楊景賀, 徐 倩, 陳鵬飛, 楊 光, 姚 立, 范潤龍, 高忠民, 田 地

(1. 吉林大學(xué) 儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院, 吉林 長春 130061; 2. 吉林大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院, 吉林 長春 130061;3. 中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所 北京離子探針中心, 北京 102206; 4. 吉林大學(xué) X射線衍射中心,吉林 長春 130061; 5. 吉林大學(xué) 無機(jī)合成與制備化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 吉林 長春 130061)

X射線衍射儀遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室開發(fā)

楊景賀1, 徐 倩1, 陳鵬飛1, 楊 光1, 姚 立2, 范潤龍3, 高忠民4,5, 田 地1

(1. 吉林大學(xué) 儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院, 吉林 長春 130061; 2. 吉林大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院, 吉林 長春 130061;3. 中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所 北京離子探針中心, 北京 102206; 4. 吉林大學(xué) X射線衍射中心,吉林 長春 130061; 5. 吉林大學(xué) 無機(jī)合成與制備化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 吉林 長春 130061)

吉林大學(xué)X射線衍射中心擁有先進(jìn)的儀器設(shè)備,雄厚的師資和技術(shù)力量，為了充分發(fā)揮吉林大學(xué)X射線衍射中心在儀器、學(xué)術(shù)和技術(shù)資源上的優(yōu)勢,實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)資源為社會服務(wù),開發(fā)了吉林大學(xué)X射線衍射儀遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有現(xiàn)場視頻與計(jì)算機(jī)屏幕視頻的實(shí)時播放、語音交互、實(shí)驗(yàn)案例點(diǎn)播、課程預(yù)約、信息發(fā)布、實(shí)驗(yàn)報(bào)告上傳、成績記錄等功能。現(xiàn)已開展遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)教學(xué)試驗(yàn)工作。

X射線衍射; 遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn); 網(wǎng)絡(luò)教學(xué)

20世紀(jì)90年代初國內(nèi)外就已開展了大型儀器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)。1990年Carl Zmola等人開展掃描電鏡遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn),實(shí)現(xiàn)樣品圖像遠(yuǎn)程傳輸。2002年建立的北京離子探針遠(yuǎn)程共享控制系統(tǒng)和2005年JOEL公司的POIT-EM系統(tǒng),不僅能共享實(shí)驗(yàn)結(jié)果和儀器計(jì)算機(jī)屏幕視頻,而且能實(shí)現(xiàn)專家異地遠(yuǎn)程操作儀器、語音交流等[5-7]。目前大型科學(xué)儀器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在提升儀器利用率和異地專家協(xié)同實(shí)驗(yàn)等方面取得了顯著成果[8-9]。遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)教學(xué)起步較晚,早期是2007年,在美國猶他州州立大學(xué)開設(shè)一門允許全球人參與的課程。近年來網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺的設(shè)立及課程提供商的興起,讓更多學(xué)生能夠參與各種網(wǎng)絡(luò)課程學(xué)習(xí)?，F(xiàn)在應(yīng)用最廣泛的是MOOC(大型開放式網(wǎng)絡(luò)課程),每個人都能免費(fèi)獲取來自名牌大學(xué)的資源,可以在任何地方對很多設(shè)備進(jìn)行學(xué)習(xí)[10]，但是未見大型分析儀器,特別是X射線衍射儀用于遠(yuǎn)程教學(xué)的報(bào)道。于是，我們開發(fā)了吉林大學(xué)X射線衍射儀遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室。

1 總體設(shè)計(jì)

吉林大學(xué)X射線衍射儀遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室具有現(xiàn)場視頻與計(jì)算機(jī)屏幕視頻的實(shí)時播放、語音交互、實(shí)驗(yàn)案例點(diǎn)播、課程預(yù)約、信息發(fā)布、實(shí)驗(yàn)報(bào)告上傳、成績記錄等功能,系統(tǒng)內(nèi)容框架如圖1所示。

系統(tǒng)功能基于B/S結(jié)構(gòu),用Java+MySQL+Tomcat技術(shù),并嵌入jQuery庫、AJAX技術(shù)、ActiveX控件，實(shí)現(xiàn)基于Web模式的功能。

