摘 要：目前我國高校課程線上實驗教學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，造成學生的學習能動性降低。遠程在線實景實驗技術是近些年出現的一種介于線上和線下實驗的新方法，結合了兩種實驗技術的優點。該文提出一種數字電子技術課程遠程在線實景實驗平臺，對平臺的設計和應用進行了詳細介紹。

　　關鍵詞：數字電子技術;遠程;實景實驗

　　線下傳統實驗室實驗是高校學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，高校實驗教學的在線教學發展迅速。目前在線實驗分為三種形式，第一種是虛擬現實技術的應用，通過 Web3D 技術構建虛擬化的實驗環境和實驗設備[1-2]，主要應用于物理和機械類實驗;第二種是不需要虛擬現實的由功能類虛擬軟件構建的實驗環境，主要應用于電學和化學類實驗[3-4]，“數字邏輯與數字系統設計”課程中普遍采用的 Protel 和 Multisim便是這種類型的實驗平臺;第三種是介于現實實驗和虛擬仿真實驗之間的遠程實景實驗[5-6]，這是近幾年出現的一種介于線上和線下實驗技術的新方法，是通過網絡來控制現實的實驗設備，并通過視頻監控現實實驗結果，這種新穎的實驗形式很大程度上能夠提高學生學習的能動性。本文首先基于數據分析國內外遠程教育的發展狀況，闡述目前遠程實驗軟件存在的主要問題，然后給出實景實驗平臺設計方案，最后作為遠程實景實驗平臺的案例介紹數字電子技術課程中典型的三人搶答器的網絡實現。

　　1 國內外遠程實驗教育的發展

　　1.1 國外發展情況

　　國外遠程實驗教育采用了多種虛擬仿真技術，主要包括人機交互技術、虛擬現實技術、仿真技術、多媒體技術、可視化技術、虛擬仿真技術、增強現實技術、虛擬世界、3D 打印技術和遙現技術等。美國大學的網絡教學發展較早，多數高校形成了一整套系統性的遠程教學方案。以耶魯大學和密歇根大學為例，他們在疫情期間全面啟用了各學科的網絡教學。生物科學一直是兩校的優勢學科，兩校一直重視該學科的遠程教學，構建了各專業基于 PAD、Web3D和大數據技術的虛擬仿真實驗系統。英國劍橋大學的天文研究所是國際著名的教學研究機構，他們利用網絡應用程序和虛擬現實技術構建了虛擬天文實驗室，使校內外的學生都可共享虛擬儀器設備。

　　地球科學實驗室也是該校的特色，實驗室將世界各地的地質標本數據化，可以通過虛擬顯微鏡查看標本切片圖片，實現虛擬儀器設備的網絡共享。西班牙 IE 商學院注重發展教育游戲類軟件。該校研制了一款政治游戲教學軟件，利用該軟件可以仿真國家經濟、政治相關的重要議題，甚至組成“聯合國”討論國際關系，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研究，一些公司也開發了大量遠程虛擬實驗平臺。例如，澳大利亞 EMONA 公司于 2018 年研發了 net CIRCUITlabs 虛-實結合電子技術教學-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、具備實際硬件電路連接與操作、高集成度的虛-實結合電子技術教學-實驗云平臺。國內的杭州電子科技大學、大連海事大學等院校采用了該平臺。

　　1.2 國內發展情況

　　進入新世紀以來，伴隨著我國網絡建設的高速發展，遠程實驗得到了快速發展，教育部和各級教育政府部門高度重視虛擬實驗教學。2017 年 7 月，教育部辦公廳印發了《教育部辦公廳關于 2017—2020 年開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設的通知》，決定依托教育部的高校實驗教學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項目建設工作。2019 年，新冠疫情的爆發加速了高校遠程實驗教學改革。2020 年，教育部推出 1000 個“示范性虛擬仿真實驗教學項目”，統一遠程虛擬實驗建設要求，建議以省級為單位建立虛擬實驗建設平臺，強化虛擬實驗課程的監管和標準化建設。隨后，省一級教育部門進行了虛擬仿真實驗教學共享平臺建設，其中江蘇省于 2016 年率先在全國開展了虛擬仿真實驗教學共享平臺遴選建設工作，目前已基本完成了省內高校虛擬仿真實驗資源建設。進入新世紀以來的國內遠程實驗教學的發展情況可以從以下三個方面概述。

