摘 要：目前我國(guó)高校課程線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主要模式是虛擬儀器仿真，其主要缺陷是缺乏線下實(shí)驗(yàn)具有的動(dòng)手體驗(yàn)，造成學(xué)生的學(xué)習(xí)能動(dòng)性降低。遠(yuǎn)程在線實(shí)景實(shí)驗(yàn)技術(shù)是近些年出現(xiàn)的一種介于線上和線下實(shí)驗(yàn)的新方法，結(jié)合了兩種實(shí)驗(yàn)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。該文提出一種數(shù)字電子技術(shù)課程遠(yuǎn)程在線實(shí)景實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)平臺(tái)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)介紹。

　　關(guān)鍵詞：數(shù)字電子技術(shù);遠(yuǎn)程;實(shí)景實(shí)驗(yàn)

　　線下傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)是高校學(xué)生實(shí)驗(yàn)的最主要形式，具有直觀、真實(shí)特點(diǎn)，不僅具有參與性和動(dòng)手性，更重要的是能夠與教師進(jìn)行面對(duì)面的肢體語言交流，這種實(shí)驗(yàn)效果是線上實(shí)驗(yàn)無法達(dá)到的。隨著高校招生的擴(kuò)大及高校實(shí)驗(yàn)室管理人員及實(shí)驗(yàn)設(shè)備的緊張，尤其是在疫情影響下，線下實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)時(shí)間安排、實(shí)驗(yàn)室資源共享等方面存在不足。因此，高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)的在線教學(xué)發(fā)展迅速。目前在線實(shí)驗(yàn)分為三種形式，第一種是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用，通過 Web3D 技術(shù)構(gòu)建虛擬化的實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)設(shè)備[1-2]，主要應(yīng)用于物理和機(jī)械類實(shí)驗(yàn);第二種是不需要虛擬現(xiàn)實(shí)的由功能類虛擬軟件構(gòu)建的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，主要應(yīng)用于電學(xué)和化學(xué)類實(shí)驗(yàn)[3-4]，“數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)”課程中普遍采用的 Protel 和 Multisim便是這種類型的實(shí)驗(yàn)平臺(tái);第三種是介于現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)之間的遠(yuǎn)程實(shí)景實(shí)驗(yàn)[5-6]，這是近幾年出現(xiàn)的一種介于線上和線下實(shí)驗(yàn)技術(shù)的新方法，是通過網(wǎng)絡(luò)來控制現(xiàn)實(shí)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，并通過視頻監(jiān)控現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，這種新穎的實(shí)驗(yàn)形式很大程度上能夠提高學(xué)生學(xué)習(xí)的能動(dòng)性。本文首先基于數(shù)據(jù)分析國(guó)內(nèi)外遠(yuǎn)程教育的發(fā)展?fàn)顩r，闡述目前遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)軟件存在的主要問題，然后給出實(shí)景實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)方案，最后作為遠(yuǎn)程實(shí)景實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的案例介紹數(shù)字電子技術(shù)課程中典型的三人搶答器的網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。

　　1 國(guó)內(nèi)外遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)教育的發(fā)展

　　1.1 國(guó)外發(fā)展情況

　　國(guó)外遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)教育采用了多種虛擬仿真技術(shù)，主要包括人機(jī)交互技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)、可視化技術(shù)、虛擬仿真技術(shù)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)、虛擬世界、3D 打印技術(shù)和遙現(xiàn)技術(shù)等。美國(guó)大學(xué)的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)發(fā)展較早，多數(shù)高校形成了一整套系統(tǒng)性的遠(yuǎn)程教學(xué)方案。以耶魯大學(xué)和密歇根大學(xué)為例，他們?cè)谝咔槠陂g全面啟用了各學(xué)科的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)。生物科學(xué)一直是兩校的優(yōu)勢(shì)學(xué)科，兩校一直重視該學(xué)科的遠(yuǎn)程教學(xué)，構(gòu)建了各專業(yè)基于 PAD、Web3D和大數(shù)據(jù)技術(shù)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。英國(guó)劍橋大學(xué)的天文研究所是國(guó)際著名的教學(xué)研究機(jī)構(gòu)，他們利用網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建了虛擬天文實(shí)驗(yàn)室，使校內(nèi)外的學(xué)生都可共享虛擬儀器設(shè)備。

