一种智能化实验教学设备

摘要

本发明提供一种智能化实验教学设备，它包括实验设备部件、数据服务器、人机交互装置、摄录装置、声光报警装置和处理器；所述处理器连接所述人机交互装置用于录入用户信息、录入实验数据和播放教学视频；所述处理器连接所述摄录装置用于摄录用户实验过程及获取人脸信息进行身份验证；所述实验设备部件包括设备主体和若干可快速装卸的安装在所述设备主体上的实验元件，各实验元件的外表面均设置二维码，二维码信息为记录该元件功能作用的链接；根据学生操作步骤的顺序的正确性、操作间隔的统计以及实验数据，对学生的实验过程进行评价和计分。该智能化实验教学设备具有设计科学、实现自助式教学、个性化、自动化程度高、减轻教师负担的优点。

权利要求

1.一种智能化实验教学设备，其特征在于：它包括实验设备部件、数据服务器、人机交互装置、摄录装置、声光报警装置和处理器；

所述处理器连接所述人机交互装置用于录入用户信息、录入实验数据和播放教学视频；

所述处理器连接所述摄录装置用于摄录用户实验过程及获取人脸信息进行身份验证；

所述实验设备部件包括设备主体和若干可快速装卸的安装在所述设备主体上的实验元件，各实验元件的外表面均设置二维码；

所述实验元件设置反馈单元，各反馈单元连接所述处理器，所述处理器连接所述数据服务器，当操作实验元件时，各反馈单元发出带有唯一标识的反馈信号给处理器，所述处理器接收这些反馈信号并实时的对已接收到的反馈信号按照接收时间排序，同时与所述数据服务器中存储的对比数据进行比对，所述数据服务器中存储的对比数据为正确操作步骤下反馈信号所形成的排列序列，一旦比对过程出现不一致，处理器控制声光报警装置进行报警并记录错误操作步骤作为熟练度考核数据之一；

所述处理器对接收到的反馈信号进行时间标记，并计算相邻两反馈信号的时间差，所述数据服务器中存储有标准时间差，所述处理器将计算所得的时间差与标准时间差进行比对，比对的结果作为熟练度考核数据之二；

人机交互装置录入的实验数据作为实验结果考核数据，处理器将所述的熟练度考核数据之一、熟练度考核数据之二和实验结果考核数据按设定的权重公式进行计算，获得最终实验成绩；

所述智能化实验教学设备为综合流体力学实验装置，所述实验元件是启动装置、水箱、放水阀门、灌泵阀门、离心泵、涡轮流量计和若干条实验管路，所述水箱内安装液位传感器，该液位传感器关联启动装置，所述启动装置连接离心泵以便液位传感器测得液位高度到达设定值时允许启动离心泵；

所述水箱、所述离心泵、所述涡轮流量计作为循环水回路的主管路，若干条实验管路可接入所述的主管路中；

所述灌泵阀门连接在水箱与离心泵之间，所述放水阀门连接在水箱的放水管路上；

所述灌泵阀门、所述放水阀门、所述实验管路的接口处以及各实验管路的可操作部分均设置所述反馈单元，所述离心泵、所述启动装置处设置状态信息反馈装置，所述水箱、所述放水阀门、所述灌泵阀门、所述离心泵、所述涡轮流量计和所述实验管路均具有身份识别模块。

2.根据权利要求1所述的智能化实验教学设备，其特征在于：各可快速装卸的实验元件均有唯一标识的身份识别模块，所述设备主体上安装各实验元件的位置对应所述身份识别模块设置采集端，各采集端均连接处理器以判断接入实验元件是否正确。

3.根据权利要求2所述的智能化实验教学设备，其特征在于：所述实验元件中有按钮和开关，按钮和开关都具有状态信息反馈装置。

4.根据权利要求3所述的智能化实验教学设备，其特征在于：若干所述实验管路包括相对粗管管路、相对细管管路、球阀管路、突缩管路、孔板管路、文丘里管管路。

5.根据权利要求1所述的智能化实验教学设备，其特征在于：所述反馈单元为操作按钮或开关或传感器。

说明书

一种智能化实验教学设备

技术领域

[0001] 本发明涉及一种教学设备，具体的说，涉及了一种智能化实验教学设备。

背景技术

[0002] 近年来，随着我国经济实力的不断壮大，中国正在由制造业大国向制造业强国转变，越来越迫切的需要一批水平高，技能强的高素质创新型人才。同时，以计算机为中心的信息技术的发展，迫切需要打破传统教育模式，实现教育技术现代化。但是，现代教育技术的建设不能“重数量，轻质量”，不是一堆仪器设备的简单组合，而是一个包括硬件、软件和潜件三部分的系统工程。

