摘 要：目前我國高校課程線上實驗教學(xué)的主要模式是虛擬儀器仿真，其主要缺陷是缺乏線下實驗具有的動手體驗，造成學(xué)生的學(xué)習(xí)能動性降低。遠(yuǎn)程在線實景實驗技術(shù)是近些年出現(xiàn)的一種介于線上和線下實驗的新方法，結(jié)合了兩種實驗技術(shù)的優(yōu)點。該文提出一種數(shù)字電子技術(shù)課程遠(yuǎn)程在線實景實驗平臺，對平臺的設(shè)計和應(yīng)用進行了詳細(xì)介紹。

　　關(guān)鍵詞：數(shù)字電子技術(shù);遠(yuǎn)程;實景實驗

　　線下傳統(tǒng)實驗室實驗是高校學(xué)生實驗的最主要形式，具有直觀、真實特點，不僅具有參與性和動手性，更重要的是能夠與教師進行面對面的肢體語言交流，這種實驗效果是線上實驗無法達(dá)到的。隨著高校招生的擴大及高校實驗室管理人員及實驗設(shè)備的緊張，尤其是在疫情影響下，線下實驗在實驗時間安排、實驗室資源共享等方面存在不足。因此，高校實驗教學(xué)的在線教學(xué)發(fā)展迅速。目前在線實驗分為三種形式，第一種是虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用，通過 Web3D 技術(shù)構(gòu)建虛擬化的實驗環(huán)境和實驗設(shè)備[1-2]，主要應(yīng)用于物理和機械類實驗;第二種是不需要虛擬現(xiàn)實的由功能類虛擬軟件構(gòu)建的實驗環(huán)境，主要應(yīng)用于電學(xué)和化學(xué)類實驗[3-4]，“數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計”課程中普遍采用的 Protel 和 Multisim便是這種類型的實驗平臺;第三種是介于現(xiàn)實實驗和虛擬仿真實驗之間的遠(yuǎn)程實景實驗[5-6]，這是近幾年出現(xiàn)的一種介于線上和線下實驗技術(shù)的新方法，是通過網(wǎng)絡(luò)來控制現(xiàn)實的實驗設(shè)備，并通過視頻監(jiān)控現(xiàn)實實驗結(jié)果，這種新穎的實驗形式很大程度上能夠提高學(xué)生學(xué)習(xí)的能動性。本文首先基于數(shù)據(jù)分析國內(nèi)外遠(yuǎn)程教育的發(fā)展?fàn)顩r，闡述目前遠(yuǎn)程實驗軟件存在的主要問題，然后給出實景實驗平臺設(shè)計方案，最后作為遠(yuǎn)程實景實驗平臺的案例介紹數(shù)字電子技術(shù)課程中典型的三人搶答器的網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)。

　　1 國內(nèi)外遠(yuǎn)程實驗教育的發(fā)展

　　1.1 國外發(fā)展情況

　　國外遠(yuǎn)程實驗教育采用了多種虛擬仿真技術(shù)，主要包括人機交互技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)、可視化技術(shù)、虛擬仿真技術(shù)、增強現(xiàn)實技術(shù)、虛擬世界、3D 打印技術(shù)和遙現(xiàn)技術(shù)等。美國大學(xué)的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)發(fā)展較早，多數(shù)高校形成了一整套系統(tǒng)性的遠(yuǎn)程教學(xué)方案。以耶魯大學(xué)和密歇根大學(xué)為例，他們在疫情期間全面啟用了各學(xué)科的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)。生物科學(xué)一直是兩校的優(yōu)勢學(xué)科，兩校一直重視該學(xué)科的遠(yuǎn)程教學(xué)，構(gòu)建了各專業(yè)基于 PAD、Web3D和大數(shù)據(jù)技術(shù)的虛擬仿真實驗系統(tǒng)。英國劍橋大學(xué)的天文研究所是國際著名的教學(xué)研究機構(gòu)，他們利用網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序和虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建了虛擬天文實驗室，使校內(nèi)外的學(xué)生都可共享虛擬儀器設(shè)備。

