“中國制造2025”背景下遠程數字系統實驗教學平臺研究與實踐＊

邢賽楠，曾張帆，梅嘉玉

（湖北大學計算機與信息工程學院，湖北 武漢 430062）

近年來，歐美日韓等信息技術先進的發達國家紛紛制定了一系列智能制造強國戰略，意在第四次科技革命和新一輪全球競爭中贏得主動權[1-3]。在此背景下，中國于2015年提出了“中國制造2025”的宏偉戰略規劃，以加快信息技術與工業生產的結合、推動工業產業創新、促進產業轉型升級、力爭搶占未來產業競爭的制高點[4-6]。

數字系統是智能制造產業“云-管-端”架構的基石，然而該領域人才的稀缺是中國長期面臨的難題[7-9]。現有的數字系統實驗教學內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。

實驗內容單調。現有的數字系統實驗內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用實踐。

設備資源匱乏。由于數字實驗平臺價格昂貴，導致不少經費不充足的地方高校實驗室部署數量較少。一臺設備往往由較多學生共同使用，減少了每個學生實踐動手的時間。

實驗教學時間占比不夠。傳統的教學方法以教師講授為主，實驗教學學時較少，學生缺乏學習的主動性和積極性。

實驗設備不易維護。數字系統實驗設備包含大量精密復雜的硬件模塊，較為容易損壞，且難以及時得到售后服務和維修，最終導致設備在數量上更難滿足學生實驗的需求。

針對上述問題，本文提出一種遠程數字系統實驗教學平臺。該平臺包括移動設備、數字實驗硬件系統和云服務器。學生能夠隨時隨地通過移動設備對數字實驗硬件系統進行遠程控制，進而完成實驗。教師能夠在移動設備或者云服務器對數字實驗硬件系統進行狀態監控和性能維護。學生完成實驗后，將實驗結果上傳至云服務器，教師能夠在移動設備或者云服務器對其進行評分，學生能夠通過移動設備查詢評分。

最后，本文采用遠程數字系統實驗教學平臺對湖北大學計算機與信息工程學院通信工程專業的50余名學生進行了教學實踐，并就學習效果、平臺穩定性等5個方面對學生進行了問卷調查。統計結果表明，該平臺受到學生的一致認可，能夠成為傳統實驗方式的補充手段，提高學生的學習效果。

1 遠程數字系統實驗教學平臺設計

在對遠程數字系統實驗教學平臺進行架構設計時，應充分考慮其是否符合“中國制造2025”對數字系統實驗課程的要求。因此，秉承智能制造設備“云-管-端”的架構思想，本論文提出的遠程數字系統實驗教學平臺主要由移動設備、數字實驗硬件系統和云服務器3大部分組成，其總體架構如圖1所示。

圖1 平臺總體架構

移動設備是學生和數字實驗硬件系統人機交互的平臺，它為學生和教師提供了可視化的實驗操作界面、便捷的學習資料和學習交流環境等。移動設備可視化實驗操作界面通過模擬硬件系統實驗環境，如開關按鍵、數碼管、LED燈等，使學生能夠進行虛擬實驗操作。同時移動設備實時顯示數字實驗硬件系統上方放置的攝像頭傳輸的真實實驗現象，進而取得身臨其境的效果。

數字實驗硬件系統是實驗操作的載體，它包含所有實驗需要的硬件模塊和存儲單元數字實驗硬件系統接收學生的遠程實驗操作指令，運行實驗內容，并將實驗結果反饋到云服務器和移動設備，供學生查看實驗效果。此外，數字實驗硬件系統上方放置攝像頭，實時獲取實驗現象視頻，并傳輸至移動設備。學生通過觀察實驗現象視頻和實驗結果，能夠更加感性地理解實驗。

云服務器是整個遠程數字系統實驗教學平臺的數據存儲中心以及網絡傳輸的橋梁。數據存儲方面，學生和教師個人的用戶信息、教師提供的實驗資源以及學生上傳的實驗結果和教師的評分結果等均存儲在云服務器。網絡傳輸方面，學生在移動設備進行的實驗操作信息通過云服務器傳輸至數字實驗硬件系統。實驗結果和攝像頭獲取的實驗現象視頻實時地通過云服務器傳輸至移動設備。

1.1 移動設備設計

移動設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品，在軟件方面主要包括用戶層、表示層、功能層和數據層，其整體架構如圖2所示。

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

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

功能層將數據層存儲的各項數據進行加工，產生中間產品。它包括用戶功能、平臺功能及后臺管理功能，其中用戶功能為學生與移動設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習資料。后臺管理功能為教師對學生的信息和平臺資源進行維護提供支持，保證數據的安全和穩定。

