遠(yuǎn)程控制物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)與實(shí)踐

部德才,孫 嶠,李學(xué)慧

(大連大學(xué)a.物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,b.建筑工程學(xué)院,遼寧大連116622)

遠(yuǎn)程控制物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)與實(shí)踐

部德才a,孫 嶠b,李學(xué)慧a

(大連大學(xué)a.物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,b.建筑工程學(xué)院,遼寧大連116622)

將遠(yuǎn)程控制技術(shù)應(yīng)用在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,搭建遠(yuǎn)程控制物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái),有效地實(shí)現(xiàn)物理實(shí)驗(yàn)科教結(jié)合自制儀器軟、硬件資源的共享,激發(fā)學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)的興趣,進(jìn)一步提高基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)質(zhì)量.

物理實(shí)驗(yàn);遠(yuǎn)程控制;科教結(jié)合

1 引 言

遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)是仿真虛擬實(shí)驗(yàn)的延伸和擴(kuò)展,是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一個(gè)發(fā)展方向,能給學(xué)生提供一種全新的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?實(shí)驗(yàn)者通過(guò)網(wǎng)絡(luò)直接對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行實(shí)時(shí)控制,具有傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的真實(shí)感,即“儀器在實(shí)驗(yàn)室,操作在互聯(lián)網(wǎng)”,有利于實(shí)現(xiàn)大學(xué)之間的儀器資源共享.

國(guó)外許多大學(xué)實(shí)驗(yàn)都采用遠(yuǎn)程控制.新加坡國(guó)立大學(xué)開發(fā)的遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)建立了包括實(shí)驗(yàn)選擇、用戶身份認(rèn)證、實(shí)驗(yàn)時(shí)間限制等在內(nèi)的較為完善的遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室結(jié)構(gòu)體系[1];英國(guó)的開放大學(xué)、敦提大學(xué)、都柏林圣三一學(xué)院、希臘的Zenon公司和葡萄牙的波爾圖大學(xué)聯(lián)合開發(fā)了 PEARL(p ractical experimentation by accessible remote learning)系統(tǒng)[2],用于自然科學(xué)和工程學(xué)的遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn),實(shí)現(xiàn)各個(gè)大學(xué)之間的儀器設(shè)備共享.而國(guó)內(nèi)的實(shí)驗(yàn)課程大多數(shù)還是學(xué)生人手一機(jī),到實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場(chǎng)操作.雖然有些大學(xué),例如重慶大學(xué)電工電子教學(xué)基地[3]、浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院[4]、大連理工大學(xué)電子系[5]等也開發(fā)一些遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),但基本屬于電工電子方面;華南師范大學(xué)的遠(yuǎn)程控制基本屬于近代物理實(shí)驗(yàn)[6].文獻(xiàn)[7]表明,同濟(jì)大學(xué)于2006年構(gòu)建遠(yuǎn)程物理實(shí)驗(yàn)控制平臺(tái)的設(shè)想.真正將遠(yuǎn)程控制技術(shù)應(yīng)用到基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)上的報(bào)道還未多見(jiàn).

2 建立遠(yuǎn)程控制物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)

遠(yuǎn)程控制物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)包括遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)、遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)?zāi)K和遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器與遠(yuǎn)程視頻服務(wù)器3部分.圖1所示.

圖1 遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)是以大連大學(xué)基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)中心網(wǎng)站為依托,以遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)?zāi)K為基礎(chǔ),作為中心網(wǎng)站的子模塊相對(duì)獨(dú)立,為師生提供良好的操作平臺(tái),學(xué)生通過(guò)網(wǎng)絡(luò)在該平臺(tái)上可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、實(shí)際操作、復(fù)習(xí)等,網(wǎng)站針對(duì)不同的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目提供相應(yīng)的知識(shí)拓展.

遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)控制模塊是本系統(tǒng)的核心部分,向用戶提供遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)的本地設(shè)備和相應(yīng)操作程序.針對(duì)不同實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,研制本地計(jì)算機(jī)控制的實(shí)驗(yàn)設(shè)備,開發(fā)計(jì)算機(jī)操作程序,給用戶提供良好的人機(jī)對(duì)話界面.利用網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的通訊功能實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程操作,通過(guò)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸引起實(shí)際設(shè)備的運(yùn)行,所有數(shù)據(jù)都在真實(shí)狀況下獲得,給實(shí)驗(yàn)者帶來(lái)真實(shí)感受.

遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器采用Linux操作系統(tǒng),利用其IPtables防火墻技術(shù)進(jìn)行端口映射,使得互聯(lián)網(wǎng)上的計(jì)算機(jī)可以通過(guò)訪問(wèn)服務(wù)器,間接訪問(wèn)實(shí)驗(yàn)機(jī),進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn).同時(shí),遠(yuǎn)程視頻服務(wù)器將實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)視頻傳送給用戶,達(dá)到真實(shí)實(shí)驗(yàn)效果.

3 遠(yuǎn)程控制物理實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)

3.1 本地實(shí)驗(yàn)部分

為實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)裝置的本地控制,將磁性液體納米顆粒空間分布規(guī)律智能測(cè)試儀設(shè)計(jì)為磁場(chǎng)線圈裝置與控制儀兩部分.磁場(chǎng)線圈通過(guò)程控電源產(chǎn)生變化的磁場(chǎng),測(cè)試重錘的高度可以通過(guò)電機(jī)加以改變.控制儀的核心是單片機(jī)系統(tǒng),力敏傳感器將測(cè)試重錘在納米磁性液體中處于變化磁場(chǎng)的受力情況轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào),經(jīng)信號(hào)放大、A/D轉(zhuǎn)換后采集到單片機(jī).單片機(jī)系統(tǒng)在通信協(xié)議的控制下通過(guò)串口與計(jì)算機(jī)通信,達(dá)到計(jì)算機(jī)接收數(shù)據(jù)并控制儀器的目的.