　　地球科學(xué)實(shí)驗(yàn)室也是該校的特色，實(shí)驗(yàn)室將世界各地的地質(zhì)標(biāo)本數(shù)據(jù)化，可以通過虛擬顯微鏡查看標(biāo)本切片圖片，實(shí)現(xiàn)虛擬儀器設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)共享。西班牙 IE 商學(xué)院注重發(fā)展教育游戲類軟件。該校研制了一款政治游戲教學(xué)軟件，利用該軟件可以仿真國(guó)家經(jīng)濟(jì)、政治相關(guān)的重要議題，甚至組成“聯(lián)合國(guó)”討論國(guó)際關(guān)系，或組成“議會(huì)”模擬國(guó)家政策制定。不僅國(guó)外高校進(jìn)行了大量虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)研究，一些公司也開發(fā)了大量遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。例如，澳大利亞 EMONA 公司于 2018 年研發(fā)了 net CIRCUITlabs 虛-實(shí)結(jié)合電子技術(shù)教學(xué)-實(shí)驗(yàn)云平臺(tái)。該平臺(tái)不同于一般意義上的虛擬仿真軟件，而是全新的、基于FPGA 技術(shù)、具備實(shí)際硬件電路連接與操作、高集成度的虛-實(shí)結(jié)合電子技術(shù)教學(xué)-實(shí)驗(yàn)云平臺(tái)。國(guó)內(nèi)的杭州電子科技大學(xué)、大連海事大學(xué)等院校采用了該平臺(tái)。

　　1.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展情況

　　進(jìn)入新世紀(jì)以來，伴隨著我國(guó)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的高速發(fā)展，遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)得到了快速發(fā)展，教育部和各級(jí)教育政府部門高度重視虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)。2017 年 7 月，教育部辦公廳印發(fā)了《教育部辦公廳關(guān)于 2017—2020 年開展示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)的通知》，決定依托教育部的高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革項(xiàng)目和虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，于2017—2020 年在本科院校開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)工作。2019 年，新冠疫情的爆發(fā)加速了高校遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革。2020 年，教育部推出 1000 個(gè)“示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目”，統(tǒng)一遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)建設(shè)要求，建議以省級(jí)為單位建立虛擬實(shí)驗(yàn)建設(shè)平臺(tái)，強(qiáng)化虛擬實(shí)驗(yàn)課程的監(jiān)管和標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)。隨后，省一級(jí)教育部門進(jìn)行了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)共享平臺(tái)建設(shè)，其中江蘇省于 2016 年率先在全國(guó)開展了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)共享平臺(tái)遴選建設(shè)工作，目前已基本完成了省內(nèi)高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)資源建設(shè)。進(jìn)入新世紀(jì)以來的國(guó)內(nèi)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展情況可以從以下三個(gè)方面概述。

　　1)從應(yīng)用情況來看。主要的實(shí)驗(yàn)形式是基于 Web3D 技術(shù)的虛擬實(shí)驗(yàn)室和遠(yuǎn)程虛擬仿真軟件。基于 Web3D 技術(shù)，目前國(guó)家資助和各省建立的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)共享平臺(tái)所納入的課程主要是模擬 3D 場(chǎng)景的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)驗(yàn)室，并融入了大數(shù)據(jù)，不需要硬件支持，這類虛擬場(chǎng)景仿真系統(tǒng)被很多高校采用，獲得了廣泛好評(píng)。針對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與實(shí)際實(shí)驗(yàn)互動(dòng)性較差問題，近年來遠(yuǎn)程實(shí)景實(shí)驗(yàn)得到了較快發(fā)展。但是由于所需的較為復(fù)雜的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)技術(shù)在國(guó)內(nèi)起步較晚，現(xiàn)有的這類高校實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要是電類專業(yè)中線路要求較為固定的、模式化的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。

　　較具代表性的是杭州電子科技大學(xué)于 2019 年研制的，采用美國(guó) Altera公司 FPGA 開發(fā)軟件 Quartus II 遠(yuǎn)程控制技術(shù)的數(shù)字系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該校還采用澳大利亞 EMONA 公司的net CIRCUIT labs 軟件，構(gòu)建了模擬電子的遠(yuǎn)程實(shí)景實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。另外，四川大學(xué)于 2020 年建設(shè)了模擬電路的遠(yuǎn)程實(shí)景實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。對(duì)于電類專業(yè)重要的數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程，由于涉及大量芯片和相應(yīng)管腳接線問題，現(xiàn)有的遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)尚未很好解決，研發(fā)進(jìn)度不理想。