數據層將學生個人數據、實驗數據等信息在MySql數據庫中進行存儲、更新等處理。

圖2 移動設備架構圖

1.2 數字實驗硬件系統設計

數字實驗硬件系統是實驗執行的載體，主要由客戶組件、FPGA實驗板和攝像頭組成，其系統框圖如圖3所示。

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

客戶組件是數字實驗硬件系統的通信出入口，為移動設備和FPGA實驗板進行信息交互提供載體。學生從移動設備輸入實驗操作指令，通過云服務器傳輸至客戶組件，進而抵達FPGA實驗板，完成實驗內容。實驗結束后，實驗結果通過客戶組件返回至云服務器，進而傳遞到移動設備，在其瀏覽器上進行虛擬頁面顯示，為學生提供實驗信息。客戶組件與FPGA實驗板采用TCP/IP協議實現單點通信。客戶組件與云服務器采用物聯網MQTT協議進行信息傳輸。

攝像頭放置在FPGA實驗板上方，將實驗現象視頻通過客戶組件實時傳輸到移動設備，學生通過移動設備瀏覽器對實驗現象進行觀察。

圖3 數字實驗硬件系統框圖

1.3 云服務器設計

云服務器為遠程數字實驗教學平臺提供數據存儲和網絡通信。本平臺采用阿里云服務器，并在服務器上搭建自己的數據中心，實現數據的存儲和訪問。

云服務器為移動設備和數字實驗硬件系統的通信提供服務。通過在云服務器上部署MQTT代理，實現移動設備到云服務器以及云服務器到數字實驗硬件系統的雙向通信。通過在云服務器上部署Node-Media-Server-master流媒體代理，能夠實現攝像頭采集的實驗現象視頻實時傳輸至移動設備。在云服務器上部署MySQL數據庫，對教師和學生的個人數據、教學資源以及教學檔案信息進行存儲。

2 平臺測試與實驗效果

根據以上描述，教師團隊完成了遠程數字系統實驗教學平臺的研發和技術實現。其數字實驗硬件系統實物圖如圖4所示。

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

遠程數字系統實驗教學平臺的移動設備瀏覽器首頁如圖5所示。

圖4 數字實驗硬件系統實物圖

圖5 移動端首頁

可以看出移動設備瀏覽器首頁上顯示了數電實驗、EDA實驗、信號分析、圖像處理以及深度學習等。學生能夠根據興趣自行選擇。教師能夠根據授課需要添加更多的實驗內容，并根據需求調整移動設備瀏覽器各個頁面的布局。

此外，首頁上顯示了四大導航模塊，包括首頁、視頻、實驗、用戶。學生能夠通過點擊模塊進入相應的模塊頁面。其中實驗模塊為學生提供虛擬的實驗環境，其效果圖如圖6所示。

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

圖6 實驗模塊效果圖

3 遠程數字系統實驗教學平臺應用與教學效果

為了解遠程數字實驗教學平臺的實驗效果，教師團隊利用該平臺對通信工程專業的50余名學生進行了教學實踐。實驗內容為按鍵流水燈與七位數碼管的顯示。在授課形式方面，授課教師提前將實驗內容制作成視頻資源上傳到云服務器，學生能夠在移動設備上進行課前預習和準備工作。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，課后學生可以通過移動設備隨時隨地繼續進行實驗，并將遇到的問題在線上與授課教師進行交流。實驗結束后，學生將實驗結果通過移動設備上傳至云服務器，授課教師對實驗結果進行評分，學生能夠通過移動設備瀏覽器查詢分數。

經過一個學期的教學實踐，教師團隊通過問卷調查的方式，以參與實驗的50余名學生為調查對象，分別從綜合評價、學習效果、平臺穩定性、界面友好程度和學生喜愛程度等5個方面進行了效果評估。統計結果如圖7所示。

圖7 遠程數字系統實驗教學平臺評價結果

由圖7可知，遠程數字系統實驗教學平臺獲得了超過85%的學生的認可。所有學生在使用該平臺后學習效果更好。通過進一步與學生溝通發現，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，增加了實驗的操作趣味性，受到95%以上學生的喜愛，提升了他們進行動手實踐的興趣。值得注意的是，超過60%的學生對平臺的穩定性和界面友好程度提出了更高的要求。目前遠程數字系統實驗教學平臺的開發進度尚處在初級階段，只包含了少量的基礎性實驗和基本功能，后續將根據學生的需求和教學要求進行更新。

4 結語

本文對遠程數字系統實驗教學平臺進行了需求分析、技術實現與教學實踐，發現該平臺為學生和教師提供了隨時隨地實驗操作環境。學生能夠通過視頻資源對實驗內容提前預習，能夠在課余繼續完成實驗，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備損壞的概率、降低了實驗成本。學生和教師能夠在線上就實驗內容進行實時交流，溝通渠道更加順暢。整個實驗水平、實驗效率和學習效果得到提升。

該遠程數字系統實驗教學平臺包括移動設備、云服務器和通信網絡，嚴格遵循了智能制造“云-管-端”的架構體系，是“中國制造2025”在高等教育階段的一次嘗試，為培養該領域的高科技人才奠定了較好的基礎。

然而，由于遠程數字系統實驗教學平臺尚處在研發初始階段，只包含了基礎的實驗內容和少量功能。教師團隊在未來將擴大實驗教學的范圍，收集更多學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，如下一代無線通信、物聯網、深度學習等內容添加至該平臺，使其不斷完善。