“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下的機(jī)器人智慧實(shí)訓(xùn)室設(shè)計(jì)

任洪鋒 葉方便 酈麗華 孔德彭 趙麗麗

摘 要：機(jī)器人是人工智能的典型代表，隨著產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，企業(yè)對(duì)機(jī)器人方面的人才需求量越來(lái)越大，全國(guó)各大中專院校也紛紛開設(shè)機(jī)器人方面的專業(yè)和課程，而機(jī)器人方面的課程開設(shè)和知識(shí)點(diǎn)的傳授，一定離不開實(shí)訓(xùn)設(shè)備，所在學(xué)校從資金、場(chǎng)地上給予大力支持，競(jìng)技、教學(xué)等不同設(shè)備陸續(xù)到位，實(shí)訓(xùn)初見(jiàn)雛形。在構(gòu)建實(shí)訓(xùn)室軟環(huán)境時(shí)，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)大膽構(gòu)思，若借助于現(xiàn)代的云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)等，打造基于“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代特色的機(jī)器人智慧實(shí)訓(xùn)室，無(wú)論從實(shí)驗(yàn)室教學(xué)開展、一站式管理和資源共享等方面都大有裨益。經(jīng)過(guò)八個(gè)多月的建設(shè)，現(xiàn)在無(wú)論從實(shí)用性和展示性都在國(guó)內(nèi)外處于領(lǐng)先地位。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人；智慧實(shí)訓(xùn)室；互聯(lián)網(wǎng)+

中圖分類號(hào)：G434 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1673-8454（2018）09-0074-05

一、機(jī)器人實(shí)訓(xùn)室建設(shè)背景

1.機(jī)器人產(chǎn)業(yè)政策及現(xiàn)狀

我國(guó)政府部門高度重視機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，[1]國(guó)務(wù)院、工信部、科技部等多部門陸續(xù)出臺(tái)了包括《關(guān)于推進(jìn)工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》等多項(xiàng)政策文件，推動(dòng)我國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。2015年發(fā)布的《中國(guó)制造2025》提出實(shí)現(xiàn)制造強(qiáng)國(guó)的戰(zhàn)略目標(biāo)，[2]一方面要推進(jìn)信息化與工業(yè)化深度融合，加快發(fā)展智能制造裝備和產(chǎn)品；[3]另一方面要推進(jìn)制造過(guò)程的智能化，加快人機(jī)智能交互、工業(yè)機(jī)器人、智能物流管理、增材制造等技術(shù)和裝備在生產(chǎn)過(guò)程中的應(yīng)用。[4]工信部、發(fā)改委和財(cái)政部聯(lián)合印發(fā)的《機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2016-2020年）》也提出“十三五”期間是我國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期，應(yīng)把握國(guó)際機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，整合資源，制定對(duì)策，抓住機(jī)遇，營(yíng)造良好發(fā)展環(huán)境，促進(jìn)我國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)持續(xù)健康快速發(fā)展。

可以預(yù)見(jiàn)，企業(yè)對(duì)機(jī)器人技術(shù)的人才需求將大幅增長(zhǎng)，特別是應(yīng)用型機(jī)器人專業(yè)人才的缺口將會(huì)增大。盡管機(jī)器人技術(shù)越來(lái)越受到教師、學(xué)生與家長(zhǎng)的廣泛重視，機(jī)器人教育逐漸進(jìn)入到課堂、競(jìng)賽中，但在教學(xué)手段、教學(xué)資源、教學(xué)模式等方面也存在著一些急需解決的問(wèn)題。比如教師如何設(shè)計(jì)、組織、開展機(jī)器人教學(xué)活動(dòng)以及對(duì)教學(xué)活動(dòng)及時(shí)進(jìn)行合理評(píng)價(jià)；如何提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，激發(fā)他們學(xué)習(xí)的動(dòng)力；如何提高實(shí)訓(xùn)設(shè)備的利用效率，使信息數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化采集等；如何在“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下建設(shè)工業(yè)機(jī)器人智慧實(shí)訓(xùn)室越來(lái)越得到重視。

2.機(jī)器人教育及人才培養(yǎng)

