实验室智能管理系统在高校实践教学中的设计及应用*

郝 飞 李小磊

（天津职业技术师范大学工程实训中心 天津 300222）

当前，一体化教学是职业教育的主流发展趋势，这对实验室管理提出更高的要求，但实验室管理还存在一些问题，如管理实验设备占用了大量教学时间；实验室经常出现无人使用的仪器在运行，浪费大量能源；学生没有经过教师同意擅自通电，造成很多事故等等。笔者以提高教师教学效率，保护师生安全，优化实验室管理为目的，探讨实验室智能管理系统的应用。

实验室智能管理系统的优势分析

第一，有利于促进教学方法的改进。对项目驱动教学法的促进。在实践教学中，项目驱动教学法是一种适用于一切技能学员各类实践性和操作性较强的知识技能的教学方法，是一种目标明确、具有目的性的教学活动过程。实验室智能管理系统在某些方面是针对项目驱动教学法而设计的。教师可以在教师客户端创设教学项目，通过无线射频技术传送到实验桌上的控制器，学生通过人机界面查阅教学项目和相关技术文档而节约时间，让学生有时间进行技能操作训练。学生在操作过程中遇到问题可按下提问按钮，教师即知道学生有请求，可通过远程通讯或面谈交流。

对情境教学法的促进。一般院校所采用的情境教学法是建立以学生为主体的课堂问题情境教学模式，也就是说通过创造讨论问题情境、问题情境和实训实验操作情境，来激发学生自主学习的兴趣。

结合实验室智能管理系统，教师创设课堂问题情境，通过教师客户端发送实验桌的人机界面，学生可以了解问题，根据课程安排了解实验仪器设备，在实践中相互讨论，解决问题。在实践教学过程中，良好的实践操作环境是最基本的。本管理系统将电力电子实验分为20组，通过智能管理系统创设电力电子各种主控电路实践操作情境。学生结合已学的理论知识，查阅实验桌触摸屏的相关技术资料以及说明实验模块存放的位置。学生自由讨论，搭建电路完成课题。

第二，解决诸多问题。实验室智能管理系统在高校及职业院校实验室的应用是当今发展趋势，与一体化教学相辅相成。以下阐述该系统对学生、教师、学校和社会的重要意义。

学生方面。通过网络查询实验室的当前状况和环境条件，有效利用实验室资源，节约学生的时间，为学生提供可靠的信息和合理的教学安排。可以督促学生自觉进行实践活动，防止学生迟到、早退和旷课等现象的发生；如设计的指纹识别作为考勤手段；实验桌的定时工作，在教师设定的时间内实验桌台若没有响应会自动断电；设计提问按钮，学生可以随时向教师提问；设计区域照明等装置……这些可有效提高教学效率，实现合理利用实验室资源。

教师方面。以往，高校实验教师除了在教学上要花费时间，在实验室管理上还要花很多时间。而实验室智能管理系统在教学设计、教学安排和课堂管理方面为教师提供了很多方便。教师可以通过教师客户端控制学生的实验桌和区域照明，有效节约能源，合理分配实验实训台，可以及时知道学生的状态，如考勤和操作状况。实验室智能管理系统有效地节约教师的管理时间，减轻了教师的工作压力。

学校方面。目前，许多高校在实践教学及管理等方面存在诸多问题，还没有合理规范的制度。通过智能管理系统集中控制可以实现制度的合理化和规范化，做到实验教学学生学习和成绩评定的公平性。根据学校的专业理念和特色、教学目标和教学发展计划，加大对公共实训中心资源的合理利用，鼓励各个教研室及相关学科共同管理，集中控制，实现资源共享。

社会方面。高校为社会培养技能人才、促进科学研究，智能化管理系统对培养技能型人才意义重大。学校实验室应用智能化管理系统有利于培养高技能、深层次管理人才。

第三，提升实验室内涵建设。笔者设计的实验室智能管理系统，在人才培养效果方面得到了认可。从实验室内涵建设方面培养合格人才，为社会服务。实验室智能管理系统为理论与实际相结合提供了有利条件。学生能够加强理论知识的学习，根据学科内容、任务及学生特点正确恰当地联系实际，并且提高管理意识。这作为高技能人才职业素质是首要条件，提高管理能力是必要条件之一。教师应坚持教学和科研相结合，因材施教与统一要求相结合，教师的主导性与学生的主体性相结合的原则，将理论应用到实践教学中。