　　地球科學(xué)實驗室也是該校的特色，實驗室將世界各地的地質(zhì)標(biāo)本數(shù)據(jù)化，可以通過虛擬顯微鏡查看標(biāo)本切片圖片，實現(xiàn)虛擬儀器設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)共享。西班牙 IE 商學(xué)院注重發(fā)展教育游戲類軟件。該校研制了一款政治游戲教學(xué)軟件，利用該軟件可以仿真國家經(jīng)濟、政治相關(guān)的重要議題，甚至組成“聯(lián)合國”討論國際關(guān)系，或組成“議會”模擬國家政策制定。不僅國外高校進行了大量虛擬實驗室的建設(shè)研究，一些公司也開發(fā)了大量遠(yuǎn)程虛擬實驗平臺。例如，澳大利亞 EMONA 公司于 2018 年研發(fā)了 net CIRCUITlabs 虛-實結(jié)合電子技術(shù)教學(xué)-實驗云平臺。該平臺不同于一般意義上的虛擬仿真軟件，而是全新的、基于FPGA 技術(shù)、具備實際硬件電路連接與操作、高集成度的虛-實結(jié)合電子技術(shù)教學(xué)-實驗云平臺。國內(nèi)的杭州電子科技大學(xué)、大連海事大學(xué)等院校采用了該平臺。

　　1.2 國內(nèi)發(fā)展情況

　　進入新世紀(jì)以來，伴隨著我國網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的高速發(fā)展，遠(yuǎn)程實驗得到了快速發(fā)展，教育部和各級教育政府部門高度重視虛擬實驗教學(xué)。2017 年 7 月，教育部辦公廳印發(fā)了《教育部辦公廳關(guān)于 2017—2020 年開展示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)的通知》，決定依托教育部的高校實驗教學(xué)改革項目和虛擬實驗項目，于2017—2020 年在本科院校開展虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)工作。2019 年，新冠疫情的爆發(fā)加速了高校遠(yuǎn)程實驗教學(xué)改革。2020 年，教育部推出 1000 個“示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項目”，統(tǒng)一遠(yuǎn)程虛擬實驗建設(shè)要求，建議以省級為單位建立虛擬實驗建設(shè)平臺，強化虛擬實驗課程的監(jiān)管和標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)。隨后，省一級教育部門進行了虛擬仿真實驗教學(xué)共享平臺建設(shè)，其中江蘇省于 2016 年率先在全國開展了虛擬仿真實驗教學(xué)共享平臺遴選建設(shè)工作，目前已基本完成了省內(nèi)高校虛擬仿真實驗資源建設(shè)。進入新世紀(jì)以來的國內(nèi)遠(yuǎn)程實驗教學(xué)的發(fā)展情況可以從以下三個方面概述。

　　1)從應(yīng)用情況來看。主要的實驗形式是基于 Web3D 技術(shù)的虛擬實驗室和遠(yuǎn)程虛擬仿真軟件。基于 Web3D 技術(shù)，目前國家資助和各省建立的虛擬仿真實驗教學(xué)共享平臺所納入的課程主要是模擬 3D 場景的虛擬仿真實驗教學(xué)實驗室，并融入了大數(shù)據(jù)，不需要硬件支持，這類虛擬場景仿真系統(tǒng)被很多高校采用，獲得了廣泛好評。針對虛擬仿真實驗與實際實驗互動性較差問題，近年來遠(yuǎn)程實景實驗得到了較快發(fā)展。但是由于所需的較為復(fù)雜的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)技術(shù)在國內(nèi)起步較晚，現(xiàn)有的這類高校實驗平臺主要是電類專業(yè)中線路要求較為固定的、模式化的驗證性實驗。

　　較具代表性的是杭州電子科技大學(xué)于 2019 年研制的，采用美國 Altera公司 FPGA 開發(fā)軟件 Quartus II 遠(yuǎn)程控制技術(shù)的數(shù)字系統(tǒng)實驗平臺。該校還采用澳大利亞 EMONA 公司的net CIRCUIT labs 軟件，構(gòu)建了模擬電子的遠(yuǎn)程實景實驗平臺。另外，四川大學(xué)于 2020 年建設(shè)了模擬電路的遠(yuǎn)程實景實驗平臺。對于電類專業(yè)重要的數(shù)字電子技術(shù)實驗課程，由于涉及大量芯片和相應(yīng)管腳接線問題，現(xiàn)有的遠(yuǎn)程實驗平臺尚未很好解決，研發(fā)進度不理想。

