“中國(guó)制造2025”背景下遠(yuǎn)程數(shù)字系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)研究與實(shí)踐＊

邢賽楠，曾張帆，梅嘉玉

（湖北大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430062）

近年來，歐美日韓等信息技術(shù)先進(jìn)的發(fā)達(dá)國(guó)家紛紛制定了一系列智能制造強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略，意在第四次科技革命和新一輪全球競(jìng)爭(zhēng)中贏得主動(dòng)權(quán)[1-3]。在此背景下，中國(guó)于2015年提出了“中國(guó)制造2025”的宏偉戰(zhàn)略規(guī)劃，以加快信息技術(shù)與工業(yè)生產(chǎn)的結(jié)合、推動(dòng)工業(yè)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新、促進(jìn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、力爭(zhēng)搶占未來產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的制高點(diǎn)[4-6]。

數(shù)字系統(tǒng)是智能制造產(chǎn)業(yè)“云-管-端”架構(gòu)的基石，然而該領(lǐng)域人才的稀缺是中國(guó)長(zhǎng)期面臨的難題[7-9]。現(xiàn)有的數(shù)字系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)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(shí)驗(yàn)內(nèi)容單調(diào)?，F(xiàn)有的數(shù)字系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容以單一功能的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，不生動(dòng)，缺乏以智能制造為載體的應(yīng)用實(shí)踐。

設(shè)備資源匱乏。由于數(shù)字實(shí)驗(yàn)平臺(tái)價(jià)格昂貴，導(dǎo)致不少經(jīng)費(fèi)不充足的地方高校實(shí)驗(yàn)室部署數(shù)量較少。一臺(tái)設(shè)備往往由較多學(xué)生共同使用，減少了每個(gè)學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手的時(shí)間。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)間占比不夠。傳統(tǒng)的教學(xué)方法以教師講授為主，實(shí)驗(yàn)教學(xué)學(xué)時(shí)較少，學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備不易維護(hù)。數(shù)字系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備包含大量精密復(fù)雜的硬件模塊，較為容易損壞，且難以及時(shí)得到售后服務(wù)和維修，最終導(dǎo)致設(shè)備在數(shù)量上更難滿足學(xué)生實(shí)驗(yàn)的需求。

針對(duì)上述問題，本文提出一種遠(yuǎn)程數(shù)字系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。該平臺(tái)包括移動(dòng)設(shè)備、數(shù)字實(shí)驗(yàn)硬件系統(tǒng)和云服務(wù)器。學(xué)生能夠隨時(shí)隨地通過移動(dòng)設(shè)備對(duì)數(shù)字實(shí)驗(yàn)硬件系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，進(jìn)而完成實(shí)驗(yàn)。教師能夠在移動(dòng)設(shè)備或者云服務(wù)器對(duì)數(shù)字實(shí)驗(yàn)硬件系統(tǒng)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控和性能維護(hù)。學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)后，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果上傳至云服務(wù)器，教師能夠在移動(dòng)設(shè)備或者云服務(wù)器對(duì)其進(jìn)行評(píng)分，學(xué)生能夠通過移動(dòng)設(shè)備查詢?cè)u(píng)分。

最后，本文采用遠(yuǎn)程數(shù)字系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)對(duì)湖北大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院通信工程專業(yè)的50余名學(xué)生進(jìn)行了教學(xué)實(shí)踐，并就學(xué)習(xí)效果、平臺(tái)穩(wěn)定性等5個(gè)方面對(duì)學(xué)生進(jìn)行了問卷調(diào)查。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，該平臺(tái)受到學(xué)生的一致認(rèn)可，能夠成為傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方式的補(bǔ)充手段，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

1 遠(yuǎn)程數(shù)字系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)

