时间：2023-02-24 15:37:00
本课节选自广东高等教育出版社《信息技术》七年级下册B版第二章“智能机器人程序设计初步”第七节“制作循迹机器人”。主要知识点是利用轨迹识别传感器、多重判断的选择结构实现“机器人自动按轨迹线行走”的程序。这节课旨在激发学生学习、探索机器人技术的兴趣，在积极探索问题的过程中，养成善于思考分析、归纳总结、动手创新的习惯和能力。
通过前面的学习，学生学会了画流程图、认识循环结构和选择结构、仿真界面调试等知识，具备了基本的编写程序的能力。但是根据不同的情境灵活运用所学知识进行编程和调试的技巧还不熟练。通过本课的程序流程分析，巩固算法设计、循环结构、选择结构、多重判断、仿真调试等知识并进行综合运用。通过一个新的传感器——轨迹识别传感器的学习，进一步理解传感器在机器人技术中的作用和应用。
教学目标
知识与技能：初步了解轨迹识别传感器的构成和工作原理，能够编写出“自动按轨迹行走的循迹机器人”程序并在仿真界面调试成功。
过程与方法：通过自主学习，小组合作探究，了解轨迹识别传感器的构成和工作原理；通过图片、顺口溜策略，理解轨迹变量4个返回值的含义并能正确应用到程序编写中；通过任务驱动、问题引导、小组讨论、思维导图策略，理清循迹机器人程序设计的思路，学会综合使用循环结构和选择结构编写程序，体验和感悟探究的一般过程。
情感、态度与价值观：学会把大任务分解成多个子任务解决问题，培养编程思维；在探索过程中，善于思考和分析，并能归纳总结，体验成功与失败；在与他人交流中，感受创新的乐趣。
教学重点、难点
重点：理解轨迹识别传感器4个返回值分别代表的含义；实现循迹机器人的程序设计。
难点：使用多重条件判断让机器人检测轨迹识别传感器的状态，明确左转、右转和直行。
教学过程
1. 激趣导入
播放视频（学校正在进行长跑比赛，操场上你追我赶，加油声此起彼伏，好热闹呀！突然出现了一个奇怪的运动员——机器人，它也来参加长跑了。）教师请学生观察这个机器人有什么特点。（板书：探秘循迹机器人）
生：机器人沿着轨迹线走。
教师提示学生注意轨迹线的颜色与周围颜色的差别。
设计意图：通过运动会情境创设，唤醒学生情绪体验，激活学生思维，把学生带入到问题思考中来，引出所要学习的主要知识点。
2. 任务分析
师：想一想，机器人如何能识别轨迹，从而沿着轨迹线行走呢？（板书：轨迹识别传感器）
师：机器人如何能做到沿着轨迹线行走而不会偏离轨迹线呢？要想弄明白这个问题，我们还得从了解轨迹识别传感器开始。
设计意图：通过两个关键问题，把机器人循迹任务分解为两个子任务，引出新知的学习，为学生探究机器人循迹技术提供方向指引。
3. 自主学习，认识轨迹识别传感器
教师出示自学任务：可以利用微课“认识轨迹识别传感器”、学案或课本P64-P66自主学习轨迹识别传感器。
自学任务及要求：（1）轨迹识别传感器有哪些构成？（2）请说出轨迹识别传感器的功能，并在RC软件界面对模块进行正确设置。（3）轨迹变量4个返回值分别代表与轨迹线有怎样的位置关系？你是用何种方法记住它们的？（提示图片策略和顺口溜策略）
教师提问自学情况。
师：盲道与我们走的道路有什么不同？盲人走盲道时，手中的棍子起到探测障碍物的作用，那么盲人的双脚起到什么作用？它与轨迹识别传感器的功能有什么相似之处？
设计意图：考虑到学生学习方式、学习习惯、认知风格的差异，提供不同类型的学习支架服务于学生的学。与学案、教材相比，微课通过视频动画更生动、形象、立体、逼真地展现了轨迹识别传感器的工作原理，体现了其作为学生自主学习资源的优势。通过实际生活中盲人走盲道的实例类比轨迹识别传感器的工作原理，加强理解。建议学生用顺口溜和图片策略学习知识，渗透学习方法。通过一道选择题，提醒学生表达式的正确写法，与已经学过的红外避障变量表达式对比理解记忆，厘清易混淆知识点，突破难点。
4. 头脑风暴
怎样编写程序实现机器人沿着轨迹“走”呢？教师请各小组头脑风暴，讨论编程思路，鼓励学生利用思维导图策略，最后由小组代表汇报结果。
教师引导学生认识各组方案共同点：偏左，则右拐；偏右，则左拐；不偏的话就直行。
师：用什么模块、怎样实现机器人左转、右转、直行功能？（引出高速电机与转弯模块的区别）
教师双手模拟车轮游戏，启发学生如何设置高速电机模块。
（1）下列哪种设置可以让机器人执行右转动作？
A.左速2，右速8 B.左速0，右速10
C.左速10，右速0 D.左速10，右速10
讨论总结出轨迹变量返回值与机器人执行动作的关系。（板书）
（2）当轨迹变量==2时，机器人在什么位置，将如何行动？
A.机器人在轨迹线上，需直行；B.机器人在轨迹线右侧，需左转；C.机器人在轨迹线的左侧，需右转；D.没有检测到轨迹线，需转圈去找。
师生整理总结编程思路。
设计意图：通过头脑风暴，打开学生思维的大门，碰撞智慧火花，渗透“先思后行”解决问题的思想。运用思维导图策略渗透学习方法。通过双手模拟车轮游戏，帮助学生理解如何设置高速电机以实现左转、右转和直行功能，突破难点。通过一道选择题深化巩固理解高速电机设置。最后总结完善思维过程，理清思路，为实施编程做充分铺垫。
5. 程序设计
探究任务：根据任务分析方案或思路，完成机器人走轨迹程序设计。
鼓励学生先独立设计程序。最先完成程序的学生，当“小老师”帮助本组有困难的同学。有困难的同学也可以自行观看微课来学习。教师巡回指导学生设计程序，发现问题，适时个别评价，并就发现的共性问题进一步讲解。鼓励学生自愿上台演示，适时评价。
设计意图：小组内互帮互助，组长起到协调示范作用，培养团队协作意识。“小老师”“微课”策略体现了教学差异分层。微课满足了个体差异化学习需求。
6. 深化拓展
拓展任务：机器人在循迹时，如果前方轨迹出现了障碍物，机器人如何能避开障碍物再次回到轨迹呢？
请同学们尝试修改程序，进入仿真环境调试。
设计意图：任务难度递增，为能力强的学生提供深化探究的空间；体现了差异分层、关注每位学生发展的理念。
7. 评价展示
小组代表展示程序及仿真效果，师生评价、组间评价、代表点评贯穿始终。根据小组得分，师生评选出优胜小组；根据个人评价标准进行自我评价。
设计意图：评价主体的多元化有助于团队意识的培养，有助于学生自我反思和发展。
8. 课堂小结
师：循迹技术能帮助我们解决很多让机器自动按照指定路线行走的问题，在生产和运输中有着广泛的应用。在揭秘了机器人的循迹技术后，大家是不是还有很多想法呢？欢迎大家登录班级微博群、微信群或者QQ群，在网上你的观点和想法，和其他同学进一步分享、探讨和交流！
教学反思
机器人程序设计教学应该教给学生什么？绝不仅仅是把程序图完成，在仿真界面运行成功就行了。更为重要的是对学生思维的训练，特别是教给学生在面对陌生领域问题时分析问题、解决问题的能力。具体如何在课堂教学中实施呢？本节课不是由教师讲出编程思路，学生按照教师的思路或者课本思路将程序补充完整，在仿真环境运行成功即可；而是从任务分析展开，引导学生利用学习资源自主学习新知，利用思维导图进行小组头脑风暴，将大任务分解为子任务，在此基础上剥洋葱式地分解、分析、解决问题，到最后形成编程思路。之后才是具体的编程实施，注重学生思维训练，注重问题解决能力目标的达成。
新课标强调学习的过程与方法，本节课很好地向学生渗透了学习策略意识，如在讲解轨迹变量4个返回值与轨迹线位置关系时所探讨的图片策略和顺口溜策略等。
关键词：行为导向；教学；案例；洗衣机；减速器
DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2017.06.026
根人才市场对毕业生的综合能力要求，及创建示范高职院校不断深入，教育教学改革势在必行。“行为导向”教学法是教学改革的方向之一，“行动导向”理论中的项目教学法、案例教学法以及模拟教学法都需要合适的教学项目（案例）。
教学案例（项目）是教学任务的载体，应具备以下特点：（1）适用性，案例应符合专业（课程）人才培养目标；（2）新颖性，案例应具有一定的新颖和先进性，能激发学生的学习兴趣和获取知识的欲望；（3）典型性，（4）可操作性，案例应具有较丰富的参考资料，技术较为成熟，难度适中，学生通过努力可完成任务。洗衣机在城市已经普及，乡村正在普及（机电产品下乡的产品之一），减速离合器是波轮式自动洗衣机的关键传动部件之一，减速离合器传动原理和结构都具有机械设计的典型性。
1 波轮式洗衣机减速离合器的工作原理
波轮式全自动洗衣机传动系统主要由电动机和减速离合器组成。目前各种大波轮新水流套桶洗衣机普遍采用减速离合器，它在洗涤、漂洗时波轮的转速较慢，而脱水时离心桶的转速较快。
减速离合器能满足新水流套桶洗衣机的要求，即洗涤时波轮低速旋转，脱水时离心桶高速旋转。减速离合器采用了行星减速器。洗涤轴分成洗涤主动轴和洗涤被动轴（齿轮轴），同在一条轴线上。洗涤被动（传动）轴下端用花键插入行星机构的传动盖，上端与波轮固定。
脱水轴由下半轴、中半轴和上半轴组成，下半轴、中半轴、下半轴分别与行星机构、刹车盘连接成一根整体。脱水轴上端（上半轴上端）与脱水桶固定。
减速离合器的工作过程是，洗衣机处于洗涤状态时，排水电磁阀断电关闭。排水电磁阀的衔铁释放而使棘爪拨叉在拨叉弹簧的作用下复位，固定在棘爪拨叉下端的棘爪拨动棘轮转过一个角度，方丝离合器中的抱簧下端因嵌在棘轮内壁的小孔内而被拔松，这样便使脱水轴下部（下半轴）与离合套不能啮合。由于此时脱水轴（中半轴）已经被扭簧与刹车带（制动带）制动，即内齿轮固定不动，所以当洗涤主动轴（恒星齿轮）顺时针转动时，行星齿轮一边作逆时针自转，同时绕恒星齿轮顺时针公转，从而带动传动架和洗涤被动轴作顺时针旋转。这时为周转轮系传动，洗涤主动轴转动约5周，被动轴才转动一周。同理，当洗涤主动轴逆时针高速转动时，被动轴也做逆时针低速转动。
洗衣机处于脱水状态时，排水电磁阀通电开启。衔铁在带动阀门开启的同时，还使刹车带（制动带）放松刹车盘，并使拨叉带动棘爪放松棘轮。当离合套作顺时针高速转动时，正好使抱簧旋紧，从而将脱水轴（下半轴）与离合套啮合。这时因内齿轮也随脱水轴高速转动，所以行星轮绕恒星齿轮公转的转速与恒星齿轮、内齿轮的转速是相同的，此时波轮与脱水桶无相对转动，即洗涤主动轴、脱水轴及洗涤被动轴作同步高速运转，而且因这种顺时针转动正好是扭簧被拔松的方向，所以扭簧对脱水轴无制动的作用。
2 传动系统的主要参数
（1）减速器速比计算。行星减速器洗涤时大波轮（洗涤被动轴）转速nH为160～180r/min；电机功率260W，同步转速为1500r/min， 电机皮带传动速比为1：1.76，因此，电机输出与洗涤被动轴转速的总速比应为：
（2）主要齿轮的齿数和直径计算。
由减速离合器的结构工作原理和主要参数计算可知：
减速离合器传动原理典型，方丝单向离合器目前是生产厂家的设计新型专利，目前教课书中还没有涉及，行星减速器速比计算可作为行星齿轮传动计算的典型例题和习题。
减速离合器结构新颖、紧凑，体积小，重量轻，适合学生做拆装及测绘实训等实操技能训练。
减速离合器整体设计可作为机械设计专业毕业设计课题，通过查找专利、产品等相关资料和设计计算，可提高学生分析问题和解决问题的能力。“项目教学技术”有利于学生独立工作能力的形成。学生独立地获取资料信息，独立地制订方案，独立地作出决案，独立地实施方案，独立地反馈信息，独立地评价成果，通过训练，有利于学生创新能力和承受能力的形成，每当碰到新的问题、新的任务时，就不再会束手无策了。
其零部件可作为冲压工艺及模具设计课题。
参考文献：
[1]金国砥等.洗衣机维修入门[M].浙江科学技术出版社，2004.
