遠程網(wǎng)絡化柔性測控技術綜合實訓平臺的共建

施云貴，趙 磊，陳佩軍

(黃山學院 機電工程學院，安徽 黃山245041)

“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”旨在培養(yǎng)造就一批創(chuàng)新能力強、職業(yè)道德優(yōu)良、適應經(jīng)濟社會發(fā)展需要的應用型卓越工程師后備人才[1]。為了保證該培養(yǎng)計劃穩(wěn)步實施，尤其是應用型本科院校的各試點專業(yè)應根據(jù)地方特色、行業(yè)專業(yè)特點以及結合現(xiàn)代信息化技術，校企合作共同制定和實施以系統(tǒng)工程能力培養(yǎng)為目標的實驗室提升計劃，為學生提供具有整體工程概念、有助于創(chuàng)新能力提升的自主體驗式實踐環(huán)境[2-4]。為此我們制定了建設方案和要求，與上海泛華測控系統(tǒng)有限公司（原北京中科泛華測控技術有限公司(上海辦事處)，簡稱泛華測控）共同商討達成一致，共建了“遠程網(wǎng)絡化柔性測控技術綜合實驗實訓平臺”。該平臺的構建不僅從根本上改變了傳統(tǒng)實驗設備、實驗教學方式存在的不足，而且在企業(yè)原有實驗系統(tǒng)基礎上提出創(chuàng)新性設計方案，企業(yè)量身定制，以形成了真正意義上的開放式實踐教學。

1 遠程網(wǎng)絡化柔性測控技術綜合實訓平臺建設方案

圖1 遠程網(wǎng)絡化柔性測控技術綜合實訓平臺構架效果圖

遠程網(wǎng)絡化柔性測控技術綜合實訓平臺構架效果如圖1所示，主要包括nextwall-A型工程教學實驗機柜、nextcloud信息化實驗管理系統(tǒng)、遠程實驗網(wǎng)絡、nextpad軟件平臺 （客戶端）4部分組成。其中nextwall-A型工程教學實驗機柜是核心設備，內(nèi)部集成一臺工控機（服務器），裝載6塊PCI多功能數(shù)據(jù)采集卡和1塊數(shù)字IO卡，定制nextboard教學硬件平臺1套（其中包括傳感器實驗模塊套件、電工電子實驗模塊套件、自動控制原理實驗模塊套件、通信原理實驗模塊套件、信號與系統(tǒng)實驗模塊套件）。在實際應用中可以針對某一獨立課程實驗按照比例（如5-8:1） 配置客戶端數(shù)量和nextwall-A型工程教學實驗機柜數(shù)量?？擅嫦驅I(yè)基礎課程和核心課程《電力分析基礎》、《模擬電子技術》、《數(shù)字電子技術》、《傳感器技術》、《自動控制原理》、《通信原理》、《信號與系統(tǒng)》以及創(chuàng)新實驗擴展等實現(xiàn)“用最形象、互動與創(chuàng)新的方式”進行工程實踐教育。

2 遠程網(wǎng)絡化柔性測控技術綜合實訓平臺創(chuàng)新點

該平臺的構建旨在為學生提供具有整體工程概念、有助于創(chuàng)新能力提升的自主體驗式實踐環(huán)境。上海泛華測控系統(tǒng)有限公司現(xiàn)有實驗系統(tǒng)由nextpad軟件平臺、nextboard 硬件平臺、遠程實驗網(wǎng)絡、nextcloud信息化管理系統(tǒng)4部分組成，具有平臺化、模塊化、信息化三大要點。遠程網(wǎng)絡化柔性測控技術綜合實訓平臺由于nextwall-A型工程教學實驗機柜的集成化設計，增加了“開源化”、“共享化”、“柔性化”以系統(tǒng)工程技術能力培養(yǎng)為目標的創(chuàng)新特點。平臺的一體化設計使得這五大特點相互依賴、相互配合，充分體現(xiàn)了新一代實驗設備的本質性革命。

2.1 開源化

通過將服務器裝載6塊PCI多功能數(shù)據(jù)采集卡和1塊數(shù)字IO卡，6套nextboard教學硬件平臺（包括傳感器實驗模塊套件、電工電子實驗模塊套件、自動控制原理實驗模塊套件、通信原理實驗模塊套件、信號與系統(tǒng)實驗模塊等） 集成在nextwall-A型工程教學實驗機柜中，使各學科實驗模塊通過實驗室局域網(wǎng)絡或遠程網(wǎng)絡面向客戶端學生開放實驗。教師可以用exl表格形式注冊學生信息，系統(tǒng)根據(jù)學生登陸實驗項目狀況自動分配硬件資源，并給出硬件資源選用狀態(tài)。這樣設計的好處一是nextcloud信息化實驗管理系統(tǒng)采用硬件資源分時復用方式，即同一個實驗模塊可面向多個客戶端學生開放，提高了硬件資源的利用率；二是從根本上改變了學生傳統(tǒng)實驗的簡單連線占太多時間的弊病，更加注重學生對某一功能模塊的分析、理解和整個實驗的過程，便于逐步形成面向系統(tǒng)工程能力培養(yǎng)的項目實施；三是可同時對不同課程開設實驗或對同一課程開設不同實驗項目，通過信息化管理并合理優(yōu)化實驗項目，可大大提高平臺實驗利用率； 四是無需定期更換nextboard上的模塊配合實驗課程；五是nextwall-A型工程教學實驗機柜數(shù)量和客戶端數(shù)量可擴展； 六是學生通過局域網(wǎng)客戶端登錄后可以進行遠程訪問，并通過nextpad上的課件進行實驗，課件支持實驗參數(shù)配置、數(shù)據(jù)實時顯示、保存實驗結果并發(fā)送至客戶端；另外學生還可以遠程提交實驗報告，教師可以遠程查閱學生實驗過程、批復實驗報告、登記實驗成績等，從而實現(xiàn)真正意義上的實驗室開放教學。

