中職院校智慧實訓(xùn)館的探索和實踐

文｜張文增

智慧校園是基于相對成熟的物聯(lián)網(wǎng)，以信息和教學(xué)資源的共享為主要手段，以打造優(yōu)質(zhì)和高效的教學(xué)效果為主要目標的智能化網(wǎng)絡(luò)校園平臺。實訓(xùn)教學(xué)是職業(yè)教育教學(xué)的核心內(nèi)容，是連接學(xué)校教育與企業(yè)生產(chǎn)的橋梁。隨著智慧校園建設(shè)的逐步深入，信息化技術(shù)的不斷發(fā)展和廣泛應(yīng)用，智慧實訓(xùn)館建設(shè)也迫在眉睫。

一、智慧實訓(xùn)館概述

智慧實訓(xùn)館是在傳統(tǒng)的實驗室、實訓(xùn)館的基礎(chǔ)上，基于物聯(lián)網(wǎng)建立的智能化綜合實訓(xùn)平臺，把建立的1：1建筑實體模型引入課堂，使教師獲得了豐富多樣資源共享的教學(xué)授課環(huán)境。

智慧實訓(xùn)館建設(shè)是實訓(xùn)教學(xué)改革的重要環(huán)節(jié)，是為社會培養(yǎng)高質(zhì)量專業(yè)技能人才的需要，也是建筑類專業(yè)技術(shù)人才培養(yǎng)的重要組成部分和實踐教學(xué)體系的主要模塊，實現(xiàn)了教學(xué)內(nèi)容的創(chuàng)新、課堂教學(xué)和現(xiàn)場教學(xué)的有機結(jié)合，更是培養(yǎng)學(xué)生實踐能力的有效教學(xué)形式。

二、智慧實訓(xùn)館建設(shè)背景

職業(yè)教育重視專業(yè)技能的培養(yǎng)，學(xué)生在學(xué)習(xí)職業(yè)技能的同時，要掌握一定的專業(yè)理論知識，提高學(xué)生思維創(chuàng)造能力。在實訓(xùn)館中建立1:1實體教學(xué)模型，對中職院校教學(xué)效果的提高、學(xué)生知識技能的培養(yǎng)有著顯著的作用。

第一，教學(xué)中對抽象知識點的理解掌握，需要更為直觀的實物模型，有些等比例縮小的實物模型雖可以搬入課堂，但知識點展示難度大（如樓房、橋梁），所以在實訓(xùn)館中，需建立1:1的實體比例實物模型。

第二，教師在教學(xué)中帶領(lǐng)學(xué)生直接到學(xué)校實訓(xùn)館，對教學(xué)知識點進行現(xiàn)場直觀教學(xué)和實訓(xùn)。避免了教師組織學(xué)生、聯(lián)系企業(yè)、考察校外工程實體施工進度和教學(xué)知識點是否同步，還要重視學(xué)生外出施工工地安全等事項，為提高時效性、節(jié)省時間、減少外出實習(xí)開資，也需建立1:1實體教學(xué)模型。

第三，中職學(xué)生知識基礎(chǔ)不夠牢固，對抽象知識的理解掌握有難度，學(xué)習(xí)主動性不強，1:1實體教學(xué)模型的建立，把課堂教學(xué)與現(xiàn)場教學(xué)有機結(jié)合，直觀呈現(xiàn)專業(yè)知識內(nèi)容，實現(xiàn)“教、學(xué)、做”一體化，創(chuàng)新教學(xué)方式，教學(xué)效果得到提高。

在建立的1:1建筑實體模型、建筑裝飾實體模型、道路橋梁實體模型、市政工程實體模型、VR體驗館中運用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)建一個虛實結(jié)合、內(nèi)外互通、高效智慧的教學(xué)實訓(xùn)館環(huán)境，在提高智能化管理水平的同時，不僅使物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和現(xiàn)代教育技術(shù)融合，也應(yīng)用到教學(xué)實訓(xùn)中，豐富實習(xí)實訓(xùn)方式，使教師獲得豐富多樣、資源共享的教學(xué)授課環(huán)境，提升了中職院校的教學(xué)效果。

三、智慧實訓(xùn)館系統(tǒng)的層次架構(gòu)

智慧實訓(xùn)館系統(tǒng)采用感知互動層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、應(yīng)用服務(wù)層的物聯(lián)網(wǎng)三層結(jié)構(gòu)。