上世紀(jì)90年代初，機(jī)器人教育開始被大眾知曉，與此同時(shí)國(guó)內(nèi)也開始舉辦各種機(jī)器人的競(jìng)賽，而后國(guó)家層面也開始關(guān)注專業(yè)化的機(jī)器人教育。在2003年明確將“簡(jiǎn)易機(jī)器人制作”列入中小學(xué)的選修課程，這為日后的機(jī)器人教育研究發(fā)展做好了準(zhǔn)備。2007年以來(lái)人們對(duì)機(jī)器人教育重要性的認(rèn)識(shí)有了明顯提升，在機(jī)器人教學(xué)過(guò)程中采取的教學(xué)模式有了一定的研究，也提出了各種實(shí)際的應(yīng)用案例。機(jī)器人教育迎來(lái)快速發(fā)展階段。隨著新一代人工智能發(fā)展對(duì)人才需求的增加，國(guó)家將機(jī)器人教育明確列入中小學(xué)的信息技術(shù)課程選修拓展模塊中，2016年發(fā)布的《2016 全球教育機(jī)器人發(fā)展白皮書》為今后一定時(shí)間內(nèi)的機(jī)器人教育實(shí)踐提供了有效指導(dǎo)和可行性分析。國(guó)發(fā)[2017]35號(hào)《國(guó)務(wù)院關(guān)于印發(fā)新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃的通知》提出，以機(jī)器人為代表的人工智能技術(shù)得到突破，為了快速推進(jìn)智能機(jī)器人的應(yīng)用，構(gòu)筑基于機(jī)器人的知識(shí)、技術(shù)、產(chǎn)業(yè)群、人才、文化及制度相互支撐融合的生態(tài)系統(tǒng)是未來(lái)的發(fā)展方向。

二、機(jī)器人實(shí)訓(xùn)室建設(shè)架構(gòu)

本篇討論的工業(yè)機(jī)器人智慧實(shí)訓(xùn)室包括機(jī)器人的實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)和智慧系統(tǒng)。其中機(jī)器人的實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)基于工業(yè)機(jī)器人、教育機(jī)器人入門體驗(yàn)，服務(wù)機(jī)器人互動(dòng)演示，工業(yè)機(jī)器人基本操作、編程調(diào)試和智能工作站一體化構(gòu)建等三層實(shí)訓(xùn)室，12個(gè)實(shí)訓(xùn)分室；智慧系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于“互聯(lián)網(wǎng)+”、物聯(lián)網(wǎng)和數(shù)據(jù)采集及挖掘等信息化手段，以提高教學(xué)效果與實(shí)訓(xùn)室管理能力。

1.機(jī)器人實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)

機(jī)器人實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則應(yīng)體現(xiàn)以人為本、實(shí)踐創(chuàng)新的理念，即綜合考慮實(shí)訓(xùn)室的教育機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人和工業(yè)機(jī)器人的全面教學(xué)及由淺入深、有點(diǎn)及面的教學(xué)、培訓(xùn)與研究要求，同時(shí)為教師、學(xué)生提供一個(gè)開放性、可擴(kuò)展的工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)平臺(tái)。

在硬件設(shè)計(jì)上，盡量與企業(yè)的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境實(shí)現(xiàn)無(wú)縫對(duì)接，基于企業(yè)崗位需求配置設(shè)備和開發(fā)教學(xué)任務(wù)。[5]

圖1為實(shí)訓(xùn)室的整體布局掠影。一個(gè)實(shí)訓(xùn)室共有20臺(tái)課桌、5個(gè)機(jī)器人工作站，每臺(tái)工作站配備有一臺(tái)計(jì)算機(jī)，其中機(jī)器人工作站1至機(jī)器人工作站4為學(xué)生實(shí)訓(xùn)的工作站，機(jī)器人工作站5為教師演示與教學(xué)的工作站，資料柜和工具存放區(qū)將所有機(jī)器人資料與所需工具統(tǒng)一擺放，便于實(shí)訓(xùn)室管理。學(xué)生以5人一組分工合作進(jìn)行實(shí)訓(xùn)，共同完成一個(gè)機(jī)器人工作站的作業(yè)。

在教學(xué)中，教師可通過(guò)理實(shí)一體化教學(xué)，將學(xué)生獲取理論知識(shí)與提高實(shí)操技能結(jié)合在一起；通過(guò)小組討論合作，充分培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新、協(xié)作、動(dòng)手等能力。學(xué)生能夠利用實(shí)訓(xùn)平臺(tái)進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)與競(jìng)賽，模擬機(jī)器人的實(shí)際工作流程與作業(yè)。

