UltraLab網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺建設(shè)

崔玉龍 范逸強(qiáng) 于浩然 何冠男 張 紅

北京化工大學(xué) 北京 100029

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，教學(xué)方式也與時(shí)俱進(jìn)。從20世紀(jì)90年代的書本教學(xué)到多媒體的普遍應(yīng)用，網(wǎng)絡(luò)教學(xué)、全天候教學(xué)、移動(dòng)教學(xué)等教學(xué)方式成了高校的教學(xué)改革方向。數(shù)字電路、模擬電路作為電子類專業(yè)的基礎(chǔ)課程，其教學(xué)內(nèi)容分為理論和實(shí)驗(yàn)兩部分。而實(shí)驗(yàn)部分的設(shè)立是為了加深學(xué)生對于理論的理解以及運(yùn)用。為了解決實(shí)驗(yàn)課程中出現(xiàn)的一系列問題，引入了網(wǎng)絡(luò)化實(shí)驗(yàn)平臺，對實(shí)驗(yàn)課程和儀器進(jìn)行有效管理。這不僅是多媒體教學(xué)的應(yīng)用，也是當(dāng)今最熱關(guān)鍵詞“物聯(lián)網(wǎng)”“云服務(wù)”概念的實(shí)際運(yùn)用，也是教學(xué)改革的創(chuàng)新點(diǎn)所在，且對于以后相關(guān)專業(yè)的實(shí)驗(yàn)課程具有指導(dǎo)意義。

1 數(shù)字電路、模擬電路教學(xué)現(xiàn)狀

如今，教育部大力提倡教學(xué)改革，如何在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式和內(nèi)容上應(yīng)用最新的科學(xué)技術(shù)則成了各大高校教師的主要教學(xué)改革方向之一。就目前的教學(xué)情況來看，大部分高校教師過多側(cè)重理論教學(xué)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)學(xué)時(shí)相對較少，理論授課課時(shí)往往跟實(shí)驗(yàn)教學(xué)課時(shí)差距很大。實(shí)驗(yàn)課時(shí)還會因?yàn)閷?shí)驗(yàn)器材緊張和師資不足而壓縮，使得學(xué)生無法真正深入理解課程內(nèi)容。教學(xué)方式、考核方式過于單一，教師難以把握學(xué)生實(shí)際課程的掌握程度。且高校對于不同專業(yè)的數(shù)電、模電基礎(chǔ)課程教學(xué)缺乏針對性，不能為各個(gè)專業(yè)量身定做。

2 教學(xué)存在問題

在分析數(shù)字電路、模擬電路的教學(xué)現(xiàn)狀[1-4]時(shí)，存在以下教學(xué)問題。教學(xué)是教師和學(xué)生之間的互動(dòng)過程，因此教師的教授方式、課程內(nèi)容的設(shè)置、學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度以及教學(xué)輔助工具等都是教學(xué)成果的重要影響因子。對北京化工大學(xué)2015信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院下屬的學(xué)習(xí)數(shù)字電路、模擬電路課程的專業(yè)進(jìn)行調(diào)查。專業(yè)涉及自動(dòng)化專業(yè)、測控技術(shù)與儀器專業(yè)、電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)、通信工程以及國際學(xué)院。數(shù)電實(shí)驗(yàn)課程安排在秋季學(xué)期，模電實(shí)驗(yàn)安排在春季學(xué)期。以上專業(yè)，除國際學(xué)院外，一個(gè)學(xué)期課程均為20學(xué)時(shí)，一學(xué)時(shí)45分鐘；而國際學(xué)院安排的課程均為48學(xué)時(shí)，且教材為雙語教材，實(shí)驗(yàn)課程為英文教材，上課為英文授課。調(diào)查結(jié)果顯示，國際學(xué)院的學(xué)生與其他專業(yè)的學(xué)生相比，課時(shí)長，所用國外教材要求動(dòng)手能力更高，英語授課與國際接軌，授課效果顯著。除基本實(shí)驗(yàn)課程之外，還可自己搭建新型實(shí)驗(yàn)電路，對課程進(jìn)行創(chuàng)新。而其他專業(yè)的學(xué)生因?yàn)檎n時(shí)少，只能完成基本的實(shí)驗(yàn)電路，對課程的理解程度相對較差。但無論哪種授課方式，在授課過程中都會出現(xiàn)以下問題。