圖1 系統(tǒng)內(nèi)容框架圖

2 功能模塊設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)過程同步播放子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)用于實(shí)時顯示實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場情況、控制儀器工作的計(jì)算機(jī)屏幕內(nèi)容。

硬件部分:實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場情況通過球形攝像頭獲取;X射線衍射儀計(jì)算機(jī)屏幕內(nèi)容通過視頻采集盒和VGA分配器獲取,經(jīng)H.264的視頻壓縮格式壓縮后實(shí)時播放給遠(yuǎn)端學(xué)生。

軟件部分:采用攝像頭提供的動態(tài)鏈接庫,實(shí)現(xiàn)對攝像頭拍攝角度及縮放倍數(shù)的控制。采用NetViewX控件,二次開發(fā)多路視頻通道的IP地址、端口和控制線程,實(shí)時顯示視頻信息。實(shí)驗(yàn)過程同步播放子系統(tǒng)流程如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)過程同步播放子系統(tǒng)流程圖

2.2 實(shí)驗(yàn)互動交流子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)用于建立遠(yuǎn)端學(xué)生與實(shí)驗(yàn)教師的語音交流。采用開源音頻控件VSession，控件作為網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室底層音頻控件,編寫服務(wù)器IP地址和數(shù)據(jù)端口等屬性封裝成符合教學(xué)功能的音頻控件。采用UDP內(nèi)網(wǎng)穿透技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,使一個內(nèi)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)在收發(fā)數(shù)據(jù)時將自己的IP地址和端口自動地呈現(xiàn)在外網(wǎng)上,并且能夠與系統(tǒng)內(nèi)其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行正確的通信,解決學(xué)生利用路由器上網(wǎng)無獨(dú)立IP地址而無法建立鏈接的問題[11]。實(shí)驗(yàn)互動交流子系統(tǒng)流程如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)互動交流子系統(tǒng)流程圖

2.3 實(shí)驗(yàn)信息共享子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)用于將X射線衍射儀的實(shí)驗(yàn)結(jié)果、測試圖表等實(shí)驗(yàn)信息進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化共享,使參與網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的學(xué)生就可以在線獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。采用位圖格式或無損圖像壓縮方式將截取的圖像傳輸給遠(yuǎn)端用戶,以保證遠(yuǎn)程共享的測試圖表具有與本地同等的清晰度。

2.4 實(shí)驗(yàn)案例點(diǎn)播子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)包括網(wǎng)絡(luò)課程資源和典型案例庫。網(wǎng)絡(luò)課程資源由大型多功能X射線衍射儀的功能構(gòu)造與應(yīng)用、晶體結(jié)構(gòu)點(diǎn)陣常數(shù)的精確測定,以及礦物定性、定量分析等課程單元組成。典型案例庫由高聚物結(jié)晶度分析、在牽伸過程中PAN原絲中微孔取向角的小角衍射動態(tài)變化規(guī)律分析、分子篩中有序微孔長周期的小角衍射分析等具有代表性的實(shí)驗(yàn)方法組成。

2.5 網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)包括課程預(yù)約、信息發(fā)布、實(shí)驗(yàn)報(bào)告上傳、成績記錄。采用課程預(yù)約的模式,防止當(dāng)有過多人同時在線觀看時,造成網(wǎng)絡(luò)擁堵、音視頻傳輸延遲的問題。教師在系統(tǒng)的通知公告上發(fā)布上課的時間段,學(xué)生根據(jù)教師規(guī)定的時間段選擇適合自己的上課時間[12]。

吉林大學(xué)X射線衍射儀遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)見圖4—圖6。

圖4 Web顯示儀器計(jì)算機(jī)屏幕圖

圖5 Web顯示現(xiàn)場情況圖

圖6 Web顯示案例點(diǎn)播圖

3 結(jié)束語

現(xiàn)已完成各個功能模塊的開發(fā)及系統(tǒng)的集成和安裝,并開展遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)教學(xué)試驗(yàn)工作,取得了良好的效果。本項(xiàng)工作可為其他大型科學(xué)儀器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)提供借鑒。

References)

[1] 高忠民,劉鶴,田地,等.X射線衍中心共享建設(shè)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2010,27(11):13-15.

