實驗室智能管理系統在高校實踐教學中的設計及應用*

郝 飛 李小磊

（天津職業技術師范大學工程實訓中心 天津 300222）

當前，一體化教學是職業教育的主流發展趨勢，這對實驗室管理提出更高的要求，但實驗室管理還存在一些問題，如管理實驗設備占用了大量教學時間；實驗室經常出現無人使用的儀器在運行，浪費大量能源；學生沒有經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效率，保護師生安全，優化實驗室管理為目的，探討實驗室智能管理系統的應用。

實驗室智能管理系統的優勢分析

第一，有利于促進教學方法的改進。對項目驅動教學法的促進。在實踐教學中，項目驅動教學法是一種適用于一切技能學員各類實踐性和操作性較強的知識技能的教學方法，是一種目標明確、具有目的性的教學活動過程。實驗室智能管理系統在某些方面是針對項目驅動教學法而設計的。教師可以在教師客戶端創設教學項目，通過無線射頻技術傳送到實驗桌上的控制器，學生通過人機界面查閱教學項目和相關技術文檔而節約時間，讓學生有時間進行技能操作訓練。學生在操作過程中遇到問題可按下提問按鈕，教師即知道學生有請求，可通過遠程通訊或面談交流。

對情境教學法的促進。一般院校所采用的情境教學法是建立以學生為主體的課堂問題情境教學模式，也就是說通過創造討論問題情境、問題情境和實訓實驗操作情境，來激發學生自主學習的興趣。

結合實驗室智能管理系統，教師創設課堂問題情境，通過教師客戶端發送實驗桌的人機界面，學生可以了解問題，根據課程安排了解實驗儀器設備，在實踐中相互討論，解決問題。在實踐教學過程中，良好的實踐操作環境是最基本的。本管理系統將電力電子實驗分為20組，通過智能管理系統創設電力電子各種主控電路實踐操作情境。學生結合已學的理論知識，查閱實驗桌觸摸屏的相關技術資料以及說明實驗模塊存放的位置。學生自由討論，搭建電路完成課題。

第二，解決諸多問題。實驗室智能管理系統在高校及職業院校實驗室的應用是當今發展趨勢，與一體化教學相輔相成。以下闡述該系統對學生、教師、學校和社會的重要意義。

學生方面。通過網絡查詢實驗室的當前狀況和環境條件，有效利用實驗室資源，節約學生的時間，為學生提供可靠的信息和合理的教學安排。可以督促學生自覺進行實踐活動，防止學生遲到、早退和曠課等現象的發生；如設計的指紋識別作為考勤手段；實驗桌的定時工作，在教師設定的時間內實驗桌臺若沒有響應會自動斷電；設計提問按鈕，學生可以隨時向教師提問；設計區域照明等裝置……這些可有效提高教學效率，實現合理利用實驗室資源。

教師方面。以往，高校實驗教師除了在教學上要花費時間，在實驗室管理上還要花很多時間。而實驗室智能管理系統在教學設計、教學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生的實驗桌和區域照明，有效節約能源，合理分配實驗實訓臺，可以及時知道學生的狀態，如考勤和操作狀況。實驗室智能管理系統有效地節約教師的管理時間，減輕了教師的工作壓力。

學校方面。目前，許多高校在實踐教學及管理等方面存在諸多問題，還沒有合理規范的制度。通過智能管理系統集中控制可以實現制度的合理化和規范化，做到實驗教學學生學習和成績評定的公平性。根據學校的專業理念和特色、教學目標和教學發展計劃，加大對公共實訓中心資源的合理利用，鼓勵各個教研室及相關學科共同管理，集中控制，實現資源共享。

社會方面。高校為社會培養技能人才、促進科學研究，智能化管理系統對培養技能型人才意義重大。學校實驗室應用智能化管理系統有利于培養高技能、深層次管理人才。

第三，提升實驗室內涵建設。筆者設計的實驗室智能管理系統，在人才培養效果方面得到了認可。從實驗室內涵建設方面培養合格人才，為社會服務。實驗室智能管理系統為理論與實際相結合提供了有利條件。學生能夠加強理論知識的學習，根據學科內容、任務及學生特點正確恰當地聯系實際，并且提高管理意識。這作為高技能人才職業素質是首要條件，提高管理能力是必要條件之一。教師應堅持教學和科研相結合，因材施教與統一要求相結合，教師的主導性與學生的主體性相結合的原則，將理論應用到實踐教學中。

