交互式多媒体沙盘在“楼宇智能化技术”课程教学中的应用

丁雷

摘要：明确在“楼宇智能化技术”课程中建设交互式多媒体沙盘的目的和意义，论述了沙盘的设计思路、微缩建筑实体模型及控制系统的制作，以及相配套教学平台与资源库的建设。探讨了沙盘模型在教学中的应用及效果，让学生在情境化的教学场景下，加强对课程所授知识内容的理解与掌握，提升自身的实践创新能力和综合素质。

关键词：教学改革;智能楼宇;沙盘;多媒体;资源库

中图分类号：G712    文献标识码：A    文章编号：1672-5727（2021）02-0057-06

“楼宇智能化技术”课程在江阴职业技术学院已开设多年，学院建设有“楼宇智能化技术”及“楼宇自动化技术”等课程的实训室，可对学生开展楼宇智能化系统的设计安装、施工布线、调试维护等实训教学。但这些实训装置基本都采用网孔架的平面布局，且分散在多个实训模块中，缺少空间感与临场感，学生难以形成对整栋大厦楼宇智能化系统的规划设计、信号流程及联动控制的认知与理解。为解决上述问题，我院设计并建设了一套基于多媒体技术的楼宇智能化系统实训沙盘，借助“一平三端”智慧教学系统，采用交互式教学方式，有利于加强学生对课程所授知识内容的理解与应用。

一、沙盘设计的目的与意义

“楼宇智能化技术”课程具有明显的学科交叉特点，实践性与综合性较强，教师多采用模块化、项目式、案例法等教学方法，强调学生的实践操作能力。但楼宇智能化系统中的知识复杂、繁多且零散，在单个实训模块中学生较难将这些知识内容予以关联，把智能大厦以多媒体沙盘的形式引入教学，理论联系实际，让学生拥有直观的感受，可以将学生在楼宇智能化技术中各模块所涉及的知识进行系统性讲述、回顾及综合，激发活跃学生的思维，提升学生对楼宇智能化系统的分析判断、组织协调、实践操作等能力，从而进一步提升他们的综合应用及管理创新能力。

二、沙盘设计思路

本沙盘设计从信息化、智能化、互动性角度出发，将无线通信、智能终端、多媒体展示等技术同微缩实体建筑沙盘结合起来，以动静结合的方式将楼宇智能化系统融合在建筑模型中，利用移动终端控制楼宇智能化技术中各子系统的工作与运行，采用多种控制技术，将声、光、电等多维元素及文字、图片、音视频等教学素材与沙盘融为一体。同时，借助“一平三端”智慧教学系统，依托课程网络资源教学平台，连通“教室端”“教学端”“移动端”三大端口，把沙盘的互动操作、功能演示与教学讲解、实训练习有机结合在一起，将智能楼宇各子系统的工作原理、运转流程、联动控制，采用多元智能、立体互动、绚丽逼真的灯光、音效、影像等元素，在沙盘上条理清晰、简洁准确、生动明快地展现出来[1]。

由于楼宇智能化系统针对的各类业态建筑具有不同的标准和要求，该沙盘的建筑模型设计采用了综合体，包括广场、道路、商业楼、写字楼、公寓、住宅、地面（下）停车场等多种形式。配合沙盘模型，还要进行电路中控系统、信号流程展示、多媒体教学资源的设计建设，使所有系统在一个体系内实现灵活、便捷的同步互动，让学生可以产生沉浸式、情境化的动态视听效果，该沙盘的设计内容及组成模块如图1所示。

楼宇智能化技术中的子系统很多，该多媒体沙盘可以进行控制与展示的包括暖通空调系统、消防报警与联动系统、通风系统、给排水系统、供配电与照明系统、弱电安防系统等。沙盘通过传感器、机电设备及流动灯光，模拟了空调的新风流向、喷淋系统和给排水系统的水流方向、供配电及照明系统的流程控制、风机、水泵运转、道闸启停等情景，并针对每个子系统都配有相应的可操控图形化架构图，以实现对楼宇智能化技术各子系统运作原理的拆分讲解[2]。

三、沙盘制作过程

（一）微缩建筑实体模型制作

该多媒体电子沙盘是融合了微缩建筑实体模型制作、3D打印技术、控制系统动态图形展示、触控一体化多模式控制，软硬件结合的综合性教学实训装置。

沙盘南北长4m，东西宽3m，面积12m2，桌面高度0.8m，桌面上方建筑高度1.5～1.8m，围挡高度为0.2m。沙盘的建筑业态选择了综合体形式，包含三层的商业裙楼，十三层的写字楼及公寓，十层的住宅及一层地下车库。

