电工电子远程在线实践的研究与探索

郑　磊，胡仁杰，堵国樑

(东南大学　电工电子实验中心，江苏　南京　211189)



电工电子远程在线实践的研究与探索

郑磊，胡仁杰，堵国樑

(东南大学电工电子实验中心，江苏南京211189)

为社会共享高校优质教学资源与实践环境条件，东南大学电工电子实验中心研究探索了构建远程在线实践的实现技术与管理方法，为高校学生、中小学科技爱好者、工程技术人员、社会兴趣爱好者搭建了自主研学、工程实践、创新创业的技术平台。

电工电子，远程教学，在线实践

当前，由于区域发展的不均衡[1]，高校实践教育资源、水平的明显差异[2]，相当一部分在校学生和广大企事业工程技术人员、中小学生及老年兴趣爱好者尚无法得到应有的学习与实践机会。大数据时代的到来[3]，驱使教育理念、方法和过程将要发生前所未有的变化。在线教育充分利用现代电子信息手段，为在校学生乃至全民终身学习提供了自主式、社会化与远程化的学习平台[4]。

对于理工科的专业课程而言，实践环境是不可忽略的[5]，基于软件工具的虚拟仿真也不能替代实物实验。如何解决实境实验，已是一个摆在在线教育面前迫在眉睫的问题[6-7]。

东南大学电工电子实验中心顺应在线教育浪潮，自2014年以来，开展了电工电子远程在线实验技术的研究与探索，旨在建设具有卓越数字应用服务功能的数字教育资源服务支撑体系，构建课程实验与工程项目相结合、虚拟仿真与实境实验相结合数字化电工电子自主在线实践平台，服务在校学生和社会大众，提高本科教学质量、提升社会科普知识及工程技术素养、弥补地域性教学资源差异、建立终身学习通道，满足人才培养、科学普及、自主研习、知识应用、工程设计、兴趣实现等方面的社会需求。

1　电工电子在线实践平台结构

实践平台由“在线实验课程”“软件仿真预习”“实境实物实现” “在线实验管理”和“实验辅助资源”5部分构成，如图1所示。

1.1在线实验课程

为了引导和培养在校学生和社会学习者“自主学习、科学研究、规划管理、工程实践、团队合作、交流沟通”等科研基本素质和工程实践综合能力，开设了以下3个系列课程。

1)基础实验课程：针对在校学生及社会学习者系统知识研学及技能方法训练的需要，着重基础训练，设计与高校常设课程相对应的电工电子实践知识普及系列课程。

2)工程实践课程：针对工程技术人员及社会培训机构在电子技术、测试技术、自动控制、通信技术等不同领域的技能培训的需求，设计引导入门、基本训练、研究设计等不同层次的电工电子工程项目实践指导课程[8-9]，突出工程项目实施过程中分析、设计、实现、测试、总结等各个阶段的分析、解剖与示范。

3) 科普趣味课程：针对中小学生及老年爱好者趣味作品制作指导的需要[10]，以科学知识普及与兴趣爱好培养、突出娱乐及趣味性(如家居灯光控制等)为重点，设计一批小型电子产品项目的制作指导课程。

图1　电工电子在线实践平台功能

2　软件仿真预习

软件设计仿真平台集成了电子电路设计与分析、电气设备设计优化、电子制作测试等不同层次的软件工具(如Multisim、Labview等)，学习者通过远程桌面访问，可以进行不同层面的设计仿真工作，根据仿真分析结果对电路结构与元件参数进行优化调整，以提高实践效率[11]。

2.1在线实境实验

虚拟环境与真实现状存在着很大差异，工程实践能力与素养必须在真实环境下养成。在线实验体系由远程实验客户端、服务器、虚拟仿真端和实境实验端4个部分组成，如图2所示。

图2　在线实践体系结构

1)远程实践客户端：远程实践访问客户端可以是个人PC、智能手机或PAD(portbale android device)等终端，学习者使用通用浏览器打开网页登录在线实验系统，可在数据服务器上选择某个软件工具进行虚拟设计仿真，也可以请求进入实境实验，在实验操作页面上选择实验课程和实验项目、设计电路结构、配置电路参数、调整仪器状态，个性化实验设置参数传递给实境实验端；实境实验端将获取的实验结果和现场音视频信息传送到客户端，在客户端还可以完成实验报告的撰写与上传。

2)服务器：服务器端由应用服务器、数据库服务器和视频服务器等组成。应用服务器进行服务器负载动态均衡实现，实现多用户同时使用时的动态负载分配。数据库服务器能够很好地存储各种实验对象数据和用户实验过程中产生的数据。

