科技創(chuàng)新智能實訓平臺研制

張曉琪, 王 旭, 尹天浩, 姜佐騰

(杭州電子科技大學 計算機學院, 浙江 杭州 310018)

市場上多數(shù)教學儀器存在多學科交叉融合困難、功能組件不能有效跟蹤學科發(fā)展、靈活性不足等缺點,難以滿足高校的各類科技創(chuàng)新實踐教學。為此,杭州電子科技大學電子設計綜合實驗室以提高學生的工程創(chuàng)新能力為培養(yǎng)目標,融合計算機、電子、自動化、通信等專業(yè)知識研制大學生科技創(chuàng)新智能實訓平臺,以滿足我校創(chuàng)新性實驗教學、第二課堂實踐和學科競賽集訓等需要[1-2]。

1 實訓平臺功能設計

在理論教學之外,積極開辟創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐的第二課堂,在實踐中深化教學內(nèi)容,提高學生對理論認識的深度,培養(yǎng)學生實際工作能力,是保證教學質(zhì)量、實現(xiàn)專業(yè)培養(yǎng)目標的重要舉措之一[3]?；谶@一理念,大學生科技創(chuàng)新智能實訓平臺主要從自主實驗預約、虛擬儀器設計、實驗報告自動生成和成績報表自動生成四部分進行功能設計。

1.1 創(chuàng)新性實踐教學

平臺滿足多學科交叉融合的綜合性實驗項目開設需要,學生通過實驗技能鍛煉、復雜電子系統(tǒng)設計、產(chǎn)學研項目開發(fā)等逐級深入的實踐培訓環(huán)節(jié)；與行業(yè)應用實現(xiàn)無縫對接,滿足復合型人才培養(yǎng)需要。

1.2 自主實驗預約

打破實驗教學的時間限制,實現(xiàn)實驗室的全天候開放,為學生提供更加豐富的實驗教學資源,讓學生通過自主實驗,實現(xiàn)對理論的深入理解[4]。

學生登錄智能實驗管理系統(tǒng),即可自主預約實驗時間和實驗內(nèi)容；系統(tǒng)根據(jù)學生學號等特定信息生成專屬二維碼,并自動分配可供使用的實訓平臺。學生在預約時間內(nèi),在分配的實訓平臺上掃描二維碼即可開始自主實驗。此外,在進行實驗預約時還將進行“理論測試”,通過測試的學生才能被分配實訓平臺。

1.3 實驗報告自動生成

學生完成實驗操作后,通過云端智能實驗管理系統(tǒng)進行實驗內(nèi)容填寫,并由平臺自動生成實驗總結(jié)報告。報告格式、實驗數(shù)據(jù)、實驗結(jié)果均由系統(tǒng)自動采集生成,學生無權修改,確保實驗結(jié)果的真實可靠。該功能改變了學生以往手工記錄實驗數(shù)據(jù),手動撰寫實驗報告的形式,使學生更好地集中精力在實驗設計過程,提升實驗設計質(zhì)量[5]。同時,統(tǒng)一的報告格式,方便教師進行評分,避免因為字跡不清、抄寫錯誤影響的實驗成績評定。

1.4 成績報表自動生成

教師不受時間和空間的約束,通過互聯(lián)網(wǎng)登錄云端智能實驗管理系統(tǒng),即可查看相關學生的實驗操作記錄和提交的實驗報告,并對學生的自主實驗進行評分。完成評分后,云端智能實驗管理系統(tǒng)能將每次實驗的預習測驗、實驗操作、總結(jié)報告等分數(shù)按照教師設定的比例進行統(tǒng)計處理、橫向縱向比較、繪制各種統(tǒng)計圖、生成期末成績報表等,極大地減輕教師工作量,提高實驗教學效率。

2 實訓平臺組成及技術實現(xiàn)

實訓平臺由人機交互系統(tǒng)、智能實驗管理系統(tǒng)、實驗教學套件和實驗桌4部分組成,結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。在管理系統(tǒng)完成實驗預約的學生,可在預定時間進行二維碼掃碼驗證,驗證成功后人機交互系統(tǒng)為實驗教學套件提供開機電源。教師通過人機交互系統(tǒng)掃描包含工號信息的二維碼后,可對學生的實驗設計進行成績評定。完成實驗操作后,教學平臺會自動切斷電源。此外,還可通過手機端和電腦端對學生實驗操作進行視頻觀看和成績遠程評定。該教學模式豐富了實驗教學手段,滿足學生自主控制實驗進程的需要,對培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力具有非常重要的作用[6]。

圖1 大學生科技創(chuàng)新實訓平臺結(jié)構(gòu)框圖

根據(jù)實驗教學場景的不同,開發(fā)設計了兩套實驗桌方案：基于互動實驗桌構(gòu)成的實訓平臺適用于開放性實驗教學和翻轉(zhuǎn)課堂實驗教學,如圖2所示；基于通用實驗桌構(gòu)成的實訓平臺適用于模擬電路、高頻電路等電工電子類實驗課程教學,如圖3所示。

2.1 人機交互系統(tǒng)

人機交互系統(tǒng)主要由二維碼識別模塊、語音模塊、顯示模塊以及圖形交互界面組成,承擔電源監(jiān)控、視頻交互、實驗呼叫和實驗應答等功能。學生通過掃描包含學號信息的二維碼進行實驗預約驗證及實驗操作,教師通過云端智能實驗管理系統(tǒng)對學生的實驗操作進行成績評定。

人機交互系統(tǒng)以ucos III嵌入式操作系統(tǒng)為基礎,融合STemwin圖形庫資源,設計和實現(xiàn)了語音提示、用戶身份驗證、電源監(jiān)控、實驗評分和數(shù)據(jù)采集處理等功能,承擔用戶與實訓平臺的信息交互任務。系統(tǒng)軟件設計流程見圖4。