在對(duì)遠(yuǎn)程數(shù)字系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)進(jìn)行架構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮其是否符合“中國(guó)制造2025”對(duì)數(shù)字系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程的要求。因此，秉承智能制造設(shè)備“云-管-端”的架構(gòu)思想，本論文提出的遠(yuǎn)程數(shù)字系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)主要由移動(dòng)設(shè)備、數(shù)字實(shí)驗(yàn)硬件系統(tǒng)和云服務(wù)器3大部分組成，其總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 平臺(tái)總體架構(gòu)

移動(dòng)設(shè)備是學(xué)生和數(shù)字實(shí)驗(yàn)硬件系統(tǒng)人機(jī)交互的平臺(tái)，它為學(xué)生和教師提供了可視化的實(shí)驗(yàn)操作界面、便捷的學(xué)習(xí)資料和學(xué)習(xí)交流環(huán)境等。移動(dòng)設(shè)備可視化實(shí)驗(yàn)操作界面通過模擬硬件系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，如開關(guān)按鍵、數(shù)碼管、LED燈等，使學(xué)生能夠進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)操作。同時(shí)移動(dòng)設(shè)備實(shí)時(shí)顯示數(shù)字實(shí)驗(yàn)硬件系統(tǒng)上方放置的攝像頭傳輸?shù)恼鎸?shí)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，進(jìn)而取得身臨其境的效果。

數(shù)字實(shí)驗(yàn)硬件系統(tǒng)是實(shí)驗(yàn)操作的載體，它包含所有實(shí)驗(yàn)需要的硬件模塊和存儲(chǔ)單元數(shù)字實(shí)驗(yàn)硬件系統(tǒng)接收學(xué)生的遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)操作指令，運(yùn)行實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果反饋到云服務(wù)器和移動(dòng)設(shè)備，供學(xué)生查看實(shí)驗(yàn)效果。此外，數(shù)字實(shí)驗(yàn)硬件系統(tǒng)上方放置攝像頭，實(shí)時(shí)獲取實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象視頻，并傳輸至移動(dòng)設(shè)備。學(xué)生通過觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象視頻和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，能夠更加感性地理解實(shí)驗(yàn)。

云服務(wù)器是整個(gè)遠(yuǎn)程數(shù)字系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中心以及網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臉蛄?。?shù)據(jù)存儲(chǔ)方面，學(xué)生和教師個(gè)人的用戶信息、教師提供的實(shí)驗(yàn)資源以及學(xué)生上傳的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和教師的評(píng)分結(jié)果等均存儲(chǔ)在云服務(wù)器。網(wǎng)絡(luò)傳輸方面，學(xué)生在移動(dòng)設(shè)備進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)操作信息通過云服務(wù)器傳輸至數(shù)字實(shí)驗(yàn)硬件系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果和攝像頭獲取的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象視頻實(shí)時(shí)地通過云服務(wù)器傳輸至移動(dòng)設(shè)備。

1.1 移動(dòng)設(shè)備設(shè)計(jì)

移動(dòng)設(shè)備的硬件載體可以是手機(jī)、平板電腦等日常廣泛使用的消費(fèi)類電子產(chǎn)品，在軟件方面主要包括用戶層、表示層、功能層和數(shù)據(jù)層，其整體架構(gòu)如圖2所示。

用戶層將表示層顯示的瀏覽頁面進(jìn)行封裝，形成學(xué)生和教師可操作的各項(xiàng)接口軟件，學(xué)生通過用戶層上的移動(dòng)端軟件能夠方便地獲取學(xué)習(xí)視頻以及各種便捷的功能服務(wù)。教師則可以通過用戶層上的服務(wù)器軟件進(jìn)行后臺(tái)管理，添加實(shí)驗(yàn)資源和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，為實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行評(píng)分，對(duì)數(shù)字實(shí)驗(yàn)硬件系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程維護(hù)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(dòng)端開發(fā)框架MUI和HTML5/CSS3進(jìn)行頁面設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)內(nèi)容不斷更新，采用可視化Navicat管理數(shù)據(jù)庫(kù)界面，方便教師進(jìn)行在云服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)的增刪查改。在數(shù)據(jù)傳輸方面，采用ALAX技術(shù)進(jìn)行移動(dòng)設(shè)備和云服務(wù)器的數(shù)據(jù)交互。