视频服务器主要负责传输视频图像内容,将真实的实验场景展现在用户端界面，实现实验过程中对实验对象和仪器的观察。

3)虚拟仿真端：虚拟仿真端处理主服务器的虚拟仿真实验任务请求，运行计算节点，完成虚拟实验任务。

4)实境实验端：开源式硬件资源的实境实验端配备了示波器、函数发生器、万用表、程控电源、实验控制台、可更换实验插件板的实验系统和摄像头等。实验系统配置与工程应用中相同，但可以远程操控的程控稳压电源、激励信号源、信号测量仪器，学习者可以选择电源电压，选择激励源的波形、频率和幅度。

实验系统中的实验控制台可以配备不同类别的实践插件板，供开展电路基础、模拟电子电路、数字逻辑电路、电子电路综合设计等不同课程的实验。远程学习者可以根据不同的实验内容选定某一种实验插件板，如图3所示，学习者可以通过远程传输控制命令给实验控制平台，通过控制继电器、模拟切换开关、数字电位器等方式，不同程度地改变实验插件板上电路结构、电路元件参数，实现不同的功能及性能指标；通过切换实验数据测量点、远程操控测量仪器测量参数、记录信号波形，获取实验数据波形，呈现实验真实境况，完成实验任务。远程学习者还可以控制现场声、光、温度、距离、速度和重量等环境条件。

实验控制台、实验仪器设备、现场配置高清摄像机、拾音设备等与服务器之间通过USB或网络接口实现信息传输。摄像头将实境实验端的现场实况音视频信息通过视频服务器传送给远程实验端。实验室现场清晰的音视频信息可以让远程学习者有身临其境的体验，观察信号波形及参数，了解实验过程细节及实验结果。

图3　实境实验端结构

2.2在线实验管理系统

远程实验虚实结合，在线实验管理需要解决实验环境条件配置、实验资源安排、实验时间及数据记录、实验报告提交、实验完成程度评价、特色自创实验上传等教学安排与管理方面的问题[12]。

学习者在注册登录后预约实验类型、实验时间。在预约的时间，用浏览器访问网站页面，在网页界面中调整实验电路的结构及器件参数，调整仪器仪表的功能状态。系统实现无人值守，可以全天候24小时不间断运行；实验管理系统调度实验资源，将每个实验系统全天24小时划分成多个时间片段，供学习者预约并自由使用软硬件资源。实验管理系统还将对学习者的实验过程及实验结果做记录、保存、回放，学习者以实验或项目报告的形式提交实验结果，系统自动进行有关考核和评判[13]。

1)在线实境实验管理。

●能够远程配置和控制实验设备、观察实验过程、记录实验数据、分析实验结果。

●可以控制记录实验过程的音频、视频反馈设备，可以控制实验现场声、光、温度、距离、速度、重量等环境条件。

●具备同一时段内一人为主、多人协作的协同实验模式，具备远程旁观实验过程的功能。

●实验设备发生故障时，能够提供有效的测试和分析工具，以便实验者能够利用这些工具分析故障的原因。

●具有实验过程在线评价功能，能够对实验效果进行实时评价；能够给出用户的误操作或者参数设置不当等提示。

●实验数据异常时，允许局部或者全部重复实验过程，在规定的时间和授权范围内，同一个人可以将同一个实验重复多次。

2)在线实验操作流程如图4所示。

图4　在线实境实验流程

●用户注册，实验预约。根据实验类别预约实验系统，在空余时间段中选择预约自己方便的实验时间。

●预约时间到时，登录远程服务器，在远程实验网页上进行实验电路设计，调整仪器仪表到合适的状态，开始测试电路状态。

●从仪器仪表获取实验数据及信号波形，撰写实验报告提交。

●若实验尚未完成，但预约时间到，可以将实验现状以数据文件形式保存到用户档案中；下次实验中调用可以恢复实验现场。

●实验结束，注销退出。

实验结束时，实验管理系统按照实验者注册用户名及所选实验名称对仪器状态、实验电路、实验数据、实验报告进行归档保存。

2.3实验辅助资源

电工电子实验不仅需要知识、方法、技术的引导，还涉及仪器设备使用、电子元器件选择、设计实现方法、测量与控制方法、实验设计及工程案例、科研动态及先进技术方法等多方面辅助学习资源，在线实践平台上以文本资料、电子教案、数据手册、有声读物、视频资料等立体化形式展现的电子电气领域知识、方法与技能的辅助学习资源，如图5所示，成为学习者自主学习、拓展视野的主要渠道。

