工科遠程實驗系統的設計與實現

武漢理工大學能源與動力工程學院 湖北武漢 430063

摘要在遠程教育中，學生進行遠程實驗時，提供一定的實驗引導是非常有必要的。介紹了具有輔助教學功能和輔助完成實驗報告功能的遠程實驗系統，闡述了開發遠程實驗系統的架構和結果評估。

關鍵詞 實驗系統；網絡教育；開發；評估

中圖分類號：G434文件標識碼：A 文章編號：1671-489X（2007）03－0060-03

Design of Remote Experiment System//WangYanqiong

AbstractIt is necessary to provide students with the experiment instructions when they perform the remote experiment on the internet . This paper describes the development of remote experiment system and its evaluation. A remote experiment system with functions of teaching assistance and report support are introduced.

Key wordsexperiment system；network education；development；evaluation

Author’s address School of Energy and Power Engineering，Wuhan University ofTechno logyWuhan430063

1引言

隨著internet的發展和普及，在大學教學過程中，除了傳統的課堂講授教學以外，各種形式的遠程課堂也逐漸發展起來。對于進行遠程教育的工科專業來說，與之相關的制作練習和工程實驗是整個教學內容的重要組成部分，因此非常有必要進行遠程實驗的教學研究。目前，關于遠程授課已有相當多的研究，但對于遠程實驗，研究成果較少且實際應用不多。在遠程教學中，受客觀條件的限制，指導教師不能親臨現場，這樣就非常有必要開發具有實驗引導和技術支持功能，并能指導學生進行實驗的遠程教學系統。本文介紹了具有輔助實驗功能和輔助完成實驗報告功能的遠程實驗系統，同時對遠程實驗系統的結果進行了評價。

2遠程實驗的形式

2.１遠程教學的形式

目前，基于網絡的遠程授課的形式主要有如下3種：

1）同步授課。教師在固定的時間內授課，同時將授課的視頻和音頻信息傳送給遍布各地的學生，雙方還可以通過網絡進行信息交流。

2）異步授課。課程的教學材料如視頻和課本等存儲在服務器中，學生可以在任何適當的時間內通過網絡進行學習。WBT（Web Based Training）是這種異步授課的典型應用。

3）同步/異步聯合授課方式。即同步授課與異步授課相結合的方式。

２.２遠程實驗的形式

對工科而言，目前應用較多的有2種類型的遠程實驗，即遠程控制類實驗和仿真類實驗。

1）遠程控制類實驗。此類實驗是通過遠程控制實驗設備進行的，這種遠程控制技術已經應用于某些領域，如遙感、機器人反應堆、遠程手術等。這種實驗方法的效果與在實驗室里進行實驗基本上是等同的。

2）仿真型實驗。實驗環境由軟件模擬，應用計算機輔助設計和虛擬現實軟件技術完成實驗，多組學生能同時進行同一個實驗。但這種類型的實驗大部分都是驗證實驗，無法對實驗的偏差進行計算。

３遠程實驗系統的規劃

３.１ 遠程實驗系統的目標

本文所研究的遠程控制實驗系統可為學生提供幫助功能，并能適用于遠程控制型和仿真型2種類型的實驗。圖1為遠程實驗系統的框架。

一般情況下，學生訪問服務器進行遠程實驗時，服務器中的系統程序能為學生提供指導或幫助。在特殊情況下，實驗指導教師還可以通過網絡提供技術支持和幫助。本實驗系統的研究目標有以下3個。

1）實現基于因特網的遠程實驗系統，以達到工程課程中的教學要求。

2）在遠程控制型實驗和仿真型實驗中，能代替實驗指導教師引導學生進行實驗，并輔助完成實驗報告。

3）通過遠程控制類實驗系統的實例來評估該系統。

3.２遠程實驗系統的組成

遠程實驗系統的組成如圖2所示，學生通過瀏覽器訪問遠程實驗服務器進行實驗。

３.３遠程實驗系統的實現

1）客戶端。瀏覽器軟件提供使用方便的實驗操作界面和實驗環境，學生在瀏覽器上可實現實驗的操作、實驗結果的顯示、圖像顯示等等，還可通過遠程控制攝像機來監控實驗設備的運行狀況，并利用教學輔助功能和輔助完成實驗報告功能最終完成實驗。