功能層將數(shù)據(jù)層存儲(chǔ)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行加工，產(chǎn)生中間產(chǎn)品。它包括用戶功能、平臺(tái)功能及后臺(tái)管理功能，其中用戶功能為學(xué)生與移動(dòng)設(shè)備軟件提供人機(jī)交互，如收藏、評(píng)論、分享等功能。平臺(tái)功能能夠及時(shí)更新最新的學(xué)習(xí)資料。后臺(tái)管理功能為教師對(duì)學(xué)生的信息和平臺(tái)資源進(jìn)行維護(hù)提供支持，保證數(shù)據(jù)的安全和穩(wěn)定。

數(shù)據(jù)層將學(xué)生個(gè)人數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)等信息在MySql數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行存儲(chǔ)、更新等處理。

圖2 移動(dòng)設(shè)備架構(gòu)圖

1.2 數(shù)字實(shí)驗(yàn)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)字實(shí)驗(yàn)硬件系統(tǒng)是實(shí)驗(yàn)執(zhí)行的載體，主要由客戶組件、FPGA實(shí)驗(yàn)板和攝像頭組成，其系統(tǒng)框圖如圖3所示。

FPGA實(shí)驗(yàn)板為學(xué)生實(shí)驗(yàn)提供載體，它包含實(shí)驗(yàn)需要的硬件電路和軟件模塊等。學(xué)生能在FPGA實(shí)驗(yàn)板上進(jìn)行傳統(tǒng)的數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)以及人工智能、數(shù)字信號(hào)處理、移動(dòng)通信等前沿領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)。

客戶組件是數(shù)字實(shí)驗(yàn)硬件系統(tǒng)的通信出入口，為移動(dòng)設(shè)備和FPGA實(shí)驗(yàn)板進(jìn)行信息交互提供載體。學(xué)生從移動(dòng)設(shè)備輸入實(shí)驗(yàn)操作指令，通過云服務(wù)器傳輸至客戶組件，進(jìn)而抵達(dá)FPGA實(shí)驗(yàn)板，完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，實(shí)驗(yàn)結(jié)果通過客戶組件返回至云服務(wù)器，進(jìn)而傳遞到移動(dòng)設(shè)備，在其瀏覽器上進(jìn)行虛擬頁面顯示，為學(xué)生提供實(shí)驗(yàn)信息?？蛻艚M件與FPGA實(shí)驗(yàn)板采用TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)通信。客戶組件與云服務(wù)器采用物聯(lián)網(wǎng)MQTT協(xié)議進(jìn)行信息傳輸。

攝像頭放置在FPGA實(shí)驗(yàn)板上方，將實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象視頻通過客戶組件實(shí)時(shí)傳輸?shù)揭苿?dòng)設(shè)備，學(xué)生通過移動(dòng)設(shè)備瀏覽器對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行觀察。

圖3 數(shù)字實(shí)驗(yàn)硬件系統(tǒng)框圖

1.3 云服務(wù)器設(shè)計(jì)

云服務(wù)器為遠(yuǎn)程數(shù)字實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)通信。本平臺(tái)采用阿里云服務(wù)器，并在服務(wù)器上搭建自己的數(shù)據(jù)中心，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和訪問。

云服務(wù)器為移動(dòng)設(shè)備和數(shù)字實(shí)驗(yàn)硬件系統(tǒng)的通信提供服務(wù)。通過在云服務(wù)器上部署MQTT代理，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)設(shè)備到云服務(wù)器以及云服務(wù)器到數(shù)字實(shí)驗(yàn)硬件系統(tǒng)的雙向通信。通過在云服務(wù)器上部署Node-Media-Server-master流媒體代理，能夠?qū)崿F(xiàn)攝像頭采集的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象視頻實(shí)時(shí)傳輸至移動(dòng)設(shè)備。在云服務(wù)器上部署MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)教師和學(xué)生的個(gè)人數(shù)據(jù)、教學(xué)資源以及教學(xué)檔案信息進(jìn)行存儲(chǔ)。

