CN104217627A - 一种智能实验平台装置及其教学方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种智能实验平台装置及其教学方法，其特征在于：该装置主要由实验操作平台、接线端口连线信息采集器、实验管理上位机和智能实验管理软件等组成；通过嵌入式系统的智能检测与识别算法实现学生实验连接线的检测与识别。通过接线端口连线信息采集器将接线端口连线信息采集器检测和识别的元器件及其模块信息和实验连接线信息传输给实验管理上位机。实验管理上位机完成学生实验过程的显示、监视和人机交互功能。智能实验管理软件由上位机显示和操作界面软件、后台管理数据库软件、实验电路识别绘制软件、学生实验过程监管软件、学生实验成绩评定考核软件、学生实验报告生成软件等组成，完成学生实验过程智能化管理的全部功能。
Description
技术领域
本发明属于电子类实验教学仪器和实验教学设备应用领域，特别是涉及一种适用于各类学校和教育机构所使用的智能实验平台装置。
背景技术
目前，各高校的教学工作中都存在一个老大难问题，就是实验教学和课上教学总存在课时安排冲突，但高校的教学资源有限，又无法解决这种相互冲突。另外，大学的教育和管理与中学不同，有些大学生经常逃课，或在实验课中操作错误，烧毁实验元器件或实验装置，每年都有大量的实验器材、元器件报废，带来大量的教学成本，等等这些现象的发生，给老师的教学工作带来很大的负担；所以目前急需一种智能的实验教学设备，能够解决课时安排冲突的问题，同时又能解决老师的教学监督工作，减少老师的工作负担；经检索，目前还没有这种教学设备的文献报道。
发明内容
发明目的：
本发明提供了一种智能实验平台装置，其目的是彻底解决高校实验教学和课上教学的课时安排冲突的老大难问题，同时使实验教学管理科学化、客观和公正化；提高高校实验室的利用效率和给学生提供更人性化的学习环境。
技术方案：为实现以上目的，本发明采用以下技术方案：
一种智能实验平台装置，其特征在于：该装置由实验操作平台、接线端口连线信息采集器、通信装置、实验管理上位机和学生登录器组成；实验操作平台上有元器件插座和模块插座，用以安置实验用元器件及其模块；接线端口连线信息采集器与实验操作平台相连，通信装置的信息输出端与接线端口连线信息采集器连接，通信装置的信息输入端与实验管理上位机连接，实验管理上位机与学生登录器连接；实验管理上位机内设有智能实验管理软件。
所述接线端口连线信息采集器与实验操作平台上的各个接线端口有导线连接，完成实验操作平台上的所有元器件及其模块的自动识别和实验操作连线的自动识别。
所述接线端口连线信息采集器为嵌入式系统、FPGA集成电路、微控制系统或单片机系统组成，具有对所述实验操作平台上的元器件及其模块和实验操作连线进行检测和自动识别功能。
一种使用如上所述智能实验平台装置的教学方法，其特征在于：该方法主要包括4个方面的操作来完成：1、操作界面；2、操作识别；3、管理数据库；4、采集器通信；其中的操作界面要完成的是：学生登录、学生信息显示、实验科目选择、实验元件显示、实时操作监视、实验完成确认；操作识别要完成的是：实验电路模板、连线端口识别、连线正确性识别、实验正确性识别；管理数据库要完成的是：实验电路数据库、I/O地址库、学生信息库、学生实验记录、实验成绩评估；采集器通信要完成的是：通信协议、参数设置、TTL/USB转换。
优点及效果：
通过本发明的实施，能够彻底地解决高校实验教学和课上教学的课时安排冲突的老大难问题，同时使实验教学管理科学化、客观和公正化；提高高校实验室的利用效率和给学生提供更人性化的学习环境。
附图说明：
图1为本发明的总体组成示意图；
