CN103426346A - 一种理论与实验一体化同步教学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种理论与实验一体化同步教学系统，包括各实验设备组合构成的实验单元，对实验单元进行采集与控制的测控单元，教师教学单元接受测控单元采集的数据和音视频信号以及发送到实验单元的控制信号以完成理论与实验一体化同步教学，教师教学单元还接受学生学习单元输入的操作指令进行分析处理、并调控测控单元对实验单元进行实时数据采集、以及调控测控单元输出指令信号控制实验单元中的各实验设备进行实验操作演示。本发明中可有效实现理论和实验一体化同步教学，另外学生在学生学习单元通过测控单元操控实验单元以实现理论与实验一体化同步学习。
Description
技术领域
本发明涉及教学领域，具体涉及一种理论与实验一体化同步教学系统。
背景技术
在初、高中及大中专院校教学中，已经非常重视实验教学，有的甚至与理论教学并重，这有利于培养学生的创新实践能力。但现有的实验教学还存在以下缺陷：从教学角度考虑，深奥的理论教学给教师讲授带来极大的困难，这就需要在线、实时实物和实验配合，但目前的实验一般在理论教学之后才进行对应的实验教学。如何实现理论教学和实验教学的实时同步进行问题，是实验教学迫切需要解决的问题；从学习角度考虑，学生(特别是刚进入专业基础课或专业课的大学生)工程实际经验较为匮乏，这样导致学生在听讲理论课时不仅理解困难，而且枯燥无味，如何实现学生与实验设备进行集动态、生动、趣味、互动为一体的主动学习问题，也是现代教学迫切需要解决的问题；从实验设备角度考虑，学生做实验需要一定数量的设备，这样必然导致学生不能在数量少、珍贵、先进的设备上完成实验。如何将该类设备应用于理论教学中，也是现代教学迫切需要解决的问题；从院校科研特征考虑，现代院校几乎都有科研项目，这些项目都是领域前沿，项目所研制的设备以及项目的研制“过程”是学生理论学习和实验学习的极大资源，其创新学习价值甚至超过了专门的课程实验设备，如何将这些资源应用于理论教学中，也是现代教学迫切需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种理论与实验一体化同步教学系统，可实现理论教学和实验教学的融合和同步，能够使得教师、学生与实验设备进行互动，便于学生对理论知识、实验技能的学习，本发明的另一目的在于提供一种理论与实验一体化同步学习系统，可实现学生理论学习和实验学习的融合和同步，能够使得学生与实验设备之间进行互动，便于学生对理论知识、实验技能的复习和提高。
其采取的方案为：一种理论与实验一体化同步教学系统，其特征在于：包括各实验设备构成的实验单元，对实验单元进行采集与控制的测控单元，教师教学单元接受测控单元采集的信号以及用于操作实验设备的控制信号进行理论和实验同步教学，教师教学单元还接受学生学习单元输入的操作指令信号进行分析处理、并调控测控单元对实验单元进行实时数据采集、以及调控测控单元输出指令信号控制实验单元中的各实验设备进行实验操作演示，实现理论与实验一体化同步互动教学。学生学习单元也可直接通过测控单元对实验单元进行操控，并结合本单元中或测控单元中的理论教学内容和实验教学内容，实现理论与实验一体化同步的自主学习。
测控单元(也叫双服务器单元)包括实验单元的数据(即采集和控制数据)信号部件(服务器1)和音视频信号部件(服务器2)，以及以幻灯片等各种文件承载的理论教学内容和教学系统软件承载的实验教学内容，可以实现随时随地的网络在线教学，也可以实现学生脱离教师的随时随地的网络在线自主学习。
测控单元中的数据信号部件采用各种接口对实验设备进行采集和控制，并通过有线、无线通信总线或网络与实验单元进行单向、双向通信，从而实现对实验设备的控制和对设备运行特征数据的采集，如果实验设备具有测控单元中数据信号部件的功能和性能，则测控单元中的数据信号部件功能可以由实验单元完成。