　　2)從文獻數(shù)據(jù)來看。本文采用了 CNKI 中國知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫對發(fā)表于 2002—2021 年文章的分析，選取列出的詞頻大于 18 的 8個關(guān)鍵詞作為遠(yuǎn)程教育數(shù)據(jù)研究基礎(chǔ)。首先，在知網(wǎng)按關(guān)鍵詞檢索到到相關(guān)文章 1854 篇。然后選擇 Endnote格式導(dǎo)出文獻，采用 SATI 將文獻數(shù)據(jù)進行字段抽取，將統(tǒng)計得出的數(shù)據(jù)錄入 SPSS 數(shù)據(jù)分析工具，進行詞頻統(tǒng)計，生成共詞矩陣。詞條“遠(yuǎn)程實景”代表新型的遠(yuǎn)程實景實驗類型，其余詞條代表傳統(tǒng)的虛擬實驗類型。排除自相關(guān)系數(shù) 1 后，遠(yuǎn)程實景詞條的相似系數(shù)之和為 0.027，其余的七個詞條的相似系數(shù)之和均大于 0.027，說明遠(yuǎn)程實景實驗在目前虛擬實驗中占比較少。

　　3)從數(shù)據(jù)年度變化來看。我國的遠(yuǎn)程實驗發(fā)展迅速，遠(yuǎn)程實景實驗作為遠(yuǎn)程實驗中的一種新型實驗形式，更貼近于現(xiàn)實實驗，近年來得到了迅速發(fā)展。為分析這種實驗形式的發(fā)展情況，本文給出了傳統(tǒng)虛擬實驗和遠(yuǎn)程實景實驗的發(fā)展情況統(tǒng)計數(shù)據(jù)。相關(guān)教學(xué)研究文章從 2009 年開始迅速增加，其中實景實驗方面的文章從 2012 年開始迅速增加，說明遠(yuǎn)程實景實驗是國內(nèi)高校實驗教學(xué)未來發(fā)展的新趨勢。

　　2 目前遠(yuǎn)程實驗軟件存在的主要問題

　　1)仿真實驗給實驗者的實驗臨場感和實驗效果不佳。在強調(diào)實際操作的外科醫(yī)學(xué)、化學(xué)、物理、機械等學(xué)科的實驗中，基于實驗場景的虛擬環(huán)境實驗雖然可以使學(xué)生建立一定的設(shè)備和實驗過程認(rèn)識，但這種由 3D 軟件構(gòu)建的與實驗場景和設(shè)備的互動仍然以鼠標(biāo)點擊為主，與真實實驗完全不同。雖然 VR 設(shè)備可以在一定程度上增強人機互動的友好，但是實驗成本過于高昂，無法應(yīng)用于每個學(xué)生的遠(yuǎn)程教育。

　　2)虛擬仿真實驗缺乏模擬現(xiàn)實的算法仿真。由于目前的一些教學(xué)類仿真實驗缺乏模擬現(xiàn)實的算法仿真，造成數(shù)據(jù)簡單，通過簡單計算即可得出結(jié)果。而現(xiàn)實中的很多實驗是無法用數(shù)學(xué)方法模擬的，如生理科學(xué)實驗、天體物理實驗、生物工程、地質(zhì)科學(xué)和復(fù)雜的控制工程實驗等，目前仍沒有一種數(shù)學(xué)方法能夠快速而科學(xué)地模擬。另一方面，虛擬實驗室中的虛擬元器件、儀器儀表等與真實實驗設(shè)備和儀器不可避免地存在差異，降低了學(xué)生對實驗的重視程度。

　　3)遠(yuǎn)程實景實驗存在網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)瓶頸。為了克服目前仿真實驗的缺陷，提高仿真實驗的實驗效果和教學(xué)質(zhì)量，需要研發(fā)一種實景化的實驗仿真技術(shù)，即能夠真實展現(xiàn)實驗現(xiàn)場、實驗操作、實驗過程，提高實驗者的實驗臨場體驗。隨著網(wǎng)絡(luò)和控制技術(shù)的發(fā)展，近年來，基于網(wǎng)絡(luò)控制和視頻監(jiān)控技術(shù)的遠(yuǎn)程實景實驗得到了很快發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)平臺將不受時空限制，能夠隨時隨地共享儀器設(shè)備和計算資源，允許學(xué)生、教師甚至社會人員通過網(wǎng)絡(luò)實景操作實驗設(shè)備、獲取和分析實驗數(shù)據(jù)。學(xué)生還可以按照自己的創(chuàng)意將多個模塊一同放在實驗平臺上，搭建自己的系統(tǒng)，在更高層次上開展多種綜合實驗，增強學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。但是，不同的實驗課程對應(yīng)著不同的網(wǎng)絡(luò)控制方式和數(shù)據(jù)要求，例如，電機和電路課程的驗證性實景實驗，由于沒有線路上的調(diào)整，往往側(cè)重于遙測技術(shù);而數(shù)字電子技術(shù)課程實驗，通常強調(diào)采用不同數(shù)字器件進行設(shè)計性實驗，對網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)提出了很高要求，目前這種類型的設(shè)計性遠(yuǎn)程實景實驗還存在技術(shù)瓶頸。