2.1 實(shí)驗(yàn)問題

據(jù)高校調(diào)查顯示，主要問題為學(xué)生使用儀器步驟不規(guī)范、儀器使用出現(xiàn)問題多、儀器使用的問題反復(fù)出現(xiàn)、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與日后工作不符、開放式實(shí)驗(yàn)師資力量不足、教師在教授使用儀器上耗時(shí)過多等。學(xué)生上課時(shí)大都將時(shí)間花費(fèi)在熟悉儀器上，忽略了實(shí)驗(yàn)本身的意義；同時(shí)，教師需要不斷地解決學(xué)生提出的儀器使用問題，且很多問題都為重復(fù)問題，浪費(fèi)了大量寶貴的教學(xué)時(shí)間，對于實(shí)驗(yàn)的教學(xué)創(chuàng)新也是有心無力；實(shí)驗(yàn)的考核多為紙質(zhì)報(bào)告，批改和整理也需要很長時(shí)間，考核成績管理不便利。

2.2 儀器管理問題

隨著各大高校對于教學(xué)經(jīng)費(fèi)的逐年投入，實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備資產(chǎn)越趨于龐大，價(jià)值越來越高，設(shè)備的管理與維護(hù)也成了教師教學(xué)的重要問題。實(shí)驗(yàn)室設(shè)備數(shù)量大，管理和維護(hù)給實(shí)驗(yàn)室教師帶來很大困難；設(shè)備利用率低，統(tǒng)計(jì)儀器的老化率和損壞率也較嚴(yán)重；不能合理地分配實(shí)際使用率(許多儀器過了保修期還未發(fā)現(xiàn))；校企合作流程繁雜，需要時(shí)間協(xié)調(diào)，不易及時(shí)發(fā)現(xiàn)儀器使用問題。加之儀器的管理和維護(hù)問題，綜合以上種種因素均嚴(yán)重壓縮了教師對于教學(xué)課程的創(chuàng)新時(shí)間以及科研時(shí)間。

3 UltraLab網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺

為了解決以上問題，引入U(xiǎn)ltraLab網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺。UltraLab設(shè)計(jì)理念涉及網(wǎng)絡(luò)化和云服務(wù)等先進(jìn)技術(shù)，使整個(gè)系統(tǒng)十分具有超前性和科技感。UltraLab系統(tǒng)具有共享教學(xué)信息、儀器信息管理、云端資源功能。UltraLab網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺[5]用網(wǎng)路搭建了一個(gè)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)共享平臺(如圖1所示)，將示波器、信號發(fā)生器、多用電表、電源等多種實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，學(xué)生可以遠(yuǎn)程操控實(shí)驗(yàn)設(shè)備，教師也可以對實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備進(jìn)行在線管理和對學(xué)生進(jìn)行在線指導(dǎo)，還可以上傳課程視頻、課件、文檔等。

圖1 UltraLab網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺的先進(jìn)性

3.1 UltraLab網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺的基本原理

圖2 為UltraLab網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺原理圖，由工作臺、交換機(jī)、服務(wù)器和用戶終端構(gòu)成。工作臺分為數(shù)字示波器、線性可編程電源、波形發(fā)生器、數(shù)字萬用表等設(shè)備。以上設(shè)備都具有網(wǎng)絡(luò)接口，可實(shí)現(xiàn)“物聯(lián)網(wǎng)”的功能，連接計(jì)算機(jī)，構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)平臺；交換機(jī)配置儀器的IP地址，實(shí)現(xiàn)設(shè)備和服務(wù)器之間的信息交互。

服務(wù)器實(shí)現(xiàn)用戶和交換機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸。用戶可以在手機(jī)、平板電腦、手提和臺式計(jì)算機(jī)等用戶終端上通過相應(yīng)的軟件在網(wǎng)絡(luò)上對儀器進(jìn)行操作和配置。

圖2 UltraLab網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺系統(tǒng)原理圖

3.2 UltraLab網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺實(shí)驗(yàn)界面介紹

如圖3所示，UltraLab網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺系統(tǒng)的功能分為實(shí)驗(yàn)教學(xué)功能和實(shí)驗(yàn)管理功能。實(shí)驗(yàn)教學(xué)功能：課件下載功能、自定義儀器功能、控制功能、即時(shí)通信功能、報(bào)告生成功能和在線考核功能；實(shí)驗(yàn)管理功能：學(xué)生使用儀器信息、學(xué)生實(shí)驗(yàn)成績等方面的管理功能。

3.2.1 UltraLab網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)功能的探究

自定義儀器功能：在做不同實(shí)驗(yàn)時(shí)，使用的儀器不盡相同，教師或?qū)W生可通過軟件根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求選擇所用儀器，從而提升儀器使用率，節(jié)省學(xué)校資源。