测控单元中的音视频信号部件包括音视频和图像采集设备、云台及装载装置，采集实验单元和测控单元的音视频和图像信息。其中音视频及图像采集设备可以是摄像头、摄像机等所有具有类似功能的设备，云台控制摄像机的姿态，这些设备可以进行本地和远程控制，装载装置可以是移动小车、固定小车、固定支架、墙面等所有能够安装音视频和图像采集设备的装置，如果使用移动小车，则移动小车上可以设置有一高度可调的调节支架，音视频和图像采集设备固定在调节支架上，教师教学单元、学生学习单元可以调控移动小车和调节支架对音视频和图像采集设备的位置和高度进行调节，以获得较佳的音视频效果。
教师教学单元包括教师计算机、投影设备和投影屏幕，教师计算机分别与测控单元和学生学习单元进行数据交换，教师计算机接受测控单元输入的信号后输出至投影设备并在投影屏幕上进行显示教学。另外，教师教学单元内含有以幻灯片等各种文件承载的理论教学内容和教学系统软件承载的实验教学内容，可以实现随时随地进行网络在线教学。
学生学习单元为一终端设备(包含计算机、笔记本、手机等所有能够访问教师教学单元、测控单元、实验单元的设备)。学生学习单元内也含有幻灯片等各种文件承载的理论教学内容和教学系统软件承载的实验教学内容。可以实现随时、随地的网络在线和离线学习。
测控单元、学生学习单元与教师教学单元三者之间通过全局网、局域网、无线网及其它通信网络进行数据交换。
教师教学单元、学生学习单元设置在授课室或学习室，这里的授课室或学习室指教室、宿舍、图书馆等能够访问测控单元、实验单元的所有地方，测控单元、实验单元设置在实验设备室，这里的实验设备室指实验室、研究室以及装备有实验单元、测控单元的所有地方。
本发明提供的方案中设置了实验单元、测控单元、教师教学单元和学生学习单元，以及由这四个单元的功能合并或分解组成新的单元，构成了理论与实验一体化同步教学系统，本方案中也设置了实验单元、测控单元和学生学习单元，以及由这三个单元的功能合并或分解组成的新的单元，构成了理论与实验一体化同步自主学习系统。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
具体实施方式
本发明的目的提供一种可实现理论教学和实验教学的一体化同步教学系统，可实现教师、学生通过测控单元与实验单元中的实验设备互动教学，其采取的方案如图1所示，一种理论与实验一体化同步教学系统，包括各实验设备构成的实验单元10，对实验单元10进行数据采集与控制的测控单元20，教师教学单元30通过测控单元20控制实验单元10并接受测控单元20采集的信号进行控制和显示，从而实现理论和实验一体化同步教学，教师教学单元30还接受学生学习单元40输入的操作指令信号进行分析处理、并调控测控单元20对实验单元10进行实时数据采集、以及调控测控单元20输出指令信号控制实验单元10中的各实验设备进行实验操作演示。本发明中教学系统由实验单元10、测控单元20、教师教学单元30和学生学习单元40四个单元或由这四个单元合并与分解的若干单元组成。另外学生可通过学生学习单元40操纵实验单元10进行相应的实验，从而实现学生与实验设备之间的互动，便于对教学知识的掌握。
具体的方案为，教师教学单元30、学生学习单元40设置在授课室或学习室，这里的授课室或学习室指教室、宿舍、图书馆等能够登陆测控单元20的所有地方，测控单元20、实验单元10设置在实验设备室，这里的实验设备室指实验室、研究室以及装备有实验单元、测控单元20的所有地方。教师教学单元30、学生学习单元40、测控单元20内安装有相应的操作软件，各单元之间通过操作软件实现相互的数据交换。测控单元20、学生学习单元40与教师教学单元30之间通过网络进行数据交换，这里的网络可以是任何通信网络，也即是说凡是能够访问测控单元20、实验单元10的设备在安装本系统之后，获取相关的权限，就可以连接实验设备，进而控制实验设备运行及采集实验设备运行的各种信息，从而实现教师的理论与实验互动教学以及学生的理论与实验主动学习。
进一步的方案为：测控单元20采集的信号包括实验单元10的数据信号、视频信号和音频信号。学生学习单元40由学生及其参与互动学习的终端设备组成；教师教学单元30由授课教师、教师计算机、投影设备、投影屏幕组成；测控单元20由服务器软硬件、采集系统、接口系统组成，教师教学单元30分别与测控单元20和学生学习单元40进行数据交换，教师教学单元30接受测控单元20的信号后输出至投影设备并在投影荧幕上进行显示教学。测控单元20包括一摄像机、云台和移动小车，移动小车上设置有一高度可调的调节支架，摄像机固定在调节支架上，教师教学单元30和学生学习单元40调控云台、移动小车和调节支架对摄像机的姿态、位置和高度进行调节。
