智慧實訓室智能教學管理系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用研究

諶 頏，張袖斌，鐘 貴，吳曉霞

（廣州科技貿(mào)易職業(yè)學院 廣東 廣州 511442）

0 引言

為進一步助力我國教育行業(yè)向信息化方向發(fā)展，為社會培育出更多具備創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的新型建設(shè)性人才，國家教育部門聯(lián)合其他部門頒布了一連串的政策及產(chǎn)業(yè)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(shè)。智慧化實訓室建設(shè)方案的提出為我國各大高校實現(xiàn)智能化教學管理奠定扎實的條件基礎(chǔ)。

1 智慧實訓室

隨著網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的應(yīng)用普及，原始的實訓室設(shè)備配置已經(jīng)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(shù)來實現(xiàn)高校實訓室的智能化管理，其具體管理的內(nèi)容包含設(shè)備管理、視頻監(jiān)控、用電管理、物聯(lián)網(wǎng)綜合體驗系統(tǒng)管理等，其借助物聯(lián)網(wǎng)平臺靈活統(tǒng)一化的數(shù)據(jù)服務(wù)器，達到遠程式授權(quán)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(wǎng)絡(luò)設(shè)備，可以使相同實訓項目在不同設(shè)備上完成。另外，由于原始的實訓室設(shè)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(gòu)能夠創(chuàng)建出多元的實訓環(huán)境，滿足學生的實訓需求。其次陳舊的實訓室設(shè)備無法實時監(jiān)控學生的實訓情況，但智慧實訓室兼?zhèn)涞谋O(jiān)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(gòu)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(quán)限中權(quán)利最高，它可以實現(xiàn)實訓設(shè)備的管理，且需要獲取管理權(quán)限。在實訓管理中，也可以分配相應(yīng)的實訓實驗；

（2）實訓過程的實時監(jiān)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(yè)余學習管理：因?qū)W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(tǒng)。

2.2 智慧實訓室的構(gòu)建原則

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

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

（3）可擴展性：要求實訓室設(shè)備需具備可擴展性，系統(tǒng)需要跟隨技術(shù)優(yōu)化進行升級，預(yù)留新設(shè)備的接入接口[2]。

3 智慧實訓室的建構(gòu)

3.1 設(shè)備感知層

以物聯(lián)網(wǎng)及智能感應(yīng)技術(shù)為基礎(chǔ)，使用IC 卡及射頻標簽，并結(jié)合應(yīng)用各種傳感器標識或二維碼、攝像機實時獲取監(jiān)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(yù)測其發(fā)展規(guī)律。實訓室感知層主要包括多媒體設(shè)備、二維碼、空調(diào)與新風系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)、照明系統(tǒng)RFID 標簽、各種類型的傳感器（CO2濃度及水浸傳感器、設(shè)備盤點與統(tǒng)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(shè)備實現(xiàn)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(jiān)控實訓室動態(tài)安全等。

3.2 智能控制層

于智控單元而言，其功能兼?zhèn)渲悄苄畔⑻幚砗头答?、智能控制決策及精準控制等，此作為實訓室的核心系統(tǒng)，也可以借助物聯(lián)網(wǎng)實訓系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)協(xié)同建構(gòu)形成智能控制終端系統(tǒng)，主要負責各類管理指令。智控層包含智能電源控制系統(tǒng)和多媒體智能控制系統(tǒng)及實訓室智能中控系統(tǒng)三類設(shè)備[3]。

3.3 網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層主要作用是將實訓室內(nèi)的硬件設(shè)施和軟件平臺，以及一些必備的基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備互相聯(lián)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?shù)倪^程提供優(yōu)質(zhì)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、持續(xù)服務(wù)會話、感知接入和傳輸數(shù)據(jù)等。其主要關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)包括無線網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)以及有線網(wǎng)絡(luò)等，用于協(xié)調(diào)各種網(wǎng)絡(luò)之間的關(guān)系，保證信息與物理空間的無縫對接與全面聯(lián)通。

3.4 服務(wù)層

應(yīng)用云計算技術(shù)發(fā)掘一系列數(shù)據(jù)資源的同時可以建構(gòu)起統(tǒng)一化的、共享的、標準的數(shù)據(jù)之間相互融合性質(zhì)的服務(wù)平臺，以避免各學院及應(yīng)用系統(tǒng)間出現(xiàn)“信息孤島”問題。基礎(chǔ)服務(wù)流程具體包含了身份認證、集中統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫服務(wù)平臺、虛擬桌面、云計算和云存儲、服務(wù)器集群、發(fā)數(shù)據(jù)挖掘等、直播和錄播等。

3.5 業(yè)務(wù)應(yīng)用層與用戶層

該環(huán)節(jié)是建立起一個能夠綜合實現(xiàn)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(huán)境監(jiān)控的集成化開放式實訓室管理系統(tǒng)，同時完成實訓室評估建設(shè)工作及實訓室教學質(zhì)量數(shù)據(jù)監(jiān)管工作。按照學校實際需求基于“業(yè)務(wù)支撐平臺”靈活拓展應(yīng)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(guān)信息安全管理標準及管理機制于智慧實訓室層級架構(gòu)中發(fā)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(shù)規(guī)范基礎(chǔ)上，建立健全統(tǒng)一化、標準化的工作管理體系，理論與實踐的相互統(tǒng)一，更有益于智慧實訓室管理[4]。

4 智慧實訓室構(gòu)建路徑選擇

4.1 實訓室綜合管理系統(tǒng)

