智慧實訓室智能教學管理系統設計與應用研究

諶 頏，張袖斌，鐘 貴，吳曉霞

（廣州科技貿易職業學院 廣東 廣州 511442）

0 引言

為進一步助力我國教育行業向信息化方向發展，為社會培育出更多具備創新思維和創新能力的新型建設性人才，國家教育部門聯合其他部門頒布了一連串的政策及產業扶持政策性文件，對于學生，更為嚴格要求其動手實踐能力，因此各大高校，都在不斷加強實訓室建設。智慧化實訓室建設方案的提出為我國各大高校實現智能化教學管理奠定扎實的條件基礎。

1 智慧實訓室

隨著網絡信息技術的應用普及，原始的實訓室設備配置已經無法滿足當前教學需要，尤其在學生實訓方面達不到理想的管理效果。建立智慧實訓室是運用射頻識別（radio frequency identification，RFID）技術來實現高校實訓室的智能化管理，其具體管理的內容包含設備管理、視頻監控、用電管理、物聯網綜合體驗系統管理等，其借助物聯網平臺靈活統一化的數據服務器，達到遠程式授權訪問、線上交流學習及遠程點播等。首先憑借智慧實訓室多元的網絡設備，可以使相同實訓項目在不同設備上完成。另外，由于原始的實訓室設備功能單一，其軟件又受限的緣故，往往不能達到學生實訓要求，而智慧實訓室的建構能夠創建出多元的實訓環境，滿足學生的實訓需求。其次陳舊的實訓室設備無法實時監控學生的實訓情況，但智慧實訓室兼備的監控功能卻可以將此類問題成功解決。最后在原始的實訓室也不能進行遠程訪問，因而無法保證對教育資源的充分利用，但智慧實訓室卻恰恰相反[1]。

2 智慧實訓室功能和構建原則

2.1 智慧實訓室的功能

（1）實訓室管理：在所有管理權限中權利最高，它可以實現實訓設備的管理，且需要獲取管理權限。在實訓管理中，也可以分配相應的實訓實驗；

（2）實訓過程的實時監管：教師可借此獲取到學生的實時實訓進度及學生行為信息；

（3）業余學習管理：因學生上機時間有限的緣故，他們可以利用課余時間登錄實訓系統。

2.2 智慧實訓室的構建原則

（1）兼容性：首先可持續對原始實訓設備的使用權限，且維持原始框架不發生變化；其次實現實操界面的圖形化管理，可直接用瀏覽器登錄系統；

（2）易管理性：不同組別之間不產生任何影響，且同時維持設備相對獨立，教師也可實時登錄系統指導學生；

（3）可擴展性：要求實訓室設備需具備可擴展性，系統需要跟隨技術優化進行升級，預留新設備的接入接口[2]。

3 智慧實訓室的建構

3.1 設備感知層

以物聯網及智能感應技術為基礎，使用IC 卡及射頻標簽，并結合應用各種傳感器標識或二維碼、攝像機實時獲取監測信息，同時完成各類實驗信息的感知和識別采集，用采集到的信息通過智能途徑提前預測其發展規律。實訓室感知層主要包括多媒體設備、二維碼、空調與新風系統、門禁系統、照明系統RFID 標簽、各種類型的傳感器（CO2濃度及水浸傳感器、設備盤點與統計、溫濕度及有害氣體濃度傳感器）等。比如用攝像頭或智能錄像設備實現刷卡或感知考勤，也可以借助各種傳感器來采集實驗教學全過程視頻以及全過程監控實訓室動態安全等。

3.2 智能控制層

于智控單元而言，其功能兼備智能信息處理和反饋、智能控制決策及精準控制等，此作為實訓室的核心系統，也可以借助物聯網實訓系統與互聯網協同建構形成智能控制終端系統，主要負責各類管理指令。智控層包含智能電源控制系統和多媒體智能控制系統及實訓室智能中控系統三類設備[3]。

3.3 網絡層

網絡層主要作用是將實訓室內的硬件設施和軟件平臺，以及一些必備的基礎設施設備互相聯通起來，便于人與人、人與機、機與機之間的信息傳輸，也可以為信息傳輸的過程提供優質網絡環境、持續服務會話、感知接入和傳輸數據等。其主要關聯網絡包括無線網絡、物聯網以及有線網絡等，用于協調各種網絡之間的關系，保證信息與物理空間的無縫對接與全面聯通。

3.4 服務層

應用云計算技術發掘一系列數據資源的同時可以建構起統一化的、共享的、標準的數據之間相互融合性質的服務平臺，以避免各學院及應用系統間出現“信息孤島”問題。基礎服務流程具體包含了身份認證、集中統一數據庫服務平臺、虛擬桌面、云計算和云存儲、服務器集群、發數據挖掘等、直播和錄播等。

