邢賽楠，曾張帆，梅嘉玉

（湖北大學(xué)計算機與信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430062）

近年來，歐美日韓等信息技術(shù)先進的發(fā)達國家紛紛制定了一系列智能制造強國戰(zhàn)略，意在第四次科技革命和新一輪全球競爭中贏得主動權(quán)[1-3]。在此背景下，中國于2015年提出了“中國制造2025”的宏偉戰(zhàn)略規(guī)劃，以加快信息技術(shù)與工業(yè)生產(chǎn)的結(jié)合、推動工業(yè)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新、促進產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級、力爭搶占未來產(chǎn)業(yè)競爭的制高點[4-6]。

數(shù)字系統(tǒng)是智能制造產(chǎn)業(yè)“云-管-端”架構(gòu)的基石，然而該領(lǐng)域人才的稀缺是中國長期面臨的難題[7-9]?，F(xiàn)有的數(shù)字系統(tǒng)實驗教學(xué)內(nèi)容和模式與日益提高的人才需求存在著一定的差距，存在的問題如下。

實驗內(nèi)容單調(diào)?，F(xiàn)有的數(shù)字系統(tǒng)實驗內(nèi)容以單一功能的驗證性實驗為主，不生動，缺乏以智能制造為載體的應(yīng)用實踐。

設(shè)備資源匱乏。由于數(shù)字實驗平臺價格昂貴，導(dǎo)致不少經(jīng)費不充足的地方高校實驗室部署數(shù)量較少。一臺設(shè)備往往由較多學(xué)生共同使用，減少了每個學(xué)生實踐動手的時間。

實驗教學(xué)時間占比不夠。傳統(tǒng)的教學(xué)方法以教師講授為主，實驗教學(xué)學(xué)時較少，學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)的主動性和積極性。

實驗設(shè)備不易維護。數(shù)字系統(tǒng)實驗設(shè)備包含大量精密復(fù)雜的硬件模塊，較為容易損壞，且難以及時得到售后服務(wù)和維修，最終導(dǎo)致設(shè)備在數(shù)量上更難滿足學(xué)生實驗的需求。

針對上述問題，本文提出一種遠程數(shù)字系統(tǒng)實驗教學(xué)平臺。該平臺包括移動設(shè)備、數(shù)字實驗硬件系統(tǒng)和云服務(wù)器。學(xué)生能夠隨時隨地通過移動設(shè)備對數(shù)字實驗硬件系統(tǒng)進行遠程控制，進而完成實驗。教師能夠在移動設(shè)備或者云服務(wù)器對數(shù)字實驗硬件系統(tǒng)進行狀態(tài)監(jiān)控和性能維護。學(xué)生完成實驗后，將實驗結(jié)果上傳至云服務(wù)器，教師能夠在移動設(shè)備或者云服務(wù)器對其進行評分，學(xué)生能夠通過移動設(shè)備查詢評分。

最后，本文采用遠程數(shù)字系統(tǒng)實驗教學(xué)平臺對湖北大學(xué)計算機與信息工程學(xué)院通信工程專業(yè)的50余名學(xué)生進行了教學(xué)實踐，并就學(xué)習(xí)效果、平臺穩(wěn)定性等5個方面對學(xué)生進行了問卷調(diào)查。統(tǒng)計結(jié)果表明，該平臺受到學(xué)生的一致認可，能夠成為傳統(tǒng)實驗方式的補充手段，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

1 遠程數(shù)字系統(tǒng)實驗教學(xué)平臺設(shè)計

在對遠程數(shù)字系統(tǒng)實驗教學(xué)平臺進行架構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)充分考慮其是否符合“中國制造2025”對數(shù)字系統(tǒng)實驗課程的要求。因此，秉承智能制造設(shè)備“云-管-端”的架構(gòu)思想，本論文提出的遠程數(shù)字系統(tǒng)實驗教學(xué)平臺主要由移動設(shè)備、數(shù)字實驗硬件系統(tǒng)和云服務(wù)器3大部分組成，其總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 平臺總體架構(gòu)

移動設(shè)備是學(xué)生和數(shù)字實驗硬件系統(tǒng)人機交互的平臺，它為學(xué)生和教師提供了可視化的實驗操作界面、便捷的學(xué)習(xí)資料和學(xué)習(xí)交流環(huán)境等。移動設(shè)備可視化實驗操作界面通過模擬硬件系統(tǒng)實驗環(huán)境，如開關(guān)按鍵、數(shù)碼管、LED燈等，使學(xué)生能夠進行虛擬實驗操作。同時移動設(shè)備實時顯示數(shù)字實驗硬件系統(tǒng)上方放置的攝像頭傳輸?shù)恼鎸崒嶒灛F(xiàn)象，進而取得身臨其境的效果。

