遠程控制物理實驗教學平臺的建設與實踐

部德才,孫 嶠,李學慧

(大連大學a.物理科學與技術學院,b.建筑工程學院,遼寧大連116622)

遠程控制物理實驗教學平臺的建設與實踐

部德才a,孫 嶠b,李學慧a

(大連大學a.物理科學與技術學院,b.建筑工程學院,遼寧大連116622)

將遠程控制技術應用在物理實驗教學中,搭建遠程控制物理實驗教學平臺,有效地實現物理實驗科教結合自制儀器軟、硬件資源的共享,激發學生對基礎物理實驗的興趣,進一步提高基礎物理實驗課程的教學質量.

物理實驗;遠程控制;科教結合

1 引 言

遠程控制實驗是仿真虛擬實驗的延伸和擴展,是計算機網絡應用于實驗教學的一個發展方向,能給學生提供一種全新的實驗模式.實驗者通過網絡直接對實驗儀器進行實時控制,具有傳統實驗的真實感,即“儀器在實驗室,操作在互聯網”,有利于實現大學之間的儀器資源共享.

國外許多大學實驗都采用遠程控制.新加坡國立大學開發的遠程控制實驗建立了包括實驗選擇、用戶身份認證、實驗時間限制等在內的較為完善的遠程實驗室結構體系[1];英國的開放大學、敦提大學、都柏林圣三一學院、希臘的Zenon公司和葡萄牙的波爾圖大學聯合開發了 PEARL(p ractical experimentation by accessible remote learning)系統[2],用于自然科學和工程學的遠程實驗,實現各個大學之間的儀器設備共享.而國內的實驗課程大多數還是學生人手一機,到實驗室現場操作.雖然有些大學,例如重慶大學電工電子教學基地[3]、浙江大學電氣工程學院[4]、大連理工大學電子系[5]等也開發一些遠程實驗系統,但基本屬于電工電子方面;華南師范大學的遠程控制基本屬于近代物理實驗[6].文獻[7]表明,同濟大學于2006年構建遠程物理實驗控制平臺的設想.真正將遠程控制技術應用到基礎物理實驗上的報道還未多見.

2 建立遠程控制物理實驗教學平臺

遠程控制物理實驗教學平臺包括遠程實驗教學平臺、遠程控制實驗模塊和遠程實驗網絡服務器與遠程視頻服務器3部分.圖1所示.

圖1 遠程實驗教學系統結構

遠程實驗教學平臺是以大連大學基礎物理實驗中心網站為依托,以遠程控制實驗模塊為基礎,作為中心網站的子模塊相對獨立,為師生提供良好的操作平臺,學生通過網絡在該平臺上可進行實驗預習、實際操作、復習等,網站針對不同的實驗項目提供相應的知識拓展.

遠程實驗控制模塊是本系統的核心部分,向用戶提供遠程控制實驗的本地設備和相應操作程序.針對不同實驗項目,研制本地計算機控制的實驗設備,開發計算機操作程序,給用戶提供良好的人機對話界面.利用網絡服務器的通訊功能實現對實驗設備的遠程操作,通過網絡數據的傳輸引起實際設備的運行,所有數據都在真實狀況下獲得,給實驗者帶來真實感受.

遠程實驗網絡服務器采用Linux操作系統,利用其IPtables防火墻技術進行端口映射,使得互聯網上的計算機可以通過訪問服務器,間接訪問實驗機,進行遠程實驗.同時,遠程視頻服務器將實驗現場視頻傳送給用戶,達到真實實驗效果.

3 遠程控制物理實驗的實現

3.1 本地實驗部分

為實現實驗裝置的本地控制,將磁性液體納米顆粒空間分布規律智能測試儀設計為磁場線圈裝置與控制儀兩部分.磁場線圈通過程控電源產生變化的磁場,測試重錘的高度可以通過電機加以改變.控制儀的核心是單片機系統,力敏傳感器將測試重錘在納米磁性液體中處于變化磁場的受力情況轉換為相應的電信號,經信號放大、A/D轉換后采集到單片機.單片機系統在通信協議的控制下通過串口與計算機通信,達到計算機接收數據并控制儀器的目的.

上位機操作程序由基于虛擬儀器的Lab-V IEW軟件實現.為用戶提供良好的人機界面,模擬真實儀器的操作面板,其主要的功能為接收單片機發送的數據進行處理,并且根據用戶在界面上不同的操作產生相應的指令代碼,發送到單片機以控制實驗裝置,改變實驗參量.同時,根據磁性液體納米顆粒空間分布的測試原理,設計對應的數據處理模塊,最終在計算機上顯示出實驗結果.

3.2 遠程實驗的實現

在本地實驗的基礎上,改造上位機程序,采用客戶機/服務器模式,設計基于TCP/IP協議的遠程控制操作程序,分為客戶端程序和服務器程序.客戶端程序為用戶提供遠程操作界面,通過網絡與服務器通信,接收服務器發送的數據,進行處理后在客戶端計算機上顯示實驗結果.服務器與實驗儀器連接,負責接收實驗數據和發送控制指令以改變實驗參量,同時將數據發往客戶端.利用網絡服務器防火墻技術進行端口映射,使得遠程客戶端通過網絡訪問到與實驗儀器相連的實驗機,實現了遠程控制實驗儀器,在異地計算機上完成實驗過程.

3.3 控制自制儀器本地實驗的實踐

如圖2所示,遠程控制中本地實驗部分的操作軟件及科教裝置已實踐了4輪,本地實驗中“磁性液體納米顆粒空間分布規律智能測試儀”已獲得發明專利授予權[8],該測試儀是科教結合自制第四代實驗儀器“磁性液體表觀密度測量儀”[9-11]的創新版.

圖2 遠程控制實驗平臺結構示意圖

遠程實驗教學平臺的框架如圖3所示.利用傳感器采集信息、計算機處理數據、單片機編程的智能化儀器,已加工16套樣機,其中14套樣機作為本地實驗使用,2套樣機作為遠程控制實驗使用.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個實驗項目的測試,實現了本校的“自制儀器在實驗室,學生操作在互聯網”.

圖3 遠程實驗教學平臺建設框架圖

4 結束語

建立起遠程控制實驗教學平臺,實現“儀器在實驗室,操作在互聯網”的實驗模式,將打破校內外儀器專用的壁壘,真正實現校際間物理實驗軟、硬件的資源共享.目前大連大學的本地實驗裝置及操作軟件在基礎物理實驗工科第三階段(研究性實驗階段)、理科、選修課和研究生課程中已經進行4輪教學實踐,受益學生數每年1 000人左右,學生反映良好,4輪教學實踐經驗的積累將對不受時間、空間限制,24小時全天侯的遠程控制實驗裝置及操作軟件的正式啟動提供借鑒,并逐漸輻射省內外高等院校.

[1]Ko C C,Chen B M,Chen Jianping,et al.Development of a web-based laboratory for control experiments on a coup led tank apparatus[J].IEEE Transactionson Education,2001,44(1):76-86.

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[責任編輯: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目(No.2009.12);教育部高等學校物理基礎課程教學指導分委員會項目(No.WJZW-2009-01-db)

部德才(1972-),男,黑龍江寧安人,大連大學物理科學與技術學院講師,碩士,研究方向為物理實驗教學改革、納米功能材料.