2.智慧元素的鑲嵌

實(shí)訓(xùn)室基礎(chǔ)設(shè)備配置是滿足教學(xué)的根本要求，將現(xiàn)代化智慧手段和信息化元素與設(shè)備進(jìn)行嵌套與融合，構(gòu)建智慧化機(jī)器人實(shí)訓(xùn)室，不僅僅是錦上添花的事情，更是優(yōu)化教學(xué)設(shè)計(jì)、提升教學(xué)策略、提高教學(xué)質(zhì)量的有效補(bǔ)充。為此，借助于ZigBee、TCP/IP、藍(lán)牙、RFID射頻識(shí)別[6]等技術(shù)實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)上信息采集，然后實(shí)時(shí)將信息送至網(wǎng)絡(luò)中，借助信息化軟件功能分析探究邏輯關(guān)系，完成數(shù)據(jù)梳理、清洗和優(yōu)化與重構(gòu)；當(dāng)然也可以與“互聯(lián)網(wǎng)+”結(jié)合，將采集的信息傳輸至阿里云、彗星云、職教云等平臺(tái)上，在經(jīng)云端傳輸?shù)浇K端，使用戶在終端就可以對(duì)實(shí)訓(xùn)室進(jìn)行查看和控制，教師與學(xué)生利用智慧實(shí)訓(xùn)室進(jìn)行教學(xué)信息查詢、篩選、資源共享、科研創(chuàng)新、競(jìng)賽競(jìng)技等一系列教與學(xué)的互動(dòng)。[7]圖2為基于ZigBee智慧實(shí)訓(xùn)室系統(tǒng)框架圖。[8]

（1）智慧實(shí)訓(xùn)室的優(yōu)點(diǎn)

一是數(shù)據(jù)信息自動(dòng)采集。數(shù)據(jù)信息的采集實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化體現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，也是相比傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)室技術(shù)進(jìn)步的關(guān)鍵所在。物聯(lián)網(wǎng)信息采集設(shè)備具有自組網(wǎng)、自修復(fù)、自診斷、高穩(wěn)定性等特點(diǎn)，可以在實(shí)訓(xùn)室管理中實(shí)現(xiàn)信息采集的自動(dòng)化，從而減輕管理者的工作負(fù)擔(dān)，提高數(shù)據(jù)的真實(shí)性、及時(shí)性。二是實(shí)時(shí)控制遠(yuǎn)程化。隨著5G時(shí)代的到來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)通過(guò)各種技術(shù)將網(wǎng)絡(luò)延伸至各個(gè)控制終端。如校園后勤系統(tǒng)的電表、水表，實(shí)訓(xùn)室中電源的控制，教室的電燈管理等，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，控制設(shè)備或移動(dòng)終端可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，使實(shí)訓(xùn)室管理不受地域和時(shí)間限制。與此同時(shí)，通過(guò)視頻數(shù)據(jù)的采集與分享可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的可視化管理。三是系統(tǒng)運(yùn)行自動(dòng)化。系統(tǒng)運(yùn)行的服務(wù)器是整個(gè)系統(tǒng)的中樞，通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)、服務(wù)器軟件以及部分應(yīng)用型管理軟件可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化管理。依靠云計(jì)算的強(qiáng)大處理能力，對(duì)信息進(jìn)行分析處理；既為決策者提供數(shù)據(jù)支持，又可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行的自動(dòng)化。

（2）智慧實(shí)訓(xùn)室的組成

機(jī)器人智慧實(shí)訓(xùn)室由智能管理系統(tǒng)、多媒體信息分布式交互系統(tǒng)、桌面教育云系統(tǒng)、機(jī)器人虛擬仿真系統(tǒng)組成。其硬件由電源控制類、設(shè)備管理類、環(huán)境采集類與電器控制類組成，通過(guò)移動(dòng)終端、智慧云終端、PC遠(yuǎn)程控制使系統(tǒng)使用更加方便、人性化。圖3為機(jī)器人智慧實(shí)訓(xùn)室的系統(tǒng)組成。

三、實(shí)訓(xùn)室智能管理系統(tǒng)

傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)室維護(hù)起來(lái)較為復(fù)雜，管理分散，在安全性上也有很多漏洞，同時(shí)實(shí)訓(xùn)機(jī)房硬件重復(fù)投入，升級(jí)成本大。而實(shí)訓(xùn)室智能管理系統(tǒng)是在“互聯(lián)網(wǎng)+”基礎(chǔ)上的實(shí)訓(xùn)室管理平臺(tái)，通過(guò)IC卡門禁、視頻監(jiān)控、電源控制、中央服務(wù)器、移動(dòng)終端等硬件設(shè)備對(duì)實(shí)訓(xùn)室進(jìn)行管理。綜合利用現(xiàn)有機(jī)房設(shè)備使總成本下降，做到安全控制、集中管理、運(yùn)維簡(jiǎn)化。實(shí)訓(xùn)室智能管理系統(tǒng)以智慧實(shí)訓(xùn)室管理云終端為核心，對(duì)實(shí)訓(xùn)室進(jìn)行精細(xì)化管理。

1.IC卡門禁

將IC卡門禁系統(tǒng)應(yīng)用于實(shí)訓(xùn)室管理中，可以通過(guò)后臺(tái)服務(wù)器統(tǒng)計(jì)實(shí)訓(xùn)室的使用情況，并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反饋到教師機(jī)或移動(dòng)終端，方便實(shí)訓(xùn)室的預(yù)約和教師統(tǒng)計(jì)學(xué)生出勤狀況。這樣，實(shí)訓(xùn)室的預(yù)約系統(tǒng)已不是簡(jiǎn)單網(wǎng)上預(yù)約排隊(duì)，而是把學(xué)生前期的培訓(xùn)考核，作為獲取實(shí)訓(xùn)設(shè)備的操作資格。我們知道IC卡（Integrated Circuit Card）是將微電子芯片嵌入卡基、以卡片的形式完成通訊傳輸?shù)男畔⑤d體，其與讀寫器之間的通訊傳輸方式可以是接觸式的，也可以是非接觸式的。非接觸式IC卡又叫做射頻卡，是利用射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）完成通訊。與接觸式相比，非接觸式IC卡解決了卡內(nèi)無(wú)源與免接觸的難題，安全性大大提高。[9]常用于安全認(rèn)證、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等方面。

2.基于Hadoop的監(jiān)控系統(tǒng)

現(xiàn)在的實(shí)驗(yàn)室視頻監(jiān)控子系統(tǒng)[10]多是基于流媒體服務(wù)器，通過(guò)攝像頭采集監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，經(jīng)協(xié)議傳輸?shù)椒?wù)器，再根據(jù)用戶要求進(jìn)行處理。但這樣隨著訪問(wèn)人數(shù)與用戶量的增加，流媒體服務(wù)器會(huì)出現(xiàn)負(fù)載過(guò)重、容災(zāi)能力弱、擴(kuò)展能力弱等缺點(diǎn)。無(wú)法滿足監(jiān)控平臺(tái)對(duì)多個(gè)視頻進(jìn)行同時(shí)觀看的需求。Hadoop是一種分布式系統(tǒng)基礎(chǔ)架構(gòu)，通過(guò)Hadoop可以實(shí)現(xiàn)分布式文件系統(tǒng)（HDFS），它具有高容錯(cuò)率的特點(diǎn)，同時(shí)提供高吞吐量以訪問(wèn)應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)，為海量數(shù)據(jù)提供存儲(chǔ)。引入Hadoop可以有效解決視頻監(jiān)控系統(tǒng)中負(fù)載過(guò)重、容災(zāi)能力弱、擴(kuò)展能力弱等缺陷。將視頻數(shù)據(jù)通過(guò)服務(wù)器放到云端，可以在移動(dòng)終端隨時(shí)隨地對(duì)視頻進(jìn)行調(diào)看。

3.機(jī)器人設(shè)備信息采集智慧控制

機(jī)器人設(shè)備信息采集通過(guò)RS-485端口連接到服務(wù)器，再通過(guò)服務(wù)器將信息傳輸?shù)皆贫朔?wù)器、移動(dòng)終端和計(jì)算機(jī)等設(shè)備中。用戶可以通過(guò)移動(dòng)終端和計(jì)算機(jī)等設(shè)備，隨時(shí)隨地查看機(jī)器人設(shè)備的相關(guān)信息，通過(guò)這些信息對(duì)機(jī)器人進(jìn)行相關(guān)控制；也可以通過(guò)云端服務(wù)器對(duì)機(jī)器人設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人設(shè)備控制的智能化、智慧化。比如根據(jù)采集的信息，自動(dòng)運(yùn)行機(jī)器人的保養(yǎng)維護(hù)、急停等功能；在教學(xué)過(guò)程中，教師可以根據(jù)采集的信號(hào)，分析學(xué)生在使用機(jī)器人時(shí)的掌握情況，以便更好服務(wù)于教學(xué)。圖4為機(jī)器人設(shè)備信息采集的智慧化控制。

