“中国制造2025”背景下远程数字系统实验教学平台研究与实践＊

邢赛楠，曾张帆，梅嘉玉

（湖北大学计算机与信息工程学院，湖北 武汉 430062）

近年来，欧美日韩等信息技术先进的发达国家纷纷制定了一系列智能制造强国战略，意在第四次科技革命和新一轮全球竞争中赢得主动权[1-3]。在此背景下，中国于2015年提出了“中国制造2025”的宏伟战略规划，以加快信息技术与工业生产的结合、推动工业产业创新、促进产业转型升级、力争抢占未来产业竞争的制高点[4-6]。

数字系统是智能制造产业“云-管-端”架构的基石，然而该领域人才的稀缺是中国长期面临的难题[7-9]。现有的数字系统实验教学内容和模式与日益提高的人才需求存在着一定的差距，存在的问题如下。

实验内容单调。现有的数字系统实验内容以单一功能的验证性实验为主，不生动，缺乏以智能制造为载体的应用实践。

设备资源匮乏。由于数字实验平台价格昂贵，导致不少经费不充足的地方高校实验室部署数量较少。一台设备往往由较多学生共同使用，减少了每个学生实践动手的时间。

实验教学时间占比不够。传统的教学方法以教师讲授为主，实验教学学时较少，学生缺乏学习的主动性和积极性。

实验设备不易维护。数字系统实验设备包含大量精密复杂的硬件模块，较为容易损坏，且难以及时得到售后服务和维修，最终导致设备在数量上更难满足学生实验的需求。

针对上述问题，本文提出一种远程数字系统实验教学平台。该平台包括移动设备、数字实验硬件系统和云服务器。学生能够随时随地通过移动设备对数字实验硬件系统进行远程控制，进而完成实验。教师能够在移动设备或者云服务器对数字实验硬件系统进行状态监控和性能维护。学生完成实验后，将实验结果上传至云服务器，教师能够在移动设备或者云服务器对其进行评分，学生能够通过移动设备查询评分。

最后，本文采用远程数字系统实验教学平台对湖北大学计算机与信息工程学院通信工程专业的50余名学生进行了教学实践，并就学习效果、平台稳定性等5个方面对学生进行了问卷调查。统计结果表明，该平台受到学生的一致认可，能够成为传统实验方式的补充手段，提高学生的学习效果。

1 远程数字系统实验教学平台设计

在对远程数字系统实验教学平台进行架构设计时，应充分考虑其是否符合“中国制造2025”对数字系统实验课程的要求。因此，秉承智能制造设备“云-管-端”的架构思想，本论文提出的远程数字系统实验教学平台主要由移动设备、数字实验硬件系统和云服务器3大部分组成，其总体架构如图1所示。

图1 平台总体架构

移动设备是学生和数字实验硬件系统人机交互的平台，它为学生和教师提供了可视化的实验操作界面、便捷的学习资料和学习交流环境等。移动设备可视化实验操作界面通过模拟硬件系统实验环境，如开关按键、数码管、LED灯等，使学生能够进行虚拟实验操作。同时移动设备实时显示数字实验硬件系统上方放置的摄像头传输的真实实验现象，进而取得身临其境的效果。

数字实验硬件系统是实验操作的载体，它包含所有实验需要的硬件模块和存储单元数字实验硬件系统接收学生的远程实验操作指令，运行实验内容，并将实验结果反馈到云服务器和移动设备，供学生查看实验效果。此外，数字实验硬件系统上方放置摄像头，实时获取实验现象视频，并传输至移动设备。学生通过观察实验现象视频和实验结果，能够更加感性地理解实验。

云服务器是整个远程数字系统实验教学平台的数据存储中心以及网络传输的桥梁。数据存储方面，学生和教师个人的用户信息、教师提供的实验资源以及学生上传的实验结果和教师的评分结果等均存储在云服务器。网络传输方面，学生在移动设备进行的实验操作信息通过云服务器传输至数字实验硬件系统。实验结果和摄像头获取的实验现象视频实时地通过云服务器传输至移动设备。