館中感知層設(shè)備有RFID標簽和讀寫器、條碼和二維碼標簽、傳感器、攝像頭等。RFID(射頻識別）技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中使用非常廣泛，作為感知層的主體設(shè)備集成了RFID讀寫芯片，配合其他種類的傳感器，組成了優(yōu)勢明顯功能強大的感知層，學(xué)生身份標識的校園一卡通，RFID標識的館中的儀器設(shè)備、刷卡器等；作為感知層重要組成的溫度傳感器、濕度傳感器、壓力傳感器、紅外傳感器、照度傳感器、攝像頭輔助傳感型設(shè)備等，感知層設(shè)備識別身份、物體，采集數(shù)據(jù)，作為基礎(chǔ)層把數(shù)據(jù)信息向上傳遞。

網(wǎng)絡(luò)傳輸層處于物聯(lián)網(wǎng)承上啟下的中間層。智慧實訓(xùn)館中都有全面覆蓋的校園網(wǎng)和校園WLAN，運營商的移動3G/4G網(wǎng)絡(luò)，以及館內(nèi)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，對感知互動層采集到的數(shù)據(jù)信息進行接收、轉(zhuǎn)換、傳輸?shù)裙ぷ鳎瑢崿F(xiàn)設(shè)備互聯(lián)、設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)、互聯(lián)網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)，各個網(wǎng)絡(luò)實體之間協(xié)同工作。

應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)的最上層，是物聯(lián)網(wǎng)與應(yīng)用服務(wù)的融合，分析處理由網(wǎng)絡(luò)層傳輸來的各類數(shù)據(jù)，通過對應(yīng)的設(shè)備和應(yīng)用平臺進行人機交互的訪問和控制，實現(xiàn)館中教學(xué)管理、儀器設(shè)備管理、館中環(huán)境控制、實體模型和實驗實訓(xùn)引入課堂、校園一卡通等系統(tǒng)功能，為師生提供便捷、智能的應(yīng)用服務(wù)，使數(shù)字教學(xué)資源、實訓(xùn)儀器設(shè)備資源、實體模型資源等得到高效合理綜合利用。

四、智慧實訓(xùn)館應(yīng)用實踐

1:1建筑實體模型從地下到屋頂有地基基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、建筑主體結(jié)構(gòu)、屋面結(jié)構(gòu)，包括砌筑工程、鋼筋混凝土工程、鋼結(jié)構(gòu)工程、徽派仿古建筑等類別；涵蓋90多個建筑構(gòu)造知識點，有土質(zhì)分析實驗、混凝土壓力測試、建材實驗、鋼筋強度拉伸分析試驗、鋼筋綁扎實訓(xùn)等；建筑裝飾實體模型包括各種材料、各類工種的家庭裝、公共裝修，家裝實體模型中也安裝了智能家居系統(tǒng)。在每個實訓(xùn)館建立“理實一體化”配套的信息化教學(xué)環(huán)境，在1:1建筑實體模型、建筑裝飾實體模型、道路橋梁實體模型、市政工程實體模型、VR體驗館建立了3D沉浸式VR教學(xué)系統(tǒng)。

（一）智能控制的模型館環(huán)境系統(tǒng)

智能控制的模型館環(huán)境系統(tǒng)，安裝在館內(nèi)的各類傳感器對館中環(huán)境實時監(jiān)測，根據(jù)環(huán)境的變化對相應(yīng)的設(shè)備自動控制，溫度濕度傳感器控制空調(diào)和風(fēng)扇，照度傳感器控制照明開關(guān)調(diào)節(jié)亮度，在非使用時段忘記關(guān)燈而自動關(guān)閉；煙霧傳感器若監(jiān)測到煙霧濃度過高，能觸發(fā)聲光報警器并開啟館門，起到防火作用；紅外傳感器和窗磁傳感器在非使用時段監(jiān)測到有人員進入或開啟門窗，系統(tǒng)能自動報警，起到防盜作用。

在建筑裝飾實體模型館中，安裝了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能家居系統(tǒng)。智能家居內(nèi)部局域網(wǎng)采用低功耗、多節(jié)點、短延時的ZigBee無線組網(wǎng)技術(shù)，各種傳感器和終端控制器連接于對應(yīng)的ZigBee節(jié)點，所有節(jié)點匯聚到ZigBee通信協(xié)調(diào)器，通過智能網(wǎng)關(guān)接入互聯(lián)網(wǎng)，提供本地或遠程控制，實現(xiàn)對燈光、空調(diào)等電器的控制、智能門鎖、窗簾門窗控制、視頻監(jiān)控、防居室入侵、煙霧燃氣報警等智能化功能。

