一种远程在线实验系统及其在实践教学中应用.pdf

电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering158目前工科电类课程实验教学主要形式有线下实验室实物实践，学生在有实验仪器和设备的特殊实验室中进行动手操作和实验；随后，在电子技术中出现了 Multi-Sim、Proteus、Matlab 等虚拟仿真实验，这些软件能够以极低的成本在一定程度上满足实验需要的情况下完成实验，而且灵活方便。传统实验形式实验设备维护工作量大，实验设备损耗率高，虚拟仿真实验形式由于结果纯理论化、无误差，因此对学生培养独立思考、解决实际问题能力有所欠缺1-3。近年来出现的可以对真实电路元件进行远程连接、远程测量、远程观察实验结果的远程在线真实实验操作平台，给用户带来极强的操作临场感，很大程度上弥补了纯软件仿真带来的实际动手能力训练不足的问题。远程在线实验是一种新的实验形式，通过网络对真实实验设备进行远程控制，对实验数据进行测量，从而达到远距离做实验的目的。远程在线实验形式不仅可以获取真实设备实验的数据，还可以在任何时间和任何地点实现实验的便捷。为实验实作教学注入新的生机和活力，不仅可以激发学生的求知欲，培养学生的实践实作兴趣，还能有效地实现实验教学资源的共享和利用4-5。1 远程在线实验系统远程在线实验平台，其本质实现原理为以一套可编程的门阵列系统作为通用基础平台（BOX），以不同的模块（模块上配套不同的电路和器件）来支撑对应的实验内容，再配套对应的通用上位机软件组成整套系统。这种结构方式核心优势在于：“通用平台+定制模块+通用软件”的架构模式，一套平台即可支撑数电、模电和自动控制原理等课程，并且后续如需开展新的实验课程或者特色实验，只需定制低成本的实验模块即可，避免了豪华采购和重复采购的可能。远程在线实验系统由在线实验软件管理平台和 ELF-BOX 在线实验硬件平台两大部分组成；其中在线实验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、形成性评价等功能；在线实验硬件平台 ELF-BOX 既可以支持本地线下实验，又可以支持远程在线实景实验，将实验室真实存在的物理器件映射到软件平台的人机交互客户端的器件库中，系统可自动识别元器件的种类、参数规格等；教师学生等用户可自行安装在线实验软件管理系统，调用元器件、电路模块及设备等实现电路连接并自动布线，电路下发至硬件平台观察并记录实验现象6。教师根据在线实验软件管理平台学情数据推送，同时进行学生信息管理、实验内容管理等，下发实验任务并设置实验监测点；班级所有学生接收实验任务，首先进行实验原理指导书预习，包括实验目的、实验器材、实验原理、实验步骤以及实验注意事项；学生在预习之后进行远程搭建电路操控设备，同时接收实验设备返回的实验数据，在线实验管理软件平台会提取实验过程数据并升级同步信息至在线实验硬件平台；学生完成规定一种远程在线实验系统及其在实践教学中应用张佰顺刘金辉*甘一鸣彭方成陈金萌（海军潜艇学院 山东省青岛市 266199）摘要：本文介绍了一种针对电类课程的远程在线实验系统，不同于线上虚拟仿真系统过于理想化实验结果，可通过客户端实时控制远程端的实验设备进行实验，将现实仪表设备、元器件等实验装置与在线实验客户端人机交互界面连通，从而远程操作实验室中的实验仪器设备实现与实验室环境下相同的实验过程和结果。远程在线实验系统通过二阶系统瞬态响应实验验证“自动控制技术”课程实践教学效果，不仅可以加强学生实验操作现场感，充分锻炼动手操作能力和分析思考能力，减少了对实验场地的需求，还可以激发学生学习兴趣和热情，同时减少实验管理工作，从而提高实验设备利用率。在当前互联网+教育大力发展的背景下，为实践教学提供了一种新的思路，以此来提高和改善教学效果。