[0003] 目前的中国的实验教育，普遍存在学时少、内容多、学生多等原因，经常出现在有限时间里的填鸭式教育、多人共用一台设备等现象。这种情况下，实验教师教学负担重，监管不利，学生不能充分学习和掌握实验内容，达不到高校开设实验课的目的，与“以人为本，注重发掘潜能，促进个性发展及培养创造性人格”的培养目的相差甚远。

[0004] 为了解决以上存在的问题，人们一直在寻求一种理想的技术解决方案。

发明内容

[0005] 本发明的目的是针对现有技术的不足，从而提供一种设计科学、实现自助式教学、个性化、自动化程度高、减轻教师负担的智能化实验教学设备。

[0006] 为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种智能化实验教学设备，包括实验设备部件、数据服务器、人机交互装置、摄录装置、声光报警装置和处理器；

[0007] 所述处理器连接所述人机交互装置用于录入用户信息、录入实验数据和播放教学视频；

[0008] 所述处理器连接所述摄录装置用于摄录用户实验过程及获取人脸信息进行身份验证；

[0009] 所述实验设备部件包括设备主体和若干可快速装卸的安装在所述设备主体上的实验元件，各实验元件的外表面均设置二维码，二维码信息为记录该元件功能作用的链接；

[0010] 所述实验元件设置反馈单元，各反馈单元连接所述处理器，所述处理器连接所述数据服务器，当操作实验元件时，各反馈单元发出带有唯一标识的反馈信号给处理器，所述处理器接收这些反馈信号并实时的对已接收到的反馈信号按照接收时间排序，同时与所述数据服务器中存储的对比数据进行比对，所述数据服务器中存储的对比数据为正确操作步骤下反馈信号所形成的排列序列，一旦比对过程出现不一致，处理器控制声光报警装置进行报警并记录该错误操作步骤作为熟练度考核数据之一；

[0011] 所述处理器对接收到的反馈信号进行时间标记，并计算相邻两反馈信号的时间差，所述数据服务器中存储有标准时间差，所述处理器将计算所得的时间差与标准时间差进行比对，比对的结果作为熟练度考核数据之二；

[0012] 人机交互装置录入的实验数据作为实验结果考核数据，处理器将所述的熟练度考核数据之一、熟练度考核数据之二和实验结果考核数据按设定的权重公式进行计算，获得最终实验成绩。

[0013] 基上所述，各可快速装卸的实验元件均有唯一标识的身份识别模块，所述设备主体上安装各实验元件的位置对应所述身份识别模块设置采集端，各采集端均连接处理器以判断接入实验元件是否正确。

[0014] 基上所述，所述实验元件中有按钮和开关，按钮和开关都具有状态信息反馈装置。

[0015] 基上所述，所述智能化实验教学设备为综合流体力学实验装置，所述实验设备部件包括启动装置、水箱、放水阀门、灌泵阀门、离心泵、涡轮流量计和若干条实验管路，所述水箱内安装液位传感器，该液位传感器关联启动装置，所述启动装置连接离心泵以便液位传感器测得液位高度到达设定值时允许启动离心泵；

[0016] 所述水箱、所述离心泵、所述涡轮流量计作为循环水回路的主管路，若干条实验管路可接入所述的主管路中；

[0017] 所述灌泵阀门连接在水箱与离心泵之间，所述放水阀门连接在水箱的放水管路上；

[0018] 所述灌泵阀门、所述放水阀门、所述实验管路的接口处以及各实验管路的可操作部分均设置所述反馈单元，所述离心泵、所述启动装置处设置状态信息反馈装置，所述水箱、所述放水阀门、所述灌泵阀门、所述离心泵、所述涡轮流量计和所述实验管路均具有身份识别模块。

[0019] 基上所述，若干所述实验管路包括相对粗管管路、相对细管管路、球阀管路、突缩管路、孔板管路、文丘里管管路。

[0020] 基上所述，所述反馈单元为操作按钮或开关或传感器。

[0021] 本发明相对现有技术具有突出的实质性特点和显著的进步，具体的说，本发明将现有的教学实验设备加入智能化反馈系统和自动化评分系统，学生可通过人机交互装置中自带的视频、音频软件自主学习设备的操作流程及相关部件的基础知识；理论学习结束之后，学生可在设备上实际操作；处理器结合反馈单元和录入获取的实验数据，对学生的学习及操作过程进行评分；所述摄录装置可有效地监督、检查学生的实验过程，由于不需要统一授课环节，学生可在实验室开放的时间段内自由安排实验。