　　3 實景實驗平臺方案設(shè)計案例

　　高等教育中的電類實驗課程往往強調(diào)創(chuàng)新設(shè)計型實驗，尤其對接線更為靈活的弱電實驗要求更高，這就對網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)提出了更高要求，需要設(shè)計靈活的硬件設(shè)備接口網(wǎng)絡(luò)連接模塊。這種控制方式技術(shù)要求高，目前國內(nèi)還沒有滿足這種要求的實驗平臺。鑒于此，課題組以控制復(fù)雜的數(shù)字電子技術(shù)遠(yuǎn)程實景實驗作為案例，研制了相關(guān)的實驗教學(xué)設(shè)備。該實驗教學(xué)設(shè)備通過放置于實驗室的遠(yuǎn)程實驗箱，將數(shù)字芯片管腳通過網(wǎng)絡(luò)接口、FPGA 模塊來模擬現(xiàn)實的導(dǎo)線接線，學(xué)生可通過網(wǎng)絡(luò)攝像頭查看實驗箱上的 LED 燈及示波器等測量設(shè)備的輸出情況。這種方法將虛擬軟件與現(xiàn)實實驗相結(jié)合，成為一種新的數(shù)字技術(shù)課程實驗技術(shù)和實驗方式，能夠激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識，培養(yǎng)學(xué)生的線上接線興趣，能有效實現(xiàn)數(shù)字實驗室實驗設(shè)備的共享共用[2,7]。

　　3.1 系統(tǒng)構(gòu)成遠(yuǎn)程

　　在線實景實驗平臺包括用戶端的軟件實驗平臺和放置于實驗室的網(wǎng)絡(luò)硬件平臺，即在線實驗軟件客戶端管理平臺和在線實驗箱硬件平臺。

　　3.2 客戶端結(jié)構(gòu)

　　客戶端是教師進行教學(xué)的主要平臺。在線實驗客戶端軟件管理平臺可實現(xiàn)實驗在線預(yù)習(xí)檢測、實驗預(yù)約、遠(yuǎn)程在線實驗、實驗過程數(shù)據(jù)采集，以及形成性評價等功能。其中網(wǎng)絡(luò)表的編寫是學(xué)生預(yù)習(xí)的主要內(nèi)容，需要學(xué)生根據(jù)通信協(xié)議編寫依據(jù)實驗室設(shè)備定義的網(wǎng)絡(luò)表文件，實驗過程中需要隨時調(diào)整網(wǎng)絡(luò)表文件，并觀察遠(yuǎn)程實驗箱的實驗結(jié)果是否與預(yù)習(xí)內(nèi)容相符。客戶端具有圖像監(jiān)控模塊及數(shù)據(jù)評測功能，可以通過 Socket 方式與遠(yuǎn)程實驗箱用戶端實驗平臺進行遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)通信[8]。

　　3.3 遠(yuǎn)程實驗箱

　　數(shù)據(jù)接收模塊負(fù)責(zé)將接收到的網(wǎng)絡(luò)表數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為設(shè)備管腳的連線網(wǎng)絡(luò)，由可編程門陣列(FPGA)構(gòu)成。具體來說，一方面負(fù)責(zé)按接收到的按照端點序號表示的網(wǎng)絡(luò)表數(shù)據(jù)進行連線，另一方面負(fù)責(zé)將接收到的管腳狀態(tài)命令設(shè)置設(shè)備管腳電壓。設(shè)備模塊為真實存在的物理器件(電阻、電容、電感和放大器等)的裝載板，網(wǎng)絡(luò)表中，各器件的管座管腳序號對應(yīng)了 FPGA 定義的虛擬端口，同一網(wǎng)絡(luò)中的端口在 FPGA 中實現(xiàn)了物理意義上的連接[9-10]。實驗平臺還配備了具有通信功能的數(shù)字儀器儀表(萬用表、信號源和示波器)，通過網(wǎng)絡(luò)攝像頭可實現(xiàn)客戶端實時查看實驗情況。實驗臺采用模塊化組裝形式，可通過更換相關(guān)實驗器件開展其他實驗項目。學(xué)生可借助實驗臺不斷嘗試自己的實驗想法，培養(yǎng)創(chuàng)新性設(shè)計能力。教師端和學(xué)生端用戶可自行安裝在線實驗軟件管理系統(tǒng)，通過命令調(diào)用元器件、電路模塊等設(shè)備實現(xiàn)電路連接，下發(fā)至硬件平臺，觀察實驗現(xiàn)象，并記錄實驗數(shù)據(jù)。