1.1 移动设备设计

移动设备的硬件载体可以是手机、平板电脑等日常广泛使用的消费类电子产品，在软件方面主要包括用户层、表示层、功能层和数据层，其整体架构如图2所示。

用户层将表示层显示的浏览页面进行封装，形成学生和教师可操作的各项接口软件，学生通过用户层上的移动端软件能够方便地获取学习视频以及各种便捷的功能服务。教师则可以通过用户层上的服务器软件进行后台管理，添加实验资源和实验内容，为实验结果进行评分，对数字实验硬件系统进行远程维护等。

表示层将功能层完成的功能显示在浏览页面上。它采用移动端开发框架MUI和HTML5/CSS3进行页面设计和渲染页面，最大程度地提高页面控件美感及页面切换流畅度。此外，为了方便实验内容不断更新，采用可视化Navicat管理数据库界面，方便教师进行在云服务器进行数据的增删查改。在数据传输方面，采用ALAX技术进行移动设备和云服务器的数据交互。

功能层将数据层存储的各项数据进行加工，产生中间产品。它包括用户功能、平台功能及后台管理功能，其中用户功能为学生与移动设备软件提供人机交互，如收藏、评论、分享等功能。平台功能能够及时更新最新的学习资料。后台管理功能为教师对学生的信息和平台资源进行维护提供支持，保证数据的安全和稳定。

数据层将学生个人数据、实验数据等信息在MySql数据库中进行存储、更新等处理。

图2 移动设备架构图

1.2 数字实验硬件系统设计

数字实验硬件系统是实验执行的载体，主要由客户组件、FPGA实验板和摄像头组成，其系统框图如图3所示。

FPGA实验板为学生实验提供载体，它包含实验需要的硬件电路和软件模块等。学生能在FPGA实验板上进行传统的数字电路实验以及人工智能、数字信号处理、移动通信等前沿领域的实验。

客户组件是数字实验硬件系统的通信出入口，为移动设备和FPGA实验板进行信息交互提供载体。学生从移动设备输入实验操作指令，通过云服务器传输至客户组件，进而抵达FPGA实验板，完成实验内容。实验结束后，实验结果通过客户组件返回至云服务器，进而传递到移动设备，在其浏览器上进行虚拟页面显示，为学生提供实验信息。客户组件与FPGA实验板采用TCP/IP协议实现单点通信。客户组件与云服务器采用物联网MQTT协议进行信息传输。

摄像头放置在FPGA实验板上方，将实验现象视频通过客户组件实时传输到移动设备，学生通过移动设备浏览器对实验现象进行观察。

图3 数字实验硬件系统框图

1.3 云服务器设计

云服务器为远程数字实验教学平台提供数据存储和网络通信。本平台采用阿里云服务器，并在服务器上搭建自己的数据中心，实现数据的存储和访问。

云服务器为移动设备和数字实验硬件系统的通信提供服务。通过在云服务器上部署MQTT代理，实现移动设备到云服务器以及云服务器到数字实验硬件系统的双向通信。通过在云服务器上部署Node-Media-Server-master流媒体代理，能够实现摄像头采集的实验现象视频实时传输至移动设备。在云服务器上部署MySQL数据库，对教师和学生的个人数据、教学资源以及教学档案信息进行存储。

2 平台测试与实验效果

根据以上描述，教师团队完成了远程数字系统实验教学平台的研发和技术实现。其数字实验硬件系统实物图如图4所示。

由图4可以看出，数字实验硬件系统的主板为Altera公司的DE2-70 FPGA实验板，该实验板包括FPGA芯片、七位数码管、按键灯、视屏音频组件、无线网口、以太网口等，功能十分齐全，能够支持数字电路、信号处理、通信系统以及人工智能等实验内容。此外，一个显示屏通过串口和实验板进行链接，实时将实验结果进行显示。

