基于物联网的远程实验操作系统与教学方案——以“示波器的使用”为例

王爱记，王引书，白在桥

(北京师范大学 物理学系，北京 100875)

2021年5月28日习近平总书记在中国科学院第二十次院士大会、中国工程院第十五次院士大会、中国科协第十次全国代表大会上的讲话中指出：“以信息技术、人工智能为代表的新兴科技快速发展，大大拓展了时间、空间和人们认知范围，人类正在进入一个‘人机物’三元融合的万物智能互联时代.”[1]随着信息技术的不断发展，在教育领域中，远程教学因具有打破时间和空间限制、可共享高质量教育资源、提高教学效果等优势而受到越来越多的教育工作者和学生的喜爱[2,3]，在现在教学过程中起到了越来越重要的作用. 尤其是在2019—2020学年第二学期，新冠肺炎疫情导致高校的课堂教学无法正常开展，教育部印发《关于在疫情防控期间做好普通高等学校在线教学组织与管理工作的指导意见》，要求保障高校在疫情防控期间的在线教学，实现“停课不停教、停课不停学”[4].理论课的线上远程教学发挥了极其重要的作用[5]，但物理实验是以实验仪器操作为基础的一门课程，导致该课程的远程教学受到了一定的限制，全国各高校实验课程教师在居家物理实验方面进行了广泛深入的探索[6-8]，但由于学生实验条件的限制，这些探索还很难与常规实验教学结合. 而且在传统实验室的物理实验教学过程中，大多数高校的空间非常有限，或者较贵的实验仪器套数有限，同时实验教学任务繁重，师资不足，使得实验室在教学时段之外难于提供足够的开放时间，满足学生在实验室进行课前预习和课后研究与探索，从而制约了实验教学的效果. 目前有一些成熟的虚拟仿真实验系统，可以进行线上远程教学及配合开展实验教学的预习，但是鉴于各个学校的实验项目、实验仪器、实验内容和要求不同，已有的仿真实验难于满足不同高校实验教学的需求[9-11].

利用物联网技术，建设基于实验室真实仪器的实验平台，开展大学物理实验的远程教学，可以让学生像在实验室一样操作真实实验仪器，灵活设计、调制实验参量，开展实验，还可以远程观察真实实验的进程，弥补仿真实验的不足. 将远程操作实验引入实验教学，不仅可以满足学生的课前预习、课后复习、研究探索等需求，还可以保证突发情况(如新冠疫情)下物理实验教学的顺利开展. 从教学效果的角度，由于操作的是真实的仪器，遇到的问题是真实的问题，获得的数据来自实际的物理系统，远程操作实验不仅使学生掌握了实际仪器的操作方法，更有利于提高学生利用理论知识分析实际问题的能力. 此外，远程操作实验技术可以打破空间限制，提高实验仪器的利用率，并为校际之间实验仪器的共享提供新的途径.

本文针对物理实验课程的特点，基于现有资源，发掘潜在资源，自主开发搭建了低成本的基于物联网的远程实验操作系统，以“示波器的使用”为例，探索和实践了远程操作物理实验仪器的途径，设计了包括视频指导、集中上课、自由练习等三部分的物理实验远程教学方案.

1 远程实验操作系统

远程实验操作系统经过仪器搭建、仪器二次开发、网站开发、资源整合等过程，实现了仪器入网，独立自主地搭建出来的基于物联网的远程实验操作系统，它包括学生登录部分、学生远程操作部分、教师指导部分等，充分的实现了人人互动、人机互动、机机互动.

通过该系统学生可以登录远程操作页面对实验室的实体仪器进行远程操作[图1(a)和(b)]，既可以通过操作页面实时观察到实验结果[图1(a)]，也可以通过视频直播观察到实体仪器的实验结果[图1(c)和(d)]；指导教师可以通过视频直播中的屏幕墙实时掌握全部学生实时实验进度和仪器状态，也可以对单组实验仪器全屏显示，对该组仪器遇到的问题进行针对性的讲解，提高了教学效率. 为学生实际操作实验仪器提供了新的途径，为实验远程教学提供了新思路.