四、多媒體信息分布式交互系統(tǒng)

1.AV系統(tǒng)發(fā)展方向

多媒體信息分布式交互系統(tǒng)（MIDIS）的主要任務(wù)是完成AV系統(tǒng)的五大任務(wù)，即控制、傳輸、處理、存儲(chǔ)與管理。[11]在設(shè)計(jì)層面，MIDIS將各個(gè)系統(tǒng)整合到單個(gè)系統(tǒng)中；在應(yīng)用層面上，MIDIS基于B/S網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)平臺(tái)，將從前的分散管理、專用平臺(tái)控制轉(zhuǎn)換為定制管理、多平臺(tái)控制；[12]同時(shí)將原先系統(tǒng)中有限變?yōu)闊o(wú)限、分網(wǎng)異步傳輸變?yōu)橥W(wǎng)同步傳輸。

2.MIDIS系統(tǒng)對(duì)比優(yōu)勢(shì)

傳統(tǒng)系統(tǒng)由中控系統(tǒng)、錄播系統(tǒng)、視頻系統(tǒng)、音頻系統(tǒng)、多媒體信號(hào)放大傳輸系統(tǒng)組成，其音頻系統(tǒng)與視頻系統(tǒng)采用分網(wǎng)傳輸，無(wú)法做到同頻傳輸；傳統(tǒng)系統(tǒng)所涉及的接口、協(xié)議、信號(hào)格式繁多，很難做到系統(tǒng)的高度集成，這就意味著整體升級(jí)困難；而且傳統(tǒng)系統(tǒng)的故障率較高，在備份時(shí)需要系統(tǒng)獨(dú)立備份；隨著設(shè)備的增加，成本也隨之增加；此外在交互性上，由于采用多系統(tǒng)專用平臺(tái)控制，交互性不佳。

MIDIS在系統(tǒng)兼容性、傳輸性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性等方面比傳統(tǒng)系統(tǒng)均有較大提升。MIDIS的系統(tǒng)只需要建立一套網(wǎng)絡(luò)，其所有信號(hào)控制、顯示及傳輸均在同一平臺(tái)下，很容易進(jìn)行系統(tǒng)集成。同時(shí)分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可對(duì)全系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)備份，大大提高其穩(wěn)定性。由于只有一套系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)多平臺(tái)控制，全交互式用戶控制體驗(yàn)性能增強(qiáng)。在經(jīng)濟(jì)性上，分布式系統(tǒng)的成本也更低，具有較高性價(jià)比。

3.MIDIS系統(tǒng)組成

MIDIS系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，由主服務(wù)平臺(tái)、環(huán)境控制接口機(jī)、網(wǎng)絡(luò)媒體服務(wù)應(yīng)用平臺(tái)、交互控制終端、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)等組成。每個(gè)模塊的功能節(jié)點(diǎn)按照主服務(wù)平臺(tái)分配的指令完成處理任務(wù)。圖5為MIDIS系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)圖。

一是主服務(wù)平臺(tái)。又叫做系統(tǒng)應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)。同時(shí)也可作為備份服務(wù)平臺(tái)，是系統(tǒng)的核心模塊，可以為MIDIS系統(tǒng)提供必要的協(xié)議服務(wù)，協(xié)調(diào)并監(jiān)視各類接口機(jī)工作，保證系統(tǒng)高效運(yùn)行。二是環(huán)境控制接口機(jī)。環(huán)境控制接口機(jī)為區(qū)域范圍內(nèi)終端設(shè)備提供接口，如DVD、空調(diào)、顯示器、攝像機(jī)等，支持RELAY、RS232、RS485、I/O、ETHERNET等多種控制模式。三是網(wǎng)絡(luò)媒體應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)。網(wǎng)絡(luò)媒體應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)（Media Server）可以對(duì)遠(yuǎn)端任意節(jié)點(diǎn)進(jìn)行節(jié)目的錄制，每臺(tái)設(shè)備可以對(duì)32路高清或64路標(biāo)清進(jìn)行同時(shí)錄制。為用戶提供分布式存儲(chǔ)服務(wù)和節(jié)目點(diǎn)播服務(wù)。由于攝像機(jī)信號(hào)的接入，所以Media Server不再需要硬件輸入接口機(jī)。