　　3.4 實驗方法

　　在上位機客戶端，學(xué)生錄入個人信息完成登錄后，按照指導(dǎo)教師給出的設(shè)備代碼和通信協(xié)議，將預(yù)先完成的設(shè)備網(wǎng)絡(luò)表數(shù)據(jù)上傳至遠(yuǎn)程實驗箱，利用實驗箱上的 FPGA 模塊將獨立的各設(shè)備的管腳相連構(gòu)成連線網(wǎng)絡(luò)。如果用戶發(fā)出操作命令，F(xiàn)PGA模塊還可以設(shè)定管腳的電平狀態(tài)，來給出真實的管腳電平。實驗平臺還支持?jǐn)?shù)字儀器儀表獲取硬件真實數(shù)據(jù)，并通過通信接口上傳至客戶端。學(xué)生可以通過網(wǎng)絡(luò)攝像頭觀察輸出設(shè)備的數(shù)值變化，從而達(dá)到身臨其境的實驗效果。

　　4 實景實驗平臺方案應(yīng)用

　　三人搶答器實驗是數(shù)字電子技術(shù)課程的必修實驗，實驗?zāi)康氖橇私饣�本時序器件觸發(fā)器和組合器件能夠構(gòu)成具有實用價值的數(shù)字設(shè)備，也是數(shù)字電子技術(shù)課程的典型實驗。三人搶答器實驗屬于時序電路中的驗證性實驗，實驗前先由教師檢查學(xué)生的預(yù)習(xí)報告，然后講解實驗?zāi)康暮蛯嶒炘�理，讓學(xué)生依據(jù)實驗指導(dǎo)書列出的實驗內(nèi)容和實驗步驟進行自主實驗，要求學(xué)生觀察和記錄實驗現(xiàn)象及實驗數(shù)據(jù)，實驗結(jié)束后學(xué)生需要根據(jù)教師的要求完成實驗報告[11-12]。本文提出的遠(yuǎn)程實景平臺的操作過程類似于目前的現(xiàn)實實驗，平臺只是將現(xiàn)實實驗中的接線和結(jié)果觀察轉(zhuǎn)由網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)。

　　5 結(jié)語

　　進入新世紀(jì)以來，遠(yuǎn)程實驗在我國高校得到了快速發(fā)展，在新冠疫情下，對遠(yuǎn)程實驗教育的需求更加迫切。目前，遠(yuǎn)程實驗的主要形式是完全虛擬現(xiàn)實的仿真實驗，這種形式的實驗缺乏與實際實驗設(shè)備的人機交互，而基于網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)和視頻技術(shù)的實景實驗則是遠(yuǎn)程實驗教學(xué)的改革方向。與傳統(tǒng)的虛擬實驗相比，遠(yuǎn)程在線實景實驗更加貼近線下實驗，但受現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)所限，這種遠(yuǎn)程實驗仍然存在一些技術(shù)問題。本文針對“數(shù)字電子技術(shù)”課程的遠(yuǎn)程在線實景實驗要求，研制了實景實驗平臺。

　　這是一種介于線上和線下之間的實驗方法。該實驗系統(tǒng)能夠使學(xué)生利用網(wǎng)絡(luò)平臺，通過自定義的通信命令，在實驗箱上的FPGA 模塊實現(xiàn)硬件連接，然后通過遠(yuǎn)程監(jiān)控查看實驗效果。通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，本實驗平臺可以將真實的儀器設(shè)備模塊與上位機客戶端軟件相連接，從而實現(xiàn)對真實電路的搭建，實現(xiàn)遠(yuǎn)程在線對實驗室中的設(shè)備進行真實操控，實現(xiàn)實驗現(xiàn)象的同步顯示。本文以三人搶答器實驗為教學(xué)案例，闡述了遠(yuǎn)程在線實景實驗的具體過程，本文設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)表語言便于后續(xù)數(shù)字系統(tǒng)課程的學(xué)習(xí)。該項實驗開設(shè)以來，受到我校電類專業(yè)學(xué)生的廣泛好評。

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　　作者：陳 燁，袁小平