仪器设备管理、馆中环境控制、实体模型和实验实训引入课堂、校园一卡通等系统功能，为师生提供便捷、智能的应用服务，使数字教学资源、实训仪器设备资源、实体模型资源等得到高效合理综合利用。

四、智慧实训馆应用实践

1:1建筑实体模型从地下到屋顶有地基基础结构、建筑主体结构、屋面结构，包括砌筑工程、钢筋混凝土工程、钢结构工程、徽派仿古建筑等类别；涵盖90多个建筑构造知识点，有土质分析实验、混凝土压力测试、建材实验、钢筋强度拉伸分析试验、钢筋绑扎实训等；建筑装饰实体模型包括各种材料、各类工种的家庭装、公共装修，家装实体模型中也安装了智能家居系统。在每个实训馆建立“理实一体化”配套的信息化教学环境，在1:1建筑实体模型、建筑装饰实体模型、道路桥梁实体模型、市政工程实体模型、VR体验馆建立了3D沉浸式VR教学系统。

（一）智能控制的模型馆环境系统

智能控制的模型馆环境系统，安装在馆内的各类传感器对馆中环境实时监测，根据环境的变化对相应的设备自动控制，温度湿度传感器控制空调和风扇，照度传感器控制照明开关调节亮度，在非使用时段忘记关灯而自动关闭；烟雾传感器若监测到烟雾浓度过高，能触发声光报警器并开启馆门，起到防火作用；红外传感器和窗磁传感器在非使用时段监测到有人员进入或开启门窗，系统能自动报警，起到防盗作用。

在建筑装饰实体模型馆中，安装了基于物联网技术的智能家居系统。智能家居内部局域网采用低功耗、多节点、短延时的ZigBee无线组网技术，各种传感器和终端控制器连接于对应的ZigBee节点，所有节点汇聚到ZigBee通信协调器，通过智能网关接入互联网，提供本地或远程控制，实现对灯光、空调等电器的控制、智能门锁、窗帘门窗控制、视频监控、防居室入侵、烟雾燃气报警等智能化功能。

（二）门禁、考勤管理

实训馆进出门控制、实训考勤记录日志是基于RFID的校园一卡通系统的物联网技术成熟应用，身份标识的校园卡在进馆门时，门禁RFID读卡器获取刷卡信息，上传管理服务器进行认证，管理服务器把刷卡信息和数据库中的合法信息比对，判断学生和教师能否进门，把传送信息给门禁控制器。若通过，驱动电控锁开启大门，并作考勤记录和日志，在规定时间未进门的学生，服务器也会作缺勤记录。出门时也要刷卡，从设备管理系统发送来的该人员使用的仪器设备是否归还，判断是否放行，同时也记录考勤日志，并判断是否提前下课。

（三）仪器设备管理

在仪器、设备上做条码或二维码标识，对于需要借出到馆外实训使用的仪器设备（如经纬仪、GPS全站仪、水准仪等），借出人需要使用校园卡刷卡或指纹作身份认证，同时用无线扫描枪扫描仪器设备上的条码或二维码，仪器和借出人绑定登记在系统记录中，在实训中使用手机扫描设备仪器上的二维码，通过校园无线网链接学校的资源服务器，能查看该设备仪器的操作说明、知识要点等文档或视频学习资源。仪器归还时查看仪器有无异常人为损坏，刷校园卡确认仪器归还正常入库或作维修登记，也作为仪器库存统计的基础数据。

对于在馆中使用的仪器设备或实训实验，可以使用设备、试验台控制柜控制，控制柜中存放该实验的主要设备并安装实验用电控制开关，柜中控制器链接刷卡器、电控锁、用电控制开关，学生实验实训时，刷卡进行身份验证，控制柜获得学生刷卡信息，系统管理服务器，验证该时段学生进行实验实训是否合规，把验证结果传给控制柜，若准许，电控锁开启，实验用电开关闭合；否则，不能开启设备控制柜。实验实训结束后，也要刷卡使设备入柜，试验实训用电开关断开，同时作该学生的实验实训记录日志，在学期末对该学生的实验实训作统计汇总。

（四）VR体验馆

提升扩充数字资源库，“理实一体化”教学形式已是成熟模式，在各个实训馆建立“理实一体化”配套的信息化教学环境，配置互动大屏、音响功放等设备，充分利用数字资源库，建立核心建筑专业课程的3D沉浸式VR教学系统，充分利用建筑数字教学资源，解决实训动手操作形式单调枯燥问题，提高学生实训的积极性兴趣性。使核心课程的VR资源得到更好的教学效果，实现建筑产业现代化特色教学基地。