该沙盘采用三维模型来表现建筑实体及楼宇智能化系统中的设施设备。参考实际建筑的尺寸与结构，沙盘主体建筑的水平面及垂直面比例尺定为1∶20，由于受沙盘幅面的限制，设备模型如果太小则无法进行展示，考虑到智能化系统中设备设施模型的设置、运转及动态展示，部分楼层房间的比例尺定为1∶10。楼宇智能化系统中的设备设施，依据工程项目实际要求，按照一定的模型比例，采用3D打印技术制作，分别设置在沙盘的地面、地下车库、相关楼层设备间、避难层、楼顶设备平台等處，并进行标识，如图2所示。

沙盘制作的内容包括主体建筑、道路、周边环境及绿化、楼宇智能化系统设备设施等要素，再结合相关灯光照明布置，完善沙盘的景观效果。制作沙盘模型的材料种类很多，该沙盘主体材料考虑到材质、效果、色彩色调及易于裁切、粘接、成型等因素，所选择的具体材料如表1所示。

沙盘模型采用准确的比例及精细的制作，如实还原出综合体的建筑业态，再利用3D打印机将楼宇智能化系统中的设施设备打印成实体模型，此类模型在实体设备的基础上进行了局部美化和艺术处理，使之既具有真实性又不乏观赏感。这些设施设备模型按照其在智能建筑中的实际位置进行放置，并采用LED灯带直观展示信号流程及其走向[3]。

动态灯光显示是沙盘表现的核心与亮点之一，可以加深学生对系统架构及信号流程的认知和感受。在灯光布局上，沙盘中的路灯、公共照明、应急照明、监控摄像机等设施在模型中采用不同颜色的单体LED光源来表示。智能楼宇中的给排水系统、供配电系统、冷冻（却）水循环系统、通（排）风系统、消防喷淋系统的信号流程采用不同色彩的LED灯带进行流动显示，而防盗报警系统、消防报警系统的报警信号则采用定制的小型声光报警器进行闪烁（蜂鸣）显示，这些灯光均采用独立线路控制。

楼宇智能化技术中的通（排）风、排烟、给排水、道闸等系统均会使用到电机，在沙盘中采用小型直流电机及风扇来模拟代替，配合微缩模型，可以产生真实生动的动作效果。

（二）控制系统制作

控制系统是该沙盘制作的核心，计算机控制系统将建筑实体模型（含灯光、机电控制）、平板、手机等移动终端、交互式智能屏幕、多媒体展示等分系统互联打通，实现沙盘系统展示与使用的集中统一、同步控制。

多媒体沙盘包括了感知层、网络层、应用层及用户层，如图3所示。控制系统开发包括无线局域网、手机、平板等移动终端同步控制、触摸屏上位机和总控、沙盘控制器工控板下位机模块、移动终端与交互式智能屏幕同步输出模块等系统的构建。手机、平板等移动终端通过WiFi信号连接至网络，通过Web页面相应开关按钮发送控制指令，这些指令经中控服务器中转与处理后，再发送给沙盘中的灯光。机电设备控制单元、互动教学大屏展示单元、多媒体信息库等模块，实现沙盘的远程控制、效果展示及多媒体点播、互动教学等功能[4]。

（三）教学平台及资源库制作

该沙盘设计制作是为了提供给学生情境化自主学习平台，让学生通过对沙盘的操作、演示、探索、反思进行延伸学习，进一步理解掌握楼宇智能化系统的工作原理及信号流程，该沙盘建设依托学院已构建的课程资源信息服务平台，把沙盘与课程教学平台及资源库进行开放快捷、方便高效的充分互联，实现优质教学资源共享。

在互联网时代，无处不在的网络教学让学生的学习方式发生了巨大改变，移动学习的内容与手段也越来越丰富。该沙盘在制作过程中专门开发设计了基于Android的移动教学APP，一方面便于学生更好的操作、控制、演示沙盘，另一方面学生可通过移动终端接入课程教学资源库，在库中按照已分类的教学资源，结合沙盘的现场操作演示，对相关内容进行浏览、点播，并可完成师生间的信息交流与互动答疑，极大地提高了学生学习的自主性[5]。

