王愛記，王引書，白在橋

(北京師范大學(xué) 物理學(xué)系，北京 100875)

2021年5月28日習(xí)近平總書記在中國科學(xué)院第二十次院士大會(huì)、中國工程院第十五次院士大會(huì)、中國科協(xié)第十次全國代表大會(huì)上的講話中指出：“以信息技術(shù)、人工智能為代表的新興科技快速發(fā)展，大大拓展了時(shí)間、空間和人們認(rèn)知范圍，人類正在進(jìn)入一個(gè)‘人機(jī)物’三元融合的萬物智能互聯(lián)時(shí)代.”[1]隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，在教育領(lǐng)域中，遠(yuǎn)程教學(xué)因具有打破時(shí)間和空間限制、可共享高質(zhì)量教育資源、提高教學(xué)效果等優(yōu)勢(shì)而受到越來越多的教育工作者和學(xué)生的喜愛[2,3]，在現(xiàn)在教學(xué)過程中起到了越來越重要的作用. 尤其是在2019—2020學(xué)年第二學(xué)期，新冠肺炎疫情導(dǎo)致高校的課堂教學(xué)無法正常開展，教育部印發(fā)《關(guān)于在疫情防控期間做好普通高等學(xué)校在線教學(xué)組織與管理工作的指導(dǎo)意見》，要求保障高校在疫情防控期間的在線教學(xué)，實(shí)現(xiàn)“停課不停教、停課不停學(xué)”[4].理論課的線上遠(yuǎn)程教學(xué)發(fā)揮了極其重要的作用[5]，但物理實(shí)驗(yàn)是以實(shí)驗(yàn)儀器操作為基礎(chǔ)的一門課程，導(dǎo)致該課程的遠(yuǎn)程教學(xué)受到了一定的限制，全國各高校實(shí)驗(yàn)課程教師在居家物理實(shí)驗(yàn)方面進(jìn)行了廣泛深入的探索[6-8]，但由于學(xué)生實(shí)驗(yàn)條件的限制，這些探索還很難與常規(guī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)結(jié)合. 而且在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，大多數(shù)高校的空間非常有限，或者較貴的實(shí)驗(yàn)儀器套數(shù)有限，同時(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)繁重，師資不足，使得實(shí)驗(yàn)室在教學(xué)時(shí)段之外難于提供足夠的開放時(shí)間，滿足學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行課前預(yù)習(xí)和課后研究與探索，從而制約了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果. 目前有一些成熟的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，可以進(jìn)行線上遠(yuǎn)程教學(xué)及配合開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)的預(yù)習(xí)，但是鑒于各個(gè)學(xué)校的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、實(shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和要求不同，已有的仿真實(shí)驗(yàn)難于滿足不同高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需求[9-11].

利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，建設(shè)基于實(shí)驗(yàn)室真實(shí)儀器的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，開展大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的遠(yuǎn)程教學(xué)，可以讓學(xué)生像在實(shí)驗(yàn)室一樣操作真實(shí)實(shí)驗(yàn)儀器，靈活設(shè)計(jì)、調(diào)制實(shí)驗(yàn)參量，開展實(shí)驗(yàn)，還可以遠(yuǎn)程觀察真實(shí)實(shí)驗(yàn)的進(jìn)程，彌補(bǔ)仿真實(shí)驗(yàn)的不足. 將遠(yuǎn)程操作實(shí)驗(yàn)引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)，不僅可以滿足學(xué)生的課前預(yù)習(xí)、課后復(fù)習(xí)、研究探索等需求，還可以保證突發(fā)情況(如新冠疫情)下物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的順利開展. 從教學(xué)效果的角度，由于操作的是真實(shí)的儀器，遇到的問題是真實(shí)的問題，獲得的數(shù)據(jù)來自實(shí)際的物理系統(tǒng)，遠(yuǎn)程操作實(shí)驗(yàn)不僅使學(xué)生掌握了實(shí)際儀器的操作方法，更有利于提高學(xué)生利用理論知識(shí)分析實(shí)際問題的能力. 此外，遠(yuǎn)程操作實(shí)驗(yàn)技術(shù)可以打破空間限制，提高實(shí)驗(yàn)儀器的利用率，并為校際之間實(shí)驗(yàn)儀器的共享提供新的途徑.