2 平臺(tái)測(cè)試與實(shí)驗(yàn)效果

根據(jù)以上描述，教師團(tuán)隊(duì)完成了遠(yuǎn)程數(shù)字系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的研發(fā)和技術(shù)實(shí)現(xiàn)。其數(shù)字實(shí)驗(yàn)硬件系統(tǒng)實(shí)物圖如圖4所示。

由圖4可以看出，數(shù)字實(shí)驗(yàn)硬件系統(tǒng)的主板為Altera公司的DE2-70 FPGA實(shí)驗(yàn)板，該實(shí)驗(yàn)板包括FPGA芯片、七位數(shù)碼管、按鍵燈、視屏音頻組件、無線網(wǎng)口、以太網(wǎng)口等，功能十分齊全，能夠支持?jǐn)?shù)字電路、信號(hào)處理、通信系統(tǒng)以及人工智能等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。此外，一個(gè)顯示屏通過串口和實(shí)驗(yàn)板進(jìn)行鏈接，實(shí)時(shí)將實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行顯示。

遠(yuǎn)程數(shù)字系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的移動(dòng)設(shè)備瀏覽器首頁如圖5所示。

圖4 數(shù)字實(shí)驗(yàn)硬件系統(tǒng)實(shí)物圖

圖5 移動(dòng)端首頁

可以看出移動(dòng)設(shè)備瀏覽器首頁上顯示了數(shù)電實(shí)驗(yàn)、EDA實(shí)驗(yàn)、信號(hào)分析、圖像處理以及深度學(xué)習(xí)等。學(xué)生能夠根據(jù)興趣自行選擇。教師能夠根據(jù)授課需要添加更多的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，并根據(jù)需求調(diào)整移動(dòng)設(shè)備瀏覽器各個(gè)頁面的布局。

此外，首頁上顯示了四大導(dǎo)航模塊，包括首頁、視頻、實(shí)驗(yàn)、用戶。學(xué)生能夠通過點(diǎn)擊模塊進(jìn)入相應(yīng)的模塊頁面。其中實(shí)驗(yàn)?zāi)K為學(xué)生提供虛擬的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，其效果圖如圖6所示。

由圖6可以看到，這是一個(gè)與、或、非門的數(shù)字實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)?zāi)K效果圖分為左右2個(gè)子頁面。左邊頁面是攝像頭實(shí)時(shí)拍攝并傳回的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。右邊頁面是虛擬實(shí)驗(yàn)操作臺(tái)，學(xué)生通過對(duì)邏輯門電路設(shè)置不同的輸入，能夠獲得不同的輸出，并同時(shí)在左頁面觀測(cè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

圖6 實(shí)驗(yàn)?zāi)K效果圖

3 遠(yuǎn)程數(shù)字系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)應(yīng)用與教學(xué)效果

為了解遠(yuǎn)程數(shù)字實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)效果，教師團(tuán)隊(duì)利用該平臺(tái)對(duì)通信工程專業(yè)的50余名學(xué)生進(jìn)行了教學(xué)實(shí)踐。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為按鍵流水燈與七位數(shù)碼管的顯示。在授課形式方面，授課教師提前將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容制作成視頻資源上傳到云服務(wù)器，學(xué)生能夠在移動(dòng)設(shè)備上進(jìn)行課前預(yù)習(xí)和準(zhǔn)備工作。在課堂上由教師講解實(shí)驗(yàn)操作的重點(diǎn)和難點(diǎn)。受課時(shí)限制，在課堂上沒有完成實(shí)驗(yàn)時(shí)，課后學(xué)生可以通過移動(dòng)設(shè)備隨時(shí)隨地繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并將遇到的問題在線上與授課教師進(jìn)行交流。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，學(xué)生將實(shí)驗(yàn)結(jié)果通過移動(dòng)設(shè)備上傳至云服務(wù)器，授課教師對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行評(píng)分，學(xué)生能夠通過移動(dòng)設(shè)備瀏覽器查詢分?jǐn)?shù)。