圖3 UltraLab網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺系統(tǒng)操作界面

控制功能：實(shí)驗(yàn)進(jìn)行前，學(xué)生在平臺軟件上進(jìn)行儀器參數(shù)的設(shè)定，具體操作如圖4、圖5所示，如設(shè)定示波器的頻率、振幅、量程、測量精度等參數(shù)，信號發(fā)生器的波形、頻率、振幅等參數(shù)。且儀器的參數(shù)設(shè)定和數(shù)據(jù)讀取已經(jīng)做了數(shù)字化處理，具有較高的精度。因此，不僅教師可以通過UltraLab網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺管理實(shí)驗(yàn)設(shè)備，還可讓學(xué)生在線訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)。

儀器參數(shù)可以統(tǒng)一設(shè)置，解決教師數(shù)量少等問題。

圖4 儀器參數(shù)顯示頁面圖

圖5 儀器參數(shù)設(shè)置界面

即時(shí)通信功能：實(shí)驗(yàn)操作中，學(xué)生可通過查閱說明書進(jìn)行自學(xué)，還可以通過實(shí)時(shí)通信軟件與教師進(jìn)行信息交互。教師可實(shí)時(shí)掌握學(xué)生進(jìn)度，進(jìn)行在線指導(dǎo)教學(xué)，解決學(xué)生問題，對學(xué)生的情況進(jìn)行實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)，為接下來的教學(xué)工作做好準(zhǔn)備。報(bào)告生成功能：如圖6所示，學(xué)生做完實(shí)驗(yàn)后，自動(dòng)生成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，教師進(jìn)行在線查閱和批改后給出成績。不僅能夠生成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，教師還可以進(jìn)行在線查閱和批改給出成績。不僅節(jié)省學(xué)生時(shí)間，也節(jié)約了教師的時(shí)間，為教師省出更多的科研創(chuàng)新時(shí)間，提高師生的學(xué)習(xí)效率以及實(shí)驗(yàn)報(bào)告存放質(zhì)量。

在線考核功能：教師可在系統(tǒng)上隨機(jī)分配多套實(shí)驗(yàn)考核試題，達(dá)到因材施教以及適應(yīng)不同專業(yè)學(xué)生的目的。學(xué)生通過在網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行在線測評，完成期末考核，系統(tǒng)自動(dòng)評測成績。這不僅減輕了教師評卷負(fù)擔(dān)，還提高了閱卷準(zhǔn)確率，保證了考試的公平性。

圖6 實(shí)驗(yàn)報(bào)告

3.2.2 UItraLab網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺管理和測試功能的探究

UItraLab網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺不僅有教學(xué)功能，還具有測試和管理功能，例如應(yīng)用在實(shí)驗(yàn)、儀器、信息、課程和成績等方面(如圖7所示)。下文只對實(shí)驗(yàn)管理功能、成績管理功能和系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)測試進(jìn)行主要的介紹。

圖7 管理界面

實(shí)驗(yàn)管理功能：教師根據(jù)課程定制實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，學(xué)生在平臺上按照要求進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。既方便了教師教學(xué)，學(xué)生還可得到針對性的訓(xùn)練和提高。對教學(xué)管理和學(xué)生課業(yè)有著指導(dǎo)、規(guī)劃作用。

信息和成績管理功能：信息管理系統(tǒng)主要是用來管理學(xué)生的個(gè)人資料和記錄儀器使用信息。學(xué)生信息可通過學(xué)校系統(tǒng)直接導(dǎo)入實(shí)驗(yàn)平臺，可用來記錄學(xué)生的考勤、平時(shí)成績、期末考試成績。儀器的實(shí)際使用情況可通過實(shí)驗(yàn)平臺實(shí)時(shí)跟蹤記錄，如圖8所示，用來登記和檢測儀器的使用頻率和故障率。從而實(shí)驗(yàn)室教師可以迅速排查儀器故障，進(jìn)行維修，大大減少工作量，提高工作效率。

圖8 儀器管理

系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)測試功能：如圖9所示，用戶可以自定義測試的順序，對儀器進(jìn)行組合，最終實(shí)現(xiàn)模擬工業(yè)自動(dòng)化測試的功能。

圖9 模擬工業(yè)自動(dòng)化測試

3.3 UltraLab網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺的優(yōu)點(diǎn)

3.3.1 網(wǎng)絡(luò)化

在圖2中，系統(tǒng)中的各類設(shè)備和終端均具有聯(lián)網(wǎng)功能。個(gè)系統(tǒng)都可實(shí)行網(wǎng)絡(luò)在線管理，特別是實(shí)驗(yàn)設(shè)備配置具有符合LX-I的C類LAN接口，整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和響應(yīng)速度得到大大提升。