圖2 基于互動實驗桌的實訓平臺

圖3 基于通用實驗桌的實訓平臺

圖4 人機交互系統(tǒng)軟件設計流程

2.2 智能實驗管理系統(tǒng)

智能實驗管理系統(tǒng)能通過Wi-Fi與實驗教學套件、視頻設備、電源控制模塊等硬件設備進行交互通信。系統(tǒng)集成了實驗教學、成績評定和報告管理等功能,能將虛擬儀器采集到的數(shù)據(jù)直接嵌入到實驗報告中,并為用戶提供超文本編輯器和實驗報告生成向?qū)А?/p>

2.2.1 實驗報告自動生成技術實現(xiàn)

采用markdown作為頁面編輯器的填寫方式,當學生填寫完內(nèi)容后,頁面內(nèi)JS將會在瀏覽器的localstorge對應字段中追加存儲當前學生填寫的內(nèi)容,當學生填寫完最后一項內(nèi)容后,頁面內(nèi)JS將localstorge中的內(nèi)容追加載入到頁面內(nèi),實現(xiàn)實驗報告的自動生成[7]。通過特定css進行修飾,以滿足打印需求,將其打印為PDF,實現(xiàn)實驗報告即時存儲和導出。這部分數(shù)據(jù)將被存放在數(shù)據(jù)庫內(nèi),當教師需要導出時,重復上述操作,即可實現(xiàn)實驗報告的查詢和導出。

2.2.2 后臺數(shù)據(jù)庫構(gòu)建

采用MySQL構(gòu)建數(shù)據(jù)庫,在前端可通過調(diào)用后端接口對數(shù)據(jù)庫進行查詢和顯示。數(shù)據(jù)庫用ER圖進行設計,并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)表。服務器通過TCP/IP協(xié)議與地面站通信,通過PHP DataBase Object與數(shù)據(jù)庫進行交互連接,并由ajax輔助http與前端頁面交換數(shù)據(jù)[8]。服務器架構(gòu)見圖5。當業(yè)務量擴張時,整個程序僅需修改PHP DataBase Object的Object名稱,而不需要大范圍修改程序[9]。

圖5 服務器架構(gòu)

2.3 實驗教學套件

實驗教學套件包括便攜式底板、插拔式核心板和外圍功能組件。便攜式底板兼容DIGILENT的口袋儀器Analog Discovery 2,對外提供示波器、信號發(fā)生器、電壓表和邏輯分析儀等虛擬儀器,并提供3.3 V、5 V、±12 V和24 V輸出電源。插拔式核心板包括51單片機核心板、PIC18單片機核心板、STM32單片機核心板和FPGA核心板,可根據(jù)實際需要進行更換,并集成了J-link下載調(diào)試器和串口模塊,可以通過USB線連接電腦,實現(xiàn)供電、下載和串口調(diào)試功能。外圍功能組件包括物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)組件、機電控制開發(fā)組件、無線電開發(fā)組件、電源學習組件及各類教師自制組件等,并配備了相應的實驗教程,改變以往受實驗條件限制只開設傳統(tǒng)簡單基礎性實驗的局限,支撐復雜電子技術綜合性實驗設計[10]。

2.4 實驗桌

實驗桌提供220 V交流電源和24 V標準直流電源,方便用戶選擇使用。220 V交流電源以無引線導軌的形式對外供電,24 V直流電源為各類實驗教學套件和實驗箱進行供電。每張實驗桌配備了視頻設備,通過Wi-Fi將視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)街悄軐嶒灩芾硐到y(tǒng)。

3 基于實訓平臺開發(fā)的實驗教學項目

實驗室教師以工程實踐為背景,開發(fā)了18項實驗項目,包括旋轉(zhuǎn)LED時鐘設計、步進電機控制系統(tǒng)的設計、無人機與智能車協(xié)同導航系統(tǒng)的設計等。其中,設計性實驗有4項,綜合性實驗14項。

以任意波形信號發(fā)生器設計為例,介紹該平臺應用于實驗教學的過程如下：采用實驗教學套件FPGA核心板和AD采樣功能模塊,進行綜合性實驗設計。完成DDS信號發(fā)生器設計→任意波形信號發(fā)生器設計→李薩如圖信號發(fā)生器設計,設計流程見圖6。

圖6 任意波形信號發(fā)生器設計流程圖

任意波形信號發(fā)生器功能設計方法具有多樣性,可用原理圖、硬件描述語言、宏模塊等多種方法完成實驗設計；在此基礎上,學生還可以結(jié)合自身情況進行實驗功能拓展,完成VGA波形顯示、調(diào)幅控制等內(nèi)容。

4 結(jié)語

普通省屬高等學校人才培養(yǎng)應具有多樣性,既培養(yǎng)學科型人才,更應培養(yǎng)大批能滿足國家戰(zhàn)略發(fā)展需求的工程技術人才[11]。電子設計綜合實驗室依托杭州電子科技大學國家級計算機實驗教學示范中心、國家級電工電子實驗教學示范中心和全國大學生“小平科技創(chuàng)新團隊”,以提高學生的工程創(chuàng)新能力和可持續(xù)發(fā)展能力為培養(yǎng)目標,自主研發(fā)了大學生科技創(chuàng)新智能實訓平臺。同時,以工程實踐和學科競賽內(nèi)容為背景開發(fā)了系列實驗教學項目,結(jié)合“自主設計論文答辯”實踐教學模式,激發(fā)學生的學習興趣,培養(yǎng)學生的實踐動手能力和團隊協(xié)作能力。