远程数字系统实验教学平台的移动设备浏览器首页如图5所示。

图4 数字实验硬件系统实物图

图5 移动端首页

可以看出移动设备浏览器首页上显示了数电实验、EDA实验、信号分析、图像处理以及深度学习等。学生能够根据兴趣自行选择。教师能够根据授课需要添加更多的实验内容，并根据需求调整移动设备浏览器各个页面的布局。

此外，首页上显示了四大导航模块，包括首页、视频、实验、用户。学生能够通过点击模块进入相应的模块页面。其中实验模块为学生提供虚拟的实验环境，其效果图如图6所示。

由图6可以看到，这是一个与、或、非门的数字实验。实验模块效果图分为左右2个子页面。左边页面是摄像头实时拍摄并传回的实验现象。右边页面是虚拟实验操作台，学生通过对逻辑门电路设置不同的输入，能够获得不同的输出，并同时在左页面观测实验现象。

图6 实验模块效果图

3 远程数字系统实验教学平台应用与教学效果

为了解远程数字实验教学平台的实验效果，教师团队利用该平台对通信工程专业的50余名学生进行了教学实践。实验内容为按键流水灯与七位数码管的显示。在授课形式方面，授课教师提前将实验内容制作成视频资源上传到云服务器，学生能够在移动设备上进行课前预习和准备工作。在课堂上由教师讲解实验操作的重点和难点。受课时限制，在课堂上没有完成实验时，课后学生可以通过移动设备随时随地继续进行实验，并将遇到的问题在线上与授课教师进行交流。实验结束后，学生将实验结果通过移动设备上传至云服务器，授课教师对实验结果进行评分，学生能够通过移动设备浏览器查询分数。

经过一个学期的教学实践，教师团队通过问卷调查的方式，以参与实验的50余名学生为调查对象，分别从综合评价、学习效果、平台稳定性、界面友好程度和学生喜爱程度等5个方面进行了效果评估。统计结果如图7所示。

图7 远程数字系统实验教学平台评价结果

由图7可知，远程数字系统实验教学平台获得了超过85%的学生的认可。所有学生在使用该平台后学习效果更好。通过进一步与学生沟通发现，由于该平台在功能上综合了如视频实时传输、远程程序读写、虚拟仿真等新技术，增加了实验的操作趣味性，受到95%以上学生的喜爱，提升了他们进行动手实践的兴趣。值得注意的是，超过60%的学生对平台的稳定性和界面友好程度提出了更高的要求。目前远程数字系统实验教学平台的开发进度尚处在初级阶段，只包含了少量的基础性实验和基本功能，后续将根据学生的需求和教学要求进行更新。

4 结语

本文对远程数字系统实验教学平台进行了需求分析、技术实现与教学实践，发现该平台为学生和教师提供了随时随地实验操作环境。学生能够通过视频资源对实验内容提前预习，能够在课余继续完成实验，实验时间更加自由，思考更加完善。教师安排实验场地更加充裕，资源使用率更高。此外，远程操作比例的增加大大减少了设备损坏的概率、降低了实验成本。学生和教师能够在线上就实验内容进行实时交流，沟通渠道更加顺畅。整个实验水平、实验效率和学习效果得到提升。

该远程数字系统实验教学平台包括移动设备、云服务器和通信网络，严格遵循了智能制造“云-管-端”的架构体系，是“中国制造2025”在高等教育阶段的一次尝试，为培养该领域的高科技人才奠定了较好的基础。

然而，由于远程数字系统实验教学平台尚处在研发初始阶段，只包含了基础的实验内容和少量功能。教师团队在未来将扩大实验教学的范围，收集更多学生和教师的体验评价和需求，以对平台进行改进，同时，会将更多前沿技术，如下一代无线通信、物联网、深度学习等内容添加至该平台，使其不断完善。