數(shù)字實驗硬件系統(tǒng)是實驗操作的載體，它包含所有實驗需要的硬件模塊和存儲單元數(shù)字實驗硬件系統(tǒng)接收學(xué)生的遠程實驗操作指令，運行實驗內(nèi)容，并將實驗結(jié)果反饋到云服務(wù)器和移動設(shè)備，供學(xué)生查看實驗效果。此外，數(shù)字實驗硬件系統(tǒng)上方放置攝像頭，實時獲取實驗現(xiàn)象視頻，并傳輸至移動設(shè)備。學(xué)生通過觀察實驗現(xiàn)象視頻和實驗結(jié)果，能夠更加感性地理解實驗。

云服務(wù)器是整個遠程數(shù)字系統(tǒng)實驗教學(xué)平臺的數(shù)據(jù)存儲中心以及網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臉蛄?。?shù)據(jù)存儲方面，學(xué)生和教師個人的用戶信息、教師提供的實驗資源以及學(xué)生上傳的實驗結(jié)果和教師的評分結(jié)果等均存儲在云服務(wù)器。網(wǎng)絡(luò)傳輸方面，學(xué)生在移動設(shè)備進行的實驗操作信息通過云服務(wù)器傳輸至數(shù)字實驗硬件系統(tǒng)。實驗結(jié)果和攝像頭獲取的實驗現(xiàn)象視頻實時地通過云服務(wù)器傳輸至移動設(shè)備。

1.1 移動設(shè)備設(shè)計

移動設(shè)備的硬件載體可以是手機、平板電腦等日常廣泛使用的消費類電子產(chǎn)品，在軟件方面主要包括用戶層、表示層、功能層和數(shù)據(jù)層，其整體架構(gòu)如圖2所示。

用戶層將表示層顯示的瀏覽頁面進行封裝，形成學(xué)生和教師可操作的各項接口軟件，學(xué)生通過用戶層上的移動端軟件能夠方便地獲取學(xué)習(xí)視頻以及各種便捷的功能服務(wù)。教師則可以通過用戶層上的服務(wù)器軟件進行后臺管理，添加實驗資源和實驗內(nèi)容，為實驗結(jié)果進行評分，對數(shù)字實驗硬件系統(tǒng)進行遠程維護等。

表示層將功能層完成的功能顯示在瀏覽頁面上。它采用移動端開發(fā)框架MUI和HTML5/CSS3進行頁面設(shè)計和渲染頁面，最大程度地提高頁面控件美感及頁面切換流暢度。此外，為了方便實驗內(nèi)容不斷更新，采用可視化Navicat管理數(shù)據(jù)庫界面，方便教師進行在云服務(wù)器進行數(shù)據(jù)的增刪查改。在數(shù)據(jù)傳輸方面，采用ALAX技術(shù)進行移動設(shè)備和云服務(wù)器的數(shù)據(jù)交互。

功能層將數(shù)據(jù)層存儲的各項數(shù)據(jù)進行加工，產(chǎn)生中間產(chǎn)品。它包括用戶功能、平臺功能及后臺管理功能，其中用戶功能為學(xué)生與移動設(shè)備軟件提供人機交互，如收藏、評論、分享等功能。平臺功能能夠及時更新最新的學(xué)習(xí)資料。后臺管理功能為教師對學(xué)生的信息和平臺資源進行維護提供支持，保證數(shù)據(jù)的安全和穩(wěn)定。

數(shù)據(jù)層將學(xué)生個人數(shù)據(jù)、實驗數(shù)據(jù)等信息在MySql數(shù)據(jù)庫中進行存儲、更新等處理。

圖2 移動設(shè)備架構(gòu)圖

1.2 數(shù)字實驗硬件系統(tǒng)設(shè)計

數(shù)字實驗硬件系統(tǒng)是實驗執(zhí)行的載體，主要由客戶組件、FPGA實驗板和攝像頭組成，其系統(tǒng)框圖如圖3所示。

FPGA實驗板為學(xué)生實驗提供載體，它包含實驗需要的硬件電路和軟件模塊等。學(xué)生能在FPGA實驗板上進行傳統(tǒng)的數(shù)字電路實驗以及人工智能、數(shù)字信號處理、移動通信等前沿領(lǐng)域的實驗。