与学生的互动教学是该理论与实验一体化同步教学系统实现的主要目的，学生操作的终端设备的软件系统是学生学习单元40的核心。学生可以通过软件界面随时随地进行理论和实验同步学习。软件系统不仅能够完成与所授课程有关的实验设备的参数设置、远程控制、远程数据的加载，而且能够根据实验单元10具备的实验条件下进行创新性实验内容、方式设计；
采用复合教学方式，是实现本发明的关键。采用以下几种教学方式的综合运用：a)使用常规课件方式，包括仿真模型、动画演示等；b)使用远程摄像机的视频，通过摄像机传过来的各实验设备运行的视频。在老师课堂中需要演示实验的时候，通过网络远程操纵摄像头和实验单元10，经相应程序处理之后显示实验室内实验单元10的实时画面及各实验设备运行的声音，学生如同亲临实验室的感受；c)使用远程监测与控制方式，测控单元20输出的其采集的实验设备运行数据以及发送对实验单元10各实验设备的控制，并以图像或曲线的形式显示在投影设备屏幕上，使教师授课具有了立体感，同时也增加了课堂理论教学和实验教学的趣味性，增强了课程的吸引力，使学生能够在放松中学到知识；d)使用与学生的创新性互动式方式。学生可以全程参与设备运行参数的设置、控制设备运行、通过课堂学习的理论解决设备运行的功能和性能不足。
实验单元10中的实验设备在线融入课程的全部教学过程中，对于实验单元10中具有各种通信接口、A/D采集、D/A转换、I/0等接口功能的设备，可以直接与测控单元20通过总线或网络进行通信。实验单元10中不具有接口功能的实验设备，则通过接口改造后接入到该教学系统中。为了实现视屏的清晰与直观，设计了具有升降和移动功能的网络摄像机装载小车，该小车能够在远程进行控制，摄像机也能远程控制聚焦、上下、左右转动。
总的来说，本发明具有以下有益效果，亦即五突破和两拓展：
突破教学资源空间限制，将实验单元10的实验设备、教师教学设备设备、学生终端设备集成为一体，实现学生身临其境教学；
突破理论教学中多媒体动画和仿真的虚拟性，实现了完全真实的物理设备的运行，即物理系统具有的性能，完全真实的体现出来；现有多媒体的动画和仿真都是基于理论模型进行，理论模型与真实对象有一定的差距，特别对于复杂的系统，其模型都是经过精简之后建立的，模型仿真与真实物理对象有非常大差距，其演示结果缺乏真实性，本发明中，授课教师可以在授课室实时控制远程实验单元10中的实验设备的运行，并将实验数据和图像传回授课室，是一个完全真实物理系统；
突破了理论教学中实验教学的大滞后或实验教学的大超前，实现了二者的有机融合；
突破学生上课的被动学习方式，实现完全的主动学习。通过学生远程控制实验设备及设计控制模式，实现教与学真正意义上的互动，激发了学生学习的积极性和创造性；
突破现有教学系统的封闭性，实现教学模式的完全开放；开放有两个方面：一方面现有教学系统几乎都针对具体的课程，而本教学模式是开放的，该系统能够应用于理论教学与实验教学融合的多种课程或课群中；另一方面，通过该系统，授课教师在授课过程中可以根据需要实时接入任何连入该系统的实验设备；同时，多个教师在授课不同或相同的课程时可以同时接入同一个实验单元中；也就是说，是一个多门课程多个实验设备的多对多的开放教学系统；
拓展了课程学习与实践的时间和空间；本发明能够满足学生在任何时间、任何开通网络的计算机上通过该教学系统进行互动式学习、复习，极大的拓展了学习的灵活性；
拓宽了实验设备对象；目前学生能够参与的实验设备基本都在教学实验室，本教学系统的引入，不仅院校的科研项目设备可以纳入该系统中，而且学生可以参与实验单元中的所有设备实验，因为这些项目都是领域前沿，项目的研制“过程”以及项目所研制的设备是学生实验学习的极大资源，其创新学习价值甚至超过了为学生开放的专用实验室；另外，对于理论教学有较大价值的台数较少、体积较大、价格昂贵的实验设备，通过本教学平台，也能纳入本教学系统中。
本发明以在本科生“计算机控制系统设计“和“测试技术”授课中测试应用，取得了极好的教学效果，主要表现在以下三个方面：