　　1)從應用情況來看。主要的實驗形式是基于 Web3D 技術的虛擬實驗室和遠程虛擬仿真軟件。基于 Web3D 技術，目前國家資助和各省建立的虛擬仿真實驗教學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實驗室，并融入了大數據，不需要硬件支持，這類虛擬場景仿真系統被很多高校采用，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，近年來遠程實景實驗得到了較快發展。但是由于所需的較為復雜的遠程控制系統技術在國內起步較晚，現有的這類高校實驗平臺主要是電類專業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于 2019 年研制的，采用美國 Altera公司 FPGA 開發軟件 Quartus II 遠程控制技術的數字系統實驗平臺。該校還采用澳大利亞 EMONA 公司的net CIRCUIT labs 軟件，構建了模擬電子的遠程實景實驗平臺。另外，四川大學于 2020 年建設了模擬電路的遠程實景實驗平臺。對于電類專業重要的數字電子技術實驗課程，由于涉及大量芯片和相應管腳接線問題，現有的遠程實驗平臺尚未很好解決，研發進度不理想。

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

　　3)從數據年度變化來看。我國的遠程實驗發展迅速，遠程實景實驗作為遠程實驗中的一種新型實驗形式，更貼近于現實實驗，近年來得到了迅速發展。為分析這種實驗形式的發展情況，本文給出了傳統虛擬實驗和遠程實景實驗的發展情況統計數據。相關教學研究文章從 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，說明遠程實景實驗是國內高校實驗教學未來發展的新趨勢。

　　2 目前遠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。在強調實際操作的外科醫學、化學、物理、機械等學科的實驗中，基于實驗場景的虛擬環境實驗雖然可以使學生建立一定的設備和實驗過程認識，但這種由 3D 軟件構建的與實驗場景和設備的互動仍然以鼠標點擊為主，與真實實驗完全不同。雖然 VR 設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，無法應用于每個學生的遠程教育。

　　2)虛擬仿真實驗缺乏模擬現實的算法仿真。由于目前的一些教學類仿真實驗缺乏模擬現實的算法仿真，造成數據簡單，通過簡單計算即可得出結果。而現實中的很多實驗是無法用數學方法模擬的，如生理科學實驗、天體物理實驗、生物工程、地質科學和復雜的控制工程實驗等，目前仍沒有一種數學方法能夠快速而科學地模擬。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備和儀器不可避免地存在差異，降低了學生對實驗的重視程度。

　　3)遠程實景實驗存在網絡控制技術瓶頸。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質量，需要研發一種實景化的實驗仿真技術，即能夠真實展現實驗現場、實驗操作、實驗過程，提高實驗者的實驗臨場體驗。隨著網絡和控制技術的發展，近年來，基于網絡控制和視頻監控技術的遠程實景實驗得到了很快發展，網絡平臺將不受時空限制，能夠隨時隨地共享儀器設備和計算資源，允許學生、教師甚至社會人員通過網絡實景操作實驗設備、獲取和分析實驗數據。學生還可以按照自己的創意將多個模塊一同放在實驗平臺上，搭建自己的系統，在更高層次上開展多種綜合實驗，增強學生的學習興趣。但是，不同的實驗課程對應著不同的網絡控制方式和數據要求，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整，往往側重于遙測技術;而數字電子技術課程實驗，通常強調采用不同數字器件進行設計性實驗，對網絡控制技術提出了很高要求，目前這種類型的設計性遠程實景實驗還存在技術瓶頸。

　　3 實景實驗平臺方案設計案例

　　高等教育中的電類實驗課程往往強調創新設計型實驗，尤其對接線更為靈活的弱電實驗要求更高，這就對網絡控制系統提出了更高要求，需要設計靈活的硬件設備接口網絡連接模塊。這種控制方式技術要求高，目前國內還沒有滿足這種要求的實驗平臺。鑒于此，課題組以控制復雜的數字電子技術遠程實景實驗作為案例，研制了相關的實驗教學設備。該實驗教學設備通過放置于實驗室的遠程實驗箱，將數字芯片管腳通過網絡接口、FPGA 模塊來模擬現實的導線接線，學生可通過網絡攝像頭查看實驗箱上的 LED 燈及示波器等測量設備的輸出情況。這種方法將虛擬軟件與現實實驗相結合，成為一種新的數字技術課程實驗技術和實驗方式，能夠激發學生的創新意識，培養學生的線上接線興趣，能有效實現數字實驗室實驗設備的共享共用[2,7]。