关键词：案例教学法；高职；医用电子仪器；常见故障；课程改革
《医用电子仪器》是医疗器械制造与维护、医用电子仪器与维修专业的核心课程，以电子学、微机原理等课程为基础，着重于医用电子仪器的构造、原理和应用，是实践性很强的课程。传统的《医用电子仪器》教学一般采用先介绍仪器结构、电路工作原理，后实验验证的方法，很少涉及仪器的故障维修或涉及不深。传统方法虽然能够系统地传授理论知识，但学生多为被动地接受知识，学习缺乏主动性，课堂气氛沉闷。最大的问题是理论与实践相分离，造成学生分析、寻找仪器故障原因和解决实际问题的能力偏低。针对上述问题，我们对《医用电子仪器》课程进行了改革，具体思路如下：明确课程目标是使学生掌握作为一名医用电子仪器维修工程师所“必需、够用”的理论基础知识，对医用电子仪器故障现象能够分析其原因并正确解决，形成良好的职业素质。在讲授医用电子仪器原理和电路知识的同时，应适当加入与一线岗位相关且能够解决仪器故障的内容，以仪器故障现象引导学生思考，对常见故障的解决方法进行分析讨论，努力提高学生自学能力，开拓其维修思路。wwW.133229.cOm
基于上述思路，我们从2009年上半年开始，以2007级医疗器械制造与维护专业的96名学生为对象，进行了《医用电子仪器》课程改革。
“以现象为导向，常见
故障为中心”案例教学法的实施
（一）案例的内容
我们结合教材与实验室仪器情况，收集医用电子仪器故障现象和解决方法，建立维修案例库，主要内容包括：（1）根据课程基本内容及重点难点，突出仪器故障现象，引导学生思考。（2）精选仪器维修案例，精讲并供学生讨论分析。（3）附上练习题，作为学生作业题。
（二）实施步骤
1.学生自学。课前先让学生自学讲义，然后在仪器故障的引导下，自学教材，目的是让学生掌握仪器原理、构造的基本知识。
2.教师精讲。在学生自学基础上，教师从课程标准出发，围绕教材章节的主要内容讲授重点、难点，以仪器故障现象为导向，对仪器常见故障进行详细分析。要求教师对仪器的原理、结构、故障现象及故障解决方法等非常精通，能够随时解决学生自学过程中产生的疑问。
3.布置案例作业。以仪器常见故障为问题，要求学生以小组为单位，课后对教师精讲的内容进行总结归纳，进行小组讨论，最后在班上作幻灯片演说，内容包括仪器故障现象、分析思路、解决方法以及体会。
4.教师总结。讲评案例作业，对学生维修思路和解决方法进行评价，总结仪器维修要点和技巧，给每个小组评分。其他小组听讲，提出问题，发表意见，给出评价分数。最后，由教师所评分数、其他小组所评分数及组内互评分数作为小组案例作业的成绩。
（三）实施对象
选择2007级医疗器械制造与维护班共96人作为实验对象，把《医用电子仪器》教学分为两个部分：第一部分是脑电图机、电子血压计等，采用传统讲授教学方法；第二部分是心电图机、监护仪等，采用“以现象为导向，常见故障为中心”案例教学法。
（四）评价方法
由两部分组成，用课堂测验和期末考试两种方式进行考试评价，其中，期末考试分别按两种教学方法出两道大题，各为10分，观察学生答题情况，同时分别采用统计软件spss13.0分析。学生、学院共同监督课堂授课质量，综合评价教学质量。
结果
（一）测验和期末考试成绩分析
实验结果显示，“以现象为导向，常见故障为中心”案例教学法调动了学生学习的积极性，拓展了学生的学习思维，提高了学生的学习效果（p <0.001），见表1：
（二）问卷调查
对2007级医疗器械制造与维护班发放学习效果调查问卷96份，回收95份。有86人对案例教学法持肯定态度，认为该方法比传统教学方法更有吸引力，这部分学生占总数的90.5%。有84人认为该方法提供了自学空间，提高了自学能力，这部分学生占88.4%。有88人认为增强了学习自信心，拓展了维修思维，有助于就业，这部分学生占92.6%。认为案例教学法没有效果，没有提高自己能力的学生有5人，占5%。
（三）督导评价
在进行案例教学过程中，学院督导组专家多次进行现场观摩，得出结论：此教学方法注重师生互动和学生互动，能够引导学生思考和自主学习，通过与教师讲授相结合，对真实的维修案例进行分析，按照岗位工作要求考核学生，学生动手实操技能得到了提高，取得了良好的教学效果。
（四）追踪调查
对正在维修岗位实习的2007级医疗器械制造与维护班60名学生进行调查，认为案例教学法讲授内容记忆深刻，对提高自己医用电子维修的实际技能有帮助，应该继续开展，甚至推广到其他学科的学生有56人，占总数的93%。
讨论
（一）案例教学法的教学优势
“以现象为导向，常见故障为中心”案例教学法的初步实践表明，它有以下优点：（1）使学生将被动式、接受式学习变为主动式、探索式学习，变“要我学”为“我要学”，能提高学生学习兴趣，充分调动学生主动学习的积极性，养成自主学习的能力。（2）通过以现象为导向，联系常见仪器故障分析讨论，启发学生自主思考，有利于培养学生建立更快、更高、更新的学习方法和目标，它既有一定的让学生自学的自由性，又有作业的限制性，能做到既活跃课堂气氛，又拓展学生的思维，培养学生独立思考和团队合作能力。（3）学生完成案例后，有一定的满足感和自豪感，增强了学习信心，培养了专业兴趣，提高了学习热情。布置不同小组学习不同案例，可避免互相抄袭现象，这是传统作业难以做到的。另外，小组现场汇报案例作业，锻炼了小组成员的幻灯整理、语言表达能力，培养了其他小组成员对他人劳动成果的评估能力。
（二）实施案例教学法需要注意的几个问题
在实施案例教学法时，需要注意以下几个方面的问题：（1）结合实验室仪器，个别故障需要人为设定，讲义的编写要具有引导性。（2）实验室要经常开放，方便学生课后做实验。（3）案例汇报占用时间较多，教与学进度普遍紧张，有时需要用到课后时间。（4）为防止个别学生偷懒，需要在小组中选定能力够强的组长，带动学习兴趣较低、能力较低、自律性不足者，以组间同学互评、组内同学互评作为激励方式。
我们认为，“以现象为导向，常见故障为中心”案例教学法在《医用电子仪器》课程教学上具有一定的优异性，它强调以学生为主体进行“学”，教师作为组织者进行“教”，两者紧密联系，能调动学生学习的参与性和积极性，有助于学生通过典型仪器故障分析，获得应掌握的知识，进一步加深学生对基础理论的理解，有助于培养学生发现问题、分析问题及解决问题的能力，也能帮助学生提高表达的技巧和与人协作的能力。在日后的教学中，仍需要推广这种案例教学法，并在实践中对其不断加以完善。
智能仪器设计课程既要引导学生逐步建立各门课程知识之间的内在联系，完善专业知识体系的构建，也要注重学生专业技能、实践能力和创新意识的培养，为后续深造或工作奠定基础［4］。
“案例教学法”在智能仪器设计教学中的应用
传统“填鸭式”的灌输教育，脱离实际应用，易导致学生死记硬背。只有转变教学方式方法，紧密联系实际，加强互动式教学、探索式教学、启发式教学，才能实现应用型人才培养目标。为此，我们应用“案例教学法”把智能仪器设计分为五个步骤:一是选择合适案例，创设应用情境;二是实施互动式教学，突出教学重点;三是拓展仿真教学，强化应用技能;四是加强团队实践训练，培养实践能力;五是开展启发式教学，提高知识的运用能力［5］。
选择适当案例，创设应用情境以案例教学为主线，创设应用情境，增强学生学习兴趣。合适的实际案例不仅是贯穿课程教学过程的主线，成功创设应用情境的前提，而且是激发学生学习兴趣的必要条件。因此，选择适当案例至关重要。合适的案例必须能够充分体现基本教学理论，同时紧密联系实际［6］。以数字电压表(DigitalVoltmeter，简称DVM)为例，它是采用数字化测量技术把连续模拟量转换为离散数字量的数字化仪表。由于它具有读数准、精度高、误差小等优点而备受青睐［7］。因此，选择数字电压表作为智能仪器设计的案例来创设应用情境，可满足案例教学的基本要求。在确定案例的基础上，智能仪器的研制过程按照设计任务并拟定设计方案、软硬件设计、软硬件综合调试、整机性能测试和评估来实施［8］。根据数字电压表的设计任务与设计要求，结合学生学习的课程，采用“自顶向下”的设计原则，把仪器划分成由单片机、A/D转换电路和电压显示电路等功能模块组成。
案例互动教学，突出教学重点以重点教学内容为着力点，实施互动式教学，充分调动学生主动性。案例教学模式采用课堂双边互动教学形式，以重点教学内容为着力点，把课堂变为案例讨论现场，提高了学习的自主性，更好掌握课程的教学内容。在软硬件设计阶段，硬件设计主要是根据方案设计原理电路，选用合适的功能模块(如输入输出通道、信号调理电路、主机电路、人－机接口、通信接口)，并装配和调试硬件系统;软件上是先设计出系统软件功能框图，在理清控制关系的基础上，进行功能化编程和调试。为了强化“智能仪器软硬件模块化设计方法”的教学重点，可采取以下互动式教学形式:一是组织学生进行答辩，阐述设计方案、原理电路和编程流程;二是由教师和同学现场进行提问，考察学生对设计可行性的分析;三是由教师有针对性对课题进行指导，提出合理化建议;四是由学生进行修改，完善设计。让学生在设计中既有自主性，又通过启发来防止盲目性。
案例仿真教学，强化应用技能以教学难点为突破口，拓展案例仿真教学新模式，营造探索求真的学习氛围，强化学生应用技能。系统设计与调试是智能仪器设计课程的教学难点。作为初学者的学生，经常感到无从下手。为此，我们首先从虚拟实验入手，通过仿真实验来突破难点。虚拟实验是把案例教学和软件应用有机结合起来，通过逼真的仿真界面和动画效果，让学生置身于智能仪器开发现场，既可以节省设计成本和提高设计速度，还可以增强学习乐趣，将抽象的理论知识融入到案例的设计实践之中，加深对理论知识与设计方法的理解，为后续教学环节，如分组实际制作打下基础。例如对基于Proteus和KeilC51建立的数字电压表仿真实验［9］，如图3所示。数字电压表的调试过程可通过调节可变电阻器来进行仿真实验，若实验结果不满足设计要求，则可修改硬件参数或软件程序进行反复调试，直到该数字电压表满足设计要求，调试过程生动形象，简单易学。
团队实践训练，培养综合能力以案例应用为实训课题，组建学生制作团队，培养学生实践能力。团队制作实践的课题分为设计型、综合型和创新型。学生可以根据自己的兴趣、知识结构和能力发展进行选题。选择相同题目学生组成制作团队，通过共同协商，形成明确的成员分工和团队合作任务。在制作过程中，不仅要求学生要学会独立思考，掌握独立分析解决问题的方法，也要求培养创新意识以及增强团队精神。通过体验智能仪器设计制作过程，熟悉智能仪器系统的开发流程，提升综合的实践能力。例如，选取液位控制系统［10］的设计作为实践课题。该系统主要由水槽、电压比较器、隔离保护和驱动电路、直流继电器控制电路、水泵、电磁阀组成。高低水位的电压通过与基准电压比较输出逻辑信号，控制交流接触器的工作，实现水泵的通断，以实现水槽水位的自动控制。通过液位控制系统实践训练达到以下目标:第一，使学生了解接触器、电磁阀、水泵等器件等相关电器的基本原理，熟悉基于中规模集成电路的组合逻辑和时序逻辑设计方法，加深对理论知识和设计方法的认识;第二，通过学生亲手焊接、制作和调试电路，培养实践能力和动手技能;第三，通过撰写设计报告，使学生学会对实验结果进行分析和总结，培养学生分析和解决实际问题的能力。