[2] 聞星火,李明,黃樂,等.高等學(xué)校儀器設(shè)備和優(yōu)質(zhì)資源共享系統(tǒng)的建設(shè)與成效[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2006,23(10):6-11.

[3] 徐曉明,苗偉,陶琨,等.高水平X射線衍射儀開放共享服務(wù)平臺的建設(shè)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2011,28(3):191-194.

[4] 聞星火,孫麗為,劉連臣,等.建設(shè)高等學(xué)校儀器設(shè)備和優(yōu)質(zhì)資源共享系統(tǒng),為教學(xué)科研服務(wù)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2005,22(10):4-10.

[5] Furuya K,Tanaka M,K.Mitsuishi,et al.Public-opened Internet Electron Microscopy 2005 in Japan-Remote-control SEM and TEM for High-school Users[J].Microscopy and Microanalysis,2005,11(2):68-69.

[6]Carl Zmola,Oscar H.Kapp.Networking of an electron microscope laboratory internally and to the internet [C]//Applications of Optical Engineering:Proceedings of OE/ Midwes.USA:SPIE,1990:331-334.

[7] 劉敦一.大型科學(xué)裝備遠(yuǎn)程共享示范研究：離子探針示范系統(tǒng)[J].地球?qū)W報(bào),2006,01:50.

[8] 田地,邱春玲,楊智君,等.大型科學(xué)儀器工作狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)簡介[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2005,22(12):4-5.

[9] 馬駿驍,李偉,楊智君,等.科學(xué)儀器工作狀態(tài)監(jiān)測裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].分析化學(xué),2007,35(3):466-468.

[10] Carolyn King,Andrew Robinson,James Vickers,et al.Online education:Targeted MOOC captivates students [J].Nature,2014,505(7481):26.

[11] 白雪,劉學(xué),邱春玲.UDP內(nèi)網(wǎng)穿透技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].科技通報(bào),2013,29(9):77-80.

[12] 司曉波,焦世惠,陳鵬飛,等.基于貪心算法和近距離搜索法的實(shí)驗(yàn)室儀器預(yù)約研究[J].科技通報(bào),2013,29(9):72-76.

Development of remote network laboratory with X-ray diffractometer

Yang Jinghe1, Xu Qian1, Chen Pengfei1, Yang Guang1, Yao Li2, Fan Runlong3, Gao Zhongmin4,5, Tian Di1

(1. College of Instrumentation and Electrical Engineering,Jilin University,Changchun 130061, China; 2. College of Earth Sciences,Jilin University,Changchun 130061,China; 3. Beijing Sensitive Ion Microprobe Center,Institute of Geology Chinese Academy of Geology Sciences,Beijing 102206, China; 4. X-ray Diffraction Center,Jilin University,Changchun 130061,China; 5. State Key Laboratory of Inorganic Synthesis and Preparative Chemistry,Jilin University,Changchun 130061,China)

The X-ray Diffraction Center of Jilin University has the advanced instruments and equipment,abundant human resources and strong technical force.In order to give full play to the X-ray Diffraction Center of Jilin University on the instruments,academic and technical resource advantages,and realize the excellent resources providing high quality service for school and society, the remote network laboratory with the X-ray diffractometer of Jilin University is developed. It has realized live video and computer screen video real-time broadcast,voice interaction,document sharing,typical experiment cases on demand,course booking,information publishing,laboratory report uploaded,records,etc.Currently,the applied research and experimental teaching have been carried out.

X-ray diffraction; remote experiment; network teaching

2014- 11- 30 修改日期：2015- 02- 11

國家“211工程”項(xiàng)目“高等學(xué)校儀器設(shè)備和優(yōu)質(zhì)資源共享”(CERS-2-9)

楊景賀(1989—)，男，吉林吉林，碩士研究生，研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室

E-mail：youngyjh@163.com

田地(1958—)，男，吉林長春，博士，教授，研究方向?yàn)榉治鰞x器測控技術(shù)與軟件.

E-mail：tiandi@jlu.edu.cn

G434；G482

A

1002-4956(2015)6- 0251- 03