中職院校智慧實訓館的探索和實踐

文｜張文增

智慧校園是基于相對成熟的物聯網，以信息和教學資源的共享為主要手段，以打造優質和高效的教學效果為主要目標的智能化網絡校園平臺。實訓教學是職業教育教學的核心內容，是連接學校教育與企業生產的橋梁。隨著智慧校園建設的逐步深入，信息化技術的不斷發展和廣泛應用，智慧實訓館建設也迫在眉睫。

一、智慧實訓館概述

智慧實訓館是在傳統的實驗室、實訓館的基礎上，基于物聯網建立的智能化綜合實訓平臺，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授課環境。

智慧實訓館建設是實訓教學改革的重要環節，是為社會培養高質量專業技能人才的需要，也是建筑類專業技術人才培養的重要組成部分和實踐教學體系的主要模塊，實現了教學內容的創新、課堂教學和現場教學的有機結合，更是培養學生實踐能力的有效教學形式。

二、智慧實訓館建設背景

職業教育重視專業技能的培養，學生在學習職業技能的同時，要掌握一定的專業理論知識，提高學生思維創造能力。在實訓館中建立1:1實體教學模型，對中職院校教學效果的提高、學生知識技能的培養有著顯著的作用。

第一，教學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），所以在實訓館中，需建立1:1的實體比例實物模型。

第二，教師在教學中帶領學生直接到學校實訓館，對教學知識點進行現場直觀教學和實訓。避免了教師組織學生、聯系企業、考察校外工程實體施工進度和教學知識點是否同步，還要重視學生外出施工工地安全等事項，為提高時效性、節省時間、減少外出實習開資，也需建立1:1實體教學模型。

第三，中職學生知識基礎不夠牢固，對抽象知識的理解掌握有難度，學習主動性不強，1:1實體教學模型的建立，把課堂教學與現場教學有機結合，直觀呈現專業知識內容，實現“教、學、做”一體化，創新教學方式，教學效果得到提高。

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體驗館中運用物聯網技術和互聯網技術，構建一個虛實結合、內外互通、高效智慧的教學實訓館環境，在提高智能化管理水平的同時，不僅使物聯網技術和現代教育技術融合，也應用到教學實訓中，豐富實習實訓方式，使教師獲得豐富多樣、資源共享的教學授課環境，提升了中職院校的教學效果。

三、智慧實訓館系統的層次架構

智慧實訓館系統采用感知互動層、網絡傳輸層、應用服務層的物聯網三層結構。

館中感知層設備有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）技術在物聯網中使用非常廣泛，作為感知層的主體設備集成了RFID讀寫芯片，配合其他種類的傳感器，組成了優勢明顯功能強大的感知層，學生身份標識的校園一卡通，RFID標識的館中的儀器設備、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備等，感知層設備識別身份、物體，采集數據，作為基礎層把數據信息向上傳遞。

網絡傳輸層處于物聯網承上啟下的中間層。智慧實訓館中都有全面覆蓋的校園網和校園WLAN，運營商的移動3G/4G網絡，以及館內無線傳感器網絡，對感知互動層采集到的數據信息進行接收、轉換、傳輸等工作，實現設備互聯、設備與互聯網互聯、互聯網與物聯網互聯，各個網絡實體之間協同工作。

應用層是物聯網的最上層，是物聯網與應用服務的融合，分析處理由網絡層傳輸來的各類數據，通過對應的設備和應用平臺進行人機交互的訪問和控制，實現館中教學管理、儀器設備管理、館中環境控制、實體模型和實驗實訓引入課堂、校園一卡通等系統功能，為師生提供便捷、智能的應用服務，使數字教學資源、實訓儀器設備資源、實體模型資源等得到高效合理綜合利用。

四、智慧實訓館應用實踐

1:1建筑實體模型從地下到屋頂有地基基礎結構、建筑主體結構、屋面結構，包括砌筑工程、鋼筋混凝土工程、鋼結構工程、徽派仿古建筑等類別；涵蓋90多個建筑構造知識點，有土質分析實驗、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。在每個實訓館建立“理實一體化”配套的信息化教學環境，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教學系統。

（一）智能控制的模型館環境系統

智能控制的模型館環境系統，安裝在館內的各類傳感器對館中環境實時監測，根據環境的變化對相應的設備自動控制，溫度濕度傳感器控制空調和風扇，照度傳感器控制照明開關調節亮度，在非使用時段忘記關燈而自動關閉；煙霧傳感器若監測到煙霧濃度過高，能觸發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測到有人員進入或開啟門窗，系統能自動報警，起到防盜作用。