經(jīng)過一個(gè)學(xué)期的教學(xué)實(shí)踐，教師團(tuán)隊(duì)通過問卷調(diào)查的方式，以參與實(shí)驗(yàn)的50余名學(xué)生為調(diào)查對(duì)象，分別從綜合評(píng)價(jià)、學(xué)習(xí)效果、平臺(tái)穩(wěn)定性、界面友好程度和學(xué)生喜愛程度等5個(gè)方面進(jìn)行了效果評(píng)估。統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖7所示。

圖7 遠(yuǎn)程數(shù)字系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)評(píng)價(jià)結(jié)果

由圖7可知，遠(yuǎn)程數(shù)字系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)獲得了超過85%的學(xué)生的認(rèn)可。所有學(xué)生在使用該平臺(tái)后學(xué)習(xí)效果更好。通過進(jìn)一步與學(xué)生溝通發(fā)現(xiàn)，由于該平臺(tái)在功能上綜合了如視頻實(shí)時(shí)傳輸、遠(yuǎn)程程序讀寫、虛擬仿真等新技術(shù)，增加了實(shí)驗(yàn)的操作趣味性，受到95%以上學(xué)生的喜愛，提升了他們進(jìn)行動(dòng)手實(shí)踐的興趣。值得注意的是，超過60%的學(xué)生對(duì)平臺(tái)的穩(wěn)定性和界面友好程度提出了更高的要求。目前遠(yuǎn)程數(shù)字系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的開發(fā)進(jìn)度尚處在初級(jí)階段，只包含了少量的基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)和基本功能，后續(xù)將根據(jù)學(xué)生的需求和教學(xué)要求進(jìn)行更新。

4 結(jié)語

本文對(duì)遠(yuǎn)程數(shù)字系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)進(jìn)行了需求分析、技術(shù)實(shí)現(xiàn)與教學(xué)實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)該平臺(tái)為學(xué)生和教師提供了隨時(shí)隨地實(shí)驗(yàn)操作環(huán)境。學(xué)生能夠通過視頻資源對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容提前預(yù)習(xí)，能夠在課余繼續(xù)完成實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)時(shí)間更加自由，思考更加完善。教師安排實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地更加充裕，資源使用率更高。此外，遠(yuǎn)程操作比例的增加大大減少了設(shè)備損壞的概率、降低了實(shí)驗(yàn)成本。學(xué)生和教師能夠在線上就實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行實(shí)時(shí)交流，溝通渠道更加順暢。整個(gè)實(shí)驗(yàn)水平、實(shí)驗(yàn)效率和學(xué)習(xí)效果得到提升。

該遠(yuǎn)程數(shù)字系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)包括移動(dòng)設(shè)備、云服務(wù)器和通信網(wǎng)絡(luò)，嚴(yán)格遵循了智能制造“云-管-端”的架構(gòu)體系，是“中國(guó)制造2025”在高等教育階段的一次嘗試，為培養(yǎng)該領(lǐng)域的高科技人才奠定了較好的基礎(chǔ)。

然而，由于遠(yuǎn)程數(shù)字系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)尚處在研發(fā)初始階段，只包含了基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和少量功能。教師團(tuán)隊(duì)在未來將擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)教學(xué)的范圍，收集更多學(xué)生和教師的體驗(yàn)評(píng)價(jià)和需求，以對(duì)平臺(tái)進(jìn)行改進(jìn)，同時(shí)，會(huì)將更多前沿技術(shù)，如下一代無線通信、物聯(lián)網(wǎng)、深度學(xué)習(xí)等內(nèi)容添加至該平臺(tái)，使其不斷完善。