遠程操作電工電子實驗平臺的設(shè)計

陳勇

（上海市第二輕工業(yè)學校 上海市 200135）

1 引言

實驗教育在高等職業(yè)院校的理工教育中占有重要地位。與理論教育相比，實驗教育是最直觀，實用，創(chuàng)新和非常重要的聯(lián)系之一，尤其是在電氣和電子教育領(lǐng)域[1]。然而，常規(guī)的電氣和電子實驗室在早期階段需要大量投資，而在后期階段則需要較高的維護成本，并且進行實驗的過程受到時間，地點和人工以及操作時間的限制。同時，在當前的實驗教育存在很大的問題，這限制了創(chuàng)新技能的培養(yǎng)，例如教育投資有限和資源匱乏。由于實驗室空間和實驗室設(shè)備的數(shù)量有限，實驗室時間安排的機械化，效率低下的實驗室培訓以及每個學生動手時間的限制，能力建設(shè)受到了限制。而且，實驗室設(shè)備管理是實驗室管理。對員工的挑戰(zhàn)。如何在空間，設(shè)備和教師方面為學生提供更實用的手機游戲，是幾次實驗性教育改革的目標之一。電子系統(tǒng)設(shè)計自動化（EDA）技術(shù)正在迅速發(fā)展。使用這種電子系統(tǒng)設(shè)計自動化軟件可以輕松完成電子系統(tǒng)的設(shè)計和功能驗證，但是該軟件提供了理論結(jié)果和一些仿真結(jié)果。結(jié)果不能完全反映真實場景。工程實驗室的電路仿真更為可行，并且存在一些問題。大多數(shù)仿真軟件是封閉的源代碼，無法很好地擴展，復雜的系統(tǒng)也無法很好地定制[2]。

2 遠程操作實驗平臺的產(chǎn)生和建設(shè)意義

通過遠程操作實驗平臺，用戶可以隨時隨地通過Internet 完成實驗。與現(xiàn)有的實驗平臺相比，其優(yōu)勢在于它打破了時間和空間限制，并提高了用戶的自由度。就用戶而言，它可以通過允許各種合法用戶訪問，提高實驗室設(shè)備的利用率以及減輕實驗室設(shè)備的緊張程度而向社會開放[3]。此外，與純軟件模擬實驗平臺相比，使用遠程攝像機可以提供真實的物理場景，從而為用戶帶來臨場感并提高實驗效率。另外，由于該實驗是遠程進行的，因此該設(shè)備不容易被人損壞，并且易于有效管理。實驗時間不受限制，實驗室設(shè)備的利用率高，減少了同一實驗所需設(shè)備的購買數(shù)量，減少了學校實驗、機房建設(shè)和維護費用。

3 技術(shù)總體設(shè)計

基于Web 的線上實驗平臺將從三方面改變傳統(tǒng)實驗教學模式，如圖1所示。

（1）實驗前的準備過程將從無監(jiān)督地復制實驗報告變?yōu)樵诰€完成圖片和文字以及豐富多彩的交互方法。實驗人員可以使用在線平臺的輔助功能來獨立學習實驗儀器，常規(guī)實驗方法和程序；

（2）在老師更正實驗報告后，將推導出實驗原理和實驗數(shù)據(jù)驗證的時間點。在實驗前階段，實驗者對實驗結(jié)果有明確的期望，因此以免在完成實驗后出現(xiàn)難以理解的情況。

（3）虛擬仿真實驗電路的構(gòu)建將使實驗不再局限于有形實驗室，并且在線平臺將無形地擴大實驗人員動手實踐的空間和時間。

4 系統(tǒng)主要功能介紹

4.1 儀器操作的動態(tài)演示及互動

在許多實驗項目中，設(shè)備的不當使用將直接影響實驗的進展和實驗數(shù)據(jù)的測量，然而大部分實驗教材對實驗所用到的儀器設(shè)備鮮有文字說明，更加缺乏操作的動態(tài)演示過程及交互式說明，學生無法通過線下預習掌握實際儀器的操作及使用，線上平臺通過動畫形式將實驗室所用設(shè)備的使用方法逐步展現(xiàn)，并加入互動環(huán)節(jié)，讓學生選擇對應(yīng)設(shè)備及接口進行連線操作。如圖2所示，示波器和數(shù)字萬用表的使用已經(jīng)以動態(tài)形式完全呈現(xiàn)給學生。在線演示平臺不僅可以避免教師在課堂上花費大量時間談?wù)撛O(shè)備的使用，而且可以幫助學生解決實驗過程中遇到的設(shè)備調(diào)試問題。