本文針對(duì)物理實(shí)驗(yàn)課程的特點(diǎn)，基于現(xiàn)有資源，發(fā)掘潛在資源，自主開發(fā)搭建了低成本的基于物聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)操作系統(tǒng)，以“示波器的使用”為例，探索和實(shí)踐了遠(yuǎn)程操作物理實(shí)驗(yàn)儀器的途徑，設(shè)計(jì)了包括視頻指導(dǎo)、集中上課、自由練習(xí)等三部分的物理實(shí)驗(yàn)遠(yuǎn)程教學(xué)方案.

1 遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)操作系統(tǒng)

遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)操作系統(tǒng)經(jīng)過儀器搭建、儀器二次開發(fā)、網(wǎng)站開發(fā)、資源整合等過程，實(shí)現(xiàn)了儀器入網(wǎng)，獨(dú)立自主地搭建出來的基于物聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)操作系統(tǒng)，它包括學(xué)生登錄部分、學(xué)生遠(yuǎn)程操作部分、教師指導(dǎo)部分等，充分的實(shí)現(xiàn)了人人互動(dòng)、人機(jī)互動(dòng)、機(jī)機(jī)互動(dòng).

通過該系統(tǒng)學(xué)生可以登錄遠(yuǎn)程操作頁面對(duì)實(shí)驗(yàn)室的實(shí)體儀器進(jìn)行遠(yuǎn)程操作[圖1(a)和(b)]，既可以通過操作頁面實(shí)時(shí)觀察到實(shí)驗(yàn)結(jié)果[圖1(a)]，也可以通過視頻直播觀察到實(shí)體儀器的實(shí)驗(yàn)結(jié)果[圖1(c)和(d)]；指導(dǎo)教師可以通過視頻直播中的屏幕墻實(shí)時(shí)掌握全部學(xué)生實(shí)時(shí)實(shí)驗(yàn)進(jìn)度和儀器狀態(tài)，也可以對(duì)單組實(shí)驗(yàn)儀器全屏顯示，對(duì)該組儀器遇到的問題進(jìn)行針對(duì)性的講解，提高了教學(xué)效率. 為學(xué)生實(shí)際操作實(shí)驗(yàn)儀器提供了新的途徑，為實(shí)驗(yàn)遠(yuǎn)程教學(xué)提供了新思路.

示波器遠(yuǎn)程操作界面； 信號(hào)發(fā)生器遠(yuǎn)程操作界面；

儀器直播畫面； 實(shí)驗(yàn)室實(shí)體儀器照片圖1 示波器遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)

2 遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)操作系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)操作系統(tǒng)主要包括基于Python編程的學(xué)生登錄部分、基于LabVIEW的學(xué)生遠(yuǎn)程操作部分和基于線上會(huì)議、電子教室的教師指導(dǎo)部分等三部分.

2.1 學(xué)生登錄部分的實(shí)現(xiàn)

采用Python編程語言進(jìn)行網(wǎng)站開發(fā)，實(shí)現(xiàn)學(xué)生登錄、實(shí)驗(yàn)組別選擇、重要提示信息、連接學(xué)生遠(yuǎn)程操作部分等功能.如圖2(a)所示，學(xué)生登錄前面板主要有兩個(gè)文本框輸入控件,用于輸入賬號(hào)和密碼，然后利用JavaScript語言中的JQuery庫獲取輸入的賬號(hào)和密碼,并傳遞給后臺(tái)處理程序；后臺(tái)處理程序用Python語言編寫，它將傳遞過來的賬號(hào)和密碼與數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，能夠匹配上之后,將“實(shí)驗(yàn)組別選擇”界面呈現(xiàn)給學(xué)生，若不能匹配上則呈現(xiàn)“錯(cuò)誤”界面且等待3秒后重新輸入賬號(hào)和密碼.圖2(b)所示的“實(shí)驗(yàn)組別選擇”界面主要由一個(gè)表格(table)組成，并利用JavaScript語言獲取學(xué)生點(diǎn)擊鏈接的值并傳遞給后臺(tái)處理程序，后臺(tái)根據(jù)傳遞過來的值(如：group1)去數(shù)據(jù)庫查找當(dāng)前實(shí)驗(yàn)組別的狀態(tài)，若可用則呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)操作界面；若不可用則彈出“該組實(shí)驗(yàn)已被占用”的對(duì)話框. 同時(shí)，利用JavaScript語言在該界面添加鼠標(biāo)滑動(dòng)等動(dòng)作,能夠?qū)崟r(shí)更新的“狀態(tài)”指示標(biāo)志. 學(xué)生的登錄權(quán)限由管理員進(jìn)行統(tǒng)一管理，防止不必要的人員惡意登錄，占用儀器資源，保障網(wǎng)絡(luò)和儀器的安全.