實驗室智能管理系統所需環境條件

第一，實驗室環境。本系統適用于任何高校實踐教學。利用實驗室智能管理系統，首先該實驗室要具備一定的硬件條件和環境參數。（1）本系統安裝在各實驗桌上，需要一定的安裝空間。（2）使用我國工頻交流電，為了保護設備和人身安全，系統需要PE保護線。（3）室內至少具備一臺主機作為教師客戶端，使用2.4G無線射頻網絡，要求屏蔽性好，不能有干擾無線數據傳送的信號源。具備這些條件，本系統就可以在該實驗室正常投入使用了。如果要區域照明控制投入使用，實驗室照明裝置需要進行修改，進而可實現網絡區域控制，最多有128個網絡控制節點。

第二，相關人員的業務水平。作為實驗室管理者、技術人員及實驗教師，必然需要具備一定的技術水平和職業素養。實驗教師不僅要熟練使用計算機并且了解信息化管理系統，而且要具備一定的專業技術知識，才能熟練使用智能管理系統。在各實驗桌配置相應的人機界面，這些界面用來存放和控制實驗桌、智能收發數據和查閱資料。管理者和實驗教師可以根據學習的需要自行修改與設計，有利于提高管理和教學水平。其中，技術人員的職業素養最為重要，必須遵守實驗室規章制度和設備使用操作規范，認真閱讀系統使用說明，熟悉操作流程，體現智能管理系統的優越性。

第三，使用培訓。為了更好地實現智能管理系統的真正價值，提前進行使用培訓是必要的。培訓還能為設備系統保養和維修帶來方便。教師可以根據現有設備的功能，分析未來的發展趨勢和應用前景，為設備系統擴展和更新換代提供參考。

實驗室具備以上條件，智能管理系統就可以投入安裝并使用了。實驗教師有責任密切結合學生現有的技能水平，并與教學融為一體，將智能管理系統正確使用，合理使用。教師應熟練掌握智能管理系統改進和設置方法，將課堂知識由教師客戶端發送至實驗桌的人機界面，配合實驗實訓設備完成正常教學及管理工作，使智能管理系統發揮最大作用。

實驗室智能管理系統在實踐教學中的使用

使用智能管理系統，要熟悉系統的上位機顯示控制單元、主機控制單元以及實驗桌控制單元及其在各種教學活動中的應用。（1）顯示控制單元。Labview上位機采用圖形化語言實現雙向數據傳輸，即通過PC機232串口向主機MCU發送數據，單片機根據接收到的數據執行相應的操作。可監控實驗室區域照明、實驗桌電源、學生考勤和實驗桌使用記錄等信息。（2）主機控制單元。利用NF2401無線網絡建立主機與從機無線通訊，實現局域網絡實驗室智能管理系統。主機向指定的從機發出控制信號，控制其相應電源開關的通斷以及實驗室的照明設備。從機可以向主機發出請求指令，如學生的提問信息以及實驗桌的故障信息等。（3）實驗桌控制單元。該單元采用了整體封裝，將各模塊都安裝到電源盒中，在觸摸屏上設有提問按鍵、課時任務等頁面。在電源盒內部則集成了MCU和電源檢測等控制模塊。（4）具體操作。實驗桌的HMI設有提問按鈕，學生按下按鈕，教師客戶端顯示學生的提問信息，為教師與學生的交流提供了便利；教師客戶端都可以控制實驗桌的三相電源、單相電源、實驗室照明以及空調等電源的通斷；觸摸屏顯示模塊主要顯示作品介紹、課時任務、請求答疑、教學資源、使用說明等。觸摸屏采用串口屏，從機接受到相應的指令并通過串口為觸摸屏發送相應的指令，從而實現觸摸屏的相應操作。

國內高校對實驗室智能控制的研究較少，隨著一體化教學的推進，大量實驗室投入使用，實驗室智能管理系統的應用是必然趨勢。教育主要是培養人才并為社會服務，智能實驗室裝置對實驗產品的開發、培養職教師資、實現一體化智能管理均大有裨益。

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