示波器远程操作界面； 信号发生器远程操作界面；

仪器直播画面； 实验室实体仪器照片图1 示波器远程操作系统

2 远程实验操作系统的实现

远程实验操作系统主要包括基于Python编程的学生登录部分、基于LabVIEW的学生远程操作部分和基于线上会议、电子教室的教师指导部分等三部分.

2.1 学生登录部分的实现

采用Python编程语言进行网站开发，实现学生登录、实验组别选择、重要提示信息、连接学生远程操作部分等功能.如图2(a)所示，学生登录前面板主要有两个文本框输入控件,用于输入账号和密码，然后利用JavaScript语言中的JQuery库获取输入的账号和密码,并传递给后台处理程序；后台处理程序用Python语言编写，它将传递过来的账号和密码与数据库中的数据进行对比，能够匹配上之后,将“实验组别选择”界面呈现给学生，若不能匹配上则呈现“错误”界面且等待3秒后重新输入账号和密码.图2(b)所示的“实验组别选择”界面主要由一个表格(table)组成，并利用JavaScript语言获取学生点击链接的值并传递给后台处理程序，后台根据传递过来的值(如：group1)去数据库查找当前实验组别的状态，若可用则呈现实验操作界面；若不可用则弹出“该组实验已被占用”的对话框. 同时，利用JavaScript语言在该界面添加鼠标滑动等动作,能够实时更新的“状态”指示标志. 学生的登录权限由管理员进行统一管理，防止不必要的人员恶意登录，占用仪器资源，保障网络和仪器的安全.

物理实验远程登录界面

2.2 学生远程操作部分的实现

远程操作部分包括实验室实体实验仪器和远程操作界面两部分. 实验室实体实验仪器是整个系统的基础，它是学生远程操作和研究的对象. 如何将实验仪器接入网络是首先需要解决的问题. 如图3所示，将示波器通过LAN接口接入网络，信号发生器、电源等仪器通过LabVIEW进行控制并借助电脑接入网络.RLC电路中的开关和电路转换采用继电器的方式实现，通过操作直流电源实现对继电器的控制，从而实现RLC电路的开关与电路转换. 利用摄像头将实体仪器的实时画面采集到电脑，然后通过电子教室软件将实时画面整合到屏幕墙.

示波器的使用 RLC稳态特性的研究

远程操作界面是学生在远程实验时直接观察和操作的界面，如何实现仪器的远程控制是接下来需要解决的难题. 通过对信号发生器、电源等仪器进行二次开发，利用LabVIEW对其进行操控，可对开关、波形、频率、幅值等参数进行调节，并将相应的VI发布Web Sever，实现对信号发生器、电源等仪器的远程操作，进而可以控制继电器，实现电路的开关和转换. 再将不同仪器的操控页面整合到学生登录系统中，完成两个系统的无缝对接，实现学生与仪器、仪器与仪器之间的人机互动、机机互动.

示波器 信号发生器

以“示波器的使用”实验为例，将实体仪器(信号发生器和示波器)线路连接好. 将示波器通过LAN接口接入网络，获取IP地址后可实现对示波器的远程操作，利用iframe标签将示波器的远程操作界面整合到远程操作系统中，如图4(a)所示. 利用LabVIEW通过USB接口对信号发生器进行控制；信号发生器控制界面[图4(b)]主要由8个字符串输入控件和1个布尔开关等组成；后面板程序框图如图5(a)所示，主要由循环结构、事件结构、条件结构、VISA构件等元素组成；其中循环结构和事件结构用于实时监视控制界面是否有数值发生变化，如果数值发生变化则触发事件结构并保存变化的数值，通过VISA写入构件,向信号发生器发出新的指令，按照最新的设置输出信号；如果没有发生变化，则不触发事件结构，依然按照原来的设置输出信号.布尔开关的值发生变化时则触发事件结构，改变信号输出状态. 然后将编写好的VI发布Web Sever，就可以实现对信号发生器的远程控制. 利用HTML5语言中的iframe等元素，结合JavaScript语言将信号发生器和示波器的远程操作界面整合到远程操作系统中，提高系统的可操作性、便捷性，也便于管理.