案例启发教学，加强运用能力以案例总结为出发点，开展启发式教学，提高学生运用能力。案例教学法的重要环节，就是在完成设计、仿真和实际制作的过程之后，及时总结设计的过程和方法，把设计制作过程上升到理论高度，进一步加以思考、探索和提高。如果对案例缺乏思考、归纳和总结，很容易使学生的思维局限单个案例之中，不利于应用能力和创新思维的培养。因此，教师既要从单个案例入手，引导学生学会分析归纳和总结的方法，不断加强学生灵活运用能力，也要注重在案例基础上的拓展，启发学生深度思考，培养学生的创新思维。这样才能在智能仪器设计环环紧扣、层层递进，有效推进学生知识水平的提高和能力结构的完善。
小结
本文在智能仪器设计课程体系的能力培养基础上，提出了“案例教学法”应用在智能仪器设计教学中的五个基本步骤，即教师通过创设教学情境、实施互动式教学、拓展仿真教学、加强团队实践训练和开展启发式教学，从知识水平和能力结构两方面入手，在智能仪器设计课程教学中取得了良好效果，受到学生的普遍好评。特别是让更多的学生喜欢上测控技术与仪器专业，并在该领域打下较好的专业基础。
作者：陈颖林育兹单位：厦门大学嘉庚学院机电工程系
关键词：实验能力 ；光电门 ；速度； 机械能守恒
《考试说明》中明确指出“实验能力”是高考要考查的五个方面能力之一，还明确提出“能发现问题、提出问题，并制定解决方案；能运用已学过的物理理论、实验方法和仪器去处理问题，包括简单的设计性实验”。
人教版必修2第七章第9节“验证机械能守恒定律”是高中物理教学中一个很重要的演示实验和学生实验，也是《考试说明》明确规定必须掌握的实验之一。教材上该实验的装置如图1所示，实验原理为：
借助打点记时器，通过纸带测出重物某段时间内下落的高度差h和该段时间初末时刻的即时速度v1和v2，若mgh近似等于12mv22-12mv21，则可得到在误差允许范围内机械能守恒定律。高考试题源于教材，但又不拘泥于教材。因此教学时要在抓住实验的本质的基础上，对教材实验进行拓展迁移。
[方案1]如图2，该装置是在教材装置上进行迁移，改打点计时器测量速度为光电门测量，这样可以减少纸带与打点计时器之间的摩擦，提高实验精度。由于本装置可记录小球通过上下光电门的时间Δt1和Δt2，则将小球（质量大体积小）的直径D除以Δt，即可求出小球经过光电门的速度，若再测出两光电门间相距的高度H。由mgH=12mv22-12mv21，只要满足gH=（DΔt2）2-（DΔt1）22，则在误差允许范围内械能守恒定律。
[方案2]光电门和气垫导轨相结合的装置可验证斜面上的机械能守恒（如图3）。让滑块从气垫导轨的顶端滑下，光电门1、2各自连接的光电计时器会显示的挡光时间，进而计算出两处的速度。同上，只要验证重力势能的减小量是否等于动能的增加量即可验证机械能是否守恒。本装置减小了传统实验中有摩擦阻力、纸带与打点计时器之间的阻力引起的系统误差。
[方案3]实验装置如图4所示，验证小球从A点静止起下摆到最低点B位置的过程中机械能守恒。当小球A摆到最低点B点位置被刀口刃片割断细线后以速度vB做平抛运动落地地面上，如果测量出AB的高度差h，B点到地面的高度Y，小球做运动平抛的水平位移X，则由Y=12gt2得t=2Yg，那么小球做平抛运动的速度vB=Xt=g2YX，实验结论满足mgh=12mv2B，得mgh=12mg2YX2。则满足4Yh=X2，在误差允许范围内机械能守恒。
[方案4]用DIS传感器验证单摆过程中的机械能守恒定律。其实验装置如图7所示，将实验装置中的某一传感器接入数据采集器，可测定摆锤在某一位置的瞬时速度，从而求得摆锤在该位置的动能；同时输入摆锤从释放处到该处的高度差，又可求得摆锤在该位置的重力势能，进而验证势能和动能转化时的规律。本装置实验相对于方案3操作更简单、实验误差更小。
[方案5]如图6所示装置验证系统的机械能守恒定律。从数字计时器（图4中未画出）上分别读出挡光条通过光电门1和光电门2所用的时间和；用天平称出滑块和挡光条的总质量M，再称出托盘和砝码的总质量m；当滑块通过光电门1和光电门2时，系统（包括滑块、挡光条、托盘和砝码）的总动能分别为12（m+M）（lΔt1）2和12（m + M）（lΔ t2 ）2；在滑块从光电门1运动到光电门2的过程中，系统势能的减少量为mgs。如果mgs=EK2-EK1，则可认为机械能守恒定律。
上面介绍的五种方案是在教材实验基础上对实验器材、实验原理进行创新设计。但正所谓“万变不离其宗”，上面几种方案都抓住了本实验的关键问题，即对速度的测量。利用不同的器材、不同方法对速度进行测量，进而计算动能，从而验证在其过程中机械能是否守恒。因此我们在教学时要重视教材上的原型实验，更要重视其拓展和变形。让学生学会不同方案的设计、不同实验模型的构建，在各种实验的创新设计中抓住本源，寻求拓展迁移，举一反三，类比推广，这样才能起到事半功倍的效果。
参考文献：
[1]物理课程教材研究中心，张大昌主编.人教版物理必修2.2006年11月第2版
[2]浙江省教育考试院编.2012年浙江省普通高考考试说明.2012年1月第1版
[3]甘肃省陇南市武都二中 张生斌.巧用平抛运动“验证机械能守恒定律” .物理教师.2006（12）
关键词：电气工程；自动化；实验室；施工方案
一、建设方案
电气工程及其自动化专业培养从事与电气工程有关的设计制造、研制开发、试验分析、系统运行、自动控制电力电子技术、生产管理以及电子与计算机技术应用等领域的应用型高级工程技术人才。目前设有电机及其控制，电器及其控制、电力系统及其自动化3个专业方向。
根据电气工程及其自动化专业培养目标和要求，结合该专业课程中实验内容的特点和联系，将该专业实验室分为电机及其控制、电器及其控制，电力系统及其自动化三个相对独立的实验分室进行建设。
1 电机及其控制实验分室 电机及其控制专业方向主要是培养从事电机、变压器等电气设备的设计制造运行维护试验分析研制开发的应用型高级工程技术人才。电机及其控制实验分室主要用于（电机学 >（电机控制 > 等课程的实验教学以及相关的课程设计，它由电机原理及电机控制室和电机型式试验室组成。该实验分室选用专业教学仪器厂生产的 DZSZ一 1 型电机及自动化实验装置”和 DJC系列电机型式试验自动测试系统”作为实验设备，可以进行直流电机实验、交流电机实验、同步电机实验、变压器实验、直流电机调速系统实验交流电机调速系统实验以及三相交流异步电动机型式试验。其中，根据国家标准和目前的实验设备情况，所能开设的电机型式试验项目有：①绕组冷态和热态绝缘电阻测定；②绕组直流电阻的测定；③绕组匝间耐冲击电压试验；④绕组对地耐冲击电压试验；⑤绕组对地及相间绝缘耐电压试验；⑥堵转特性试验；⑦空载特性试验；⑧热试验；⑨效率功率因数及转差率的测定试验；⑩振动的测定试验；（11）噪声的测定试验。
2、电器及其控制实验分室 电器及其控制专业方向主要是培养从事高低压开关电器及其成套设备等输变电设备的设计制造、控制、运行维护、试验分析、研制开发生产管理的应用型高级工程技术人才。电器及其控制实验分室主要用于《电器学》、《低压电器》、《电器智能化原理与应用》等课程的实验教学以及相关的课程设计，它由电器原理及低压电器室、电器智能室和电器型式试验室组成。该实验分室选用专业教学仪器厂生产的“DICE 一 598H 单片机微机实验仪”， ST48―2H 智能脱扣器和由我院教师自主研制的智能化电器多功能控制台、低压电器交流通断试验控制台”、 “低压电器电寿命试验控制台”、电弧发生装置”作为实验设备，可以进行智能脱扣器特性测试，三段过电流微机保护调理电路及电量信号数据采集，智能电器及电器智能化网络演示开关量输入/继电器输出特性研究，电弧特性研究，低压电器产品特性研究等实验项目以及交流接触器型式试验。
3、电力系统及其自动化实验分室 电力系统及其自动化专业方向主要是培养从事电力系统、供电系统，电力设备制造领域的系统设计、系统运行、研制开发、试验分析、工程建设与管理的应用型高级工程技术人才。电力系统及其自动化实验分室主要用于《电气工程基础》、《工厂供电》、《电力系统继电保护原理》、《电力系统综合自动化》等课程的实验教学，它由继电保护室和工厂供电室组成。该实验分室配备了“TQDB―多功能微机保护与变电站综合自动化实验培训系统”、 “TE2030 高压开关特性测试仪”和“TE2OOG 高精度回路电阻检测仪”等由专业教学仪器厂生产的实验设备，可以进行功率方向继电器特性测试、单相式阻抗继电器特性测试差动继电器动作特性测试、变压器微机保护、变电站综合自动化装置调试、潮流分析计算与短路电流计算、微机故障录波、高压开关特性测试和高精度回路电阻检测等实验项目。
二、实施措施
为了切实有效落实建设方案，满足电气工程及其自动化专业实验教学的要求，需要在实验设备投资实验室管理实验项目开发等方面采取一些有效措施，以保障实验室建设和实验教学的顺利进行。
1、优化配置实验设备，加强设备投资管理 优化实验设备配置应遵循系统性先进性和经济性原则。从整个教育过程考虑，制定整体上的优化配置方案，而非局部的优化配置，使实验系统通用性强。
在实验设备的投资上，应加大对现代化实验教学设备的投资，同时做好现有设备的改造和功能开发，充分挖掘现有仪器设备的潜力。实验教学设备除了在数量上满足要求以外，还应该注意质量建设。
2、改革实验教学内容，加强实验教材建设 实验教学内容的改革是实验室建设的核心。在实验教学过程中，始终贯彻以提高学生综合素质和实验能力为主线，以学生为中心，突出和重视个性培养，强化素质教育和能力培养。在专业实验室的建设中，还应加大实验教材的建设力度。在选择优秀教材的基础上，实验教师应该充分利用实验设备所带资料编写适合本专业实验室的校内教材。
3、提高资源利用率，加强实验室开放 随着实验教育体制的改革和实验教学内容的变化，实验室对学生开放势在必行。学生可以利用课余时间根据理论课的进程和个人兴趣选择自己感兴趣的实验进行操作和探究。一方面增加了学生的实践机会，在实验过程中，充分发挥学生的个性，给学生实验时间和实验内容的自由，培养学生独立思考问题，设计方案和完成实验的能力。另一方面有利于充分利用资源，提高设备的利用率。