关键词：二阶系统瞬态响应；远程在线实验；人机交互电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering159实验任务并采集相关实验数据后可进行在线实验报告的攥写上传至在线实验管理软件平台，教师进行报告批阅并给出个性化学习建议，行程良性循环，提高实践教学效果。上位机客户端人机交互界面如图 1 所示，主要由仪器仪表界面、模块器件元件库界面、摄像头界面、电路搭建界面以及菜单栏构成。1.1 远程在线实验系统硬件平台 其中“ELF-BOX”是一个可编程门阵列系统，教师提前在其中部署好元器件实物和示波器、万用表等真实测量仪器，在“远程实验共享系统”控制下，“ELF-BOX”能够改变其中的真实物理元件和仪器的管脚连接关系，从而进行远程电路搭建，同时，现场真实仪器的测量数据和真实示波器的屏幕波形也会通过网络传输到远程操作界面。学生在电脑上安装相关软件后，就可以在家远程控制实验硬件，进行实验电路搭接、电路参数调整、电路指标测量等操作，并可以通过摄像头远程观察示波器上的实际波形，由此获得与实境实验一样的操控训练和操控体验，实现远程真实实验的操作功能。远程在线真实实验平台全天候开放，学生可以自由预约时间来完成实验，从而突破时空限制，为疫情背景下的电图 1：上位机客户端人机交互界面图 3：实验硬件模块正面背面图图 2：远程实验系统硬件设备电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering160路实验远程教学提供了较好的实践动手平台。硬件实验平台采用模块化组装形式，可通过更改相关试验器件进行其他实验实作项目，以此培养学生的发散性思维。远程实验系统硬件设备如图 2 和图 3 所示。1.2 在线实验软件管理平台在线实验软件管理平台具有较强的过程管理功能，会记录学生的实验操作步骤，统计和判断实测数据并生成实验报告，防止数据抄袭，保证实验教学质量。在线管理软件平台导航菜单中具有实验管理、客户端管理、ELF-BOX 管理和系统管理等功能，再实验管理中可进行实验项目管理、实验模板管理以及测量项管理等；在实验过程中可设置监测点，系统设置规定范围系统可进行自动评阅给出相应成绩，一定程度上节约教师批阅实验报告时间8。2 二阶系统瞬态响应本地/远程实验2.1 实验原理二阶系统瞬态响应实验硬件平台设备包括信号源、数字示波器等仪器仪表以及放大器和多种规格参数的电阻电容等元器件，其中还包括一可变电阻，典型 I 型二阶闭环系统模拟电路如图 4 所示，电路对应的结构图如图 5 所示。由典型环节构造二阶控制系统模拟电路典型二阶控制系统由一个非周期性环节和一个积分环节串联等效而成，在实验中为了实现参数的线性调节，非周期性环节使用一个积分环节的负反馈回路构造7。，保持无阻尼自然频率 n 不变，研究阻尼比 的变化对系统动态性能的影响。令 C=1uF，则 n=10 rad/s，分别令 R2=0，40，140，200，240 k 时，系统的阻尼比=0，0.2，0.7，1，1.2，研究二阶系统的动态响应。改变无阻尼自然频率 n，比较在相同阻尼比的情况下，系统动态性能发生的变化。令C=0.1uF，则n=100 rad/s，分别令 R2=0，40，140 k 时，系统的阻尼比=0，0.2，0.7，研究二阶系统的动态响应。2.3 二阶系统瞬态响应远程实验过程二阶系统瞬态响应的远程在线实验过程，首先登录到客户端软件，弹出预约检测对话框，点击选择列表，在列表中选择空闲在线设备并连接。点击选实验，在实验列表中选择本次需要进行的实验项目“二阶系统瞬态响应实验”，设置对应的监测点模板。