2）服務器。遠程實驗服務器通過接受客戶端發送的命令來控制攝像機、管理實驗的進程、提供實驗幫助及輔助完成實驗報告等相關功能，以及傳送實驗結果、教學輔助信息，并將攝像機所攝取的實驗設備運行的視頻圖像傳送到客戶端。

４ 輔助實驗和輔助完成實驗報告功能

４.１輔助實驗功能

該功能包括問答系統和彈出式消息框。

1） 問答系統在實驗過程中學生們會遇到各種各樣的問題，問答系統把實驗中可能出現的問題及其答案全部存入FAQ數據庫，以輔助學生解決在實驗中可能碰到的問題。當學生在實驗中碰到問題時，可以向系統輸入一個關鍵詞，然后從FAQ數據庫中檢索到解決問題的方法。為使用方便，系統還可根據學生在實驗中可能遇到問題的復雜程度來制定FAQ數據庫，把問題分為以下幾類： ①簡單問題。只需向系統輸入一個關鍵詞，就能找到相應的解決方案。這些問題包括原理、公式、實驗設備、實驗過程、技術術語等等。②復雜問題。實驗中出現的有些問題可能通過輸入單個關鍵詞無法解決，此時系統可讓學生回答一些聯系性或事先設定的問題，分析問題的狀態和情況，然后在FAQ數據庫中找到解答。③特殊問題。還有一些問題是FAQ功能不能解決的，學生和教師之間需要通過網絡進行交互式的溝通，即通過 e-mail或在線交流獲得幫助。如果實驗指導教師確定其他的學生也可能會遇到類似的問題，還可及時將FAQ數據庫進行更新。

２） 彈出式消息框在實驗中。有些學生可能會執行一些非法操作或輸入一些邊界參數，這時就需要對實驗者進行引導，以使實驗者不會沿著錯誤的方向繼續進行實驗。為此，在系統合適的地方加入檢查校驗程序，以核實學生在實驗過程中輸入的參數和實驗結果的有效性。

４.２輔助完成實驗報告功能

輔助系統可將實驗數據作為實驗報告的一部分存放在服務器中，實驗報告的模板也在服務器中預先存好，以指導學生怎樣完成報表、總結實驗結果、填寫圖表等等。在實驗完成后，學生調用報告模板中的表格和圖表，利用文字處理軟件進行組合編輯，使之成為新的實驗報告內容。但對實驗結果的討論和所提問題的解答需要學生加入自己的個人見解，這樣才能最終完成實驗報告。

５ 應用實例

以做溫度控制實驗為例，說明本文所研究的遠程實驗系統的具體實現過程。

５.１系統的框架

圖3顯示的是遠程控制類型實驗的溫度控制實驗系統的構成。

1）實驗內容。溫度控制實驗是以加熱器為對象，引導學生學習諸如PI控制或PID控制的自動控制基礎實驗，實驗具體執行過程為：①傳感器測量出加熱器的溫度變化，通過A/D轉換器輸入計算機，后者用漸變電壓來調節溫度。②通過PI 控制或PID 控制實驗，由從①中獲取的各種參數來控制加熱器的加熱功率。

2）實驗操作。客戶端的操作屏幕可顯示描述實驗規則和步驟的教學材料、服務器中得到的數據圖表等實驗結果，以及通過遠程控制按鈕和攝像機控制按鈕獲取的遠程實驗設備的實時運行圖像。在實驗過程中，如果遇到問題或不明確的地方，可以通過輸入關鍵詞和使用實驗引導功能來解決。在實驗完成以后，學生利用輔助完成實驗報告功能，從服務器中獲得實驗數據和圖表，然后編輯和完善相關內容，最終完成實驗報告。