（二）門禁、考勤管理

實訓(xùn)館進出門控制、實訓(xùn)考勤記錄日志是基于RFID的校園一卡通系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)成熟應(yīng)用，身份標識的校園卡在進館門時，門禁RFID讀卡器獲取刷卡信息，上傳管理服務(wù)器進行認證，管理服務(wù)器把刷卡信息和數(shù)據(jù)庫中的合法信息比對，判斷學(xué)生和教師能否進門，把傳送信息給門禁控制器。若通過，驅(qū)動電控鎖開啟大門，并作考勤記錄和日志，在規(guī)定時間未進門的學(xué)生，服務(wù)器也會作缺勤記錄。出門時也要刷卡，從設(shè)備管理系統(tǒng)發(fā)送來的該人員使用的儀器設(shè)備是否歸還，判斷是否放行，同時也記錄考勤日志，并判斷是否提前下課。

（三）儀器設(shè)備管理

在儀器、設(shè)備上做條碼或二維碼標識，對于需要借出到館外實訓(xùn)使用的儀器設(shè)備（如經(jīng)緯儀、GPS全站儀、水準儀等），借出人需要使用校園卡刷卡或指紋作身份認證，同時用無線掃描槍掃描儀器設(shè)備上的條碼或二維碼，儀器和借出人綁定登記在系統(tǒng)記錄中，在實訓(xùn)中使用手機掃描設(shè)備儀器上的二維碼，通過校園無線網(wǎng)鏈接學(xué)校的資源服務(wù)器，能查看該設(shè)備儀器的操作說明、知識要點等文檔或視頻學(xué)習(xí)資源。儀器歸還時查看儀器有無異常人為損壞，刷校園卡確認儀器歸還正常入庫或作維修登記，也作為儀器庫存統(tǒng)計的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

對于在館中使用的儀器設(shè)備或?qū)嵱?xùn)實驗，可以使用設(shè)備、試驗臺控制柜控制，控制柜中存放該實驗的主要設(shè)備并安裝實驗用電控制開關(guān)，柜中控制器鏈接刷卡器、電控鎖、用電控制開關(guān)，學(xué)生實驗實訓(xùn)時，刷卡進行身份驗證，控制柜獲得學(xué)生刷卡信息，系統(tǒng)管理服務(wù)器，驗證該時段學(xué)生進行實驗實訓(xùn)是否合規(guī)，把驗證結(jié)果傳給控制柜，若準許，電控鎖開啟，實驗用電開關(guān)閉合；否則，不能開啟設(shè)備控制柜。實驗實訓(xùn)結(jié)束后，也要刷卡使設(shè)備入柜，試驗實訓(xùn)用電開關(guān)斷開，同時作該學(xué)生的實驗實訓(xùn)記錄日志，在學(xué)期末對該學(xué)生的實驗實訓(xùn)作統(tǒng)計匯總。

（四）VR體驗館

提升擴充數(shù)字資源庫，“理實一體化”教學(xué)形式已是成熟模式，在各個實訓(xùn)館建立“理實一體化”配套的信息化教學(xué)環(huán)境，配置互動大屏、音響功放等設(shè)備，充分利用數(shù)字資源庫，建立核心建筑專業(yè)課程的3D沉浸式VR教學(xué)系統(tǒng)，充分利用建筑數(shù)字教學(xué)資源，解決實訓(xùn)動手操作形式單調(diào)枯燥問題，提高學(xué)生實訓(xùn)的積極性興趣性。使核心課程的VR資源得到更好的教學(xué)效果，實現(xiàn)建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化特色教學(xué)基地。

VR體驗館裝配了3D沉浸式VR教學(xué)系統(tǒng)，包括：3D沉浸式VR大屏、VR套裝、3D眼鏡、高配計算機、功放音響等設(shè)備，并配套了建筑施工技術(shù)VR仿真系統(tǒng)、工程識圖VR仿真系統(tǒng)。建筑工程VR仿真系統(tǒng)，在虛擬的建筑生產(chǎn)環(huán)境中進行視覺、交互體驗，從而實現(xiàn)體驗式教學(xué)，在使用工具、機械來完成具體施工步驟的基礎(chǔ)上，增加配套語音、文字和講解，設(shè)置更加精細地操作。工程識圖VR仿真系統(tǒng)，通過VR仿真技術(shù)將圖紙所表達的建筑模型1:1真實還原，立體化圖紙；讓學(xué)生在識圖圖紙的同時結(jié)合模型，更加生動簡單地理解圖紙信息所構(gòu)建的建筑物最終形狀及內(nèi)部構(gòu)造形狀。