图4(c)—(f)分别为RLC稳态、RC暂态、RL暂态、RLC暂态实验的电路图及控制界面. 主要由布尔开关和字符串输入控件组成，布尔开关用于控制直流电源的开关，所控制的双通道直流电源，其中一个通道为暂态实验提供电路电源，另一通道实现对继电器的控制，进而实现电路的开关和转换；字符串用于直流电源输出电压值的控制. 同时，为了方便示波器界面的观察，将一个文本框用于设置点击布尔开关之后延迟相应时间后直流电源再执行指令，确保在示波器界面清晰的看到暂态过程. 图 5(b)是RC暂态实验直流电源的后面板程序框图，主要构成元素和控制原理与信号发生器相似，本文中涉及的其他实验也具有相似的程序框图与构成元素.

信号发生器

2.3 教师指导部分的实现

指导教师通过免费线上会议软件发起网络会议，学生进入会议室. 通过共享电子教室的屏幕墙，学生可以实时观察到实体实验仪器的状态；通过线上会议教师可以对实验进行讲解，并针对具体问题进行分析. 该部分目前独立于远程操作系统，可以节省网络带宽，保证远程操作实验仪器的流畅性，但同时也带来了一些不便，如进错网络会议室等.

3 远程实验操作系统的教学方案

经过教师讨论、教师演习、学生演习，并对参与演习的师生进行问卷调查，综合回馈的意见做了相应的优化，最终形成了远程实验教学方案，该方案包括视频指导、集中上课、自由练习等三部分.

3.1 视频指导

如图6所示，通过公众号发布实验通知，公共邮箱发布实验讲义，学生自主下载预习；并在网络上发布视频，对系统操作、仪器的基本功能及操作进行讲解和演示，学生通过观看视频，对实验仪器有了初步的了解，并将有疑问的知识点通过查找资料进行初步的理解，通过微信群和老师、同学及时讨论疑难问题，提高了预习的效率.

公邮中的实验讲义

3.2 集中上课

学生在校内可直接登录“远程实验系统”，在校外的学生可通过学校的VPN登录“远程实验系统”，登录后可根据状态指示灯挑选可用实验仪器，绿色表示可用，红色表示已经被占用，如果点击该组实验则会提示学生该组实验已被占用. 选择实验仪器之后就可以开始实验，进行仪器操作. 同时，老师和学生进入线上会议，老师对实验目的、实验原理、实验内容等进行详细的讲解，通过电子教室软件的屏幕墙和线上会议的共享屏幕功能[图7(a)]，学生能够同步看到所有实物实验仪器的状态，如果某位学生有疑问，可将该组实验全屏显示，全部学生能够看清仪器界面，并能够听清楚老师的讲解[图7(b)]，提高了课堂效率.

正在上课的屏幕墙

3.3 自由练习

课堂教学结束后，学生可根据自己的掌握情况，在非集中上课时间，随时远程连接仪器自主练习，也可以根据自己的兴趣开展拓展实验，提高了实验仪器的利用率. 学生们通过公邮提交实验报告，老师批阅之后回复，并针对代表性的问题，在微信群中进行讨论.

4 总结与展望

本文以“示波器的使用”为例介绍了远程实验操作的实现方法，即利用LabVIEW控制实验仪器，将相应的VI通过LabVIEW中 Web Serve功能进行发布，实现仪器的远程操控，将其整合到基于python中Tornado框架的网站中，为学生远程操作实验提供统一的接口. 目前，远程实验操作系统开发的实验内容较少，需要继续开发更多的实验用于学生预习和练习. 另外，该系统目前也存在着很大的改进空间，将系统进一步的完善，把视频直播、实验报告的提交、批阅集成到在该系统中，提高资源利用率和教学效率.

远程实验操作系统是整合了现有的仪器资源、网络资源、独立自主地开发搭建的实验操作系统.该系统为物理实验的远程教育探索了新的途径，打破了空间的束缚，可作为现场实验教学有力的辅助手段，供学生课前预习、课后复习、课余时间进行实验探索，提高了实验仪器的利用率，还可以确保突发情况(新冠疫情)下物理实验教学的正常开展，也为其他院校提供远程实验教学与指导探索了新的途径.