　　3.1 系統構成遠程

　　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絡硬件平臺，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 客戶端結構

　　客戶端是教師進行教學的主要平臺。在線實驗客戶端軟件管理平臺可實現實驗在線預習檢測、實驗預約、遠程在線實驗、實驗過程數據采集，以及形成性評價等功能。其中網絡表的編寫是學生預習的主要內容，需要學生根據通信協議編寫依據實驗室設備定義的網絡表文件，實驗過程中需要隨時調整網絡表文件，并觀察遠程實驗箱的實驗結果是否與預習內容相符。客戶端具有圖像監控模塊及數據評測功能，可以通過 Socket 方式與遠程實驗箱用戶端實驗平臺進行遠程網絡通信[8]。

　　3.3 遠程實驗箱

　　數據接收模塊負責將接收到的網絡表數據轉化為設備管腳的連線網絡，由可編程門陣列(FPGA)構成。具體來說，一方面負責按接收到的按照端點序號表示的網絡表數據進行連線，另一方面負責將接收到的管腳狀態命令設置設備管腳電壓。設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，網絡表中，各器件的管座管腳序號對應了 FPGA 定義的虛擬端口，同一網絡中的端口在 FPGA 中實現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字儀器儀表(萬用表、信號源和示波器)，通過網絡攝像頭可實現客戶端實時查看實驗情況。實驗臺采用模塊化組裝形式，可通過更換相關實驗器件開展其他實驗項目。學生可借助實驗臺不斷嘗試自己的實驗想法，培養創新性設計能力。教師端和學生端用戶可自行安裝在線實驗軟件管理系統，通過命令調用元器件、電路模塊等設備實現電路連接，下發至硬件平臺，觀察實驗現象，并記錄實驗數據。

　　3.4 實驗方法

　　在上位機客戶端，學生錄入個人信息完成登錄后，按照指導教師給出的設備代碼和通信協議，將預先完成的設備網絡表數據上傳至遠程實驗箱，利用實驗箱上的 FPGA 模塊將獨立的各設備的管腳相連構成連線網絡。如果用戶發出操作命令，FPGA模塊還可以設定管腳的電平狀態，來給出真實的管腳電平。實驗平臺還支持數字儀器儀表獲取硬件真實數據，并通過通信接口上傳至客戶端。學生可以通過網絡攝像頭觀察輸出設備的數值變化，從而達到身臨其境的實驗效果。

　　4 實景實驗平臺方案應用

　　三人搶答器實驗是數字電子技術課程的必修實驗，實驗目的是了解基本時序器件觸發器和組合器件能夠構成具有實用價值的數字設備，也是數字電子技術課程的典型實驗。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生的預習報告，然后講解實驗目的和實驗原理，讓學生依據實驗指導書列出的實驗內容和實驗步驟進行自主實驗，要求學生觀察和記錄實驗現象及實驗數據，實驗結束后學生需要根據教師的要求完成實驗報告[11-12]。本文提出的遠程實景平臺的操作過程類似于目前的現實實驗，平臺只是將現實實驗中的接線和結果觀察轉由網絡實現。

　　5 結語

　　進入新世紀以來，遠程實驗在我國高校得到了快速發展，在新冠疫情下，對遠程實驗教育的需求更加迫切。目前，遠程實驗的主要形式是完全虛擬現實的仿真實驗，這種形式的實驗缺乏與實際實驗設備的人機交互，而基于網絡控制技術和視頻技術的實景實驗則是遠程實驗教學的改革方向。與傳統的虛擬實驗相比，遠程在線實景實驗更加貼近線下實驗，但受現有網絡控制技術所限，這種遠程實驗仍然存在一些技術問題。本文針對“數字電子技術”課程的遠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。該實驗系統能夠使學生利用網絡平臺，通過自定義的通信命令，在實驗箱上的FPGA 模塊實現硬件連接，然后通過遠程監控查看實驗效果。通過互聯網技術，本實驗平臺可以將真實的儀器設備模塊與上位機客戶端軟件相連接，從而實現對真實電路的搭建，實現遠程在線對實驗室中的設備進行真實操控，實現實驗現象的同步顯示。本文以三人搶答器實驗為教學案例，闡述了遠程在線實景實驗的具體過程，本文設計的網絡表語言便于后續數字系統課程的學習。該項實驗開設以來，受到我校電類專業學生的廣泛好評。

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　　作者：陳 燁，袁小平