在建筑裝飾實體模型館中，安裝了基于物聯網技術的智能家居系統。智能家居內部局域網采用低功耗、多節點、短延時的ZigBee無線組網技術，各種傳感器和終端控制器連接于對應的ZigBee節點，所有節點匯聚到ZigBee通信協調器，通過智能網關接入互聯網，提供本地或遠程控制，實現對燈光、空調等電器的控制、智能門鎖、窗簾門窗控制、視頻監控、防居室入侵、煙霧燃氣報警等智能化功能。

（二）門禁、考勤管理

實訓館進出門控制、實訓考勤記錄日志是基于RFID的校園一卡通系統的物聯網技術成熟應用，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，上傳管理服務器進行認證，管理服務器把刷卡信息和數據庫中的合法信息比對，判斷學生和教師能否進門，把傳送信息給門禁控制器。若通過，驅動電控鎖開啟大門，并作考勤記錄和日志，在規定時間未進門的學生，服務器也會作缺勤記錄。出門時也要刷卡，從設備管理系統發送來的該人員使用的儀器設備是否歸還，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）儀器設備管理

在儀器、設備上做條碼或二維碼標識，對于需要借出到館外實訓使用的儀器設備（如經緯儀、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備上的條碼或二維碼，儀器和借出人綁定登記在系統記錄中，在實訓中使用手機掃描設備儀器上的二維碼，通過校園無線網鏈接學校的資源服務器，能查看該設備儀器的操作說明、知識要點等文檔或視頻學習資源。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，也作為儀器庫存統計的基礎數據。

對于在館中使用的儀器設備或實訓實驗，可以使用設備、試驗臺控制柜控制，控制柜中存放該實驗的主要設備并安裝實驗用電控制開關，柜中控制器鏈接刷卡器、電控鎖、用電控制開關，學生實驗實訓時，刷卡進行身份驗證，控制柜獲得學生刷卡信息，系統管理服務器，驗證該時段學生進行實驗實訓是否合規，把驗證結果傳給控制柜，若準許，電控鎖開啟，實驗用電開關閉合；否則，不能開啟設備控制柜。實驗實訓結束后，也要刷卡使設備入柜，試驗實訓用電開關斷開，同時作該學生的實驗實訓記錄日志，在學期末對該學生的實驗實訓作統計匯總。

（四）VR體驗館

提升擴充數字資源庫，“理實一體化”教學形式已是成熟模式，在各個實訓館建立“理實一體化”配套的信息化教學環境，配置互動大屏、音響功放等設備，充分利用數字資源庫，建立核心建筑專業課程的3D沉浸式VR教學系統，充分利用建筑數字教學資源，解決實訓動手操作形式單調枯燥問題，提高學生實訓的積極性興趣性。使核心課程的VR資源得到更好的教學效果，實現建筑產業現代化特色教學基地。

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

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

（五）實體模型館資源引入課堂教學系統

智慧實訓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中，以提高中職院校的教學效果和教學質量。

進入1:1建筑實體模型、裝飾實體模型中進行現場教學，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，通過認知感知，抽象專業知識容易理解，降低了專業知識的學習難度。比外出到建筑工地省時、省力、省錢。學生使用手機掃描實體模型中不同部位上的二維碼，通過校園無線網鏈接學校的資源服務器，能查看該部分的知識要點解釋或視頻學習資源，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、仿真系統等教學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，模型一個結構位置幾十個學生也無法都站在最佳視角點。對于這些不足，設想把館中實體模型按照專業知識點劃分的不同部位引入教室，在課堂教學中再現。

教室的多媒體教學系統，借鑒智能視頻監控系統和智能家居系統，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中。

實體模型專業知識點部位較多，對應安裝的攝像機也多；用三維建模技術構建與實體模型完全對應的三維虛擬空間，在三維虛擬空間模型相應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構知識點對應位置的攝像機，啟動安裝在實體模型館對應位置的真實攝像機，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絡傳入教室計算機，教師遠程控制云臺到預置位，微調攝像機鏡頭焦距，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、視頻等教學資源。

五、結語

智慧實訓館采用“理實一體化”教學，3D沉浸式VR教學、虛擬仿真教學、大型實體比例模型引入課堂教學等形式，力求體現實用性、可操作性、先進性，切實提高學生的知識學習興趣和實訓操作的綜合能力，使得純知識性的教學與實訓教學變得更加生動和形象；多樣的創新教學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，滿足教師與學生互動式教學的需要，學生的虛擬終端操作環境與生產實踐接近，在這樣的虛擬實訓環境中學生的職業意識得到提高，能夠更快地融入到企業的生產中去。

智慧實訓館在職業院校教學中的應用實踐，加強實訓基地的信息化建設，推進信息技術與教育教學的深度融合、實體模型與課堂教學有機結合，實施特色的授課方式，創新教學形式，提升課堂教學和實訓教學效果，激發學生的學習興趣，提高教育教學質量，為社會培養高級技能人才。