我国高校远程实验教育的发展和远程实景实验探索

　　摘 要：目前我国高校课程线上实验教学的主要模式是虚拟仪器仿真，其主要缺陷是缺乏线下实验具有的动手体验，造成学生的学习能动性降低。远程在线实景实验技术是近些年出现的一种介于线上和线下实验的新方法，结合了两种实验技术的优点。该文提出一种数字电子技术课程远程在线实景实验平台，对平台的设计和应用进行了详细介绍。

　　关键词：数字电子技术;远程;实景实验

　　线下传统实验室实验是高校学生实验的最主要形式，具有直观、真实特点，不仅具有参与性和动手性，更重要的是能够与教师进行面对面的肢体语言交流，这种实验效果是线上实验无法达到的。随着高校招生的扩大及高校实验室管理人员及实验设备的紧张，尤其是在疫情影响下，线下实验在实验时间安排、实验室资源共享等方面存在不足。因此，高校实验教学的在线教学发展迅速。目前在线实验分为三种形式，第一种是虚拟现实技术的应用，通过 Web3D 技术构建虚拟化的实验环境和实验设备[1-2]，主要应用于物理和机械类实验;第二种是不需要虚拟现实的由功能类虚拟软件构建的实验环境，主要应用于电学和化学类实验[3-4]，“数字逻辑与数字系统设计”课程中普遍采用的 Protel 和 Multisim便是这种类型的实验平台;第三种是介于现实实验和虚拟仿真实验之间的远程实景实验[5-6]，这是近几年出现的一种介于线上和线下实验技术的新方法，是通过网络来控制现实的实验设备，并通过视频监控现实实验结果，这种新颖的实验形式很大程度上能够提高学生学习的能动性。本文首先基于数据分析国内外远程教育的发展状况，阐述目前远程实验软件存在的主要问题，然后给出实景实验平台设计方案，最后作为远程实景实验平台的案例介绍数字电子技术课程中典型的三人抢答器的网络实现。

　　1 国内外远程实验教育的发展

　　1.1 国外发展情况

　　国外远程实验教育采用了多种虚拟仿真技术，主要包括人机交互技术、虚拟现实技术、仿真技术、多媒体技术、可视化技术、虚拟仿真技术、增强现实技术、虚拟世界、3D 打印技术和遥现技术等。美国大学的网络教学发展较早，多数高校形成了一整套系统性的远程教学方案。以耶鲁大学和密歇根大学为例，他们在疫情期间全面启用了各学科的网络教学。生物科学一直是两校的优势学科，两校一直重视该学科的远程教学，构建了各专业基于 PAD、Web3D和大数据技术的虚拟仿真实验系统。英国剑桥大学的天文研究所是国际著名的教学研究机构，他们利用网络应用程序和虚拟现实技术构建了虚拟天文实验室，使校内外的学生都可共享虚拟仪器设备。

　　地球科学实验室也是该校的特色，实验室将世界各地的地质标本数据化，可以通过虚拟显微镜查看标本切片图片，实现虚拟仪器设备的网络共享。西班牙 IE 商学院注重发展教育游戏类软件。该校研制了一款政治游戏教学软件，利用该软件可以仿真国家经济、政治相关的重要议题，甚至组成“联合国”讨论国际关系，或组成“议会”模拟国家政策制定。不仅国外高校进行了大量虚拟实验室的建设研究，一些公司也开发了大量远程虚拟实验平台。例如，澳大利亚 EMONA 公司于 2018 年研发了 net CIRCUITlabs 虚-实结合电子技术教学-实验云平台。该平台不同于一般意义上的虚拟仿真软件，而是全新的、基于FPGA 技术、具备实际硬件电路连接与操作、高集成度的虚-实结合电子技术教学-实验云平台。国内的杭州电子科技大学、大连海事大学等院校采用了该平台。

　　1.2 国内发展情况

　　进入新世纪以来，伴随着我国网络建设的高速发展，远程实验得到了快速发展，教育部和各级教育政府部门高度重视虚拟实验教学。2017 年 7 月，教育部办公厅印发了《教育部办公厅关于 2017—2020 年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知》，决定依托教育部的高校实验教学改革项目和虚拟实验项目，于2017—2020 年在本科院校开展虚拟仿真实验教学项目建设工作。2019 年，新冠疫情的爆发加速了高校远程实验教学改革。2020 年，教育部推出 1000 个“示范性虚拟仿真实验教学项目”，统一远程虚拟实验建设要求，建议以省级为单位建立虚拟实验建设平台，强化虚拟实验课程的监管和标准化建设。随后，省一级教育部门进行了虚拟仿真实验教学共享平台建设，其中江苏省于 2016 年率先在全国开展了虚拟仿真实验教学共享平台遴选建设工作，目前已基本完成了省内高校虚拟仿真实验资源建设。进入新世纪以来的国内远程实验教学的发展情况可以从以下三个方面概述。