点击扫描，将实验平台上的模块扫描到软件界面，此时示波器等仪器设图 4：二阶控制系统模拟电路图 5：二阶控制系统结构图电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering161备和放大器、电阻电容等模块器件映射到客户端系统，实现与实验室真实的物理器件通信链接功能。打开摄像头，观察实验现场情况。将扫描上来的元器件拖拽到画布区域，开始原理图连线，搭建二阶系统瞬态响应模拟电路。点击下发物理链接电路才会真正的生效。点击监测点按钮设置检测点。调节可变电阻阻值分别进行二阶系统瞬态响应实验中的欠阻尼、临界阻尼和过阻尼实验现象的观察和数据的采集记录。自动保存并提交实验数据，获取到的实验数据可以汇成表格，然后生成响应曲线。改变可变电阻阻值，得到不同类型阶跃响应曲线，研究二阶闭环系统结构参数无阻尼正当频率和阻尼比对过渡过程的影响，观察和分析二阶闭环系统在欠阻尼、临界阻尼和过阻尼的瞬态响应曲线及在阶跃信号输入是的动态性能指标。欠阻尼瞬态响应远程实验界面如图 8所示。课前，随时随地预习实验知识点，并通过远程实验平台在线做实验（真实电路、真实器件、真实仪器），提前熟悉实验过程及仪器仪表操作，带着问题去上课，提升实验效率。课中，现场做实验，协助老师聚焦实验内涵。（1）验证性实验采取集成模块+个别分立器件（灵活调参）的模式，最大限度支持参数选取和观测。（2）高阶实验采取针对性设置故障模块的模式，支持老师自主建立个性故障库，进行轻量级故障分析训练教学。（3）创新性实验采取开放接口的模式，自主设计电路接入平台，支持面包板和 PCB 板。课后，在线写实验报告。一键提取全套测试仪器数据，防作弊，支持模板设置，分章节批注及评分。全过程实现数据采集及分析，对学生可即时反馈所学知识的薄弱点，辅助有针对性查漏补缺。对老师可做深入的学情分析，提升课程设计质量，并持续关注学生个体学习情况。3 结语基于远程在线实验系统，将传统线下实验体验搬上互联网，利用互联网技术将真实的仪器设备模块迁移至上位机客户端，实现远程在线对实验室中的设备真实操控，实现实验现象的同步显示。阐述了远程在线实验系统的组成以及在线硬件平台和在线软件管理平台的功能，可支撑完成电类课程实验中的大多数实验项目，当学生在家中通过电脑远程控制实验室内的电路连接并观察到实际示波器显示的电路波形时，激发学生专业学习兴趣和热情，进一步提高实践教学效果。参考文献1 王学力,李海涛.一种远程在线实验系统在实践教学中的应用 J.郑州铁路职业技术学院学报,2016,28(03):66-67+73.2 汤雪娇,郑磊,胡仁杰,等.电工电子远程在线实物实验平台的建设与实践J.实验室研究与探索,2021,40(12):148-153.3 陈勇.远程操作电工电子实验平台的设计 J.电子技术与软件工程,2020,191(21):41-44.4 史庚苏.直流电路特性研究实验的远程在线虚拟实验对学习效果的提升 J.工业和信息化教育,2020(2):61-64.5 吕念玲,秦慧平,殷瑞祥,等.在线教育在高等学校实验教学中的实现 J.实验室研究与探索,2020,39(07):214-218+222.6 张佰顺,于亦凡,吴学英,等.自动控制技术课程远程在线实景实验的探索与实践 J.实验技术与管理,2020,37(12):21-23.7 张良,谢刚,蒋莹,等.基于 Multisim 仿真软件的自动控制原理实验设计 J.电子技术与软件工程,2022,240(22):44-49.作者简介张佰顺（1992-），男，工学硕士，讲师。研究方向为控制理论与控制工程、自动控制技术的研究与教学。刘金辉（1976-）（通讯作者），男，工学硕士，副教授，教研室主任。研究方向为电机及其控制。甘一鸣（1990-），男，工学硕士，工程师。研究方向为指控系统软件的研究与教学。彭方成(1993-)，男，工学硕士，讲师。研究方向为电工电子技术的研究与教学。陈金萌(1994-)，男，工学硕士，讲师。研究方向为电工电子技术的研究与教学。