其一、能够较大的提高学生的学习兴趣，在使用本发明给学生上课时，讲到计算机控制系统组成结构时，通过视频给学生实物展示一个完整的计算机控制系统有哪些部分组成，学生看到系统视频时，兴趣非常浓厚，不仅认真听讲，而且几乎所有的同学都针对实物问很多相关问题，通过学生的提问和回答，学生理解的比教师讲授的内容还要多，还要深；
其二、能够较大的提高授课信息量，在“计算机控制系统设计”和“测试技术”这两门课程的授课过程中发现，大多数学生对计算机控制系统没有感性认识，学生理解起来非常困难，需要授课教授通过多种方式、花费大量的时间来描述，与使用本发明提供的理论与实验一体化同步教学系统对比，学生看到实验室系统的实物、运行状态、运行参数，对所讲授的课程不需要太多描述，既能理解，而且理解的非常深刻，这样教师就不需要太多的感性认识描述，从而可以给学生传授更多的知识；
其三、能够极大的方便学生的学习、复习，巩固所学知识，该成果是完全开放式的，学生不仅在上课可以全程参与控制学习，而且可以在图书馆、宿舍，随时随地可以通过幻灯片、视频、检测与控制方式进行在线互动学习。
综上所述，本发明具有广泛的推广应用价值，同时，本发明推广应用的成本低。
本发明中，测控单元就是一个服务器，任何授课老师在有多媒体和网络的任何教室都可以访问该实验单元中的实验设备，现有的实验设备或项目研究设备就是本发明的实验对象，因此具有极大的应用推广的可行性；另外，可以将学校意愿加入的该实验系统的实验设备都可以加入该系统中，形成一个完全开放互联的教学系统，将对学校的人才培养和实验设备高效利用将发挥极其重要的作用，具有不可估量的效益。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (8)
1.一种理论与实验一体化同步教学系统，其特征在于：包括各实验设备构成的实验单元(10)，对实验单元(10)进行采集与控制的测控单元(20)，教师教学单元(30)接受测控单元(20)采集的信号以及用于操作实验单元(10)中实验设备的控制信号进行理论和实验同步教学，教师教学单元(30)还接受学生学习单元(40)输入的操作指令信号进行分析处理、并调控测控单元(20)对实验单元(10)进行实时数据采集、以及调控测控单元(20)输出指令信号控制实验单元(10)中的各实验设备进行实验操作演示，学生学习单元(40)也可以直接通过测控单元(20)操控实验单元(10)进行自主学习。
2.如权利要求1所述的理论与实验一体化同步教学系统，其特征在于：测控单元(20)采集的信号包括实验单元(10)的各种数据信号、视频信号和音频信号，测控单元(20)控制的信号包括教师教学单元(30)、学生学习单元(40)、实验人员操作的控制信号。
3.如权利要求1所述的理论与实验一体化同步教学系统，其特征在于：教师教学单元(30)包括教师计算机、投影设备和投影屏幕，教师计算机分别与测控单元(20)和学生学习单元(40)进行数据交换，教师计算机接受测控单元(10)和学生学习单元(40)输入的信号后输出至投影设备并在投影荧幕上进行显示教学。
4.如权利要求1所述的理论与实验一体化同步教学系统，其特征在于：测控单元(20)包括数据信号部件和音视频信号部件，数据信号部件由服务器及其辅助设备组成，音视频信号部件由一摄像机、云台和移动小车及其附属设备组成，移动小车上设置有一高度可调的调节支架，摄像机固定在调节支架上，教师教学单元(30)、学生学习单元调控云台、移动小车、调节支架对摄像机的位置、姿态和高度进行调节。
5.如权利要求1所述的理论与实验一体化同步教学系统，其特征在于：测控单元(20)、学生学习单元(40)与教师教学单元(30)之间通过网络进行数据交换。
6.如权利要求1所述的理论与实验一体化同步教学系统，其特征在于：教师教学单元(30)、学生学习单元(40)设置在授课室或学习室，测控单元(20)、实验单元(10)设置在实验设备室。
7.如权利要求1所述的理论与实验一体化同步教学系统，其特征在于：学生学习单元(40)为一终端设备及其附件组成。‘
8.如权利要求1-7所述的理论与实验一体化同步教学系统，其特征在于：使用权利要求1-7的初、高中及大中专院校所开设的课程的教学系统。
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