教学资源库的建设是沙盘系统的重要支撑，为学生提供了灵活、智能、专业的学习条件。教师将教学内容及实体模型中不易或无法展示的部分通过文字、图表、动画、音（视）频等信息做成教学资源库，通过Web来进行操作，以实现对沙盘展示内容的补充扩展，有利于师生间的双向互动交流，大大增强了多媒体电子沙盘的表现能力。学生可以通过APP软件，在教师授权下对楼宇智能化系统中各模块的工作原理、设备资料、运转流程进行逐层的展示、讲解与操控。教学资源库的数据分为三个层次，如图4所示。

最底层为基础资源，包含了楼宇智能化技术中相关的文本、图表、动画、音频、视频等课程最基本元素，涵盖了在课程多媒体教学过程中应用到的多种素材。这些素材具备广泛的共享性，将按照各子库的标准进行分类、标引及入库，用来制作不同形式与特点的课件。

中间层为针对楼宇智能化系统不同模块的教学单元资源，包含了工程案例、专业名词术语、标准与规范、各类参考资料、试题集等，这些内容以楼宇智能化系统中的功能模块作为专题，讲述其中分散的知识点及综合性应用，这类教学资源可直接用于课程的模块化教学，也可与其他资源灵活快捷地构建打造相关课件。

最顶层为利用基础资源及教学单元资源构建而成的多种形式的课件，包括PPT多媒体课件、课程讲授的音（视）频、楼宇智能化技术多个知识点的微视频、动画及系统仿真，课后相关知识的拓展训练等，这些数字化的资源可以生动形象地向学生展示楼宇智能化技术中各系统的具体结构及信号流程，有助于学生有序开展自主学习[6]。

四、沙盘的教学应用

借助该沙盘，教师采用探究式教学，培养和鼓励学生在信息化的教学环境中开展主动、自主、合作式学习，激发他们学习的兴趣、动机与潜能，增强他们提出、分析、解决问题的能力，为后续的技能实训打下良好的基础和做好充分的准备，更加牢固地掌握楼宇智能化系统中的相关技术。

在探究式教学中，教师从引出问题开始，到交流探讨、解决问题，再到最终的整合提升，问题会贯穿教学过程的始终，如图5所示。

（一）引出问题

问题的引出需要具体的教学情境及探究对象。教师通过对沙盘模型进行讲解、操作、演示，再结合教学平台中的多媒体教学资源及仿真设计，创设真实与虚拟的问题情境，引出楼宇智能化系统中各模块的教学问题，激发学生思考的主动性与积极性。

（二）提出问题

在相应的教学情境被创设后，教师就需要提出问题，借助沙盘模型及相关教学资源，引导学生对问题进行思考、理解及内化。在这一过程中，沙盘模型既是教学内容的呈现工具，师生之间进行交流沟通的有效桥梁，让学生能够正确理解教师的授课目的与意图，同时也是教学的引导工具，沙盘模型动态演示结合丰富的教学资源，能有效引导学生对教师提出的问题展开积极的分析与思考[7]。

（三）猜想假设

提出问题后，教师就要充分利用多媒体沙盘的展示功能，结合相关教学资源，通过结构图、思维导图等思维工具引导学生对所提出的问题进行分析、探究，借助教学资源库收集有用的资料，并分小组进行交流探讨、充分猜想、建立假设，提升学生的推理、判断及思维创新能力。

（四）探究问题

对问题提出猜想假设后，就要针对该问题展开探索研究，这一过程包括探究的对象、目的、目标、内容、思路、流程等。教师利用沙盘这一认知工具，结合具体的教学情境，汇同丰富的课程资源一起呈现给学生，教师指导学生在大量的资源和数据中如何探究有效信息，并对所探究问题进行观察、分析、讨论及记录，来验证上一步的猜想假设是否正确，激发学生的问题意识。

（五）解决问题

学生在以上探究活动过程中获得了大量信息与数据，接下来就要在教师指导下对这些信息数据进行分析、筛选和处理，相互探讨、共同协作，找到解决问题的途径和辦法，得到结论，使学生在提出解决问题方法与策略的同时真正获得解决问题的能力。

（六）交流互动、整合提升

学生解决好问题，并不意味着教学就止步于此。教师还要依托沙盘和教学平台，结合教学目标，组织学生对整个教学模块（单元）的观察了解、主动探究、思考判断、小组协作、问题归纳等过程进行自评、互评、反思及点评，做出过程评价与总结评价，实现智“教”慧“学”，整合提升，进一步激发学生的问题意识及思维创新能力，为下一个问题的探究做好准备与铺垫[8]。