上位機(jī)操作程序由基于虛擬儀器的Lab-V IEW軟件實(shí)現(xiàn).為用戶提供良好的人機(jī)界面,模擬真實(shí)儀器的操作面板,其主要的功能為接收單片機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,并且根據(jù)用戶在界面上不同的操作產(chǎn)生相應(yīng)的指令代碼,發(fā)送到單片機(jī)以控制實(shí)驗(yàn)裝置,改變實(shí)驗(yàn)參量.同時(shí),根據(jù)磁性液體納米顆粒空間分布的測(cè)試原理,設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)處理模塊,最終在計(jì)算機(jī)上顯示出實(shí)驗(yàn)結(jié)果.

3.2 遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)

在本地實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,改造上位機(jī)程序,采用客戶機(jī)/服務(wù)器模式,設(shè)計(jì)基于TCP/IP協(xié)議的遠(yuǎn)程控制操作程序,分為客戶端程序和服務(wù)器程序.客戶端程序?yàn)橛脩籼峁┻h(yuǎn)程操作界面,通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與服務(wù)器通信,接收服務(wù)器發(fā)送的數(shù)據(jù),進(jìn)行處理后在客戶端計(jì)算機(jī)上顯示實(shí)驗(yàn)結(jié)果.服務(wù)器與實(shí)驗(yàn)儀器連接,負(fù)責(zé)接收實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和發(fā)送控制指令以改變實(shí)驗(yàn)參量,同時(shí)將數(shù)據(jù)發(fā)往客戶端.利用網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器防火墻技術(shù)進(jìn)行端口映射,使得遠(yuǎn)程客戶端通過(guò)網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)到與實(shí)驗(yàn)儀器相連的實(shí)驗(yàn)機(jī),實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)儀器,在異地計(jì)算機(jī)上完成實(shí)驗(yàn)過(guò)程.

3.3 控制自制儀器本地實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐

如圖2所示,遠(yuǎn)程控制中本地實(shí)驗(yàn)部分的操作軟件及科教裝置已實(shí)踐了4輪,本地實(shí)驗(yàn)中“磁性液體納米顆粒空間分布規(guī)律智能測(cè)試儀”已獲得發(fā)明專利授予權(quán)[8],該測(cè)試儀是科教結(jié)合自制第四代實(shí)驗(yàn)儀器“磁性液體表觀密度測(cè)量?jī)x”[9-11]的創(chuàng)新版.

圖2 遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖

遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的框架如圖3所示.利用傳感器采集信息、計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)、單片機(jī)編程的智能化儀器,已加工16套樣機(jī),其中14套樣機(jī)作為本地實(shí)驗(yàn)使用,2套樣機(jī)作為遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)使用.這樣,一套“智能化儀器”做“磁性液體表觀密度”和“磁性液體表面張力”2個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的測(cè)試,實(shí)現(xiàn)了本校的“自制儀器在實(shí)驗(yàn)室,學(xué)生操作在互聯(lián)網(wǎng)”.

圖3 遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)框架圖

4 結(jié)束語(yǔ)

建立起遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái),實(shí)現(xiàn)“儀器在實(shí)驗(yàn)室,操作在互聯(lián)網(wǎng)”的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?將打破校內(nèi)外儀器專用的壁壘,真正實(shí)現(xiàn)校際間物理實(shí)驗(yàn)軟、硬件的資源共享.目前大連大學(xué)的本地實(shí)驗(yàn)裝置及操作軟件在基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)工科第三階段(研究性實(shí)驗(yàn)階段)、理科、選修課和研究生課程中已經(jīng)進(jìn)行4輪教學(xué)實(shí)踐,受益學(xué)生數(shù)每年1 000人左右,學(xué)生反映良好,4輪教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的積累將對(duì)不受時(shí)間、空間限制,24小時(shí)全天侯的遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)裝置及操作軟件的正式啟動(dòng)提供借鑒,并逐漸輻射省內(nèi)外高等院校.

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[責(zé)任編輯:尹冬梅]

Construction and application of remote-controlled educational platform of physical experiment

BU De-caia,SUN Qiaob,L IXue-huia
(a.College of Physical Science and Techno logy;b.Civil and A rchitecture College,Dalian University,Dalian 116622,China)

This paper app lied remote controlled technique into physical experiments and set up a p latfo rm of remote controlled physical experiments.Thus,it realized the share of softw are and hardware of self-p roduced physical experimental apparatusand stimulated the interest of students in fundamental physics experiments,imp roved the education quality of fundamental physics experiment courses further.

physical experiment;remote control;science and education com bined

G642.423

A

1005-4642(2011)03-0022-03

2010-03-29;修改日期:2010-06-28

遼寧省教育廳教改項(xiàng)目(No.2009.12);教育部高等學(xué)校物理基礎(chǔ)課程教學(xué)指導(dǎo)分委員會(huì)項(xiàng)目(No.WJZW-2009-01-db)

部德才(1972-),男,黑龍江寧安人,大連大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院講師,碩士,研究方向?yàn)槲锢韺?shí)驗(yàn)教學(xué)改革、納米功能材料.