　　2)從文獻(xiàn)數(shù)據(jù)來看。本文采用了 CNKI 中國(guó)知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)發(fā)表于 2002—2021 年文章的分析，選取列出的詞頻大于 18 的 8個(gè)關(guān)鍵詞作為遠(yuǎn)程教育數(shù)據(jù)研究基礎(chǔ)。首先，在知網(wǎng)按關(guān)鍵詞檢索到到相關(guān)文章 1854 篇。然后選擇 Endnote格式導(dǎo)出文獻(xiàn)，采用 SATI 將文獻(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行字段抽取，將統(tǒng)計(jì)得出的數(shù)據(jù)錄入 SPSS 數(shù)據(jù)分析工具，進(jìn)行詞頻統(tǒng)計(jì)，生成共詞矩陣。詞條“遠(yuǎn)程實(shí)景”代表新型的遠(yuǎn)程實(shí)景實(shí)驗(yàn)類型，其余詞條代表傳統(tǒng)的虛擬實(shí)驗(yàn)類型。排除自相關(guān)系數(shù) 1 后，遠(yuǎn)程實(shí)景詞條的相似系數(shù)之和為 0.027，其余的七個(gè)詞條的相似系數(shù)之和均大于 0.027，說明遠(yuǎn)程實(shí)景實(shí)驗(yàn)在目前虛擬實(shí)驗(yàn)中占比較少。

　　3)從數(shù)據(jù)年度變化來看。我國(guó)的遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)發(fā)展迅速，遠(yuǎn)程實(shí)景實(shí)驗(yàn)作為遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)中的一種新型實(shí)驗(yàn)形式，更貼近于現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)，近年來得到了迅速發(fā)展。為分析這種實(shí)驗(yàn)形式的發(fā)展情況，本文給出了傳統(tǒng)虛擬實(shí)驗(yàn)和遠(yuǎn)程實(shí)景實(shí)驗(yàn)的發(fā)展情況統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。相關(guān)教學(xué)研究文章從 2009 年開始迅速增加，其中實(shí)景實(shí)驗(yàn)方面的文章從 2012 年開始迅速增加，說明遠(yuǎn)程實(shí)景實(shí)驗(yàn)是國(guó)內(nèi)高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)未來發(fā)展的新趨勢(shì)。

　　2 目前遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)軟件存在的主要問題

　　1)仿真實(shí)驗(yàn)給實(shí)驗(yàn)者的實(shí)驗(yàn)臨場(chǎng)感和實(shí)驗(yàn)效果不佳。在強(qiáng)調(diào)實(shí)際操作的外科醫(yī)學(xué)、化學(xué)、物理、機(jī)械等學(xué)科的實(shí)驗(yàn)中，基于實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景的虛擬環(huán)境實(shí)驗(yàn)雖然可以使學(xué)生建立一定的設(shè)備和實(shí)驗(yàn)過程認(rèn)識(shí)，但這種由 3D 軟件構(gòu)建的與實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景和設(shè)備的互動(dòng)仍然以鼠標(biāo)點(diǎn)擊為主，與真實(shí)實(shí)驗(yàn)完全不同。雖然 VR 設(shè)備可以在一定程度上增強(qiáng)人機(jī)互動(dòng)的友好，但是實(shí)驗(yàn)成本過于高昂，無法應(yīng)用于每個(gè)學(xué)生的遠(yuǎn)程教育。

　　2)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)缺乏模擬現(xiàn)實(shí)的算法仿真。由于目前的一些教學(xué)類仿真實(shí)驗(yàn)缺乏模擬現(xiàn)實(shí)的算法仿真，造成數(shù)據(jù)簡(jiǎn)單，通過簡(jiǎn)單計(jì)算即可得出結(jié)果。而現(xiàn)實(shí)中的很多實(shí)驗(yàn)是無法用數(shù)學(xué)方法模擬的，如生理科學(xué)實(shí)驗(yàn)、天體物理實(shí)驗(yàn)、生物工程、地質(zhì)科學(xué)和復(fù)雜的控制工程實(shí)驗(yàn)等，目前仍沒有一種數(shù)學(xué)方法能夠快速而科學(xué)地模擬。另一方面，虛擬實(shí)驗(yàn)室中的虛擬元器件、儀器儀表等與真實(shí)實(shí)驗(yàn)設(shè)備和儀器不可避免地存在差異，降低了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的重視程度。