　　1)从应用情况来看。主要的实验形式是基于 Web3D 技术的虚拟实验室和远程虚拟仿真软件。基于 Web3D 技术，目前国家资助和各省建立的虚拟仿真实验教学共享平台所纳入的课程主要是模拟 3D 场景的虚拟仿真实验教学实验室，并融入了大数据，不需要硬件支持，这类虚拟场景仿真系统被很多高校采用，获得了广泛好评。针对虚拟仿真实验与实际实验互动性较差问题，近年来远程实景实验得到了较快发展。但是由于所需的较为复杂的远程控制系统技术在国内起步较晚，现有的这类高校实验平台主要是电类专业中线路要求较为固定的、模式化的验证性实验。

　　较具代表性的是杭州电子科技大学于 2019 年研制的，采用美国 Altera公司 FPGA 开发软件 Quartus II 远程控制技术的数字系统实验平台。该校还采用澳大利亚 EMONA 公司的net CIRCUIT labs 软件，构建了模拟电子的远程实景实验平台。另外，四川大学于 2020 年建设了模拟电路的远程实景实验平台。对于电类专业重要的数字电子技术实验课程，由于涉及大量芯片和相应管脚接线问题，现有的远程实验平台尚未很好解决，研发进度不理想。

　　2)从文献数据来看。本文采用了 CNKI 中国知网数据库对发表于 2002—2021 年文章的分析，选取列出的词频大于 18 的 8个关键词作为远程教育数据研究基础。首先，在知网按关键词检索到到相关文章 1854 篇。然后选择 Endnote格式导出文献，采用 SATI 将文献数据进行字段抽取，将统计得出的数据录入 SPSS 数据分析工具，进行词频统计，生成共词矩阵。词条“远程实景”代表新型的远程实景实验类型，其余词条代表传统的虚拟实验类型。排除自相关系数 1 后，远程实景词条的相似系数之和为 0.027，其余的七个词条的相似系数之和均大于 0.027，说明远程实景实验在目前虚拟实验中占比较少。

　　3)从数据年度变化来看。我国的远程实验发展迅速，远程实景实验作为远程实验中的一种新型实验形式，更贴近于现实实验，近年来得到了迅速发展。为分析这种实验形式的发展情况，本文给出了传统虚拟实验和远程实景实验的发展情况统计数据。相关教学研究文章从 2009 年开始迅速增加，其中实景实验方面的文章从 2012 年开始迅速增加，说明远程实景实验是国内高校实验教学未来发展的新趋势。

　　2 目前远程实验软件存在的主要问题

　　1)仿真实验给实验者的实验临场感和实验效果不佳。在强调实际操作的外科医学、化学、物理、机械等学科的实验中，基于实验场景的虚拟环境实验虽然可以使学生建立一定的设备和实验过程认识，但这种由 3D 软件构建的与实验场景和设备的互动仍然以鼠标点击为主，与真实实验完全不同。虽然 VR 设备可以在一定程度上增强人机互动的友好，但是实验成本过于高昂，无法应用于每个学生的远程教育。

　　2)虚拟仿真实验缺乏模拟现实的算法仿真。由于目前的一些教学类仿真实验缺乏模拟现实的算法仿真，造成数据简单，通过简单计算即可得出结果。而现实中的很多实验是无法用数学方法模拟的，如生理科学实验、天体物理实验、生物工程、地质科学和复杂的控制工程实验等，目前仍没有一种数学方法能够快速而科学地模拟。另一方面，虚拟实验室中的虚拟元器件、仪器仪表等与真实实验设备和仪器不可避免地存在差异，降低了学生对实验的重视程度。

　　3)远程实景实验存在网络控制技术瓶颈。为了克服目前仿真实验的缺陷，提高仿真实验的实验效果和教学质量，需要研发一种实景化的实验仿真技术，即能够真实展现实验现场、实验操作、实验过程，提高实验者的实验临场体验。随着网络和控制技术的发展，近年来，基于网络控制和视频监控技术的远程实景实验得到了很快发展，网络平台将不受时空限制，能够随时随地共享仪器设备和计算资源，允许学生、教师甚至社会人员通过网络实景操作实验设备、获取和分析实验数据。学生还可以按照自己的创意将多个模块一同放在实验平台上，搭建自己的系统，在更高层次上开展多种综合实验，增强学生的学习兴趣。但是，不同的实验课程对应着不同的网络控制方式和数据要求，例如，电机和电路课程的验证性实景实验，由于没有线路上的调整，往往侧重于遥测技术;而数字电子技术课程实验，通常强调采用不同数字器件进行设计性实验，对网络控制技术提出了很高要求，目前这种类型的设计性远程实景实验还存在技术瓶颈。