4.MIDIS系統(tǒng)應(yīng)用

將多媒體信息分布式交互系統(tǒng)應(yīng)用于機(jī)器人實(shí)訓(xùn)室中，可以極大提高教學(xué)效率。通過(guò)將上課時(shí)的音頻、視頻數(shù)據(jù)上傳到云端，學(xué)生就能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)。由傳統(tǒng)的一所學(xué)校、一位教師、一間教室的教學(xué)模式，轉(zhuǎn)變?yōu)閷⒒ヂ?lián)網(wǎng)等信息化技術(shù)和教育領(lǐng)域相結(jié)合的“互聯(lián)網(wǎng)+教育”[13]模式；在MIDIS系統(tǒng)的控制界面上，顯示以每秒15幀的輸入輸出畫面，做到視頻信息實(shí)時(shí)回顯。再通過(guò)這些視頻數(shù)據(jù)與“互聯(lián)網(wǎng)+”結(jié)合，將不同學(xué)校、不同實(shí)訓(xùn)室的教學(xué)畫面實(shí)時(shí)連接起來(lái)，做到異地同步教學(xué)。

五、教育桌面云系統(tǒng)

1.桌面虛擬化解決方案

桌面云最早是為解決移動(dòng)辦公的問(wèn)題而誕生的，其通過(guò)權(quán)限設(shè)置可以隨時(shí)隨地訪問(wèn)桌面，獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。將桌面云與教育相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)教學(xué)管理的高效性?，F(xiàn)階段的桌面云模式采用虛擬桌面基礎(chǔ)架構(gòu)（VDI），由云端服務(wù)器對(duì)終端提供計(jì)算、存儲(chǔ)能力，后端數(shù)據(jù)中心服務(wù)器存放用戶的完整桌面環(huán)境，包括操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件，所有計(jì)算均由服務(wù)器來(lái)完成；而用戶通過(guò)不同終端設(shè)備連接網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)指定桌面環(huán)境。[14]同時(shí)管理者通過(guò)VDI平臺(tái)實(shí)現(xiàn)終端桌面環(huán)境統(tǒng)一認(rèn)證、集中管理以及計(jì)算資源的分配。從而實(shí)現(xiàn)桌面環(huán)境與教學(xué)終端的集中管理與維護(hù)。但教育桌面云，特別是應(yīng)用于實(shí)訓(xùn)室的教育桌面云，又具有自己的特殊性需求。比如學(xué)生通常在上課前5分鐘集中進(jìn)入實(shí)訓(xùn)室，存在大量并發(fā)開機(jī)的需求；不同課程的實(shí)訓(xùn)需要有不同的桌面環(huán)境，這就存在多桌面及靈活切換的需求；還需要屏幕廣播的需求，這也是每個(gè)實(shí)訓(xùn)室所必備的功能。

2.桌面云運(yùn)維管理系統(tǒng)架構(gòu)

教育桌面云模式（E-VDI）已逐漸成為教育終端管理的主流模式。針對(duì)不同專業(yè)不同課程的學(xué)生，桌面云可以配置相應(yīng)管理策略，從而對(duì)教學(xué)過(guò)程進(jìn)行有效監(jiān)管，提高教學(xué)質(zhì)量，提升IT運(yùn)維效率。桌面云運(yùn)維管理系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖6所示。

其中中心服務(wù)器提供通訊服務(wù)，負(fù)責(zé)客戶端與管理端的數(shù)據(jù)連接與通訊；運(yùn)維管理端實(shí)現(xiàn)對(duì)所有虛擬機(jī)桌面的統(tǒng)一運(yùn)行與維護(hù)管理；客戶端則為被監(jiān)管端，運(yùn)行在虛擬桌面中。學(xué)生在客戶端上進(jìn)行學(xué)習(xí)，將自己的學(xué)習(xí)情況與成果通過(guò)教育桌面云反饋到教師端，教師就能及時(shí)調(diào)整教學(xué)策略，服務(wù)于教學(xué)。

