陳福彬 付曉輝

北京信息科技大學(xué) 北京 100101

虛擬化、網(wǎng)絡(luò)化電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的構(gòu)建

陳福彬 付曉輝

北京信息科技大學(xué) 北京 100101

隨著虛擬實(shí)驗(yàn)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)的虛擬化、網(wǎng)絡(luò)化成為一種發(fā)展趨勢(shì)并受到廣泛重視。將虛擬儀器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)管理等技術(shù)有機(jī)結(jié)合，構(gòu)建先進(jìn)的電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念與教學(xué)手段的變革，克服了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式呆板固化、儀器功能難以擴(kuò)展等弱點(diǎn)，有力地支持了常規(guī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)和工程創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)的開展，對(duì)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)起到了良好的促進(jìn)作用。

虛擬儀器；網(wǎng)絡(luò)技術(shù)；電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)

傳統(tǒng)的電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)側(cè)重于儀器設(shè)備的使用和單元電路的設(shè)計(jì)測(cè)試，并使用了一些電路設(shè)計(jì)仿真軟件，促進(jìn)了學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的掌握和其實(shí)踐能力的提高；但教學(xué)過程存在著技術(shù)手段陳舊、學(xué)習(xí)效率不高以及軟硬件使用脫節(jié)等問題，并且對(duì)學(xué)生工程創(chuàng)新類實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)支持力度不足，限制了對(duì)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

隨著教學(xué)改革工作的深入開展，全國各高校對(duì)電工電子實(shí)驗(yàn)課程在教學(xué)體系與內(nèi)容、教學(xué)方法方面不斷地進(jìn)行摸索創(chuàng)新。我們結(jié)合先進(jìn)的虛擬儀器技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，構(gòu)建了一種虛擬化網(wǎng)絡(luò)化電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了靈活高效的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，形成了由基本概念理解、基本技能掌握、工程實(shí)踐能力培養(yǎng)以及開發(fā)研究能力訓(xùn)練等系列化的實(shí)踐教學(xué)體系，有力地支持了常規(guī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)和工程創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)的開展，對(duì)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)起到了良好的促進(jìn)作用。

1 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與教學(xué)手段的發(fā)展

隨著電子信息和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，除了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容更新之外，新的實(shí)驗(yàn)方法和手段在不斷出現(xiàn)。適應(yīng)電氣信息類技術(shù)的發(fā)展水平，加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)以教師為主導(dǎo)、學(xué)生為主體的教育教學(xué)模式，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室的開放式運(yùn)行和管理，是當(dāng)前各高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革工作所追求的目標(biāo)，而實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的虛擬化、網(wǎng)絡(luò)化是先進(jìn)教學(xué)體系建設(shè)的重要手段，在教學(xué)過程中將最新的技術(shù)和方法展現(xiàn)給學(xué)生，也是培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的途徑之一。

1.1 虛擬儀器技術(shù)

虛擬儀器技術(shù)就是利用高性能的模塊化硬件，結(jié)合高效靈活的軟件完成各種測(cè)試、測(cè)量、自動(dòng)化的應(yīng)用。隨著測(cè)試技術(shù)的數(shù)字化和自動(dòng)化，虛擬儀器在許多領(lǐng)域中逐步取代了傳統(tǒng)儀器設(shè)備。

在高校的電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作中，以計(jì)算機(jī)和虛擬儀器構(gòu)建的集成化測(cè)試平臺(tái)，具有多臺(tái)儀器的功能，不但能提高設(shè)備利用率，而且改善了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，也有利于實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理現(xiàn)代化，降低教學(xué)成本。特別是在工程創(chuàng)新類實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中，虛擬儀器軟件的處理能力和靈活性方便了功能的擴(kuò)展，可視化的軟件開發(fā)過程也加速了項(xiàng)目的開發(fā)進(jìn)度，有助于學(xué)生順利完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。目前虛擬儀器在實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用范圍正在日益擴(kuò)大，例如開發(fā)數(shù)據(jù)采集、記錄和分析儀器設(shè)備，自動(dòng)測(cè)試和自動(dòng)控制系統(tǒng)等。