客戶組件是數(shù)字實驗硬件系統(tǒng)的通信出入口，為移動設(shè)備和FPGA實驗板進行信息交互提供載體。學(xué)生從移動設(shè)備輸入實驗操作指令，通過云服務(wù)器傳輸至客戶組件，進而抵達FPGA實驗板，完成實驗內(nèi)容。實驗結(jié)束后，實驗結(jié)果通過客戶組件返回至云服務(wù)器，進而傳遞到移動設(shè)備，在其瀏覽器上進行虛擬頁面顯示，為學(xué)生提供實驗信息。客戶組件與FPGA實驗板采用TCP/IP協(xié)議實現(xiàn)單點通信?？蛻艚M件與云服務(wù)器采用物聯(lián)網(wǎng)MQTT協(xié)議進行信息傳輸。

攝像頭放置在FPGA實驗板上方，將實驗現(xiàn)象視頻通過客戶組件實時傳輸?shù)揭苿釉O(shè)備，學(xué)生通過移動設(shè)備瀏覽器對實驗現(xiàn)象進行觀察。

圖3 數(shù)字實驗硬件系統(tǒng)框圖

1.3 云服務(wù)器設(shè)計

云服務(wù)器為遠程數(shù)字實驗教學(xué)平臺提供數(shù)據(jù)存儲和網(wǎng)絡(luò)通信。本平臺采用阿里云服務(wù)器，并在服務(wù)器上搭建自己的數(shù)據(jù)中心，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲和訪問。

云服務(wù)器為移動設(shè)備和數(shù)字實驗硬件系統(tǒng)的通信提供服務(wù)。通過在云服務(wù)器上部署MQTT代理，實現(xiàn)移動設(shè)備到云服務(wù)器以及云服務(wù)器到數(shù)字實驗硬件系統(tǒng)的雙向通信。通過在云服務(wù)器上部署Node-Media-Server-master流媒體代理，能夠?qū)崿F(xiàn)攝像頭采集的實驗現(xiàn)象視頻實時傳輸至移動設(shè)備。在云服務(wù)器上部署MySQL數(shù)據(jù)庫，對教師和學(xué)生的個人數(shù)據(jù)、教學(xué)資源以及教學(xué)檔案信息進行存儲。

2 平臺測試與實驗效果

根據(jù)以上描述，教師團隊完成了遠程數(shù)字系統(tǒng)實驗教學(xué)平臺的研發(fā)和技術(shù)實現(xiàn)。其數(shù)字實驗硬件系統(tǒng)實物圖如圖4所示。

由圖4可以看出，數(shù)字實驗硬件系統(tǒng)的主板為Altera公司的DE2-70 FPGA實驗板，該實驗板包括FPGA芯片、七位數(shù)碼管、按鍵燈、視屏音頻組件、無線網(wǎng)口、以太網(wǎng)口等，功能十分齊全，能夠支持數(shù)字電路、信號處理、通信系統(tǒng)以及人工智能等實驗內(nèi)容。此外，一個顯示屏通過串口和實驗板進行鏈接，實時將實驗結(jié)果進行顯示。

遠程數(shù)字系統(tǒng)實驗教學(xué)平臺的移動設(shè)備瀏覽器首頁如圖5所示。

圖4 數(shù)字實驗硬件系統(tǒng)實物圖

圖5 移動端首頁

可以看出移動設(shè)備瀏覽器首頁上顯示了數(shù)電實驗、EDA實驗、信號分析、圖像處理以及深度學(xué)習(xí)等。學(xué)生能夠根據(jù)興趣自行選擇。教師能夠根據(jù)授課需要添加更多的實驗內(nèi)容，并根據(jù)需求調(diào)整移動設(shè)備瀏覽器各個頁面的布局。

此外，首頁上顯示了四大導(dǎo)航模塊，包括首頁、視頻、實驗、用戶。學(xué)生能夠通過點擊模塊進入相應(yīng)的模塊頁面。其中實驗?zāi)K為學(xué)生提供虛擬的實驗環(huán)境，其效果圖如圖6所示。

由圖6可以看到，這是一個與、或、非門的數(shù)字實驗。實驗?zāi)K效果圖分為左右2個子頁面。左邊頁面是攝像頭實時拍攝并傳回的實驗現(xiàn)象。右邊頁面是虛擬實驗操作臺，學(xué)生通過對邏輯門電路設(shè)置不同的輸入，能夠獲得不同的輸出，并同時在左頁面觀測實驗現(xiàn)象。