六、機(jī)器人仿真及模擬系統(tǒng)

1.虛實(shí)一體化教學(xué)裝置

通過(guò)機(jī)器人虛實(shí)一體化教學(xué)裝置，我們可以建立起虛擬仿真機(jī)器人和控制主機(jī)間的虛實(shí)聯(lián)動(dòng)，對(duì)虛擬仿真對(duì)象進(jìn)行數(shù)據(jù)建模以及3D機(jī)器人工作站的場(chǎng)景建模，結(jié)合教師機(jī)完成教學(xué)任務(wù)。同時(shí)通過(guò)教師機(jī)完成和后臺(tái)服務(wù)器的通訊、交互以及數(shù)據(jù)管理，從而實(shí)現(xiàn)“教、學(xué)、考、練”四位一體教學(xué)模式的運(yùn)用。

2.虛擬仿真實(shí)訓(xùn)軟件

機(jī)器人虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的開發(fā)目標(biāo)之一就是要確保實(shí)訓(xùn)或?qū)嵱?xùn)系統(tǒng)具有高度仿真性，軟件按照實(shí)際機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行一比一實(shí)際建模設(shè)計(jì)，場(chǎng)景需保證生動(dòng)逼真。

在機(jī)器人仿真軟件系統(tǒng)中，學(xué)生可以加深對(duì)機(jī)器人進(jìn)行場(chǎng)景認(rèn)知，掌握機(jī)器人離線編程軟件開發(fā)環(huán)境，掌握機(jī)器人工作站系統(tǒng)模型構(gòu)建的方法，學(xué)習(xí)Smart組件相關(guān)的離線編程技術(shù)，掌握機(jī)器人工作站簡(jiǎn)單離線軌跡編程方法。

3.虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）教學(xué)平臺(tái)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR技術(shù)）已經(jīng)在軍事訓(xùn)練、游戲娛樂(lè)、工業(yè)制造、虛擬社交、醫(yī)療、電子商務(wù)、教育等方面全面開花。VR技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用，逐漸改變了傳統(tǒng)的教學(xué)模式，它可以彌補(bǔ)教學(xué)條件資源的不足，也可以滿足學(xué)生進(jìn)行實(shí)訓(xùn)課的學(xué)習(xí)，降低教學(xué)成本的同時(shí)提高了教學(xué)效率。[15]

VR教材通過(guò)傳統(tǒng)紙質(zhì)教材“互聯(lián)網(wǎng)+”的手段，實(shí)現(xiàn)知識(shí)點(diǎn)以碎片化方式接入VR空間；VR實(shí)訓(xùn)展示危險(xiǎn)的作業(yè)場(chǎng)景，體驗(yàn)復(fù)雜操作流程，探索可能發(fā)生的處理過(guò)程；VR播客通過(guò)全景錄播，展示全景微課堂，也可以進(jìn)行工程現(xiàn)場(chǎng)全景直播，貼身體驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)景。

在各類學(xué)校開設(shè)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)通識(shí)課程、建設(shè)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)訓(xùn)室將成為普及VR技術(shù)、培養(yǎng)VR人才的重要途徑。工業(yè)機(jī)器人專業(yè)的虛擬現(xiàn)實(shí)VR教學(xué)主要定位在工業(yè)機(jī)器人組裝、調(diào)試和維修的技能仿真訓(xùn)練，為學(xué)?；蚱髽I(yè)培養(yǎng)工業(yè)機(jī)器人及自動(dòng)化設(shè)備的維護(hù)、維修及安裝調(diào)試人才提供虛擬教學(xué)（培訓(xùn)）環(huán)境。

七、結(jié)束語(yǔ)

在傳統(tǒng)制造業(yè)加速轉(zhuǎn)型升級(jí)的背景下，借助“互聯(lián)網(wǎng)+”催生“機(jī)器人+”、“大數(shù)據(jù)+”在機(jī)器人教育中的創(chuàng)新應(yīng)用，一方面較好地幫助學(xué)生理解、掌握機(jī)器人操作的相關(guān)知識(shí)與技能，另一方面促進(jìn)了教育信息化，提升了管理效率，提高教學(xué)效率與質(zhì)量，同時(shí)智慧教育新生代在機(jī)器人教育中落地生根，鑄就樣板工程，在區(qū)域及全國(guó)具有很好的推廣價(jià)值。[16]

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（編輯：王天鵬）