　　3)遠(yuǎn)程實(shí)景實(shí)驗(yàn)存在網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)瓶頸。為了克服目前仿真實(shí)驗(yàn)的缺陷，提高仿真實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)效果和教學(xué)質(zhì)量，需要研發(fā)一種實(shí)景化的實(shí)驗(yàn)仿真技術(shù)，即能夠真實(shí)展現(xiàn)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)、實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)過程，提高實(shí)驗(yàn)者的實(shí)驗(yàn)臨場(chǎng)體驗(yàn)。隨著網(wǎng)絡(luò)和控制技術(shù)的發(fā)展，近年來，基于網(wǎng)絡(luò)控制和視頻監(jiān)控技術(shù)的遠(yuǎn)程實(shí)景實(shí)驗(yàn)得到了很快發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)將不受時(shí)空限制，能夠隨時(shí)隨地共享儀器設(shè)備和計(jì)算資源，允許學(xué)生、教師甚至社會(huì)人員通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)景操作實(shí)驗(yàn)設(shè)備、獲取和分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。學(xué)生還可以按照自己的創(chuàng)意將多個(gè)模塊一同放在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，搭建自己的系統(tǒng)，在更高層次上開展多種綜合實(shí)驗(yàn)，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。但是，不同的實(shí)驗(yàn)課程對(duì)應(yīng)著不同的網(wǎng)絡(luò)控制方式和數(shù)據(jù)要求，例如，電機(jī)和電路課程的驗(yàn)證性實(shí)景實(shí)驗(yàn)，由于沒有線路上的調(diào)整，往往側(cè)重于遙測(cè)技術(shù);而數(shù)字電子技術(shù)課程實(shí)驗(yàn)，通常強(qiáng)調(diào)采用不同數(shù)字器件進(jìn)行設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)提出了很高要求，目前這種類型的設(shè)計(jì)性遠(yuǎn)程實(shí)景實(shí)驗(yàn)還存在技術(shù)瓶頸。

　　3 實(shí)景實(shí)驗(yàn)平臺(tái)方案設(shè)計(jì)案例

　　高等教育中的電類實(shí)驗(yàn)課程往往強(qiáng)調(diào)創(chuàng)新設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，尤其對(duì)接線更為靈活的弱電實(shí)驗(yàn)要求更高，這就對(duì)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)提出了更高要求，需要設(shè)計(jì)靈活的硬件設(shè)備接口網(wǎng)絡(luò)連接模塊。這種控制方式技術(shù)要求高，目前國(guó)內(nèi)還沒有滿足這種要求的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。鑒于此，課題組以控制復(fù)雜的數(shù)字電子技術(shù)遠(yuǎn)程實(shí)景實(shí)驗(yàn)作為案例，研制了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備。該實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備通過放置于實(shí)驗(yàn)室的遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)箱，將數(shù)字芯片管腳通過網(wǎng)絡(luò)接口、FPGA 模塊來模擬現(xiàn)實(shí)的導(dǎo)線接線，學(xué)生可通過網(wǎng)絡(luò)攝像頭查看實(shí)驗(yàn)箱上的 LED 燈及示波器等測(cè)量設(shè)備的輸出情況。這種方法將虛擬軟件與現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，成為一種新的數(shù)字技術(shù)課程實(shí)驗(yàn)技術(shù)和實(shí)驗(yàn)方式，能夠激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的線上接線興趣，能有效實(shí)現(xiàn)數(shù)字實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)設(shè)備的共享共用[2,7]。

　　3.1 系統(tǒng)構(gòu)成遠(yuǎn)程

　　在線實(shí)景實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包括用戶端的軟件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和放置于實(shí)驗(yàn)室的網(wǎng)絡(luò)硬件平臺(tái)，即在線實(shí)驗(yàn)軟件客戶端管理平臺(tái)和在線實(shí)驗(yàn)箱硬件平臺(tái)。

　　3.2 客戶端結(jié)構(gòu)

　　客戶端是教師進(jìn)行教學(xué)的主要平臺(tái)。在線實(shí)驗(yàn)客戶端軟件管理平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)在線預(yù)習(xí)檢測(cè)、實(shí)驗(yàn)預(yù)約、遠(yuǎn)程在線實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)過程數(shù)據(jù)采集，以及形成性評(píng)價(jià)等功能。其中網(wǎng)絡(luò)表的編寫是學(xué)生預(yù)習(xí)的主要內(nèi)容，需要學(xué)生根據(jù)通信協(xié)議編寫依據(jù)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備定義的網(wǎng)絡(luò)表文件，實(shí)驗(yàn)過程中需要隨時(shí)調(diào)整網(wǎng)絡(luò)表文件，并觀察遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)箱的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否與預(yù)習(xí)內(nèi)容相符。客戶端具有圖像監(jiān)控模塊及數(shù)據(jù)評(píng)測(cè)功能，可以通過 Socket 方式與遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)箱用戶端實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)通信[8]。