虛擬儀器硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由計(jì)算機(jī)(帶有LabVIEW軟件平臺(tái))、程控儀器、數(shù)據(jù)總線接口以及電子電路四部分組成。計(jì)算機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的核心，自動(dòng)測(cè)試基于LabVIEW軟件平臺(tái)上[1]，可以完成測(cè)試參數(shù)的設(shè)置、測(cè)試數(shù)據(jù)的分析處理等任務(wù)，最后將測(cè)試結(jié)果自動(dòng)保存輸出。電路特性程控測(cè)試實(shí)驗(yàn)軟件界面如圖1所示。

圖1 電路特性程控測(cè)試實(shí)驗(yàn)軟件

1.2 基于虛擬實(shí)驗(yàn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的主要內(nèi)容是基于局域網(wǎng)絡(luò)的虛擬教學(xué)和網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室，實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)一旦上傳至計(jì)算機(jī)，教師和學(xué)生不再受時(shí)空的限制，可通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)交換實(shí)驗(yàn)信息。這種程控測(cè)試加虛擬仿真的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室改變了傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法。不僅減少貴重儀器設(shè)備的配備數(shù)量，提高其使用效率，還可以進(jìn)行客觀的成績管理，實(shí)現(xiàn)人力資源和儀器設(shè)備資源的合理配置。

虛擬技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的融合是建設(shè)現(xiàn)代教學(xué)實(shí)驗(yàn)室的技術(shù)關(guān)鍵。虛擬實(shí)驗(yàn)室要充分利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)才會(huì)發(fā)揮出更好的教學(xué)效果。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在軟件模擬仿真和硬件實(shí)時(shí)測(cè)量[2]兩方面。軟件模擬仿真部分是對(duì)實(shí)際實(shí)驗(yàn)平臺(tái)界面的虛擬呈現(xiàn)。讓教師在課堂講授同時(shí)可直接通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入，演示給學(xué)生。學(xué)生可在進(jìn)實(shí)驗(yàn)室之前事先在網(wǎng)絡(luò)終端操作，預(yù)先了解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，熟悉具體的實(shí)驗(yàn)步驟，檢驗(yàn)學(xué)生的預(yù)習(xí)程度。硬件實(shí)時(shí)測(cè)量部分是在實(shí)驗(yàn)室借助程控或虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建的測(cè)試平臺(tái)，通過實(shí)際設(shè)計(jì)制作、調(diào)試分析和測(cè)量數(shù)據(jù)，結(jié)合軟件仿真的結(jié)果相互對(duì)比，加深理解和真正的掌握電子設(shè)計(jì)技術(shù)。[3]

2 虛擬化、網(wǎng)絡(luò)化電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的構(gòu)建

在電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)中，通過軟件實(shí)現(xiàn)友好的人機(jī)界面，可以對(duì)虛擬儀器及數(shù)字化程控儀器進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析以及結(jié)果輸出的功能。另外，系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程及儀器的網(wǎng)絡(luò)化管理功能。通過軟件、網(wǎng)絡(luò)及虛擬儀器的有效結(jié)合，著力打造數(shù)字化、智能化的現(xiàn)代電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。[4,5]

根據(jù)電工電路課程實(shí)踐教學(xué)計(jì)劃的要求，整個(gè)虛擬化網(wǎng)絡(luò)化電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由基于C/S(Client/Server)的儀器設(shè)備控制及數(shù)據(jù)采集處理和基于B/S(Browser/Server)的實(shí)驗(yàn)管理兩部分組成。2臺(tái)服務(wù)器互為備份，主要實(shí)現(xiàn)兩大功能：一是作為C/S模式下數(shù)據(jù)服務(wù)器，二是作為B/S模式下的WEB服務(wù)器。其中儀器設(shè)備控制模塊完成數(shù)據(jù)采集及儀器設(shè)備控制的功能；數(shù)據(jù)處理模塊包括數(shù)據(jù)分析及結(jié)果輸出、存儲(chǔ)，由計(jì)算機(jī)上的軟件編程實(shí)現(xiàn)；數(shù)據(jù)傳輸基于現(xiàn)有的局域網(wǎng)設(shè)備，通過開發(fā)TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)通信軟件實(shí)現(xiàn)；實(shí)驗(yàn)過程管理模塊采用B/S模式開發(fā)。[6]