4、提高教学水平，加强实验教师队伍建设 实验教师队伍素质关系到实验教学、科研水平以及管理水平的高低。因此，在建设专业实验室的同时，还应通过岗位聘任和教学规范，建立起一支热爱本职工作业务素质好技术水平高结构合理的实验教师队伍。①鼓励高学历、高职称的教师参与实验教学工作；②引进具有丰富生产经验的 “双师型”教师，增强实验教学水平与效果；③积极鼓励和引导新进教师到实验室工作，充分发挥他们在实验教学与管理中的作用。
（空军工程大学 防空反导学院，陕西 西安710051）
摘 要：针对目前武器装备计算机设备原理课程普遍存在的教学内容枯燥、编排难度大和逻辑性不强等问题，阐述武器装备计算机设备原理课程的目标与特点，探讨存在的问题内在原因，在计算机原理课程教学内容组织结构的基础上，分析两种计算机设备原理教学内容组织案例优缺点，结合教学实践经验，提出一种基于武器系统作战能力的计算机设备原理教学内容组织模式并介绍教学内容组织案例。
关键词 ：武器装备；计算机设备原理；课程教学
基金项目：教育部高等教育司项目“适应空军信息化建设人才培养需求的大学计算机系列课程改革研究”（2-1-ZXM-03）。
第一作者简介：狄博，男，讲师，研究方向为信息安全，86311305@163.com。
0 引 言
在武器装备设备原理教学中，计算机设备原理是重要的组成部分之一，占据着基础性、贯穿性的地位。尤其是对信息化、智能化程度较高的武器系统而言，更是发挥着举足轻重的作用。计算机设备原理课程目标是使学员掌握装备中计算机设备类型、功用、组成结构、工作原理等，理解计算机设备在装备战术技术性能中发挥的支撑作用，为学员分析和解决装备计算机系统相关问题打下牢固的基础。计算机设备原理本质上属于特定领域计算机类课程，但同时计算机设备原理课程又不同于一般的计算机专业课程，如计算机组成原理、体系结构、计算机网络等，而是这些课程内容在特定领域应用的集中体现。
1 课程特点与教学中存在的问题
计算机设备原理课程的目标是使学员能够系统地掌握装备中计算机系统的功能、性能、软硬件组成、体系结构和工作原理，理解装备中不同计算机设备在实现装备战技术性能中起到的作用，掌握计算机设备和装备中其他设备之间的功能联系和接口，并着力培养学员具备一定的分析与解决实际问题的能力。
1.1 课程的特点
计算机设备原理课程属于特定领域计算机类课程，是计算机科学与技术专业课程内容在特定领域应用的集中体现，不仅具有一般计算机专业课程的特点，还具有鲜明的领域特色。
（1）领域性强，与装备结合紧密。计算机设备原理课程与特定领域密切相关，计算机设备的功能、性能和体系结构与领域应用要求是相适应的，如在很多应用中，要满足组件化、实时性、可靠性要求。
（2）内容比较庞杂，涉及计算机种类多。目前大多数装备的信息化、智能化程度较高，在装备中不同的子系统内，根据需求采用了各种各样不同的计算机设备，有通用计算机设备、嵌入式计算机设备、实时计算机设备和网络计算机设备等。
（3）专用计算机设备较多，结构复杂。装备中的很多计算机设备需要满足一些特殊的要求，因此采用了很多特殊的专用计算机设备，如专用的处理器设备，它的指令集和执行部件与一般的处理器均有较大差异，因这些设备并不常见，如何将这些设备的内容讲授清楚，也是面临的一大问题。
1.2 教学中存在的问题
目前该类课程普遍存在的问题主要有3点。
（1）计算机设备原理课程是计算机类课程，由于其具有鲜明的领域特色，内容上与领域知识结合非常紧密，只将计算机设备的内容隔离出来单独讲授，造成“知其然，不知其所以然”的教学效果，过多涉及领域知识，在学时有限的情况下，难以将计算机设备的内容讲解透彻。
（2）因为计算机设备原理是在讲现成的计算机设备，课程内容庞杂，还涉及很多专用计算机设备，如果内容取舍不当、教材编排不深入，就容易出现在讲用户说明书或者操作的现象，违背了开设这门课程的目的，无法达到课程目标。
（3）因各种客观条件制约，不像一般性计算机课程，拥有大量的素材、教具、实物和模型可以从不同角度展开讲解，计算机设备原理课堂讲授缺少必要的教具和实物，课堂内容讲授难以做到生动形象，学员学完本课程后对知识一知半解或者感受不深，因装备作为一个整体和完整的系统存在，即使组织学员参观操作装备也难以完全弥补这一缺陷，影响了教学效果。
2 计算机设备原理教学内容的组织
计算机设备原理课程教学内容与领域相关，不同领域的计算机设备大不相同，没有普遍性，但不同领域计算机设备原理课程教学内容的组织，具有一般性的指导和借鉴意义。
首先分析一般的计算机原理课程的教学内容组织，如表1所示。从表1可以看出，一般的计算机原理课程就教学内容组织是按照“总—分—总”的思路展开的。先从总体上介绍计算机系统的组成与结构，再按各组成部分逻辑顺序，由内到外逐一进行讲解，最后回归到更复杂的多处理机与机群系统。应该说这种组织方法是比较科学合理的，符合人的认知习惯。计算机设备原理能否采用这种教学内容组织模式？表2是按照表1的模式生成的一个计算机设备原理教学内容组织方式案例1，我们对这个案例分析如下。
一般来说，武器装备计算机设备原理讲述的是武器系统主要部分的计算机设备，在这个案例第一章计算机设备概论中，将计算机设备进行总体介绍，包括功能、分类、组成与结构。在第二章中，对武器装备计算机设备涉及的主要相关理论基础进行介绍，这些理论基础与领域密切相关，除了计算机基础理论外，可能还会包含领域基础理论，如信息融合、目标识别等。从第三章到第九章，也是按各组成部分逻辑顺序，由内到外逐一对武器装备计算机设备具体型号进行讲解。第十章再从装备的角度对担负不同功能的计算机设备进行综述，如火力控制计算机，如果在第一章已经涉及这方面内容，也可以去掉第十章内容。
仔细分析就会发现，这种组织方式有一个很大的问题，就是武器装备计算机设备原理讲述的是武器系统主要部分的计算机设备，这些计算机设备涉及一般的PC结构计算机、单板机、嵌入式计算机和片上计算机系统等，按照案例1的组织，第二章到第九章每一章的内容都可能会包含这些不同种类计算机的指令系统、控制器和存储系统等，同时割裂了各个不同计算机设备之间的功能联系，这显然是不合适的。
为避免这个问题，这里再给出计算机设备原理教学内容组织案例2，如表3所示。
案例2这种内容组织方法是“总—分”的组织思路，第一章计算机设备概论中，将这些计算机设备进行总体介绍，包括功能、分类、组成与结构，后续章节每章都讲述一个具体的计算机设备，这种方案避免了案例1不同类型计算机设备内容混合在一起讲解的问题，但同时仍然存在各计算机设备之间功能联系不清楚，没有形成一个系统的知识框架，各章之间逻辑关系不明显。
为避免产生上述两种问题，我们提出一种基于武器系统作战能力的计算机设备原理教学内容组织模式。这种组织模式的核心思想就是以形成武器装备战斗力的各种作战能力为单位，以作战能力之间的支撑关系为逻辑纽带来组织教学内容，案例3如表4所示。
第一章计算机设备概论先从总体上将武器系统功能、性能和体系结构进行介绍，将武器系统的体系结构从信息的角度转换成信息处理过程框架，实质上就是OODA循环过程，再根据OODA循环每一过程引入其中的计算机设备，这样就自然的在这些计算机设备中建立起之间的逻辑关系。第二章到第七章的组织依据的是从核心到，从前端到末端的双重组织原则，对信息化武器装备来说，指挥控制系统无疑是其中枢，负责将武器系统其他部分有机联系起来构成指挥控制回路，完成OODA循环过程，因此在第二章就引入指挥控制系统计算机。第三章到五章是从前端到末端的组织思路，与武器装备作战过程信息流动方向一致。第六章和第七章属于基础设施和保障内容等，安排在课程的最后自成一块较为独立的内容。
从整体来看，这种课程内容组织案例条例清楚，符合武器装备作战过程与信息流动方向，极大减少了不同内容之间的混合，保留了很好的逻辑关系，同时又将领域内容与计算机设备原理的内容自然地结合起来，避免了知其然，不知其所以然的问题。
3 计算机设备原理课程教学应注意的几个问题
有了好的教学内容组织，要把这门课教好学好，还需要把握以下3个问题。
3.1 教学方法问题
由于武器装备计算机设备原理课程的特点，教学过程中要尽量避免造成在讲用户说明书或者操作这种现象。从第3部分教学内容组织可以看出，本课程采用启发式的教学方法是比较适宜的，课程教学目的不是为了学计算机而讲计算机内容，而是有着非常鲜明的领域特色，因此非常有利于以问题为导向的启发式教学法的运用。如第一章计算机设备概述的内容组织是从总体上将武器系统功能、性能和体系结构进行介绍，再将武器系统的体系结构从信息的角度转换成信息处理过程，同时根据OODA循环每一过程引入其中的计算机设备，这样就自然地在这些计算机设备中建立起逻辑关系。这一章的教学就可以从OODA循环出发，分析循环的每一步武器装备战技参数，提出为了完成这些战技参数应该需要什么样的计算机设备等问题，这样自然而然打开了学员的思路，引导学员主动运用以前学过的专业课知识来构建问题的答案，按照OODA循环环环相扣，推进教学内容展开。
3.2 授课教师问题
计算机原理课程的第一个特点决定了授课教师不仅要有深厚的计算机专业知识，更需要扎实的领域知识背景，熟知相关武器装备的作战对象、功能、性能、组成结构、作战运用及与同类武器装备差异。只有达到这个层次，才能从全局掌控这门课程，做到讲解深入浅出、内容翔实准确，既能传授知识，又能培养学员分析解决问题能力，达到课程目标。
3.3 教材教具问题
需要指出的是教材编排应尽量避免直接采用用户说明书或已有资料的编排结构，我们的教学内容组织案例3已经给出了一种教材内容编排参考模式。本门课程应尽可能采用相关的教具进行授课，有条件的院校可以采用专业教室进行授课，以达到形象生动的教学效果，仅武器装备的外部参观讲解和操作对于原理教学是不够的，需要对相关计算机设备进行拆卸，运行和演示才能起到良好的效果。对于像信息流动和信息处理等难以通过实物展示的内容也应尽可能通过动画来进行描述。
笔者在教学实践中大量采用以问题为导向的启发式教学法，并将一些真实的计算机设备部件及研制的计算机设备工作原理仿真软件用于课堂演示，取得了良好的教学效果。
4 结 语
武器装备计算机设备千差万别，但只要抓住支撑武器系统作战能力这条主线不放，并基于其逻辑关系来进行计算机设备原理教学内容组织与教材编排，采用基于作战能力问题的启发式教学方法，就一定能取得良好的教学效果。
参考文献：
[1] 张道光, 周兵. 计算机原理[M]. 西安: 西安电子科技大学出版社, 2009: 3-6.