VR体验馆装配了3D沉浸式VR教学系统，包括：3D沉浸式VR大屏、VR套装、3D眼镜、高配计算机、功放音响等设备，并配套了建筑施工技术VR仿真系统、工程识图VR仿真系统。建筑工程VR仿真系统，在虚拟的建筑生产环境中进行视觉、交互体验，从而实现体验式教学，在使用工具、机械来完成具体施工步骤的基础上，增加配套语音、文字和讲解，设置更加精细地操作。工程识图VR仿真系统，通过VR仿真技术将图纸所表达的建筑模型1:1真实还原，立体化图纸；让学生在识图图纸的同时结合模型，更加生动简单地理解图纸信息所构建的建筑物最终形状及内部构造形状。

教师配套穿戴设备进行演示操作，系统可以同步显示教师引导操作视角内容，实时显示虚拟互动操作。学生佩戴3D眼镜观看。系统为学生提供3D立体视觉三维画面，带给学生更真实、更自然、具有很强冲击力地视觉体验，实现沉浸式3D教学场景，提高教育教学整体效果，

（五）实体模型馆资源引入课堂教学系统

智慧实训馆是智慧校园的一部分，把实体模型馆资源扩展利用到课堂教学中，以提高中职院校的教学效果和教学质量。

进入1:1建筑实体模型、装饰实体模型中进行现场教学，能够使一个完整的建筑工程在不同工期、不同部位、不同类型的剖析截面直观呈现，通过认知感知，抽象专业知识容易理解，降低了专业知识的学习难度。比外出到建筑工地省时、省力、省钱。学生使用手机扫描实体模型中不同部位上的二维码，通过校园无线网链接学校的资源服务器，能查看该部分的知识要点解释或视频学习资源，观看操作施工工艺流程等。但手机屏幕小，工程图纸很难完整显示，手机不同于电脑的配置，大部分工程软件、仿真系统等教学资源在手机上不能运行；浓缩的实体模型空间受限，不可安装多个电脑大屏，模型一个结构位置几十个学生也无法都站在最佳视角点。对于这些不足，设想把馆中实体模型按照专业知识点划分的不同部位引入教室，在课堂教学中再现。

教室的多媒体教学系统，借鉴智能视频监控系统和智能家居系统，在实体模型不同位置安装照度传感器、云台变焦一体摄像机、电源控制器等，把实体模型引入课堂教学中。

实体模型专业知识点部位较多，对应安装的摄像机也多；用三维建模技术构建与实体模型完全对应的三维虚拟空间，在三维虚拟空间模型相应位置上放入虚拟摄像机，上课教师在教室计算机的三维虚拟空间模型上，能够快速、准确、方便地查找到和所讲授结构知识点对应位置的摄像机，启动安装在实体模型馆对应位置的真实摄像机，同时开启这个位置处的照度传感器，若讲解查看部位的光线不够，照度传感器控制灯光开关打开电灯补光，确保查看位置为彩色图像、视频。馆中摄像机把查看部位的图像通过校园网络传入教室计算机，教师远程控制云台到预置位，微调摄像机镜头焦距，得到不同角度被查看位置的图像，投向大屏幕，配合在计算机上运行的建筑专业软件、仿真软件、课件，打开和讲解知识配套的工程图纸、动画、视频等教学资源。

五、结语

智慧实训馆采用“理实一体化”教学，3D沉浸式VR教学、虚拟仿真教学、大型实体比例模型引入课堂教学等形式，力求体现实用性、可操作性、先进性，切实提高学生的知识学习兴趣和实训操作的综合能力，使得纯知识性的教学与实训教学变得更加生动和形象；多样的创新教学形式和丰富课程资源素材，方便教师组织进行高效地备课授课，满足教师与学生互动式教学的需要，学生的虚拟终端操作环境与生产实践接近，在这样的虚拟实训环境中学生的职业意识得到提高，能够更快地融入到企业的生产中去。

智慧实训馆在职业院校教学中的应用实践，加强实训基地的信息化建设，推进信息技术与教育教学的深度融合、实体模型与课堂教学有机结合，实施特色的授课方式，创新教学形式，提升课堂教学和实训教学效果，激发学生的学习兴趣，提高教育教学质量，为社会培养高级技能人才。