圖6 實驗?zāi)K效果圖

3 遠程數(shù)字系統(tǒng)實驗教學(xué)平臺應(yīng)用與教學(xué)效果

為了解遠程數(shù)字實驗教學(xué)平臺的實驗效果，教師團隊利用該平臺對通信工程專業(yè)的50余名學(xué)生進行了教學(xué)實踐。實驗內(nèi)容為按鍵流水燈與七位數(shù)碼管的顯示。在授課形式方面，授課教師提前將實驗內(nèi)容制作成視頻資源上傳到云服務(wù)器，學(xué)生能夠在移動設(shè)備上進行課前預(yù)習(xí)和準(zhǔn)備工作。在課堂上由教師講解實驗操作的重點和難點。受課時限制，在課堂上沒有完成實驗時，課后學(xué)生可以通過移動設(shè)備隨時隨地繼續(xù)進行實驗，并將遇到的問題在線上與授課教師進行交流。實驗結(jié)束后，學(xué)生將實驗結(jié)果通過移動設(shè)備上傳至云服務(wù)器，授課教師對實驗結(jié)果進行評分，學(xué)生能夠通過移動設(shè)備瀏覽器查詢分數(shù)。

經(jīng)過一個學(xué)期的教學(xué)實踐，教師團隊通過問卷調(diào)查的方式，以參與實驗的50余名學(xué)生為調(diào)查對象，分別從綜合評價、學(xué)習(xí)效果、平臺穩(wěn)定性、界面友好程度和學(xué)生喜愛程度等5個方面進行了效果評估。統(tǒng)計結(jié)果如圖7所示。

圖7 遠程數(shù)字系統(tǒng)實驗教學(xué)平臺評價結(jié)果

由圖7可知，遠程數(shù)字系統(tǒng)實驗教學(xué)平臺獲得了超過85%的學(xué)生的認可。所有學(xué)生在使用該平臺后學(xué)習(xí)效果更好。通過進一步與學(xué)生溝通發(fā)現(xiàn)，由于該平臺在功能上綜合了如視頻實時傳輸、遠程程序讀寫、虛擬仿真等新技術(shù)，增加了實驗的操作趣味性，受到95%以上學(xué)生的喜愛，提升了他們進行動手實踐的興趣。值得注意的是，超過60%的學(xué)生對平臺的穩(wěn)定性和界面友好程度提出了更高的要求。目前遠程數(shù)字系統(tǒng)實驗教學(xué)平臺的開發(fā)進度尚處在初級階段，只包含了少量的基礎(chǔ)性實驗和基本功能，后續(xù)將根據(jù)學(xué)生的需求和教學(xué)要求進行更新。

4 結(jié)語

本文對遠程數(shù)字系統(tǒng)實驗教學(xué)平臺進行了需求分析、技術(shù)實現(xiàn)與教學(xué)實踐，發(fā)現(xiàn)該平臺為學(xué)生和教師提供了隨時隨地實驗操作環(huán)境。學(xué)生能夠通過視頻資源對實驗內(nèi)容提前預(yù)習(xí)，能夠在課余繼續(xù)完成實驗，實驗時間更加自由，思考更加完善。教師安排實驗場地更加充裕，資源使用率更高。此外，遠程操作比例的增加大大減少了設(shè)備損壞的概率、降低了實驗成本。學(xué)生和教師能夠在線上就實驗內(nèi)容進行實時交流，溝通渠道更加順暢。整個實驗水平、實驗效率和學(xué)習(xí)效果得到提升。

該遠程數(shù)字系統(tǒng)實驗教學(xué)平臺包括移動設(shè)備、云服務(wù)器和通信網(wǎng)絡(luò)，嚴格遵循了智能制造“云-管-端”的架構(gòu)體系，是“中國制造2025”在高等教育階段的一次嘗試，為培養(yǎng)該領(lǐng)域的高科技人才奠定了較好的基礎(chǔ)。

然而，由于遠程數(shù)字系統(tǒng)實驗教學(xué)平臺尚處在研發(fā)初始階段，只包含了基礎(chǔ)的實驗內(nèi)容和少量功能。教師團隊在未來將擴大實驗教學(xué)的范圍，收集更多學(xué)生和教師的體驗評價和需求，以對平臺進行改進，同時，會將更多前沿技術(shù)，如下一代無線通信、物聯(lián)網(wǎng)、深度學(xué)習(xí)等內(nèi)容添加至該平臺，使其不斷完善。