4.2 原理的推導與數(shù)據(jù)驗證

在線平臺仍以網(wǎng)頁的形式提取每個實驗項目中使用的知識點，作為學生進行計算的初步練習，服務(wù)器將糾正老師提供的正確答案。

圖3（A）是實驗項目“運算放大器”的“工作及其應(yīng)用”的前期問題之一，在學生給出正確答案后，虛線框中的“”是服務(wù)器的校正結(jié)果。如果答案不正確，服務(wù)器將給出提示。圖3（B）是實驗項目“RLC 串聯(lián)電路的頻率特性”中的初步練習之一。通過在線預覽過程，在鞏固理論知識點的同時，他們對驗證性實驗項目的結(jié)果具有自我預期，避免盲目跟隨實驗過程的趨勢。

4.3 虛擬仿真實驗

在網(wǎng)絡(luò)的虛擬環(huán)境中，學生可以“沉浸式”完成實驗組件的選擇，放置和連接?；ヂ?lián)網(wǎng)和在線實驗教學平臺的結(jié)合，使學生可以在實驗前充分預覽實驗，減少實驗操作過程中的錯誤，有效提高實驗教學效果。圖4 顯示了“晶體管放大器電路實驗”的虛擬仿真過程。學生選擇顯示在Web 界面右側(cè)的組件并將其放在左側(cè)的面包板上，然后執(zhí)行虛擬接線操作，如果接線不正確，服務(wù)器會提示。

5 遠程操作虛擬實驗室的應(yīng)用

為了鼓勵學生使用創(chuàng)新思維來觀察，研究和培養(yǎng)學生的獨立學習能力和創(chuàng)新動手技能，作者旨在增加信息量并改善和促進其應(yīng)用。按照教育部最新版本《電氣工程教學基本要求》的教育目標和教育需要。我們使用現(xiàn)代信息技術(shù)，收集有關(guān)課程設(shè)計，教育實施，教學效果和學生的實踐能力的相關(guān)信息，并進行多維綜合分析，以客觀地判斷計劃教育中學生的學習能力和實踐能力。目標可以通過教育和技能發(fā)展的原則來實現(xiàn)。

圖1：傳統(tǒng)教學與結(jié)合線上平臺教學的對比

結(jié)合作者學校根據(jù)實驗課程的大綱和學習目標提供的電氣電子技術(shù)的實際培訓，本文提供了電氣電子技術(shù)實驗課程的教學設(shè)計?；诰W(wǎng)站上顯示的教學平臺的實驗設(shè)計，學生可以通過獨立的注冊表完成對電子電路測試的實驗分析和評估。通過遠程實驗，學生可以掌握電子電路課程的相關(guān)內(nèi)容和技能。

實驗平臺包括1 個初始化模塊和8 個功能模塊。其中，初始化模塊主要完成學生上課和專業(yè)等基本學生信息的收集和統(tǒng)計，以及上課前學生的教育背景等基本數(shù)據(jù)。功能模塊包括8 個模塊：課程大綱，教科書，作業(yè)，討論，遠程實驗室，在線問題，培訓評論和考試。每個功能模塊都是獨立且相互關(guān)聯(lián)的。例如，時間表提供了課程的學習目標，任務(wù)，要點和學習困難。例如，“電氣和電子技術(shù)遠程實驗室”模塊提供所選課程的所有理論和實驗內(nèi)容的講義文件，介紹電子仿真的基本知識，并為學生提供Lab View 電路仿真工具。或SPICE。加深您的知識。了解和掌握。用于遠程實驗室培訓的一些培訓材料包括：

（1）在電子電路設(shè)計中使用仿真工具。

（2）電子元件的使用和應(yīng)用示例。

（3）戴維南電壓和電流定律的實驗驗證。

如圖5所示，在本研究所設(shè)計的教學平臺中，包括有教學反思、練習板塊、在線研討等環(huán)節(jié)，同時還有相關(guān)的教學資料拓展和延伸，能夠提供學習者隨時進行練習、測試和知識拓展。另外，利用信息技術(shù)手段對電子電工實驗教學進行了形式創(chuàng)新，拓展了教學手段，編寫相關(guān)學習材料，進一步完善實驗教程和教學視頻，使學生可以學習更多。了解電氣設(shè)備的電氣特性并學習通用組件。能夠?qū)Ω鞣N實驗及其模型進行模擬，如在上圖中，通過推導昆蟲運動和控制原理在單片機上進行檢測，設(shè)計并開發(fā)了教育實驗模型，該模型是六腳智能機器人模型。缺陷。該在線視覺模型屏幕允許學生交流理論知識。包括在專業(yè)實踐的鏈接中。在實際的教學實施中，第一步先利用基本的電學理論進行課程導入，并利用在線實驗平臺進行可視化的展示，從而引發(fā)學習者的興趣，并幫助學生使用該模型。與在線學習相關(guān)的課程內(nèi)容。提供有關(guān)電子技術(shù)實驗過程的指導。學習提供了一種有效的教學方法。