图2为本发明中实验操作平台面板电路图；
图3为本发明中接线端口连线信息采集器硬件原理图；
图4为本发明中智能实验管理软件组成结构；
图5为本发明中智能实验管理软件操作界面结构；
图6为本发明中智能实验管理软件后台数据库结构。
图中标注：实验操作平台1，接线端口连线信息采集器2，信息输出端3，信息输入端4，实验管理上位机5，学生登录器6。
具体实施方式：
本发明智能实验平台技术，是一种利用接线端口连线采集器完成实验操作平台上任意连线的自动实时采集和识别功能，采用了嵌入式微控制器和电路检测技术，具有先进和独特的电子技术应用技术；智能实验平台的上位机智能实验管理软件，是在VC++软件平台上研制开发而成，具有界面友好、功能丰富、使用方便、操作简单、系统运行可靠等特点。
智能实验平台技术先进、构思新颖，用其可以建立智能化开放型实验教学实验室，彻底解决高校实验教学和课上教学的课时安排冲突的老大难问题，是高校实验教学的更新换代产品，应用前景无限。
该装置主要由实验操作平台1、接线端口连线信息采集器2、实验管理上位机（PC）5、学生登录器6和智能实验管理软件组成；实验操作平台1提供学生实验用的元器件及其模块的接口和插座、部分单元电路模块、实验连接线等。接线端口连线信息采集器2采用嵌入式微控制器和FPGA大规模集成电路扩展芯片完成对实验操作平台1上的元器件及其模块和各条实验连线的检测，通过嵌入式系统的智能检测与识别算法实现学生实验连接线的检测与识别。通过接线端口连线信息采集器2的通信接口与实验管理上位机5通信，将接线端口连线信息采集器2检测和识别的元器件及其模块信息和实验连接线信息传输给实验管理上位机5。实验管理上位机（PC）由通用PC加触摸屏构成，完成学生实验过程的显示、监视和人机交互功能。智能实验管理软件由上位机显示和操作界面软件、后台管理数据库软件、实验电路识别绘制软件、学生实验过程监管软件、学生实验成绩评定考核软件、学生实验报告生成软件等组成，完成学生实验过程智能化管理的全部功能。
下面结合附图对本发明做进一步的说明：
根据图1的本发明的总体组成，具体实施过程是，分别开发实验操作平台1、接线端口连线信息采集器2、实验管理上位机5和智能实验管理软件系统；
实验操作平台1和接线端口连续信息采集器2的开发内容主要包括：操作平台部分有操作面板设计与制作、元器件及其模块插座、部分功能电路模块、指示灯接口、电阻电容接口等；接线端口连续信息采集器2部分有嵌入式微控制器系统、FPGA测试端口扩展电路、I/O检测接口电路、数据采集和连线识别算法的嵌入式软件等，图3为接线端口连线信息采集器硬件原理图；通信接口部分有通信协议的制定和通信程序的编制。
操作平台部分有操作面板设计见图2所示，图2为一种实验操作平台面板的电路图，也可以设计成其他实验操作平台面板的电路图。实验室中每个实验操作平台都与接线端口连续信息采集器2连接，实验老师能够监督全班学生的实验过程。
智能实验管理软件的开发内容主要包括：操作界面、操作识别、管理数据库、采集器通信这四大部分，采用VC++可视化软件开发平台。
实验管理上位机与所述接线端口连线信息采集器由通信接口连接，完成实验元器件信息和实验操作信息的收集、处理和显示；所述实验管理上位机可以由通用PC计算机或嵌入式系统组成，具有触摸屏功能，实现学生实验教学的智能化管理。
智能实验管理软件安装在实验管理上位机上，智能实验管理软件具有学生进行实验的登录管理、学生实验课的信息管理、实验课多种实验电路选择、实验电路帮助演示、实验操作过程实时显示、学生实验成绩自动客观评定、学生实验报告自动生成和打印、教师网络化管理、实验过程全程语音提示功能；还可以实现智能实验平台的网络化架构；其组成结构如图4所示，其操作界面结构如图5所示。