3.5 業務應用層與用戶層

該環節是建立起一個能夠綜合實現智能化教學管理、智能化資源管理、智能化實驗教學與智能化環境監控的集成化開放式實訓室管理系統，同時完成實訓室評估建設工作及實訓室教學質量數據監管工作。按照學校實際需求基于“業務支撐平臺”靈活拓展應用模塊，盡量滿足包括實驗中心、學校及師生等各方之間的使用和管理要求，減少資源浪費。

3.6 智慧實訓室運作機制

實訓室相關信息安全管理標準及管理機制于智慧實訓室層級架構中發揮著重要作用。實訓室安全管理體系涉及實訓室實體安全和運行安全及信息安全等各方面。而實訓室實操中需要在原有的技術規范基礎上，建立健全統一化、標準化的工作管理體系，理論與實踐的相互統一，更有益于智慧實訓室管理[4]。

4 智慧實訓室構建路徑選擇

4.1 實訓室綜合管理系統

實訓室綜合管理系統于實訓室規范化建設和信息化運行過程中，肩負了包括實訓室開放式管理、低值品及耗材管理、項目采購管理、實訓室教學管理在內的所有軟件模塊數據信息的管理。

4.1.1 實訓室教學管理

實訓室教學管理涉及實訓室的課程排課、人員考勤、課時統計、實驗成績等。管理人員可借助智慧化排課系統結合實際需求合理安排實訓室的課程輪班時間，并制作相應的實訓室課程表，派發到各任課教師及實訓室管理員與學生手里。另外可結合教育管理及門禁管理系統，借校園一卡通讀取對應學生信息，職能劃分，批次分組安排及開展考勤簽到，實時跟蹤實訓室的上課過程并對相應信息進行統計匯總等。

4.1.2 實訓室開放管理

以學生為實訓室資源使用主體，開放師生使用實訓室的時間和空間，師生可自主選擇授課時間，以便于打破傳統集中化實驗教學模式，奠定良好的實驗教學條件。

所謂開放實訓室針對的開放對象包括一些實訓室內的大型儀器設備、實訓項目或是自主訓練模式等，操作流程包括預約前期的管理、培訓過程中的管理、實驗中的管理及實驗后的管理。全面啟動安全準入、培訓管理及信譽積分等三項核心保障體制，保證實訓室有序運行。

實踐操作過程需具體包含實訓室資源公示、信息預約、約定開放時間及制度條例、培訓學習考核、安全準入等。需要在預約前先進行安全準入及培訓檢測，完成后再予以提交當次預約。遵循先約先用的原則進行預約管理，預約之前需要先通過審批，最后公開實訓室的預約狀態。管理實訓室的過程中要對人員的身份信息確認，在采集信息之后保證每一位出入人員都得到授權。此外，管理人員能夠及時獲取到實訓室預約人員的實時信息及實際使用人的具體信息監測情況，并且實時監控儀器電源及視頻動態。結束實訓后按照管理人員的使用情況給予使用人相應的信譽積分，實訓室管理人員可靈活查詢儀器的使用情況及實訓室監控信息。

4.1.3 儀器設備管理

設備設施的管理信息內容需包含設備圖片的型號規格、編號及名稱、廠家、經費來源、價值及數量信息等，借助RFID物聯網軟硬件集成系統對全周期包括維管使用、資產入庫、盤點領用、清理調撥在內的各流程實施精細化管理。監控信息會在綜合性監管平臺上實時顯示出來，比如顯示“實驗中”“空閑中”“維護中”“未啟用”“故障中”等。在后臺將自儀器購買之日起的所有使用信息全部詳細記錄下來，更利于為后期提供相應的實訓室建設及設備采購參數，并且充分發揮大數據技術的作用，提供真實有效的設備申購、更新及維護決策數據依據。

4.1.4 項目與采購管理

以往的項目申報與設備采購紙質資料較多，且流程復雜，除了會影響項目落成效率，還會使項目執行難度系數增加，同時，學校在監管上也很難做到位。此環節需要借助云計算及大數據或電商技術，建立起一個一站式的項目申報與設備采購平臺，平臺實操流程應該包含實訓室及實訓內容項目的預約申請、立項、采購及采購受理申請及項目采購動態及后期建賬報銷、外貿合同執行等流程內容，旨在能夠有效提升實訓室的實際管理水平，幫助教師加快以往申請、申購、建賬或程序報銷的環節[5]。