3.3.2 真正意義的開放性

建立好UltraLab網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺之后，學(xué)生使用自己計(jì)算機(jī)終端可隨時(shí)隨地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)課程學(xué)習(xí)，管理實(shí)驗(yàn)室的教師也可以通過個(gè)人用戶終端24小時(shí)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理設(shè)備。與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)實(shí)操課程相比，實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)學(xué)習(xí)和在線學(xué)習(xí)，在線監(jiān)測儀器和排查故障，也實(shí)現(xiàn)了全天候開放性實(shí)驗(yàn)室的目的。

3.3.3 強(qiáng)大的云服務(wù)平臺

云服務(wù)平臺即為虛擬硬盤，可存儲海量數(shù)據(jù)，滿足實(shí)驗(yàn)管理需求。學(xué)生數(shù)量多，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、文件、成績等文件資料需要有序存儲，教學(xué)課件、教學(xué)計(jì)劃、實(shí)驗(yàn)教程和慕課資料等也需要存儲以供查閱，而這些數(shù)據(jù)需要海量的存儲空間。UltraLab實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的云服務(wù)可以完美地解決海量數(shù)據(jù)的存檔和檢索問題。除以上功能，服務(wù)器還有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫保障功能，保存的數(shù)據(jù)更長效、更安全，且能夠充分地網(wǎng)絡(luò)共享。

3.4 UltraLab網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺的使用實(shí)效

在實(shí)際教學(xué)中，通過對比之前沒有引用UltraLab系統(tǒng)的教學(xué)情況，得出以下結(jié)論，可分為實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理、平時(shí)或考試成績管理、線下教學(xué)管理3個(gè)部分。教師編輯和管理教學(xué)計(jì)劃后，學(xué)生可以在線查閱和提前預(yù)習(xí)，這不僅為以后的教學(xué)提供了范本，也節(jié)省了5～8分鐘的課堂時(shí)間；在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師通過學(xué)生統(tǒng)計(jì)、實(shí)驗(yàn)臺統(tǒng)計(jì)、儀器統(tǒng)計(jì)等功能對整個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)度進(jìn)行管理節(jié)省了10～20 分鐘的教學(xué)時(shí)間；以上二者所節(jié)省的時(shí)間可用來做鞏固訓(xùn)練和創(chuàng)新拔高實(shí)驗(yàn)等。且在線審批和管理實(shí)驗(yàn)報(bào)告以及考試成績等措施節(jié)省了教師1～2周的工作時(shí)長，增加了教師的科研創(chuàng)新時(shí)間?？傮w而言，整個(gè)教學(xué)時(shí)間變得比較寬裕，而教學(xué)質(zhì)量也得以提升。不僅國際班的同學(xué)實(shí)驗(yàn)成績良好，普通班在時(shí)間少于國際班的情況下，成績也大幅度提高，加大了與教師的線上交流時(shí)間，整體實(shí)驗(yàn)進(jìn)度加快10～15分鐘，總體成績較去年提高了10%。還有部分學(xué)生使用此系統(tǒng)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)完成了畢業(yè)設(shè)計(jì)，且此系統(tǒng)對于創(chuàng)新競賽也有著極大的輔助作用。這都說明引入U(xiǎn)ltraLab系統(tǒng)收到良好的教學(xué)成果。

4 結(jié)語

理論和實(shí)踐教學(xué)是相互結(jié)合的，實(shí)踐是驗(yàn)證理論和加深學(xué)生對其掌握的必要手段。實(shí)踐教學(xué)相比理論教學(xué)更加直觀、易接受，所以實(shí)驗(yàn)課程的改革有著很大意義。為了更好地提高實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果，引入了網(wǎng)絡(luò)化管理平臺UltraLab實(shí)驗(yàn)平臺。該平臺不僅提高了教師的教學(xué)效率，也使學(xué)生的動(dòng)手能力、實(shí)踐能力得以提升，提升學(xué)生對學(xué)習(xí)數(shù)電和模電本身的自信心，學(xué)生的創(chuàng)新能力和主觀能動(dòng)性都得以提高；且對于設(shè)備的維護(hù)和保養(yǎng)也起到了有效的監(jiān)督作用，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的自動(dòng)化管理。真正做到了以學(xué)生為本，最終達(dá)到了提升教學(xué)質(zhì)量的目的。