[2] 王勇, 于宏坤. 机载计算机系统[M]. 北京: 国防工业出版社, 2007: 4-9.
[3] 李蕊, 徐志红. 以问题为导向的启发式教学方法应用研究[J]. 云南警官学院学报, 2012(6): 41-44.
（1,3.南京师范大学教育科学学院，210097； 2.浙江省温州中学，325014）
摘要：随着科技的发展，智能控制在日常生活中的应用也越加广泛，以智能控制为基础的机器人教育也逐渐受到重视。近年来，许多教育学者都在探索机器人教育的内容、思路和方法。本课题以声控风扇为例进行教学实践探索，通过用Arduino 机器人的声音传感器与直流电机模块制作声控风扇，可以培养和提高学生的创造能力，为机器人教育提供了一种新的思路。
关键词 ：Arduino 声音控制 智能风扇
纵观当前的机器人教育， 多数是以竞赛、兴趣小组的形式开展，真正进行课堂教学的少之又少， 而教学中主要是以小车为主，缺乏实际的生活意义。本课题以声控风扇为例，引导学生在学习机器人知识和技术的同时，体验机器人技术的生活应用，培养学生对科技生活的热爱和向往。
一、选题背景
在中小学机器人教育教学中，对直流电机的控制既是热点又是重点。经调查发现，多数教材在涉及电机时都是借用小车来进行设计的。虽然学生对小车有足够的学习兴趣， 但是小车与实际生活的联系并不紧密。因此，本课题借用日常生活中的风扇来讲解Arduino 机器人中对直流电机的控制。传统的风扇是一个简单的电器装置，缺乏智能控制功能。本课题选取声控风扇，可以增加学生的学习兴趣，拓展学生的视野。通过亲身实践，学生不仅能够制作出本课题的相关作品， 也将对生活中智能控制产生更大的兴趣，以激发更多的创意想法，设计出更加有趣、有生活意义的作品，如从传感器的角度提出光控风扇、温控风扇、倾倒自动停止风扇，从风扇的角度提出控制风扇的转动方向和转动速度等。
二、方案设计
（一）教材与学生情况分析
本课题是自编教材《Arduino 创意机器人》第二章《智能风扇》的第一课。本节课主要涉及直流电机（自带风扇）和模拟声音传感器两种元器件，并使用模拟声音传感器制作出声控风扇，最后从传感器、风扇等不同角度，激发学生更多的创意。在本课之前，教材中已有《智能LED》一章，涉及传感器的基本使用方法以及Arduino 机器人的基本控制方法，为本课题的教学奠定了一定基础。因此， 本课题将以此为基础， 重点解决利用Arduino 控制直流电机。当学生学会通过Arduino 控制直流电机之后， 便可利用前面学过的传感器知识轻松地制作声控风扇。
本课题的教学对象是高一学生。通过前面的学习， 学生已经熟练掌握了Arduino 机器人的输入、输出，掌握了传感器的一般使用方法，熟悉了ArduBlock 的基本模块。另外，通过《智能LED》一章的学习，学生对Arduino机器人不仅产生了浓厚的兴趣， 而且对深入了解Arduino 机器人有了迫切的需要。
（二）教学目标
1.3掌握Romeo 板的L298 驱动控制电机的方法及模拟声音传感器的使用方法。
2.3通过使用模拟声音传感器，理解传感器的一般使用方法。
3.3通过Arduino制作声控风扇，感受传感器控制为生活带来的方便， 体验学习Arduino机器人的乐趣。
（三）可选方案的设计与选择
通过对教材与学生情况的分析可知，本课题最重要的是让学生学会Arduino 对直流电机的控制。当学生可以控制直流电机之后，为检验和巩固他们对直流电机在具体项目中的运用能力，并激发他们的成就感和创造力，笔者设计了一个简单的声控风扇作为学生模仿的基础。另外，根据声音传感器对风扇的不同控制方式，笔者初步设计了四种声控风扇的方案（如表1）。
以上四种方案所使用的硬件都是Romeo3V1.2、模拟声音传感器、直流电机（带风扇），不同之处在于编程知识点与程序编写的复杂度。本课题的主要目的是让学生学会Arduino 对直流电机的控制， 同时希望学生独立做出作品，获得成就感，从而对Arduino机器人更加感兴趣。比较以上四种方案可以看出，除方案一外，其他几种方案都或多或少涉及两到三个编程知识点。综合考虑教学目标和课堂时间等因素，本课题选择了方案一。其实，方案一是其他三种方案的基本形式，当学生理解之后，其他三种方案也会变得简单。
三、硬件搭建
声控风扇用到的硬件器材主要包括Romeo 控制器（Arduino 板）、迷你小风扇、直流小电机、模拟声音传感器、USB 数据线和3P 线等。
（一）Romeo 控制器
本节课使用的控制器是DFRobot 出品的Arduino8Romeo8V1.2， 该控制器采用的是最基础且应用最广泛的UNO 板卡。
（二）模拟声音传感器
本课题用到的模拟声音传感器是DFRobot 生产的，Arduino 能够通过它来感知声音的大小，并转化为模拟信号，即通过反馈的电压值来体现声音的大小。这种传感器有一个特点，就是可以用吹气的方式代替声音，这样可以有效避免课堂教学中其他学生的声音干扰。美中不足的是这种传感器只能检测声音的大小，并不能进行语音识别。
（三）硬件搭建
搭建时， 将风扇连接在直流电机上，然后通过电机固定件（使用3D 打印机打印的）固定在U 条上。另外，在接线时需要注意的是，直流电机接到Romeo 控制器的电机模块（M1 和M2 两组接线柱），声音传感器接到模拟针脚端，接线图如图1 所示。
四、程序编写
硬件搭建好后就可以编写程序了。本课题采用的编程环境是图形化编程软件ArduBlock。ArduBlock 是一款为Arduino 设计的图形化编程软件， 是Arduino 官方编程环境的第三方软件， 目前必须依附于Arduino8IDE 软件运行，使用图形化积木搭建的方式编程，可视化和交互性强，编程门槛低，即使没有编程经验的人也可以尝试给Arduino 控制器编写程序。
声控风扇的程序编写分为两个部分，一是通过串口监视器输出声音传感器检测到的音量值的程序，通过这个程序，学生可以清楚地知道，听到声音时传感器值变化的范围；另一部分是根据串口监视器读到的值编写声控风扇的程序。读取声音传感器值的程序如图2 所示，程序中声音传感器连接的是模拟针脚1。假如声音有明显变化时，通过串口监视器读取到的值大概是30， 则声控风扇的程序如图3 所示，程序中设定的风扇转动速度为200，其取值范围是0~255，这里并没有设定风扇的转动方向，系统会默认风扇按照某一方向转动（转动方向与实际的电机接线有关）。
五、拓展应用
人类学习具有“聚类”特点，不管是新知识的获取还是原有知识的同化， 都习惯以“类”为依据进行加工、存储和提取。教学设计与实施也理应体现这种逻辑，以某种聚类方式将相关学习内容连成组块，从而在局部上聚类知识内容，在宏观上形成课程内容的集合，逐步呈现给学习者，从而达到较好的教学效果。根据已有研究，大致有三种聚类方式：以相似的功能、相似的目标、相似的技术思想聚类。
本课题希望学生能够学会Arduino 控制直流电机的方法。以声音控制为例，按照上述聚类思想，可以拓展出很多应用。比如，以相似的功能（声音控制风扇）进行聚类，可以设计声音控制风扇的转动方向或转动速度等；以相似的目标（控制风扇）进行聚类，可以分别采用温控、光控等单一传感器或不同传感器组合来实现；以相似的技术思想（声音控制）进行聚类，可以设计出声控台灯、声控闹钟、声控窗帘等。除此之外，还可以将机器人的各种元器件及解决问题所需的相关学科知识逐一卷入学习中。因此，教学中希望学生以声音控制为出发点，尽可能多地发散出有聚类性质的作品。
六、教学实践
在实际教学中，本课题是通过以下四个环节完成的：
（一）复习旧知，引入新课
本环节主要是通过带领学生回顾前一章《智能LED》所学过的各种传感器以及对LED 的控制，引导学生进一步熟悉机器人的三大组成部分， 以便于本课教学的展开，也为后面学生的拓展应用做铺垫。
（二）突破重点，解决困惑
本环节主要是向学生讲解本课题的重点问题，也就是Arduino 控制直流电机的方法。首先向学生表明，Arduino 中对直流电机的控制并不像控制LED 那样，可以直接将LED 连接到数字口上。因为针脚直接输出的电流太小，无法带动电机转动，所以需要专门的电机输出———Romeo 板的L298 驱动。然后向学生讲解Romeo 板的L298 驱动控制电机的方法（包括PWM 模式和PLL 模式，这里只介绍PWM 模式）。同时，提示学生将电机连接到板子上。在这一过程中，大多数学生会将电机接到M1 接线柱上，但也会有个别学生连接到M2 接线柱，此时要提醒学生记住连接的是哪个接线柱，这关系到控制电机的针脚是4 和5（M1），还是6 和7（M2）。
当学生连接好线路之后，便可以进行电机控制的程序编写了，这也是本课题的基础任务一：编写程序，尝试控制直流电机，使风扇转动起来。由于学生此时已经了解了Arduino 控制电机的原理， 因此笔者在上课实践时便让学生小组合作尝试一下编写控制电机的程序，但需提示学生，数字针脚4和5 分别控制电机M1 的方向和速度，数字针脚6 和7 分别控制电机M2 的速度和方向。经实践，班上有几位学生可以做出来，然后请这几位学生向其他组传递经验，很快全班学生都可以完成此任务。
（三）合作学习，成就自我
本环节是上一环节的延续，因为经过上一环节的小组讨论与合作，学生会不愿意让教师继续控制课堂，所以，笔者便提出本课题的最终作品，也就是声控风扇，让学生继续通过小组合作学习的形式完成。同时，希望能够通过设定简单的任务，使学生完成之后产生学习机器人的成就感，进一步增加对Arduino 机器人的兴趣。
虽然学生已经学习过一些传感器的使用方法， 但是并没有接触过模拟声音传感器，所以在这个环节，笔者将模拟声音传感器的使用说明发给了每个小组，作为他们的学习支架。而此任务也是本课题的基础任务二———先通过程序读取模拟声音传感器的值，再根据读取到的值编写程序，最后实现听到声音时风扇转动，否则风扇停止转动。
（四）拓展提升，课堂总结
学完本课题，为鼓励学生产生一些创意想法，笔者为学生提供了一份表格供学生参考，如表2 所示。
最后对本课进行总结：Arduino 对直流电机的控制原理和程序其实并不复杂，我们学习本课最重要的目的是思考如何设计风扇会更有生活意义。因此，学习Arduino 机器人并不只是学习机器人的知识和技术，更希望大家在学习完机器人课程后能够设计与开发出更有创意、有生活意义的作品。