5.2 系統的實現

1）攝像機控制功能。實現遙控攝像有多種方法，例如基于硬件自身的攝像機服務器，在服務器上安裝圖像捕獲板和圖像服務器軟件等等，也可用微軟網絡會議軟件實現圖像服務功能。而攝像控制功能如圖像開關、變焦、傾斜等則可通過開發攝像機控制程序來實現。最后，利用網絡會議，通過服務器的圖像捕獲器將捕獲的圖像傳送給客戶端。

2）FAQ 功能。在FAQ 功能中，提出與問題相關聯的關鍵詞或問題，數據庫執行檢索，檢索的結果以windows 窗口的形式呈現在屏幕上。

3）彈出式窗口。檢查實驗過程中的步驟和結果，提供向導，使實驗不會以異常的狀態進行。實驗可能存在以下4類異常：①錯誤輸入控制參數；②錯誤計算控制參數；③實驗時間過長；④溫度太高。發生①②情況時，系統會彈出消息框，但實驗仍將繼續進行。而發生③④情況，系統也會彈出消息框，但此時實驗卻因出現錯誤而會被終止。

4）實驗結果的產生。完成實驗后，學生從實驗中獲取的測量數據存儲在服務器中，Excel模板得到測量數據后，實驗的結果就產生了，實驗結果的圖表通常以圖像形式展現在屏幕上。如果學生需要原始數據，下載Excel數據文件即可得到。

６遠程實驗系統的評估與結論

６.１ 遠程實驗的效率

溫度控制實驗很適合發展為遠程控制類實驗，因為它只需設定有關參數，啟動實驗設備就能獲得實驗結果。因此，如果網絡環境良好，該遠程實驗系統對于只需較少操作的遠程實驗的效率是很高的，但是對于一些需要復雜操作的實驗或需要對實驗的結果進行觀察驗證的實驗，則還需要進一步的完善。

６.２ 遠程攝像控制功能評價

遠程控制攝像機的平攝、傾斜、變焦和在瀏覽器中捕獲試驗設備圖像等操作，在實驗系統中是現實可行的。但在一個局域網或高速的DSL網絡連接中，傳輸沒有壓縮過的圖像數據只能滿足一個學生的需求，從而造成實驗設備同一時間只能被一個學生使用。

６.３ 輔助實驗功能的評價

在溫度控制實驗中，控制實驗的操作相當簡單，所以FAQ 條目也很少。然而在某種情況下，由于FAQ數據收集不全，則不能提供答案。而在操作程序復雜的實驗中則可能會出現更多的問題。所以，需要將FAQ數據庫劃分為幾類，使之與實驗的每個條目相對應，或是創建更加復雜的多層的FAQ數據庫，類似于知識庫。

另外，在實驗過程中出現異常的情況時，彈出式消息框只能起到提示作用，實驗是否立即停止還需學生根據具體情況來決定。

６.４ 輔助完成實驗報告功能的評價

1）該功能提供模板和結果數據，減輕了學生完成實驗報告的負擔。

2）學生可以專注的討論實驗結果和解決實驗提出的問題。

3）教師可以通過比較服務器端的內容來檢查學生抄襲實驗報告的現象。

但除以上之外，提高學生在實驗過程中對實驗結果的獨立分析和思考的能力也是非常重要的。因此，如何形成能引發學生思考的輔助完成實驗報告功能還需進一步研究與探討。

6.5資源管理和時間安排

遠程控制型實驗的教學效果比仿真型實驗更優越，是因為它與在實驗室進行實驗的結果基本一致，但是在同一時間內只能允許一個學生做同一實驗又是它的主要弊端，它需要合理安排學生的實驗時間，以避免使用實驗設備的沖突，這是將來要研究與改進的主要問題之一。