[0022] 各可快速装卸的实验元件均有唯一标识的身份识别模块，能够智能识别安装过程中是否出错；按钮和开关具有状态信息反馈装置，例如指示灯或信号灯，可以查看设备状态。

附图说明

[0023] 图1是本发明的结构框图。

[0024] 图2是本发明综合流体力学实验装置的结构示意图。

具体实施方式

[0025] 下面通过具体实施方式，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

[0026] 如图1所示，一种智能化实验教学设备，包括实验设备部件、数据服务器、人机交互装置、摄录装置、声光报警装置和处理器；

[0027] 所述处理器连接所述人机交互装置用于录入用户信息、录入实验数据和播放教学视频；

[0028] 所述处理器连接所述摄录装置用于摄录用户实验过程及获取人脸信息进行身份验证；

[0029] 在实验开始时，首先启动设备，通过人机交互装置录入个人信息，通过摄录装置以及身份识别系统进行人脸识别，身份识别系统集成于设备的系统中，是一种常规的身份验证系统，核对是否为本人，然后通过人机交互装置进行理论学习，掌握实验注意事项和实验流程，完成以上步骤后，开始实验。

[0030] 所述实验设备部件包括设备主体和若干可快速装卸的安装在所述设备主体上的实验元件，所述实验元件为实验过程中所使用的具有交互性可操作的零部件，各实验元件的外表面均设置二维码，二维码信息为记录该元件功能作用的链接，学生通过扫描二维码，获取链接，进入专题知识，了解设备中每个部件的功能、原理、使用方法和使用场合及整个设备的操作说明及注意事项。

[0031] 所述实验元件设置反馈单元，该反馈单元可以是操作按钮或开关或传感器，根据使用位置的不同，采用不同的具体模块，例如操作按钮，形成电平信号，操作开关，形成电平信号，若进行一些移位操作，可使用接触式开关或距离传感器等等，其目的在于能够识别操作的发生。

[0032] 各反馈单元连接所述处理器，所述处理器连接所述数据服务器，当操作实验元件时，各反馈单元发出带有唯一标识的反馈信号给处理器，所述处理器接收这些反馈信号并实时的对已接收到的反馈信号按照接收时间排序，同时与所述数据服务器中存储的对比数据进行比对，所述数据服务器中存储的对比数据为正确操作步骤下反馈信号所形成的排列序列，一旦比对过程出现不一致，处理器控制声光报警装置进行报警并记录该错误操作步骤作为熟练度考核数据之一，具体过程中，实时的排序和比对间隔要小于两步操作时长，通常以毫秒计，以便针对每一步操作都能够做出反馈，若操作正确，无响应，若操作错误，发出警报，以便及时更正。记录的错误操作步骤，可以根据错误步骤的数量进行取分，例如，错误5次以上，不及格；错误3-5次，及格；错误1-2次，良；0错误，优秀。

[0033] 所述处理器对接收到的反馈信号进行时间标记，并计算相邻两反馈信号的时间差，所述数据服务器中存储有标准时间差，该标准时间差由老师根据实验的难易程度自行设定，大致可分为三到四个等级，所述处理器将计算所得的时间差与标准时间差进行比对，比对的结果作为熟练度考核数据之二；例如，计算时间差远小于标准时间差，判定为优秀，计算时间差小于标准时间差，判定为良，计算时间差等于标准时间差，判定为及格，计算时间差大于标准时间差，判定为不及格，该数据也可以采用比值体现。由于每个步骤都有判定，可将得分细化至每个操作步骤中去，也可以将全部的操作步骤求取平均值，作为整体操作熟练度的体现。

[0034] 在其他实施例中，可以取整个实验时长进行比对，获取一个最终结果。

[0035] 人机交互装置录入的实验数据作为实验结果考核数据，处理器将所述的熟练度考核数据之一、熟练度考核数据之二和实验结果考核数据按设定的权重公式进行计算，获得最终实验成绩，权重比例由实验性质和教师进行决定。

[0036] 进行实验的过程中，实验步骤是固定的，学生需要做的就是按照步骤一步一步将各步骤按照规定执行完毕，各步骤中涉及到操作实验元件的都可以通过反馈单元进行操作是否正确的判定，而操作间隔的长短决定了操作的熟练度，评判标准固定化，有利于学生自行提高实验能力。