2.2 柔性化

系統(tǒng)提供創(chuàng)新實驗界面，學生可以登錄服務器客戶端，學生可以團隊形式任意搭接完成各種基礎性實驗、學科交叉性實驗以及創(chuàng)新性實驗等。其“柔性化”就是各模塊都具備二次開發(fā)的特性；學生可以按照自己的思維自由地搭建創(chuàng)新的系統(tǒng)（類似于用積木來搭出腦海中的各種形狀），實現(xiàn)“積木搭建式”創(chuàng)意實驗模式，突出體現(xiàn)了虛實結合、相互補充、能實不虛的原則，非常適合面向系統(tǒng)工程技術項目驅動下的創(chuàng)新能力培養(yǎng)。

3 應用案例

本文以傳感器實驗中的編碼器實驗來詳細加以說明。

編碼器實驗模塊（nextsense08）使用增量式光電編碼器作為被測對象，涉及編碼器角度測量和頻率測量。實驗采用步距角為1.8°的20步進電機作為被測物，可以編程調(diào)動步進電機進行特定角度的轉動，為編碼器測量提供依據(jù)。本實驗占用數(shù)字和模擬兩個插槽。

學生可在遠程網(wǎng)絡化柔性測控技術實驗平臺軟件界面中，輸入姓名和學號（已被授權）進入實驗列表查看及實驗選擇界面如圖2所示。學生實驗列表分為已完成和未完成兩部分，其中又分為電路分析、模擬電子技術等8個分類。未完成表示自己還未進行的實驗課程或是提交后老師認為不合格的課程。已完成表示已經(jīng)提交過實驗報告的課程。

學生選擇編碼器實驗項，點擊進入編碼器實驗操作界面如圖2所示，課程選項卡由傳感器介紹、編碼器特性、步進電機特性、實驗內(nèi)容、編碼器輸出、步進角測量、例程演示7個部分組成，功能按鈕由數(shù)據(jù)存儲、在線幫助二個部分組成。其中傳感器介紹對傳感器原理給出說明，編碼器特性和步進電機特性用仿真方式展示其工作原理，實驗給出了教學目的和要求，編碼器輸出和步進角測量給出了實驗步驟和數(shù)據(jù)獲取方法，例程演示提供編碼器實驗的L abVIEW例程和作業(yè)；數(shù)據(jù)存儲提供遠程下載實驗報告模板、撰寫實驗報告、提交實驗報告，在線幫助打開此實驗課程的使用說明書，得到詳細的操作介紹。

圖2 實驗列表及實驗選擇界面

圖3 編碼器實驗操作界面

系統(tǒng)服務器根據(jù)學生登陸實驗項目狀況自動分配硬件資源，并給出硬件資源選用狀態(tài)。學生可根據(jù)實驗需求，選擇不同的實驗項目。不僅確保了每位學生都能夠獨立開展實驗，而且使教學資源得以充分利用。本案例不能覆蓋該平臺的全部特點，但足以說明該平臺具有以實為主、虛實結合、相互補充的特點，提高了教學能力，拓展了實踐領域，豐富了教學內(nèi)容，降低了成本和風險，構建了綠色實驗教學。

4 結 論

該遠程網(wǎng)絡化柔性測控技術綜合實訓平臺由校方提出具體建設方案和設計要求，企業(yè)量身定制，通過省振興計劃項目得以實施，項目建設nextwall-A型工程教學實驗機柜8套，配套學生客戶端60臺，經(jīng)安裝調(diào)試達到了預期效果，充分體現(xiàn)了 “開源化”、“柔性化”的特點。該平臺校企合作共建為網(wǎng)絡化虛擬儀器實驗室的建設開辟了新思路，提升了學生的工程實踐環(huán)境，不僅為相關課程實驗及創(chuàng)新實踐環(huán)節(jié)開展教學內(nèi)容、方法、考核方式改革提供了必要條件；還為進一步開展校企合作，建立雙方互惠互利、共贏發(fā)展的育人機制奠定了基礎[6-8]。

[1]教育部.教育部23日啟動實施“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”[EB/OL].www.gov.cn,2010-06-23.

[2]潘艷平,包秋燕,江吉彬.基于卓越工程師培養(yǎng)的本科實踐教學體系改革[J].實驗室科學,2011,14(6):213-220.

[3]張燕,溫曉玲.基于“卓越計劃”背景下的產(chǎn)學研合作新模式[J].大學教育,2012,1(5):20-21.

[4]李繼懷,王力軍.工程教育的理性回歸與卓越工程師培養(yǎng)[J].黑龍江高教研究,2011(3):140-142.

[5]施云貴.面向系統(tǒng)工程技術能力培養(yǎng)的“過程控制技術”模塊課程建設探討[J].教育研究與實驗,2013(4):86-87.

[6]韓希昌,張玉艷.校企共建校內(nèi)實踐教學基地的探索與實踐[J].沈陽工程學院學報(社會科學版),2010,6(2):243-245.

[7]徐輝,等.以校企共建實驗室促進應用型人才培養(yǎng)的思考[J].實驗技術與管理,2010,27(11):212-217.

[8]楊柳.校企共建共享專業(yè)教學資源庫平臺的設計與研究[J].科技通報,2012,28(5):207-209.