　　3 实景实验平台方案设计案例

　　高等教育中的电类实验课程往往强调创新设计型实验，尤其对接线更为灵活的弱电实验要求更高，这就对网络控制系统提出了更高要求，需要设计灵活的硬件设备接口网络连接模块。这种控制方式技术要求高，目前国内还没有满足这种要求的实验平台。鉴于此，课题组以控制复杂的数字电子技术远程实景实验作为案例，研制了相关的实验教学设备。该实验教学设备通过放置于实验室的远程实验箱，将数字芯片管脚通过网络接口、FPGA 模块来模拟现实的导线接线，学生可通过网络摄像头查看实验箱上的 LED 灯及示波器等测量设备的输出情况。这种方法将虚拟软件与现实实验相结合，成为一种新的数字技术课程实验技术和实验方式，能够激发学生的创新意识，培养学生的线上接线兴趣，能有效实现数字实验室实验设备的共享共用[2,7]。

　　3.1 系统构成远程

　　在线实景实验平台包括用户端的软件实验平台和放置于实验室的网络硬件平台，即在线实验软件客户端管理平台和在线实验箱硬件平台。

　　3.2 客户端结构

　　客户端是教师进行教学的主要平台。在线实验客户端软件管理平台可实现实验在线预习检测、实验预约、远程在线实验、实验过程数据采集，以及形成性评价等功能。其中网络表的编写是学生预习的主要内容，需要学生根据通信协议编写依据实验室设备定义的网络表文件，实验过程中需要随时调整网络表文件，并观察远程实验箱的实验结果是否与预习内容相符。客户端具有图像监控模块及数据评测功能，可以通过 Socket 方式与远程实验箱用户端实验平台进行远程网络通信[8]。

　　3.3 远程实验箱

　　数据接收模块负责将接收到的网络表数据转化为设备管脚的连线网络，由可编程门阵列(FPGA)构成。具体来说，一方面负责按接收到的按照端点序号表示的网络表数据进行连线，另一方面负责将接收到的管脚状态命令设置设备管脚电压。设备模块为真实存在的物理器件(电阻、电容、电感和放大器等)的装载板，网络表中，各器件的管座管脚序号对应了 FPGA 定义的虚拟端口，同一网络中的端口在 FPGA 中实现了物理意义上的连接[9-10]。实验平台还配备了具有通信功能的数字仪器仪表(万用表、信号源和示波器)，通过网络摄像头可实现客户端实时查看实验情况。实验台采用模块化组装形式，可通过更换相关实验器件开展其他实验项目。学生可借助实验台不断尝试自己的实验想法，培养创新性设计能力。教师端和学生端用户可自行安装在线实验软件管理系统，通过命令调用元器件、电路模块等设备实现电路连接，下发至硬件平台，观察实验现象，并记录实验数据。

　　3.4 实验方法

　　在上位机客户端，学生录入个人信息完成登录后，按照指导教师给出的设备代码和通信协议，将预先完成的设备网络表数据上传至远程实验箱，利用实验箱上的 FPGA 模块将独立的各设备的管脚相连构成连线网络。如果用户发出操作命令，FPGA模块还可以设定管脚的电平状态，来给出真实的管脚电平。实验平台还支持数字仪器仪表获取硬件真实数据，并通过通信接口上传至客户端。学生可以通过网络摄像头观察输出设备的数值变化，从而达到身临其境的实验效果。

　　4 实景实验平台方案应用

　　三人抢答器实验是数字电子技术课程的必修实验，实验目的是了解基本时序器件触发器和组合器件能够构成具有实用价值的数字设备，也是数字电子技术课程的典型实验。三人抢答器实验属于时序电路中的验证性实验，实验前先由教师检查学生的预习报告，然后讲解实验目的和实验原理，让学生依据实验指导书列出的实验内容和实验步骤进行自主实验，要求学生观察和记录实验现象及实验数据，实验结束后学生需要根据教师的要求完成实验报告[11-12]。本文提出的远程实景平台的操作过程类似于目前的现实实验，平台只是将现实实验中的接线和结果观察转由网络实现。

　　5 结语

　　进入新世纪以来，远程实验在我国高校得到了快速发展，在新冠疫情下，对远程实验教育的需求更加迫切。目前，远程实验的主要形式是完全虚拟现实的仿真实验，这种形式的实验缺乏与实际实验设备的人机交互，而基于网络控制技术和视频技术的实景实验则是远程实验教学的改革方向。与传统的虚拟实验相比，远程在线实景实验更加贴近线下实验，但受现有网络控制技术所限，这种远程实验仍然存在一些技术问题。本文针对“数字电子技术”课程的远程在线实景实验要求，研制了实景实验平台。

　　这是一种介于线上和线下之间的实验方法。该实验系统能够使学生利用网络平台，通过自定义的通信命令，在实验箱上的FPGA 模块实现硬件连接，然后通过远程监控查看实验效果。通过互联网技术，本实验平台可以将真实的仪器设备模块与上位机客户端软件相连接，从而实现对真实电路的搭建，实现远程在线对实验室中的设备进行真实操控，实现实验现象的同步显示。本文以三人抢答器实验为教学案例，阐述了远程在线实景实验的具体过程，本文设计的网络表语言便于后续数字系统课程的学习。该项实验开设以来，受到我校电类专业学生的广泛好评。

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　　作者：陈 烨，袁小平