七、教学反思
本课题的重点是Arduino 对直流电机的控制方法，从学生的课堂反馈来看，所有学生基本都已掌握了这个知识点。从教学设计中的任务完成情况来看，全班30 人（共15组）全部完成了基础任务。对于拓展任务，有1 组学生利用课堂时间做出了光控风扇，还有1 组学生做出声音同时控制风扇的转动方向和转动速度，许多学生都提出了创意想法，比如温控风扇、声控窗帘、声控闹钟等。通过本课题的学习， 学生不仅学到了Arduino机器人的知识，提高了动手能力、团队合作能力， 同时对Arduino 在实际生活中的应用也有了更多的思考。
另外， 本课题还有一些需要改进的地方。比如，如何正确引导学生进行小组合作，提高合作的效率；对学生拓展的提示和引导过于详细，制约了学生思维的发散；对学生作品的评价不够细致，造成了部分学生在出现问题后不能及时得到解答。希望在之后的教学中对这些地方进行改进，以便更好地组织课堂教学。
* 本文系教育部人文社会科学研究青年基金项目“义务教育STEM 校本课程的开发与应用研究”（项目编号：13YJC880121）；国家社科基金教育学青年项目“多平台、跨学科、聚类化、重创造的中小学机器人教育研究”（项目编号：CCA130133）；国家社科基金教育学重点课题“信息化促进优质教育资源共享研究”（项目编号：ACA120005） 等多项课题的综合性研究成果之一。
参考文献：
方案设计
1.教材与学生情况分析
本节课内容选自冀教版机器人教材八年级下册第十四课《障碍停车挑战赛》，主要达成的任务目标是小车在规定的时间和距离内实现精准停车。在本节课之前，学生已学习了“超声波传感器的功能及使用方法”与“MiniQ小车运动控制”的相关内容，并且完成了小车循线挑战的比赛，为本节课的教学奠定了理论及实践基础。本节课的教学对象为八年级的学生，经过之前的学习，学生已经习得了小车运动方向、速度等基本控制方法，具备了一定的机器人测试与调试的实践经验；同时，在实践过程中已逐渐形成了不断改进机器人功能的迭代思想。
2.教学目标
知识与技能目标：进一步熟悉超声波传感器的使用；掌握“上电运行时间”模块在ArduBlock中的使用方法；能够使用超声波传感器制作避障小车。
过程与方法目标：了解障碍停车挑战赛的一般过程，了解各个角色在比赛中的职责和作用；在完成障碍停车挑战赛的过程中体验机器人的测试与调试，将迭代思想迁移到实际问题的解决过程中。
情感态度与价值观目标：以比赛的形式，激发学习机器人的兴趣并主动投入到学习过程中。
3.可选方案的设计与选择
本次比赛要求学生制作的避障小车能够在10秒内到达终点线，并实现小车与终点线之间距离的最小化（不能超越终点线），难点在于控制小车的运动时间和小车与障碍物之间的距离。对比赛任务进行分析后，笔者就“计时”和“测距”两方面设计了如上页表1所示的几种方案。
对比表1中“计时”的三种方案，方案一无需考虑编程因素，但需耗费人力，且计时不够自动与精确，方案二只需要使用“上电运行时间”模块，而方案三则涉及多个变量的使用。比较而言方案二更简洁，而方案三可以更加精确地获取程序某一阶段运行的时间而不是程序运行的总时间。由于本课实例要求程序的运行时间与小车运动时间相等，故笔者选择方案二。在“测距”的两种方案中，方案四与方案五均能实现测距功能，但红外线传感器的成本远高于超声波传感器，考虑到经济因素，笔者选择了方案四。
硬件搭建
障碍停车挑战赛需用到的硬件器材主要包括Romeo控制器、MiniQ小车、超声波传感器。
1.Romeo控制器
本次课采用的主控板是由DFRobot出品的Arduino Romeo V1.3，该控制器采用最基础且应用最广的UNO板卡。
2.HC-SR04超声波传感器
该传感器运用声纳原理，通过监测发射一连串调制后的超声波及其回波的时间差来得知传感器与目标物体间的距离值。它的性能比较稳定，测试距离精确，盲区为2cm，最大探测距离为450cm。它有4根针脚，分别是VCC、GND、Echo和Trig，其中Trig是超声波发射端，Echo是超声波接收端。
3.硬件搭建
学生分别将超声波传感器、MiniQ上的电机与Romeo控制器相连接，其中超声波传感器的Trig和Echo分别与Romeo连接数字针脚，如图1所示。图中Trig和Echo分别连接的数字针脚为9和8。
程序编写
学生将硬件搭建好后，便可进行程序的编写，本节课所采用的编程环境为图形化编程软件ArduBlock。
本课的程序设计包含两部分：一是小车运动时间的控制，二是小车与障碍物之间距离的控制。利用 模块获取程序运行时间即小车运动的时间，比赛规则中要求小车在10秒内完成比赛，因此当小车的运动时间小于10秒时小车运动，否则小车停止。笔者利用超声波传感器测量小车与障碍物之间的距离，终点线距离障碍物只有10cm，因此当小车与障碍物的距离大于10cm时小车运动，否则小车停止。本课中时间与距离控制均用到了选择结构，因此为了使时间控制与距离控制同步进行，笔者让学生在编程的过程中运用了选择结构的嵌套，如上页图2所示。
拓展应用
实现小车避障功能有很多种方法，本课采用小车遇到障碍物时停止运动避免碰撞的方法，也能用其他方法进行拓展应用。例如，当小车距离障碍物一定范围向左转弯或向右转弯时，需要运用双轮差速原理来控制小车运动的方向，并且在小车转弯的过程中继续进行小车与障碍物之间距离的探测，若距离仍在可能发生碰撞的范围内时小车需继续调整行驶的方向。比较本课案例的程序设计思路，拓展应用中的程序设计涉及的编程知识更丰富，而且小车的避障功能更加智能。
教学实践
在本课的实际教学过程中，笔者是通过以下四个环节来完成的。
1.引入主题，了解赛制
在本课开始时，笔者先引入“避障小车”这一主题，介绍何为“避障小车”，让学生对避障小车的运动方式及工作原理有所了解。
比赛时，把距离障碍物2m处的线作为起始线，距离障碍物10cm处的线作为终点线。小车从起始线开始行驶，到终点线停止，行驶时间不得超过10秒钟。小车停止位置离终点线最近者为胜，小车越过终点线则成绩作废，比赛场地如图3所示。
笔者将学生每两人分为一组，共分为16个小组进行比赛，比赛分初赛和复赛两轮进行。初赛时以抽签的形式将每四个小组组成一大组，并分为A、B、C、D四组进行比赛，每大组中的优胜组将参加复赛。若小车超过终点线或者在规定时间内电机没有停止则成绩作废，每组中成绩的距离值最小者为优胜队伍，若距离值相等，则使用时间最短者胜出（即最先到达终点位置的组），比赛用表如表2所示。
2.梳理思路，合作探究
学生完成项目需要解决以下三个问题：一是小车须在10秒内停止运动；二是小车停止运动时距离障碍物的距离大于等于10cm；三是小车的时间控制与距离控制同步执行。在本环节中，教师需要引导学生整理解决这三个问题的思路，并与组员配合完成避障小车程序的编写。
首先，教师提出问题：在比赛中如何控制小车运动的时间？学生回答。教师归纳学生提供的方法，分析其可行性，并结合学生的回答给出以下三种计时方式：第一种，利用计时工具计时，淘汰运动时间超时的队伍；第二种，利用ArduBlock中的“上电运行时间”控制程序的运行时间，即控制小车的运动时间；第三种，获取小车开始运动的时间与小车运动的实时时间，利用时间差来控制小车的运动时间。教师要求学生对这三种方法进行分析，选择可执行度最高的方法并说出理由。教师总结：第一种计时方式误差最大且消耗人力，第二种方式计时较精确且自动化，第三种方式计时精度最高但编程较复杂。最后，教师引导学生确定选择第二种计时方式，并介绍“上电运行时间”模块的应用。
比赛时，小车距离终点线越近越好，即要控制好小车停止运动时与障碍物之间的距离。教师提出问题：如何实现小车与障碍物之间距离的控制？因为在之前的学习过程中学生已经对超声波传感器的应用有所了解，在此学生很容易回答出“利用超声波传感器来测距”的答案。教师带领学生复习超声波传感器的应用方法及工作原理，并与红外线传感器对比，明确使用超声波传感器测距更具有优势。
教师提出问题：小车运动过程中既要执行时间控制又要实现距离控制，如何使这二者同步执行呢？
在学习本节课之前，学生已经学习过选择结构的使用，此时教师引导学生思考并引出利用选择结构的嵌套来实现小车时间控制与距离控制的同步执行。小组成员合作完成避障小车程序的编写，在学生编写程序的过程中教师予以适当的指导。
3.测试作品，完成比赛
学生在完成编写避障小车程序的基础上，测试小车的运行情况，因为每台小车的性能各不相同而且由于惯性的原因小车会在程序终止后继续运动一段距离。所以，此时教师应提醒学生根据小车的运动情况对避障小车程序进行修改，在经过不断的调试之后找到合适的参数，以使避障小车的运动效果达到最佳，也就是既快又稳地到达终点线。教师在调试过程中应联系实际生活，教会学生在遇到问题时应尝试选择最佳方案，并在执行的过程中不断完善，使学生体会迭代思想的价值，深化其对迭代思想的认知。
根据比赛流程进行比赛，每一大组中各选取一位评分员与记分员，评分员的职责为测量小车距终点线的距离，记分员的职责为记录各组的成绩。初赛时，若其中一组进行比赛则由其他三组的评分员与记分员进行分数统计。复赛时，由被淘汰组的评分员与记分员来进行分数的统计。
4.拓展应用，课堂总结
基于本节课所执行的项目，教师为学生提供了拓展思路，即避障小车实现避障功能可使用遇到障碍物停止运动的方式，也可用小车遇到障碍物更改运动方向的方式。教师引导学生借鉴该思路进行本项目的拓展提升，鼓励学生提出更好的想法并付诸实践。
教师总结本节课中学生的表现，并对他们在操作过程中出现的共性问题予以讲解，对表现较好的学生给予表扬。
教学反思
在课堂教学中，教师引入比赛的形式能更好地激发学生对Arduino机器人的学习兴趣，从学生对知识点的掌握情况来看，学生在比赛过程中能够主动对障碍小车编程进行优化，并在该过程中深化对知识点的理解与认知。评分员和记分员在比赛过程中均能很好地完成相应的任务，并表现出了评委角色所应具有的责任意识。
关键词：网络环境；智能机器人；学习模式