實訓室綜合管理系統(tǒng)于實訓室規(guī)范化建設(shè)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(nèi)的所有軟件模塊數(shù)據(jù)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(tǒng)計、實驗成績等。管理人員可借助智慧化排課系統(tǒng)結(jié)合實際需求合理安排實訓室的課程輪班時間，并制作相應(yīng)的實訓室課程表，派發(fā)到各任課教師及實訓室管理員與學生手里。另外可結(jié)合教育管理及門禁管理系統(tǒng)，借校園一卡通讀取對應(yīng)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(yīng)信息進行統(tǒng)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(tǒng)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(nèi)的大型儀器設(shè)備、實訓項目或是自主訓練模式等，操作流程包括預(yù)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(yù)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(yù)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(yù)約。遵循先約先用的原則進行預(yù)約管理，預(yù)約之前需要先通過審批，最后公開實訓室的預(yù)約狀態(tài)。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(quán)。此外，管理人員能夠及時獲取到實訓室預(yù)約人員的實時信息及實際使用人的具體信息監(jiān)測情況，并且實時監(jiān)控儀器電源及視頻動態(tài)。結(jié)束實訓后按照管理人員的使用情況給予使用人相應(yīng)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(jiān)控信息。

4.1.3 儀器設(shè)備管理

設(shè)備設(shè)施的管理信息內(nèi)容需包含設(shè)備圖片的型號規(guī)格、編號及名稱、廠家、經(jīng)費來源、價值及數(shù)量信息等，借助RFID物聯(lián)網(wǎng)軟硬件集成系統(tǒng)對全周期包括維管使用、資產(chǎn)入庫、盤點領(lǐng)用、清理調(diào)撥在內(nèi)的各流程實施精細化管理。監(jiān)控信息會在綜合性監(jiān)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(yīng)的實訓室建設(shè)及設(shè)備采購參數(shù)，并且充分發(fā)揮大數(shù)據(jù)技術(shù)的作用，提供真實有效的設(shè)備申購、更新及維護決策數(shù)據(jù)依據(jù)。

4.1.4 項目與采購管理

以往的項目申報與設(shè)備采購紙質(zhì)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(zhí)行難度系數(shù)增加，同時，學校在監(jiān)管上也很難做到位。此環(huán)節(jié)需要借助云計算及大數(shù)據(jù)或電商技術(shù)，建立起一個一站式的項目申報與設(shè)備采購平臺，平臺實操流程應(yīng)該包含實訓室及實訓內(nèi)容項目的預(yù)約申請、立項、采購及采購受理申請及項目采購動態(tài)及后期建賬報銷、外貿(mào)合同執(zhí)行等流程內(nèi)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(huán)節(jié)[5]。

4.2 高清視頻示教系統(tǒng)

受實操現(xiàn)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(tǒng)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(tǒng)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(yīng)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(tǒng)可以在平臺上通過各種路徑同步直播高清畫面，局域網(wǎng)用戶及因特網(wǎng)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(tǒng)來實現(xiàn)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(huán)節(jié)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(xiàn)場講解或播放全景畫面，以便能夠通過聲像互動實現(xiàn)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(fā)布至智慧實訓平臺來展開高質(zhì)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(tǒng)

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

4.3.2 智能電源控制系統(tǒng)

借助實時管理平臺，智能電源控制系統(tǒng)可以做到電源的集中化管控。在時序電源開啟狀態(tài)下，可以避免因多設(shè)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(tài)進行監(jiān)測，以便于靈活掌握設(shè)備的實時用電環(huán)境和用電狀態(tài)，確保設(shè)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(xiàn)，系統(tǒng)就會自動切換至電源模塊，杜絕因前端終端間斷設(shè)備供電的情況出現(xiàn)，保障設(shè)備安全運行；可通過電路能耗對各路設(shè)備的實際耗電狀況進行實時分析，以實現(xiàn)節(jié)電的目標[7]。

4.3.3 實驗設(shè)備中央控制系統(tǒng)

運用通用且專用的實驗設(shè)備中央控制系統(tǒng)及其對應(yīng)的實驗設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)交換機、服務(wù)器等實現(xiàn)全系統(tǒng)化網(wǎng)絡(luò)連接，完成數(shù)據(jù)的接收及控制策略的下發(fā)，對相應(yīng)信息進行儲存，同時將設(shè)備運行過程中關(guān)聯(lián)到的包括開關(guān)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(shù)據(jù)信息準確記錄下來，最后傳輸至服務(wù)器，再交給個人存儲空間進行儲存，形成一體化的數(shù)據(jù)管控系統(tǒng)。

4.3.4 實訓室綜合物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)

憑借傳感技術(shù)、智能技術(shù)、消防系統(tǒng)、各種傳感器系統(tǒng)、安全監(jiān)控、門禁系統(tǒng)、射頻識別技術(shù)等，實訓室綜合物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)能實現(xiàn)開放式預(yù)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(shè)備，建立安全有效的實訓室監(jiān)管體系，提高實訓室安全系數(shù)。IP 對講系統(tǒng)能夠劃分不同通道進行廣播對講，且能夠?qū)崟r收聽實訓室內(nèi)的聲音，與視頻協(xié)調(diào)進行全面監(jiān)控。通過對講設(shè)備和身在實訓室里的教師進行對話，同時也可以發(fā)出請求指導或援助信息。可通過傳感器對實訓室內(nèi)的溫濕度、照明、水油疏漏情況、消防系統(tǒng)及空調(diào)、新風機或空氣質(zhì)量等信息進行實時監(jiān)測，由中控系統(tǒng)例行發(fā)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(nèi)配置的各類開關(guān)避開所有安全隱患。

5 結(jié)語

綜上所述，實訓是高校教學過程中的一部分重要內(nèi)容，也是當今社會高素質(zhì)人才輸出的必備環(huán)節(jié)。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(chǔ)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(xù)高校實驗教學的質(zhì)量和教學效率。