智能实验管理软件具有强大的后台数据库支持，完成实验平台连线的识别与判断、教师信息数据管理、学生信息数据管理和实验过程统计数据管理等功能；其组成结构如图6所示。
智能实验管理软件具有开展学生或相关人员实验能力考核和实验技能竞赛的功能。
本发明具有以下功能：
1、智能实验平台装置，可以通过接线端口连线信息采集器对实验操作平台上的所有元器件及其模块和连线操作自动识别，并且经通信接口传输给实验管理上位机。
2、智能实验平台装置，其上位机智能实验管理软件具有学生进行实验的登录管理、学生实验课的信息管理、实验课多种实验电路选择、实验电路帮助演示、实验操作过程实时显示、学生实验成绩自动客观评定、学生实验报告自动生成、教师网络化管理、实验过程全程语音提示等功能。
3、智能实验平台装置，可以构建成开放型实验教学实验室，全天对学生开放，彻底解决高校实验课教学和课上教学的课时安排冲突的老大难问题。
4、智能实验平台装置，可以给学生提供丰富、多样、有趣的实验电路，增加实验课的趣味性，极大调动学生参加实验教学的主观能动性。
5、智能实验平台装置，通过智能管理软件可以给操作者提供客观、公平、公正的实验课成绩，所以可以作为学生和教师能力考核、技能竞赛的专业设备。
6、智能实验平台装置，可以架构成地区域或全国性网络系统，开展网络化实验课交流和网络化竞赛活动。
7、智能实验平台装置，可以成为学生开展《课程设计》课的实验平台，协助学生完成比较复杂的电子电路，并且可以有效的帮助学生检查连接的线路，提高实验工作效率。
8、智能实验平台装置，可以结合相关的专业形成系列产品，为更多的专业提供智能化实验平台；特别是针对强电类实验课，智能化实验平台可以帮助教师更快、更准确的检查学生连接的实验电路，有效避免因错误连线造成的元器件、设备的损坏和相关人员的伤害。
Claims (4)
1.一种智能实验平台装置，其特征在于：该装置由实验操作平台（1）、接线端口连线信息采集器（2）、通信装置信息输出端（3）、通信装置信息输入端（4）、实验管理上位机（5）和学生登录器（6）组成；实验操作平台（1）上有元器件插座和模块插座，用以安置实验用元器件及其模块；接线端口连线信息采集器（2）与实验操作平台（1）相连，通信装置的信息输出端（3）与接线端口连线信息采集器（2）连接，通信装置的信息输入端（4）与实验管理上位机（5）连接，实验管理上位机（5）与学生登录器（6）连接；实验管理上位机（5）内设有智能实验管理软件。
2.根据权利要求1所述的智能实验平台装置，其特征在于：所述接线端口连线信息采集器(2)与实验操作平台(1)上的各个接线端口有导线连接，完成实验操作平台（1）上的所有元器件及其模块的自动识别和实验操作连线的自动识别。
3.根据权利要求1所述的智能实验平台装置，其特征在于：所述接线端口连线信息采集器（2）为嵌入式系统、FPGA集成电路、微控制系统或单片机系统组成，具有对所述实验操作平台上的元器件及其模块和实验操作连线进行检测和自动识别功能。
4. 一种使用如权利要求1所述智能实验平台装置的教学方法，其特征在于：该方法主要包括4个方面的操作来完成：1、操作界面；2、操作识别；3、管理数据库；4、采集器通信；其中的操作界面要完成的是：学生登录、学生信息显示、实验科目选择、实验元件显示、实时操作监视、实验完成确认；操作识别要完成的是：实验电路模板、连线端口识别、连线正确性识别、实验正确性识别；管理数据库要完成的是：实验电路数据库、I/O地址库、学生信息库、学生实验记录、实验成绩评估；采集器通信要完成的是：通信协议、参数设置、TTL/USB转换。
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