现代社会信息技术的飞速发展，使得人工智能有了更广泛的研究和应用，为了跟上时代的需要，智能机器人教学已在中小学校开展的有声有色。众所周知，智能机器人技术是一门具有高度综合渗透性、前瞻未来性、创新实践性的学科，如何让这门学科在青少年教育中发挥更好的作用，在中小学校校园中开展的效果更佳，很多专家学者进行了各种方法研究，并且很多在校的一线信息技术教师也在摸索实践。目前，在网络环境下进行学习是随着计算机技术和网络技术的发展而产生的一种新型学习方式，也是未来教育的一个重要发展方向，与传统学习方式相比，它具有明显的优势。故两者结合，网络环境下中小学智能机器人学习研究将成为我们面临的一项重要研究课题，网络环境下中小学智能机器人学习模式的研究将成为这一项重要研究课题中的一个重要研究方面。
一、网络环境下中小学智能机器人学习模式综合研究
智能机器人学习是个连续的、循序渐进的过程，小学要开展，中学高中也要开展，根根据青少年不同阶段的不同特点，结合智能机器人教育教学活动的任务和特点，依托网络提供的强有力的辅助环境，提出小学、初中、高中三级阶梯式网络环境下智能机器人学习模式是可行的。
该模式基于国家、省市组织的各种大型智能机器人比赛活动，整合各级学校优秀教师辅导队伍，按教学模块和知识特点统一编写使用教材和研究授课知识重难点。形成在小学学习阶段重在打基础、初中学习阶段重在培养兴趣和素养的提高、高中学习阶段重在设计、创新成果的“小学、初中、高中三级阶梯式网络环境下智能机器人学习模式”。
二、网络环境下中小学智能器人学习模式课堂学习研究
我们在教学实际和课题研究中，注重充分发挥网络环境下课堂教学的优势，通过学习吸收他人的成果和自己的研究实践，建构合理的网络环境下中小学智能机器人学习课堂模式，取得了一些积极的成效。
1.网络环境下课前导学学习模式
课前导学，顾名思义，重在强调“导”与“学”。 “导”指的是知识的引导、教师的指导；“学”则指的是学生主动探究学习、伙伴合作学习。课前导学实际上是用来引导学生提前自学，提前梳理知识的一种方式，强调的是在教师主导下学生的自主学习。在网络普及和发展的今天我们可以充分利用网络这一网络媒体工具，课前教师将本节课的知识点以导学案的方式通过互联网发送给学生，让学生在课前完成新知识的预习、思考和准备工作，智能机器人学习是学生很喜欢的一门课程，所以学生在老师的引导下会做得更有方向性、针对性、更出色，以“智能机器人走迷宫”一节为例，教师把智能机器人走迷宫这一命题通过互联网发送给学生，学生可以利用课余时间思考走迷宫的各种实施方案，提前编写好流程图，给课堂提供更多时间用于编程和运行调试，这一环节的主要目的是把学生更多的思考时间放在课前，充分做好课前知识的预习，培养学生自主思考的积极性和提高自学能力。
2.网络环境下课中交流学习模式
这一环节主要包括课前导学反馈、提出目标、合作探究、师生交流、生生交流、释疑精讲、达成目标。网络为师生互动、生生互动提供了良好的技术支撑和软件平台，这一环节我们可以利用机房局域网和电子教室软件工具完成授课内容，鼓励学生合作交流，充分表达的自己独到见解，质疑的问题可上传发表在局域网的互动讨论区，由学生共同讨论解决。以智能机器人走迷宫一节为例，在一个复杂的迷宫环境中智能机器人怎样才能走出迷宫，方案如何设计，程序如何编写，学生可以借助网络进行师生、生生间的求助。学生还可以根据自己的假想和思路在小组中展开讨论，进行可行性分析，进而编写可行性程序，通过仿真系统进行调试，调试过程中学生可以利用局域网互动平台共同解决出现的问题，这一环节也充分展示了师生间、学生间的动态信息交流，并通过网络体现小组合作精神和协作意识。借助问题的提出、变化和逐步深入，让学生进一步思考、交流、探究，引导学生合理寻找解决问题的途径，总结学习中的经验，掌握基础知识和基本技能，不断地培养学生的探究能力和合作交流的良好风尚。
3.网络环境下课后拓展学习模式
【关键词】Citrix 虚拟化桌面 云教学平台 规模化 部署与优化
在高校中各公共和专业教学计算机机房的规模和数量不断扩大，应用越来越广泛。在传统计算机机房模式下，计算机机房无法实现全天候高效利用，无法实现远程利用，计算机房实行保护卡的机制下教学数据无法得到安全、方便的使用。采用虚拟化桌面云技术，通过资源共享池的合理配置，以及可用的、便捷的、按需的网络访问，可快速提供桌面应用和资源服务，大大减轻管理的压力。我校对实训楼教学机房部署和运行较大规模基于Citrix虚拟化桌面云教学平台。本文就基于Citrix 虚拟化技术的桌面云教学平台规模化部署与优化做一些研究探讨。
1 基于Citrix 虚拟化桌面云教学平台整体设计
1.1 桌面云教学平台设计目标
我校实训楼虚拟化桌面项目采用Citrix 虚拟化桌面整体解决方案，主要搭建教学实训楼的虚拟化桌面平台、完成桌面云的部署，共计1420个标准桌面终端。目标是打造学校虚拟化、数字化的安全教学环境，构建实训楼虚拟化桌面教学基础平台，建立特色教育资源服务平台，加快推进信息化校园建设。
1.2 桌面云教学平台的基本框架
桌面云教学平台以Xen Server服务器为基础构建桌面和应用虚拟化，平台构架设计遵循开放、灵活的原则，可适应系统扩充及需求变化。基于Citrix 虚拟化桌面云教学平台架构如图1 所示，主要包括瘦客户端的网络接入、服务器资源池（虚拟桌面和应用）和网络存储等。主要组件及功能如下：
1.2.1 资源承载服务器集群
资源承载服务器底层使用Xen Server 服掌餍槟饣技术，物理机上承载虚拟出一定数量的桌面虚拟机，如Windows7操作系统及应用程序。
1.2.2 基础架构服务器集群
主要包括域控制服务器（DC）、数据库服务器（DB）、许可证服务器（License）、置备服务器PVS（Provisioning Server）、虚拟桌面控制器DDC（Desktop Delivery Controller）等。核心组件PVS主要管理虚拟机母盘镜像，是整套系统的调度中心，按需交付虚拟机（包括OS、应用和配置）。核心组件DDC用于进行身份验证，管理用户虚拟桌面环境，用户与虚拟桌面之间的连接，完成向终端用户交付虚拟桌面。
1.2.3 网络入口服务器Web Interface（WI）亦即StoreFront（SF）
WI负责显示基于Web的界面，相当于云虚拟桌面的访问门户。
1.2.4 Access Gateway和Net Scaler
Access Gateway 是外网用户接入虚拟桌面构架的安全接入网关。Net Scaler 负责为网络入口 WI 提供负载均衡支持以提供 WI组件的高可用性。
2 基于Citrix 虚拟化桌面云教学平台规模化部署方案
2.1 桌面云教学平台解决方案详细设计
在桌面云教学平台中，整体解决方案详细设计与规划应主要包括：
（1）机房桌面终端用户VLAN规划；
（2）活动目录OU设计；
（3）基础架构平台主机名称以及IP地址规划设计；
（4）服务器虚拟化资源池及网络规划；
（5）XenDesktop 桌面虚拟化资源池分配与存储LUN设计；
（6）XenDesktop Farm 、XenAPP Farm 和PVS farm结构定义；
（7）PVS高可用设计；
（8）虚拟机模板配置规划；
（9）WI and License配置规划；
（10）应用交付网络设计；
（11）DB Server 规划设计；
（12）File Server 配置规划等。
在桌面云教学平台整体解决方案中，将平台内的服务器划分为两大类： 第一类是基础架构服务器涉及域控制器、DHCP 及 Xen Desktop 核心组件 DDC、Store Front、Director、License、SQL Server 数据库和 PVS 服务器； 第二大类是虚拟桌面和应用的承载服务器。两大类服务器全部安装运行在 24台 IBM X3650 M4服务器内的 Xen Server 虚拟化环境之中。其中3台用于配置基础架构服务器，其余21台用于配置虚拟桌面和应用的资源承载服务器，并划分为4个服务器资源池。
基础架构服务器配置为Win Server 2008 R2操作系统及相应Citrix桌面和应用虚拟化组件（升级前），并多采用双机冗余。WI、DDC、PVS服务器负载均衡选用2台NetScaler MPX8200设备。共享存储选用IBM V5000（18块1TB 10K SAS硬盘；6个200GB SD硬盘）。
XenServer资源池组网方案规划三个子网：业务网络（Production network）、管理网络 （Management network） 和存储网络 （HBA） 。每台服务器均有六块千兆网卡用于网络连接，通过 XenServer Pool功能对Pool 中的所有网卡资源进行统一设定，以支持对多个 VLAN 的访问和 HA、XenMotion等功能。
2.2 桌面云平台规模化部署流程
基于Citrix 虚拟化桌面云教学平台部署流程包括以下六个步骤：
（1）安装服务器虚拟化平台，主要包括安装XenServer和XenCenter、配置主机资源池及网络、添加共享存储；
（2）安装基础架构，主要包括安装AD、DNS、DHCP、SQL、License、WI服务器，以及XenDesktop（DDC和PVS）和XenApp；
（3）配置服务器和连通测试，主要包括配置DHCP、SQL、DDC、WI服务器，以及XenApp和Net Scaler；
（4）创建虚拟机，主要包括安装模板建立和测试 、虚拟机使用测试和创建虚拟机；
（5）用户迁移和问题处理；
（6）问题汇总分类和系统优化。
3 基于Citrix桌面虚拟化技术的规模化云教学平台系统优化
完成教学平台规模化部署后，应进行系统测试与优化。从实用性角度出发，更多的考虑本套虚拟化系统在投入使用后的用户体验，系统稳定性和安全性，危机响应机制运行是否正常，对虚拟桌面及教学应用软件的支持和运行流畅性。
下面结合我校桌面云教学平台，分析基于Citrix桌面虚拟化技术的规模化云教学平台的系统优化方法和策略。
3.1 配置XenDesktop高可用性，实现故障转移和负载均衡
云计算平台要支持1420用户虚拟桌面运行，高可用性是必须优先考虑的问题，不能因为单点故障而导致整个平台瘫痪的严重后果。本云教学平台使用以下优化配置方法和策略。
3.1.1 配置服务器故障转移集群
当集群中某一台服务器出现故障时，故障服务器上运行的虚拟机在Center的控制下会自动转移到其他正常的服务器上，继续运行。