教師配套穿戴設(shè)備進行演示操作，系統(tǒng)可以同步顯示教師引導(dǎo)操作視角內(nèi)容，實時顯示虛擬互動操作。學(xué)生佩戴3D眼鏡觀看。系統(tǒng)為學(xué)生提供3D立體視覺三維畫面，帶給學(xué)生更真實、更自然、具有很強沖擊力地視覺體驗，實現(xiàn)沉浸式3D教學(xué)場景，提高教育教學(xué)整體效果，

（五）實體模型館資源引入課堂教學(xué)系統(tǒng)

智慧實訓(xùn)館是智慧校園的一部分，把實體模型館資源擴展利用到課堂教學(xué)中，以提高中職院校的教學(xué)效果和教學(xué)質(zhì)量。

進入1:1建筑實體模型、裝飾實體模型中進行現(xiàn)場教學(xué)，能夠使一個完整的建筑工程在不同工期、不同部位、不同類型的剖析截面直觀呈現(xiàn)，通過認知感知，抽象專業(yè)知識容易理解，降低了專業(yè)知識的學(xué)習(xí)難度。比外出到建筑工地省時、省力、省錢。學(xué)生使用手機掃描實體模型中不同部位上的二維碼，通過校園無線網(wǎng)鏈接學(xué)校的資源服務(wù)器，能查看該部分的知識要點解釋或視頻學(xué)習(xí)資源，觀看操作施工工藝流程等。但手機屏幕小，工程圖紙很難完整顯示，手機不同于電腦的配置，大部分工程軟件、仿真系統(tǒng)等教學(xué)資源在手機上不能運行；濃縮的實體模型空間受限，不可安裝多個電腦大屏，模型一個結(jié)構(gòu)位置幾十個學(xué)生也無法都站在最佳視角點。對于這些不足，設(shè)想把館中實體模型按照專業(yè)知識點劃分的不同部位引入教室，在課堂教學(xué)中再現(xiàn)。

教室的多媒體教學(xué)系統(tǒng)，借鑒智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)和智能家居系統(tǒng)，在實體模型不同位置安裝照度傳感器、云臺變焦一體攝像機、電源控制器等，把實體模型引入課堂教學(xué)中。

實體模型專業(yè)知識點部位較多，對應(yīng)安裝的攝像機也多；用三維建模技術(shù)構(gòu)建與實體模型完全對應(yīng)的三維虛擬空間，在三維虛擬空間模型相應(yīng)位置上放入虛擬攝像機，上課教師在教室計算機的三維虛擬空間模型上，能夠快速、準確、方便地查找到和所講授結(jié)構(gòu)知識點對應(yīng)位置的攝像機，啟動安裝在實體模型館對應(yīng)位置的真實攝像機，同時開啟這個位置處的照度傳感器，若講解查看部位的光線不夠，照度傳感器控制燈光開關(guān)打開電燈補光，確保查看位置為彩色圖像、視頻。館中攝像機把查看部位的圖像通過校園網(wǎng)絡(luò)傳入教室計算機，教師遠程控制云臺到預(yù)置位，微調(diào)攝像機鏡頭焦距，得到不同角度被查看位置的圖像，投向大屏幕，配合在計算機上運行的建筑專業(yè)軟件、仿真軟件、課件，打開和講解知識配套的工程圖紙、動畫、視頻等教學(xué)資源。

五、結(jié)語

智慧實訓(xùn)館采用“理實一體化”教學(xué)，3D沉浸式VR教學(xué)、虛擬仿真教學(xué)、大型實體比例模型引入課堂教學(xué)等形式，力求體現(xiàn)實用性、可操作性、先進性，切實提高學(xué)生的知識學(xué)習(xí)興趣和實訓(xùn)操作的綜合能力，使得純知識性的教學(xué)與實訓(xùn)教學(xué)變得更加生動和形象；多樣的創(chuàng)新教學(xué)形式和豐富課程資源素材，方便教師組織進行高效地備課授課，滿足教師與學(xué)生互動式教學(xué)的需要，學(xué)生的虛擬終端操作環(huán)境與生產(chǎn)實踐接近，在這樣的虛擬實訓(xùn)環(huán)境中學(xué)生的職業(yè)意識得到提高，能夠更快地融入到企業(yè)的生產(chǎn)中去。

智慧實訓(xùn)館在職業(yè)院校教學(xué)中的應(yīng)用實踐，加強實訓(xùn)基地的信息化建設(shè)，推進信息技術(shù)與教育教學(xué)的深度融合、實體模型與課堂教學(xué)有機結(jié)合，實施特色的授課方式，創(chuàng)新教學(xué)形式，提升課堂教學(xué)和實訓(xùn)教學(xué)效果，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高教育教學(xué)質(zhì)量，為社會培養(yǎng)高級技能人才。