物理實(shí)驗(yàn)遠(yuǎn)程登錄界面

2.2 學(xué)生遠(yuǎn)程操作部分的實(shí)現(xiàn)

遠(yuǎn)程操作部分包括實(shí)驗(yàn)室實(shí)體實(shí)驗(yàn)儀器和遠(yuǎn)程操作界面兩部分. 實(shí)驗(yàn)室實(shí)體實(shí)驗(yàn)儀器是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，它是學(xué)生遠(yuǎn)程操作和研究的對(duì)象. 如何將實(shí)驗(yàn)儀器接入網(wǎng)絡(luò)是首先需要解決的問題. 如圖3所示，將示波器通過LAN接口接入網(wǎng)絡(luò)，信號(hào)發(fā)生器、電源等儀器通過LabVIEW進(jìn)行控制并借助電腦接入網(wǎng)絡(luò).RLC電路中的開關(guān)和電路轉(zhuǎn)換采用繼電器的方式實(shí)現(xiàn)，通過操作直流電源實(shí)現(xiàn)對(duì)繼電器的控制，從而實(shí)現(xiàn)RLC電路的開關(guān)與電路轉(zhuǎn)換. 利用攝像頭將實(shí)體儀器的實(shí)時(shí)畫面采集到電腦，然后通過電子教室軟件將實(shí)時(shí)畫面整合到屏幕墻.

示波器的使用 RLC穩(wěn)態(tài)特性的研究

遠(yuǎn)程操作界面是學(xué)生在遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)時(shí)直接觀察和操作的界面，如何實(shí)現(xiàn)儀器的遠(yuǎn)程控制是接下來需要解決的難題. 通過對(duì)信號(hào)發(fā)生器、電源等儀器進(jìn)行二次開發(fā)，利用LabVIEW對(duì)其進(jìn)行操控，可對(duì)開關(guān)、波形、頻率、幅值等參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，并將相應(yīng)的VI發(fā)布Web Sever，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)發(fā)生器、電源等儀器的遠(yuǎn)程操作，進(jìn)而可以控制繼電器，實(shí)現(xiàn)電路的開關(guān)和轉(zhuǎn)換. 再將不同儀器的操控頁面整合到學(xué)生登錄系統(tǒng)中，完成兩個(gè)系統(tǒng)的無縫對(duì)接，實(shí)現(xiàn)學(xué)生與儀器、儀器與儀器之間的人機(jī)互動(dòng)、機(jī)機(jī)互動(dòng).