圖2：實驗儀器操作的動態(tài)演示

圖3：實驗預習中原理推導與數(shù)值驗證

6 電工電子遠程在線實驗教學環(huán)境及實施的展望

6.1 本遠程操作平臺在教學上的先進性分析

該遠程操作平臺的設(shè)備側(cè)使用DAC 和LM2596 開關(guān)電源來設(shè)計新型的高功率，高分辨率，寬范圍可編程。通過本研究所設(shè)計的系統(tǒng)，能夠完全滿足各類電子電工實驗對于設(shè)備、設(shè)施的要求。與此同時，實驗平臺在系統(tǒng)上通過Linux 和NodeJs 技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)Web 服務(wù)器，便于在線編程和遠程程序下載的遠程單片機原理實驗系統(tǒng)，并通過網(wǎng)絡(luò)視頻進行了實驗?？梢宰?。可以遠程觀察腸道。全面的實驗經(jīng)驗。通過分離前端和后端來開發(fā)服務(wù)器端。前端使用Angular 和Ionic 技術(shù)堆棧，而交互式頁面則設(shè)計用于遠程實驗和管理。后端基于SpringBoot 框架，并與Shiro 和MyBatis 集成。修復了改進測試平臺和用戶管理并避免測試平臺故障的問題。

6.2 遠程在線實驗教學環(huán)境及實施的展望

遠程操作實驗平臺基礎(chǔ)架構(gòu)的建設(shè)取得了令人滿意的結(jié)果，但仍有很多地方需要改進。

（1）改善設(shè)備的功能和性能，豐富實驗種類?；诂F(xiàn)有的系統(tǒng)框架，我們設(shè)計了一個平臺產(chǎn)品，該產(chǎn)品可以通過各種過程（數(shù)字電路實驗，電路原理實驗等）執(zhí)行各種實驗，以訪問電子信息。

（2）能夠增加實驗教學的可調(diào)整性。為能夠?qū)崿F(xiàn)實驗及其對應(yīng)教學的多樣性和可調(diào)節(jié)性，在進行實驗教學平臺設(shè)計和搭建時，可以加入更多的可控元件，從而實現(xiàn)依據(jù)教學需求來調(diào)整實驗過程。

（3）能夠增加實驗教學的手段和線上教學資料。在線實驗平臺可以為教學提供各種所需的資料，包括文字、圖像、影音等供使用者選擇獲取，而且可以通過這些資源和所設(shè)置的實驗展示過程，最大限度的引起學習者的關(guān)注，從而是他們更加主動的進行學習。

圖4：基于Web 的晶體管放大電路的虛擬仿真實驗

圖5：基于Web 的電子技術(shù)遠程實驗教學應(yīng)用

（4）可以增強學習者在學習過程中對于實驗的參與度。線上實驗平臺可以通過各種媒介，讓學習者能夠更加全面和生動的參與實驗全過程、了解實驗相關(guān)的原理和知識，并直觀的感受實驗現(xiàn)象及結(jié)果，提高學習者的參與性和互動感，從而最大限度的提升學習效果。

（5）提高系統(tǒng)的魯棒性。當許多參與者共同參與或觀察實驗時，線上實驗平臺依靠其穩(wěn)定的系統(tǒng)和功能，為每一位參與者提供最佳的用戶體驗。同時，您應(yīng)該能夠以高并發(fā)率執(zhí)行長期穩(wěn)定的交易。

7 結(jié)語

本文構(gòu)建了電路與電子技術(shù)實驗在線平臺，滿足當前教學改革的發(fā)展需要。但是，由于研究時間短，應(yīng)用范圍狹窄，如何調(diào)動學生的積極性，讓他們積極進行在線預覽或?qū)忛?，是否建立在線評估系統(tǒng)等仍然存在一定的局限性。實驗過程。作為實驗的總體評估的一部分，改進平臺將是一個需要解決的問題。遠程操作實驗平臺的研究在不斷的推進，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，遠程控制實驗平臺系統(tǒng)將越來越完善。