[0037] 各可快速装卸的实验元件均有唯一标识的身份识别模块，所述设备主体上安装各实验元件的位置对应所述身份识别模块设置采集端，各采集端均连接处理器以判断接入实验元件是否正确，该身份识别模块可以是二维码或者电子标签，采集端对应为扫码摄像头或电子标签读取器。

[0038] 所述实验元件中有按钮和开关，按钮和开关都具有状态信息反馈装置，例如指示灯或者信号灯，用于查看设备的状态。

[0039] 如图2所示，具体的，所述智能化实验教学设备为综合流体力学实验装置，所述实验设备部件包括启动装置、水箱、放水阀门、灌泵阀门、离心泵、涡轮流量计和若干条实验管路，所述水箱内安装液位传感器，该液位传感器关联启动装置，所述启动装置连接离心泵以便液位传感器测得液位高度到达设定值时允许启动离心泵；

[0040] 所述水箱、所述离心泵、所述涡轮流量计作为循环水回路的主管路，若干条实验管路可接入所述的主管路中；

[0041] 所述灌泵阀门连接在水箱与离心泵之间，所述放水阀门连接在水箱的放水管路上；

[0042] 所述灌泵阀门、所述放水阀门、所述实验管路的接口处以及各实验管路的可操作部分均设置所述反馈单元，实验管路中的阀门使用的反馈单元都可以是接触式开关，通过操作阀门的启闭，触发该接触式开关的状态变化，从而达到识别操作是否进行的目的。

[0043] 若干所述实验管路包括相对粗管管路、相对细管管路、球阀管路、突缩管路、孔板管路、文丘里管管路。在这些具体的管路中，球阀管路的反馈单元可采用接触式开关，其它管路不具备可操作部分。

[0044] 所述离心泵、所述启动装置处设置状态信息反馈装置，以便获取离心泵和启动装置的实时状态，是否损坏等。

[0045] 所述水箱、所述放水阀门、所述灌泵阀门、所述离心泵、所述涡轮流量计和所述实验管路均具有身份识别模块，在初装或者教授学生拆装实验设备时，通过身份识别模块，判定组装是否正确。

[0046] 开始实验时，启动人机交互装置，首先给水箱加水，当水位达到一定要求时，点击人机交互装置屏幕上“开始实验”，设备控制系统设置第一步操作为开启阀门VA01对离心泵进行灌泵，灌泵结束之后应关闭阀门VA01，阀门VA01的反馈单元感应到状态变化并发出反馈信息，若阀门操作顺序错误控制系统会发出报警提示，作为熟练度考核数据之一；

[0047] 第二步，在触摸屏上选择将要进行的实验项目，本实验设备实验项目包括测定相对粗管，相对细管，球阀，突缩管路的阻力系数，孔板，文丘里的孔流系数及离心泵的性能曲线，然后连接相应管路，比如要测定突缩的局部阻力系数，则将突缩管接入主管路。因每支管路均具有反馈单元，若选择错误或连接方向错误系统会发出警告。管路连接正确后，启动离心泵，依次打开阀门VA02，VA03或者VA04（即将要进行实验项目所在管路阀门），每项操作的时间差教师可自行设置，后台控制系统会根据实际操的作时间差占标准时间差的比值给出相应的操作分值，依此作为操作熟练度考核数据之二；

[0048] 下一步，调节阀门VA02，取不同流量下管路局部差压。一个实验项目完成后，在触摸屏上选择下一个实验项目，正确连接管路，依次正确开启阀门，调节流量，记录数值。本实验共有八项实验内容，实验操作分值由八项实验操作步骤组成，若有未进行的实验项目则直接影响操作部分分值（即未操作的部分均被视为错误操作）。

[0049] 实验结束后，关闭离心泵，打开离心泵放净阀门VA05及水箱放净阀门VA06，等离心泵及水箱水放净后，点击触摸屏“结束实验”，完成此次实验的操作过程。

[0050] 如果没有进行水箱和泵的放净操作，而直接点击结束实验，设备则发出警告，该步骤同样属于实验流程的一部分。

[0051] 实验结束后，学生可选择手动输入大于等于五组的理想实验数据也可使用系统在实验过程中实时记录的数据，点击“数据处理”，系统会根据实验结果是否在误差范围内及偏离程度给出相应分值。

[0052] 摄录装置为摄像头，可清楚的记录实验过程的每个细节。教师可通过观察录像总结学生实验过程中容易犯错的地方，分析容易发生错误的原因，对教学具有一定的指导作用。

[0053] 最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。