示波器 信號(hào)發(fā)生器

以“示波器的使用”實(shí)驗(yàn)為例，將實(shí)體儀器(信號(hào)發(fā)生器和示波器)線路連接好. 將示波器通過LAN接口接入網(wǎng)絡(luò)，獲取IP地址后可實(shí)現(xiàn)對(duì)示波器的遠(yuǎn)程操作，利用iframe標(biāo)簽將示波器的遠(yuǎn)程操作界面整合到遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)中，如圖4(a)所示. 利用LabVIEW通過USB接口對(duì)信號(hào)發(fā)生器進(jìn)行控制；信號(hào)發(fā)生器控制界面[圖4(b)]主要由8個(gè)字符串輸入控件和1個(gè)布爾開關(guān)等組成；后面板程序框圖如圖5(a)所示，主要由循環(huán)結(jié)構(gòu)、事件結(jié)構(gòu)、條件結(jié)構(gòu)、VISA構(gòu)件等元素組成；其中循環(huán)結(jié)構(gòu)和事件結(jié)構(gòu)用于實(shí)時(shí)監(jiān)視控制界面是否有數(shù)值發(fā)生變化，如果數(shù)值發(fā)生變化則觸發(fā)事件結(jié)構(gòu)并保存變化的數(shù)值，通過VISA寫入構(gòu)件,向信號(hào)發(fā)生器發(fā)出新的指令，按照最新的設(shè)置輸出信號(hào)；如果沒有發(fā)生變化，則不觸發(fā)事件結(jié)構(gòu)，依然按照原來的設(shè)置輸出信號(hào).布爾開關(guān)的值發(fā)生變化時(shí)則觸發(fā)事件結(jié)構(gòu)，改變信號(hào)輸出狀態(tài). 然后將編寫好的VI發(fā)布Web Sever，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)發(fā)生器的遠(yuǎn)程控制. 利用HTML5語言中的iframe等元素，結(jié)合JavaScript語言將信號(hào)發(fā)生器和示波器的遠(yuǎn)程操作界面整合到遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)中，提高系統(tǒng)的可操作性、便捷性，也便于管理.

圖4(c)—(f)分別為RLC穩(wěn)態(tài)、RC暫態(tài)、RL暫態(tài)、RLC暫態(tài)實(shí)驗(yàn)的電路圖及控制界面. 主要由布爾開關(guān)和字符串輸入控件組成，布爾開關(guān)用于控制直流電源的開關(guān)，所控制的雙通道直流電源，其中一個(gè)通道為暫態(tài)實(shí)驗(yàn)提供電路電源，另一通道實(shí)現(xiàn)對(duì)繼電器的控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電路的開關(guān)和轉(zhuǎn)換；字符串用于直流電源輸出電壓值的控制. 同時(shí)，為了方便示波器界面的觀察，將一個(gè)文本框用于設(shè)置點(diǎn)擊布爾開關(guān)之后延遲相應(yīng)時(shí)間后直流電源再執(zhí)行指令，確保在示波器界面清晰的看到暫態(tài)過程. 圖 5(b)是RC暫態(tài)實(shí)驗(yàn)直流電源的后面板程序框圖，主要構(gòu)成元素和控制原理與信號(hào)發(fā)生器相似，本文中涉及的其他實(shí)驗(yàn)也具有相似的程序框圖與構(gòu)成元素.

信號(hào)發(fā)生器

2.3 教師指導(dǎo)部分的實(shí)現(xiàn)

指導(dǎo)教師通過免費(fèi)線上會(huì)議軟件發(fā)起網(wǎng)絡(luò)會(huì)議，學(xué)生進(jìn)入會(huì)議室. 通過共享電子教室的屏幕墻，學(xué)生可以實(shí)時(shí)觀察到實(shí)體實(shí)驗(yàn)儀器的狀態(tài)；通過線上會(huì)議教師可以對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行講解，并針對(duì)具體問題進(jìn)行分析. 該部分目前獨(dú)立于遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)，可以節(jié)省網(wǎng)絡(luò)帶寬，保證遠(yuǎn)程操作實(shí)驗(yàn)儀器的流暢性，但同時(shí)也帶來了一些不便，如進(jìn)錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)會(huì)議室等.

3 遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)操作系統(tǒng)的教學(xué)方案

經(jīng)過教師討論、教師演習(xí)、學(xué)生演習(xí)，并對(duì)參與演習(xí)的師生進(jìn)行問卷調(diào)查，綜合回饋的意見做了相應(yīng)的優(yōu)化，最終形成了遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案，該方案包括視頻指導(dǎo)、集中上課、自由練習(xí)等三部分.