3 虛擬化網(wǎng)絡(luò)化電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的運(yùn)行管理

3.1 教學(xué)平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程

利用學(xué)校的“一卡通”實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過程桌面級(jí)別管理，學(xué)生通過操作實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的計(jì)算機(jī)對(duì)儀器設(shè)備控制，完成數(shù)據(jù)采集、參數(shù)測(cè)量、數(shù)據(jù)分析、結(jié)果存儲(chǔ)等操作；在確認(rèn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果無誤后，通過網(wǎng)絡(luò)將測(cè)量數(shù)據(jù)及實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果以報(bào)告的形式上傳到數(shù)據(jù)服務(wù)器，供教師評(píng)閱。

3.2 教學(xué)平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)化管理

參加實(shí)驗(yàn)的學(xué)生可以在網(wǎng)內(nèi)的個(gè)人計(jì)算機(jī)上進(jìn)行訪問，從網(wǎng)上下載實(shí)驗(yàn)課件，瀏覽實(shí)驗(yàn)大綱，熟悉實(shí)驗(yàn)流程，通過聊天室的形式與實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師交流。指導(dǎo)教師可通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)行管理，修改實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，上傳實(shí)驗(yàn)教材，增減、拓展虛擬儀器功能并及時(shí)發(fā)布到實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)中，以便及時(shí)更新教學(xué)資源。也可以在網(wǎng)上回答問題，指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)操作，對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)結(jié)果給出評(píng)價(jià)，在網(wǎng)上批閱實(shí)驗(yàn)報(bào)告，并能夠以網(wǎng)頁的形式將完成批閱的報(bào)告發(fā)給相應(yīng)學(xué)生。

4 結(jié)束語

虛擬化網(wǎng)絡(luò)化電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)采用虛實(shí)結(jié)合、軟硬結(jié)合、遠(yuǎn)近結(jié)合的構(gòu)建方式，能充分滿足不同專業(yè)、不同層次實(shí)驗(yàn)技能培養(yǎng)的要求，為學(xué)生隨時(shí)獲取新知識(shí)提供了便利及強(qiáng)有力的支持。它是建立在現(xiàn)代信息技術(shù)平臺(tái)之上的一種新穎的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，是對(duì)高校教育理念、教學(xué)方式的改革和發(fā)展。

[1] 陳福彬,柴海莉,高晶敏.基于Labview的自動(dòng)化測(cè)試平臺(tái)的設(shè)計(jì)[J].國外電子測(cè)量技術(shù),2012(11):9-14.

[2] 王鐵流,宋罹黎,王者思.基于USB 接口程控儀器的虛擬測(cè)試平臺(tái)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2008,25(4):91-94.

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[6] 張友生,陳松喬.C /S與B /S混合軟件體系結(jié)構(gòu)模型[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,2003(23):193-195.

Construction of Virtualization and Networking Teaching Platform of Electrical and Electronic Experiment

Chen Fubin，F(xiàn)u Xiaohui
Beijing Information Science and Technology University， Beijing， 100101， China

With the rapid development of virtual experiment and network technology， virtual and network development trend has been paid wide attention to. With the cooperation of virtual instrument， network technology and network management， advanced electrical and electronic experimental teaching platform is constructed. The revolution of experimental teaching philosophy and method is realized， the constructed platform can avoid that traditional experimental teaching mode is dull and Instrument function is difficult to extend， which can effectively support the conduct of conventional experimental teaching and engineering innovative experiment， and play a good role in promoting student's practice and innovative ability.

virtual instruments； network technology； electrical and electronic teaching platform

2014-10-23

陳福彬，碩士，講師。

北京信息科技大學(xué)2012年度教學(xué)改革立項(xiàng)資助(編號(hào)：2012JGYB67)。