图5　辅助学习资源

3　在线自主实验的特色与创新

远程自主式在线实践平台的优势主要体现在以下8个方面。

1)开放性：在线实验克服了时间、空间、条件的限制，极大拓展了学习和实验模式。

2)高效率：在线实境实验可以24小时不间断服务,并且在临时中断实验后保存状态，继续实验时可以迅速恢复原实验状态。

3)交互性：实验现场可以询问、指导和讨论，可以合作或观摩,增强了互动性。

4)普及性：可充分发挥优质教育资源的价值，使先进教学方法和优越的实验室条件为全社会应用，彻底摆脱资源条件的束缚。

5)终身性：使教学资源为全社会不同职业、不同年龄、不同资历的大众共享；不受学籍、学制等因素束缚，可帮助学习者完成学业、培养兴趣、提高修养、培训技能、重新择业和学习圆梦。

利用信息技术和现代化网络技术构建开放式自主实践平台，具有数据共享、软件共享、远程控制仪器实时操作等优势，可将优质教育资源、先进教学方法和优越实验室条件向全社会开放，还将带来教学的创新。

1)推动课堂向学堂的转变：以网络“大学堂”构建虚拟、实境、现实同生共长的新型高效社会学堂。

2)推动以教师为中心向以学习者为中心的转变：在线实践平台依照学习规律设计、围绕学习者需求展开，学习者可以自由地选择研学内容，可以自发组织建立学习社区，结成学习伙伴，孕育出新型、多元、高效的网络学习生态。

3)推动在校学习向终身学习观念的转变：学习与实践不再局限在高校，开放式自主在线实践平台可随时随地向全社会学习者提供学习资源与环境。

总之，高校学生、中小学科技爱好者、工程技术人员、社会兴趣爱好者根据自身知识背景、工作特点和兴趣爱好自由选择研习课程、实验项目、研究课题，在自由的时间、方便的地点利用网络、软件工具、仪器仪表、电路模块、器件设备、测控对象等软硬件开放资源进行自主设计与实践。基于网络的在线教学与服务将成为实践教学改革与科技知识文化普及的新趋势。

[1]罗江华.教育资源数字化的价值取向研究——基于西部四地两个现代远程教育项目的考察[D].重庆：西南大学，2008.

[2]赵琳,史静寰,王鹏,等.高等教育质量的院校类型及区域差异分析——兼论我国高等教育资源配置格局与质量格局[J].清华大学教育研究, 2012, 33(5)：1-12.

[3]罗跃逸，袁修贵，朱小玉.数据环境下数学实验综合体系建设与改革探索[J].现代计算机 2015(8)：65-67.

[4]杜月林,黄刚,王峰,等.建设虚拟仿真实验平台 探索创新人才培养模式[J].实验技术与管理, 2015, 32(12)：26-29.

[5]刘得军.建设开放性实验室加强学生电子设计能力的培养[J]．理工高教研究，2004(2)：109-110.

[6]白瑞峰, 韩洪洪,于赫洋,等.智能制造虚拟实验系统设计与集成[J].2016, 33(6)：129-131.

[7]肖巍,王伯雄,罗秀芝.基于网络的实验硬件远程控制系统的开发[J].清华大学学报(自然科学版)2002，4(6)：776-779.

[8]张跃.以项目为导向的创业实训课程模式探析[J].实验技术与管理, 2016, 33(6)：162-164.

[9]邹广平，夏兴有．试论大学生创新能力培养模式[J]．黑龙江高教研究, 2010(3)：128-129．

[10]刘雪松．反转课堂教学模式应用实践研究[J]．教育研究，2014(9)：340.

[11]李云程．模拟仿真实验研究[J]．现代教育技术2010，20(6)：132-134．

[12]韩春田.高等院校实验室建设与管理工作的探讨[J].实验室技术与管理，2011, 28(8)：189-191.

[13]吴文华,杨 庆, 沈新元, 等.智能实验室管理系统下的实验室开放管理[J].实验技术与管理, 2011, 28(2)：172-176 .

Research and Exploration on Remote Online Practice of Electrics and Electronics

ZHENG Lei, HU Renjie, DU Guoliang

(Electrical and Electronic Experimental Center, Southeast University, Nanjing 211189, China)

In order to share quality education resource and practice environment of university with society, a remote online practice system is researched and studied by electrical and electronic experimental center of Southeast University.This system is open to college students, teenage science enthusiasts, engineer and amateur, and it provides a technology platform for independent research, engineering practice, innovation and entrepreneurship.The implementation technology and management method of the remote online practice system is introduced in this paper.

electrics and electronics; remote education; online practice

2016-07-08

2015年文化产业发展专项资金——《数字化电子电气自主在线实践平台构建与应用》。

郑磊(1984-)，男，硕士，工程师，主要从事嵌入式软硬件、电力电子和低压保护方面的工作。

G482

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2016.04.005