3.1 視頻指導(dǎo)

如圖6所示，通過公眾號(hào)發(fā)布實(shí)驗(yàn)通知，公共郵箱發(fā)布實(shí)驗(yàn)講義，學(xué)生自主下載預(yù)習(xí)；并在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)布視頻，對(duì)系統(tǒng)操作、儀器的基本功能及操作進(jìn)行講解和演示，學(xué)生通過觀看視頻，對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器有了初步的了解，并將有疑問的知識(shí)點(diǎn)通過查找資料進(jìn)行初步的理解，通過微信群和老師、同學(xué)及時(shí)討論疑難問題，提高了預(yù)習(xí)的效率.

公郵中的實(shí)驗(yàn)講義

3.2 集中上課

學(xué)生在校內(nèi)可直接登錄“遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”，在校外的學(xué)生可通過學(xué)校的VPN登錄“遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”，登錄后可根據(jù)狀態(tài)指示燈挑選可用實(shí)驗(yàn)儀器，綠色表示可用，紅色表示已經(jīng)被占用，如果點(diǎn)擊該組實(shí)驗(yàn)則會(huì)提示學(xué)生該組實(shí)驗(yàn)已被占用. 選擇實(shí)驗(yàn)儀器之后就可以開始實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行儀器操作. 同時(shí)，老師和學(xué)生進(jìn)入線上會(huì)議，老師對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容等進(jìn)行詳細(xì)的講解，通過電子教室軟件的屏幕墻和線上會(huì)議的共享屏幕功能[圖7(a)]，學(xué)生能夠同步看到所有實(shí)物實(shí)驗(yàn)儀器的狀態(tài)，如果某位學(xué)生有疑問，可將該組實(shí)驗(yàn)全屏顯示，全部學(xué)生能夠看清儀器界面，并能夠聽清楚老師的講解[圖7(b)]，提高了課堂效率.

正在上課的屏幕墻

3.3 自由練習(xí)

課堂教學(xué)結(jié)束后，學(xué)生可根據(jù)自己的掌握情況，在非集中上課時(shí)間，隨時(shí)遠(yuǎn)程連接儀器自主練習(xí)，也可以根據(jù)自己的興趣開展拓展實(shí)驗(yàn)，提高了實(shí)驗(yàn)儀器的利用率. 學(xué)生們通過公郵提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告，老師批閱之后回復(fù)，并針對(duì)代表性的問題，在微信群中進(jìn)行討論.

4 總結(jié)與展望

本文以“示波器的使用”為例介紹了遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)操作的實(shí)現(xiàn)方法，即利用LabVIEW控制實(shí)驗(yàn)儀器，將相應(yīng)的VI通過LabVIEW中 Web Serve功能進(jìn)行發(fā)布，實(shí)現(xiàn)儀器的遠(yuǎn)程操控，將其整合到基于python中Tornado框架的網(wǎng)站中，為學(xué)生遠(yuǎn)程操作實(shí)驗(yàn)提供統(tǒng)一的接口. 目前，遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)操作系統(tǒng)開發(fā)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容較少，需要繼續(xù)開發(fā)更多的實(shí)驗(yàn)用于學(xué)生預(yù)習(xí)和練習(xí). 另外，該系統(tǒng)目前也存在著很大的改進(jìn)空間，將系統(tǒng)進(jìn)一步的完善，把視頻直播、實(shí)驗(yàn)報(bào)告的提交、批閱集成到在該系統(tǒng)中，提高資源利用率和教學(xué)效率.

遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)操作系統(tǒng)是整合了現(xiàn)有的儀器資源、網(wǎng)絡(luò)資源、獨(dú)立自主地開發(fā)搭建的實(shí)驗(yàn)操作系統(tǒng).該系統(tǒng)為物理實(shí)驗(yàn)的遠(yuǎn)程教育探索了新的途徑，打破了空間的束縛，可作為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)有力的輔助手段，供學(xué)生課前預(yù)習(xí)、課后復(fù)習(xí)、課余時(shí)間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探索，提高了實(shí)驗(yàn)儀器的利用率，還可以確保突發(fā)情況(新冠疫情)下物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的正常開展，也為其他院校提供遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)教學(xué)與指導(dǎo)探索了新的途徑.