实验室智能管理系统所需环境条件

第一，实验室环境。本系统适用于任何高校实践教学。利用实验室智能管理系统，首先该实验室要具备一定的硬件条件和环境参数。（1）本系统安装在各实验桌上，需要一定的安装空间。（2）使用我国工频交流电，为了保护设备和人身安全，系统需要PE保护线。（3）室内至少具备一台主机作为教师客户端，使用2.4G无线射频网络，要求屏蔽性好，不能有干扰无线数据传送的信号源。具备这些条件，本系统就可以在该实验室正常投入使用了。如果要区域照明控制投入使用，实验室照明装置需要进行修改，进而可实现网络区域控制，最多有128个网络控制节点。

第二，相关人员的业务水平。作为实验室管理者、技术人员及实验教师，必然需要具备一定的技术水平和职业素养。实验教师不仅要熟练使用计算机并且了解信息化管理系统，而且要具备一定的专业技术知识，才能熟练使用智能管理系统。在各实验桌配置相应的人机界面，这些界面用来存放和控制实验桌、智能收发数据和查阅资料。管理者和实验教师可以根据学习的需要自行修改与设计，有利于提高管理和教学水平。其中，技术人员的职业素养最为重要，必须遵守实验室规章制度和设备使用操作规范，认真阅读系统使用说明，熟悉操作流程，体现智能管理系统的优越性。

第三，使用培训。为了更好地实现智能管理系统的真正价值，提前进行使用培训是必要的。培训还能为设备系统保养和维修带来方便。教师可以根据现有设备的功能，分析未来的发展趋势和应用前景，为设备系统扩展和更新换代提供参考。

实验室具备以上条件，智能管理系统就可以投入安装并使用了。实验教师有责任密切结合学生现有的技能水平，并与教学融为一体，将智能管理系统正确使用，合理使用。教师应熟练掌握智能管理系统改进和设置方法，将课堂知识由教师客户端发送至实验桌的人机界面，配合实验实训设备完成正常教学及管理工作，使智能管理系统发挥最大作用。

实验室智能管理系统在实践教学中的使用

使用智能管理系统，要熟悉系统的上位机显示控制单元、主机控制单元以及实验桌控制单元及其在各种教学活动中的应用。（1）显示控制单元。Labview上位机采用图形化语言实现双向数据传输，即通过PC机232串口向主机MCU发送数据，单片机根据接收到的数据执行相应的操作。可监控实验室区域照明、实验桌电源、学生考勤和实验桌使用记录等信息。（2）主机控制单元。利用NF2401无线网络建立主机与从机无线通讯，实现局域网络实验室智能管理系统。主机向指定的从机发出控制信号，控制其相应电源开关的通断以及实验室的照明设备。从机可以向主机发出请求指令，如学生的提问信息以及实验桌的故障信息等。（3）实验桌控制单元。该单元采用了整体封装，将各模块都安装到电源盒中，在触摸屏上设有提问按键、课时任务等页面。在电源盒内部则集成了MCU和电源检测等控制模块。（4）具体操作。实验桌的HMI设有提问按钮，学生按下按钮，教师客户端显示学生的提问信息，为教师与学生的交流提供了便利；教师客户端都可以控制实验桌的三相电源、单相电源、实验室照明以及空调等电源的通断；触摸屏显示模块主要显示作品介绍、课时任务、请求答疑、教学资源、使用说明等。触摸屏采用串口屏，从机接受到相应的指令并通过串口为触摸屏发送相应的指令，从而实现触摸屏的相应操作。

国内高校对实验室智能控制的研究较少，随着一体化教学的推进，大量实验室投入使用，实验室智能管理系统的应用是必然趋势。教育主要是培养人才并为社会服务，智能实验室装置对实验产品的开发、培养职教师资、实现一体化智能管理均大有裨益。

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