4.2 高清視頻示教系統

受實操現場條件限制，一些學生在實訓中往往看不清實操過程。高清視頻實訓系統利用高配置攝像機將整個實訓過程記錄下來，保證每個學生都能看清楚實操過程。系統可自動完成實訓室登記及整個實操過程的精細化記錄工作，其功能包括同步直播、視頻錄制示范、自主學習等。應用示范視頻錄制功能，可由多視角或通過多路視頻（特寫、課件、全景視頻）對教師的示范性動作進行錄像，然后把教學過程的記錄視頻傳輸至資源平臺上。此外，系統可以在平臺上通過各種路徑同步直播高清畫面，局域網用戶及因特網用戶均能夠收看視頻信息。實訓室通常會配置觸控一體機，此時可借此回播實錄實驗過程，以便于學生展開自主學習或是借此將高清實訓室的實驗示范演示同步直播出來。在開房實驗中對本地畫面進行實時直播，并將實操過程記錄下來，可回放或進行自我診斷。學生可以自行拍攝實訓視頻并將其上傳至平臺，之后由教師予以評價或由學生推薦。

學生實驗、見習、實習和實訓都是借交互系統來實現的，同時又能保證低成本、高效率并且高頻次地完成教學活動。本項目環節分為主講端與互動端兩個部分。主講端負責的是示范演講和遠端畫面，互動端則主要負責通過遠程途徑進行現場講解或播放全景畫面，以便能夠通過聲像互動實現雙向視頻互動。針對示范室與交互室的任意教學流程而言，他們都是在場景采集軟件的實錄條件下發布至智慧實訓平臺來展開高質量的教學實驗演示[6]。

4.3 實訓室硬件管理平臺

4.3.1 多媒體演示系統

在現代化智慧實訓室建設工作中，多媒體演示系統屬于一種必備實驗教學工具手段，包括中央控制系統、投影設備、計算機、數字視頻展示臺、觸控一體機、影音設備、投影幕、投影設備等。于中控系統而言，其可以借助TCP/IP 之間的協議來實現多媒體設備終端的集中控制，且同時也可以運用配套的網絡監管平臺從外部連接多媒體設備以實現遠程控制，另外它的核心功能包括一鍵開啟和關閉、設備遠程監控（包括燈泡使用狀態監控、狀態監控、被盜報警監控和異常提醒監控等）、升降幕布及投影機信號輸入切換等，它可以監控多媒體設備的實時應用狀態，也可以及時發覺設備故障問題，以確保實現對設備的動態化、智能化監管，助力設備系統維管。

4.3.2 智能電源控制系統

借助實時管理平臺，智能電源控制系統可以做到電源的集中化管控。在時序電源開啟狀態下，可以避免因多設備一同開啟導致的短時間大電流供電帶來的沖擊，即時對各個電路的實時電源和電流及電壓通斷狀態進行監測，以便于靈活掌握設備的實時用電環境和用電狀態，確保設備安全運行；主輔雙電源模塊運行，只要電源模塊有故障出現，系統就會自動切換至電源模塊，杜絕因前端終端間斷設備供電的情況出現，保障設備安全運行；可通過電路能耗對各路設備的實際耗電狀況進行實時分析，以實現節電的目標[7]。

4.3.3 實驗設備中央控制系統

運用通用且專用的實驗設備中央控制系統及其對應的實驗設備、網絡交換機、服務器等實現全系統化網絡連接，完成數據的接收及控制策略的下發，對相應信息進行儲存，同時將設備運行過程中關聯到的包括開關時間、使用人或者所在院系等信息實時記錄下來，此外將本地實操記錄信息或與之相匹配的實驗數據信息準確記錄下來，最后傳輸至服務器，再交給個人存儲空間進行儲存，形成一體化的數據管控系統。

4.3.4 實訓室綜合物聯網管理系統

憑借傳感技術、智能技術、消防系統、各種傳感器系統、安全監控、門禁系統、射頻識別技術等，實訓室綜合物聯網管理系統能實現開放式預約管理、身份識別及出入安全管理，對所有人的出入情況進行詳細記錄[8]。匹配實訓室各視頻采集設備，建立安全有效的實訓室監管體系，提高實訓室安全系數。IP 對講系統能夠劃分不同通道進行廣播對講，且能夠實時收聽實訓室內的聲音，與視頻協調進行全面監控。通過對講設備和身在實訓室里的教師進行對話，同時也可以發出請求指導或援助信息。可通過傳感器對實訓室內的溫濕度、照明、水油疏漏情況、消防系統及空調、新風機或空氣質量等信息進行實時監測，由中控系統例行發出實時報警命令，包括語音報警、Email 報警和短信報警，且可以借助實訓室內配置的各類開關避開所有安全隱患。

5 結語

綜上所述，實訓是高校教學過程中的一部分重要內容，也是當今社會高素質人才輸出的必備環節。高校智慧實訓室的提出和建立，進一步為高校實驗教學奠定了扎實的基礎性條件，不僅如此，它也為教師和學生搭建起了一個可以共同互動交流的平臺，更有助于提高后續高校實驗教學的質量和教學效率。