五、教学效果

由于“楼宇智能化技术”课程的系统性与工程性较强，学生在一些知识点上并不能完全理解与接受。多媒体沙盘可以将教学对象直观形象、生动活泼地呈现在学生面前，学生通过移动终端上的APP进入教学平台，对具体对象进行操控、观察、学习、研究与思考，在学中做，做中学，学习过程更加开放、自主与交互，进一步发挥出多媒体演示教学、课程资源库的作用，体现出数字化教学的优势，增强学生的理论与实践能力，提升教学效果与质量。

（一）创新教学模式

采用多媒体沙盘模型，借助移动终端，结合教学平台，使教学环境更为开放，互动性更强。教学中教师将楼宇智能化系统中的多个模块以动态沙盘模型的形式真实的展示在学生面前，学生构建学习小组，通过对沙盘模型的操作、运行、展示与探讨，充分调动了他们主动学习的积极性，加深了对系统的整体认知，熟悉了相关模块的工作原理与信号运转流程，使学生真正成为教学过程中的主体。

（二）整合零碎知识

楼宇智能化系统较为复杂，功能模块众多，在课程教学中分布了大量零碎的知识点，难以形成体系。传统的教学方式以纯理论讲解、灌输为主，学生由于缺乏直观的感受和切身的体会，在听课过程中觉得晦涩难懂，影响学习效果。现在以多媒体沙盘作为载体，成为整合课程零碎理论知识点的平台，再深入结合教学资源库，理论结合实际，系统性的对学生开展认知与实践教学，通过沙盘教学中的角色带入，激发学生对前期所学知识的回顾，加强学生对楼宇智能化系统中零碎知识点之间关联性的理解[9]。

（三）培养探究思维

传统的灌输式教学注重结果而非过程，但在实际教学中，学生对问题探索的过程比答案本身更为重要。在教学中，学生通过自主和互动的学习，依托沙盘模型和教学平台，对楼宇智能化系统的组成结构、工作原理、运转流程、动作特点、联动控制等知识内容开展探究性学习，不是盲目地从他人处得到直接的答案，也更加尊重实践、探索得出的结论，在此过程中，学生会从多维度、多角色出发，形成探究性思维来看待问题、思考问题和解决问题，在过程中找寻结果、评判得失、提升技能。

（四）建立合作意识

沙盘教学以工程案例作为分析对象，教师将学生分成多个学习小组，在组内，学生将围绕教学内容开展探讨交流、协调沟通、合作评价，小组之间也会存在着上述行为。在此过程中，充分调动了学生互帮互助的热情，取长补短，培养他们团队配合、齐心协力、分享合作的意识，正确对待和处理团队内部出现的矛盾与问题，完成学习任务，把个人成绩与团队成效紧密联系在一起，促进学生团队合作意识的建立与养成[10]。

综上所述，多媒体沙盘的应用构建了一个以学生为中心的交互式教学模式，从以教师施教为主的教学转向以学生探索发现、协作创新的教学，让学生充分感受到体验式学习的快乐，激发了学生的学习热情，强化了学生的工程实践创新能力、工程设计及项目管理能力、工程现场处置能力、资源合理调配能力、与人沟通交流能力、项目团队协作意识，主动消化外在知识并内化为自身能力及素质。

参考文献：

[1]朱陈明，李发红，徐培罡，等.“三北”防护林工程多媒体电子沙盘的设计和制作[J].测绘标准化，2019（2）：58-61.

[2]张朝勇，周静南，门小静.工程项目管理沙盘综合性实训项目的设计与实践[J].实验室研究与探索，2011（11）：142-146.

[3]苏志军.多媒体互动沙盘模型研究与实践[J].测绘技术装备，2012（4）：16-19.

[4]王惠芬，张霞，唐秋鸿.基于ERP电子沙盘模拟的管理类专业实习实训基地构建研究[J].实验技术与管理，2018（4）：218-222.

[5]罗仲凯.城市沙盘模型制作与评价对学生综合能力的培养[J].中国现代教育装备，2014（10）：48-49.

[6]崔宏巍，朱方来.多层次协同式实践教学平台构建与研究[J].实验技术与管理，2014（3）：143-146.

[7]卞金金，徐福荫.基于智慧课堂的学习模式设计与效果研究[J].中国电化教育，2016（2）：64-68.

[8]朱杰.触摸屏技术的交互式电子沙盘开发与应用[J].测绘科学技术学报，2011（4）：304-306.

[9]趙建敏，李琦，陈波.物联网综合实验系统设计[J].实验室研究与探索，2018（12）：147-150.

[10]单丹，欧海燕.“工程项目管理沙盘模拟”课程实践教学研究[J].教育教学论坛，2019（5）：154-156.

（责任编辑：刘东菊）