3.1.2 利用负载均衡系统Windows Fail over Clustering故障转移集群，能实时检测整个物理服务器资源池的运行情况
当其中某一台服务器出现负载过高或者是出现物理故障当机的情况下，负载均衡系统会起动应急处理机制，把负载过高或者是出现物理故障的服务器中运行的虚拟机，平均分配到其他服务器中，从而避免危机风暴的产生。为此，基础架构服务器优化配置为虚拟双机甚至多机冗余。
3.1.3 在部署Xendesktop生产环境时，DDC服务器的高可用性十分重要
DDC服务器是整个Xendesktop的中央平台，管理和交付虚拟桌面。其前端连接是WI服务器，后端连接的是SQLServer稻菘狻DDC服务器所有的配置信息都存放在后端SQLServer数据库中，每个DDC服务器可以单独连接数据库运行。在整个Xendesktop环境中，配置所有DDC以服务器场（一组服务器）的形式运行，可以进行负载均衡。当然，XenDesktop高可用性必须做到SQL Server服务器、DDC服务器、WI即或SF服务器三者高可用性。
3.1.4 配置PVS高可用性
虽然配置一个单独的PVS Farm将足够支持现有1420个左右用户，但配置为两台以上PVS服务器互为负载均衡和容错关系后，任意一台服务器出现问题故障均不影响用户正常工作。配置PVS高可用性包括：启动文件配置二个PVS服务器；DHCP服务器的66选项配置虚拟IP；Stream选项选择二个PVS；vDisk选择本地缓存；适当增加端口和线程，使用更多系统资源来响应目标设备的请求。
3.2 优化存储LUN设计
当所有虚拟桌面都跑在一个共享存储之上时，存储最可能成为性能的瓶颈。如果存储子系统配置过低，则很容易过载，所有的用户都会感觉桌面运行很慢。如果配置过高，其成本又会爆炸式增长，彻底淹没桌面虚拟化所带来的好处。当大量用户在同一时间开始并发存储读写任务时， 就会产生 “存储IO风暴”。
虽然桌面系统产生的存储访问需求是随机的，很难做到精确计算，但桌面上的行为往往又有一定的趋同性，如早8点同时开机， 中午空闲时防病毒自动扫描，同时观看某个紧急培训的视频片段，恶意病毒繁殖等等。所以根据不同用户群优化存储LUN设计。
3.3 网络优化分析
桌面虚拟化系统云计算平台，对网络的依赖性是非常之高的。虽然Citrix桌面虚拟化使用目前较先进的ICA传输协议，只传输小部分动态画面的数据和键盘鼠标数据，每桌面终端用户平均占用 10-20kbps 的网络带宽，减少网络传输。但对上千桌面终端用户规模化部署，除了规划好网络布线和交换设备，应在网络访问入口配置负载均衡设备。否则，桌面终端会出现明显卡顿和跳转，甚至在登陆风暴时出现网络瘫痪情况。
3.4 适时升级优化平台系统软硬件，支持某些桌面应用软件的需求
早期桌面虚拟化系统存在明显的缺陷，当碰到一些吃显卡资源比较高的应用时，虚拟桌面的疲软性就会明显暴露出来，如3D和草图大师存在无法启动或是勉强运行起来后严重的卡屏和跳帧现象。问题出在虚拟化系统资源池服务器当时是不具备物理显卡的，也不支持物理显卡的虚拟化资源的分配，所有虚拟机的GPU和显存均由资源池服务器的CPU和内存虚拟实现。升级系统后采用Citrix最新的3D解决方案，使用NVIDIA公司专为虚拟化环境图形处理问题提供的GRID系列显卡。该系列显卡能够与底层服务器一起实现显卡虚拟化，可解决桌面虚拟化环境下的图形处理问题。
对学校常用考试软件系统（NCRE等级考试、计算机操作员考试、ATA第三方考试系统等）的支持，也是虚拟化技术需要面对的考验。因为一般考试系统服务器都会采用加密锁，虚拟机无法直接从云端服务器透传加密信息。这时可加载USBKEY透传设备将加密锁加密信息透传到云服务端，从而实现考试服务器功能。
4 结束语
完整构建较大规模基于Citrix 虚拟化桌面云教学平台，应从用户需求、设计目标、虚拟化平台基本架构、模块功能、服务器及硬件规划、网络规划设计、存储子系统规划、高可用性设计、用户终端、部署优化、系统扩展诸方面考虑提出整体解决方案和详细执行方案。在实际构建与应用中还应特别重视对整个系统的优化。此外，稳定的电源系统也不能忽视，因为云计算平台服务器集群重启需要耗费较长时间，可能对教学带来严重影响。
参考文献
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[2]葛玉军.高职院校桌面云系统项目设计[J].科技视界，2014（24）：237-238.
[3]张利远，王春丽.基于Citrix Xen App虚拟化技术的云教室安全部署研究[J].现代教育技术，2013，23（07）：95-99.
作者简介
陈俊，男，湖北省荆州市人。硕士研究生学历。现为海南工商职业学院信息工程学院工程师。研究方向为计算机网络与数据通信。
黎协铷，男，广东省梅州市人。硕士研究生学历。现为海南工商职业学院信息化管理中心助理实验师。研究方向为教育信息化。
作者单位
关键词：《电机与电气控制技术》;案例教学法;教学应用
《电机与电气控制技术》是中职学校电子电工专业核心课程。学好本门课程，能够提高学生电气技术能力，同时有助于学生顺利通过维修电工资格证考试。本门课程具有较强的实践性，是一门与生产实践紧密相关的学科，采用案例教学法，使得枯燥无味的理论知识变得生动有趣，更具有实践性和应用性。在讲授本门课程中重点章节“继电器———接触器控制系统”时，以电梯的应用为教学案例，说明接触器应用常见故障问题。
一、教学案例引入
电梯故障主要有两种类型：第一种是电梯运行突然停止，困住乘客，第二种是电梯失去控制急速上升或者坠落，发生乘客受伤甚至死亡等严重事故。因此，我们应该高度重视电梯故障排查与维修，避免电梯事故的发生。电梯运行中所发生的故障主要是由于机械故障或者电气线路问题所引发的。电梯接触器控制系统常见故障体现为：电梯基站处钥匙开关闭合后，电梯不自动开门，可能是由于钥匙开关处接触器线路出现问题，比如断路或者接触不良等；电梯层站按钮灯失灵，可能是由于电梯层站接触器处出现问题，比如继电器故障或者线圈断开等；电梯基站方向箭头灯不亮，可能是方向继电器出现故障；选择关门按钮与开门按钮时，电梯门不关与打开；已选择电梯需要到达的层站，但是电梯并不启动，可能是运行继电器存在问题；电梯到达所选择楼层，电梯门打不开，可能是开门继电器出现故障；电梯上升或者下降速度降低，可能是三相电源有一路出现故障或者接触器出现问题等。
二、案例教学法在理论教学中的应用
向学生举例电梯运行可能出现的故障现象后，紧接着教学重点集中于故障问题及维修理论知识教学。
（一）继电器触点系统故障检测和维修
继电器实施部件是触点系统，触点系统通过断开与闭合实现对机械的控制。触点系统由于过热、损耗及熔解等因素而引发故障。触点表面被氧化或者存在杂物，触点压力不强等因素可能会使触点系统过热；触点系统损耗过大可能是使用年数太长或者使用频率太高等因素造成；触点系统熔解发生的主要原因是触点开关频率太高或者电弧温度太高等。触点系统故障检测和维修的步骤为：第一步，打开继电器，检查触点系统表面；第二步，如果触点系统表面氧化严重，用刀片将氧化物去掉，或者用锉刀锉掉氧化物，减少电阻摩擦发热问题的发生；第三步，如果触点系统表面存在杂物，则用四氯化碳等清洁物清理掉表面杂物；第四步，如果触点系统表面存在轻微磨损，不建议利用砂布磨平表面，这是因为砂布擦磨表面，可能会残留砂粒而给触点系统造成新的安全隐患，建议用油光锉整修触点表面；第五步，如果触点系统存在熔解问题，造成触点熔解，大多是由于承载的电流太小引发，因此，可以替换容量更大的的接触器，
（二）继电器电磁系统故障检测和维修
1.线圈故障检测和维修继电器线圈存在问题表现为：继电器线圈由于绝缘体损坏而使得线路内铜线暴露；继电器线圈内部出现匝间短路情况；继电器线圈发热烧坏线路，呈现黑糊色；线圈接触不良等。线圈维修过程中，可以对线圈重新环绕，在环绕时要特别注意环绕线与线之间的距离，注意环绕匝数。线圈通电后磁铁对其吸引并不强，可能是线圈连接处接触不良，仔细检查确定脱落处，对其焊接连通就可以。2.磁铁芯检测维修磁铁通过后，磁铁对线圈的吸引力并不强，造成这种情况的主要原因是线圈出现故障或者接触点接触不良，检测与维修如上述步骤去处理就可以。通电后，如果磁铁运行噪声太大，这可能是磁铁芯内存在油污或者动、静铁芯接触表凹凸不平。如果磁铁芯存在油污，维修时将线圈取出，用清洁物清理掉油污后，重新恢复到线圈环绕原状。如果是动磁铁芯或者静磁铁芯接触表凹凸不平，维修时将线圈取出，利用锉刀挫平接触面，最后恢复线圈环绕原状。通电后，继电器噪声相当大，可能是由于存在短路线路引发的，维修时仔细检测确定短路线路位置，然后排除短路线路就可以。断电后，磁铁芯没有立即释放，如果是由于铁芯表面存在油污等杂物引发的问题，利用清洁物清理油污杂物即可，如果是由于铁芯气隙太小引发的问题，正常气隙为0.02毫米至0.05毫米之间，如果铁芯气隙小于0.02毫米，则增大气隙至合理大小，如果是由于弹簧老化而使得磁铁芯不能立即释放，就应该替换掉弹簧。
三、案例教学法在实践教学中的应用
通过理论知识教学，学生了解到接电器触点系统故障检测维修和继电器电磁系统故障检测维修等知识，就能够在实践中利用所学知识，检测确定故障类型，然后有针对性地采取措施加以改进。但是理论知识学习成效要通过实践环节检验，常言道“纸上得来终觉浅”，在实践中应用理论知识，才能真正发挥知识的作用性。教师先对参与实训课的学生进行分组，以五人左右为一组分成若干小组，学生在教师的指导下，对电梯设备系统进行分析，根据电梯设备制动控制电路和门路控制电路中接触器、继电器标示的规格标志查找到生产厂商相同规格型号的接触器、继电器，生产厂商会在使用说明书中列举常见故障及解决办法，学生可以根据故障检测维修手册检测确定故障问题，最后学生以小组分工合作的方式完成实训。
四、结语
笔者多年在《电机与电气控制技术》课程中采用案例教学法开展教学，从教学反馈看，学生动手操作能力得到明显提高，教学效果显著，是值得推广和应用的教学方法。
参考文献：
［1］刘明.PBL教学法在电机与电气控制技术课程的探讨［J］.淮南职业技术学院学报，2015（05）：74-77..