　　3.3 遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)箱

　　數(shù)據(jù)接收模塊負(fù)責(zé)將接收到的網(wǎng)絡(luò)表數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為設(shè)備管腳的連線網(wǎng)絡(luò)，由可編程門陣列(FPGA)構(gòu)成。具體來說，一方面負(fù)責(zé)按接收到的按照端點(diǎn)序號(hào)表示的網(wǎng)絡(luò)表數(shù)據(jù)進(jìn)行連線，另一方面負(fù)責(zé)將接收到的管腳狀態(tài)命令設(shè)置設(shè)備管腳電壓。設(shè)備模塊為真實(shí)存在的物理器件(電阻、電容、電感和放大器等)的裝載板，網(wǎng)絡(luò)表中，各器件的管座管腳序號(hào)對(duì)應(yīng)了 FPGA 定義的虛擬端口，同一網(wǎng)絡(luò)中的端口在 FPGA 中實(shí)現(xiàn)了物理意義上的連接[9-10]。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)還配備了具有通信功能的數(shù)字儀器儀表(萬用表、信號(hào)源和示波器)，通過網(wǎng)絡(luò)攝像頭可實(shí)現(xiàn)客戶端實(shí)時(shí)查看實(shí)驗(yàn)情況。實(shí)驗(yàn)臺(tái)采用模塊化組裝形式，可通過更換相關(guān)實(shí)驗(yàn)器件開展其他實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。學(xué)生可借助實(shí)驗(yàn)臺(tái)不斷嘗試自己的實(shí)驗(yàn)想法，培養(yǎng)創(chuàng)新性設(shè)計(jì)能力。教師端和學(xué)生端用戶可自行安裝在線實(shí)驗(yàn)軟件管理系統(tǒng)，通過命令調(diào)用元器件、電路模塊等設(shè)備實(shí)現(xiàn)電路連接，下發(fā)至硬件平臺(tái)，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，并記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

　　3.4 實(shí)驗(yàn)方法

　　在上位機(jī)客戶端，學(xué)生錄入個(gè)人信息完成登錄后，按照指導(dǎo)教師給出的設(shè)備代碼和通信協(xié)議，將預(yù)先完成的設(shè)備網(wǎng)絡(luò)表數(shù)據(jù)上傳至遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)箱，利用實(shí)驗(yàn)箱上的 FPGA 模塊將獨(dú)立的各設(shè)備的管腳相連構(gòu)成連線網(wǎng)絡(luò)。如果用戶發(fā)出操作命令，F(xiàn)PGA模塊還可以設(shè)定管腳的電平狀態(tài)，來給出真實(shí)的管腳電平。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)還支持?jǐn)?shù)字儀器儀表獲取硬件真實(shí)數(shù)據(jù)，并通過通信接口上傳至客戶端。學(xué)生可以通過網(wǎng)絡(luò)攝像頭觀察輸出設(shè)備的數(shù)值變化，從而達(dá)到身臨其境的實(shí)驗(yàn)效果。

　　4 實(shí)景實(shí)驗(yàn)平臺(tái)方案應(yīng)用

　　三人搶答器實(shí)驗(yàn)是數(shù)字電子技術(shù)課程的必修實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖橇私饣�本時(shí)序器件觸發(fā)器和組合器件能夠構(gòu)成具有實(shí)用價(jià)值的數(shù)字設(shè)備，也是數(shù)字電子技術(shù)課程的典型實(shí)驗(yàn)。三人搶答器實(shí)驗(yàn)屬于時(shí)序電路中的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)前先由教師檢查學(xué)生的預(yù)習(xí)報(bào)告，然后講解實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛯?shí)驗(yàn)原理，讓學(xué)生依據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書列出的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行自主實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生觀察和記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后學(xué)生需要根據(jù)教師的要求完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告[11-12]。本文提出的遠(yuǎn)程實(shí)景平臺(tái)的操作過程類似于目前的現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)，平臺(tái)只是將現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)中的接線和結(jié)果觀察轉(zhuǎn)由網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。

　　5 結(jié)語

　　進(jìn)入新世紀(jì)以來，遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)在我國(guó)高校得到了快速發(fā)展，在新冠疫情下，對(duì)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)教育的需求更加迫切。目前，遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)的主要形式是完全虛擬現(xiàn)實(shí)的仿真實(shí)驗(yàn)，這種形式的實(shí)驗(yàn)缺乏與實(shí)際實(shí)驗(yàn)設(shè)備的人機(jī)交互，而基于網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)和視頻技術(shù)的實(shí)景實(shí)驗(yàn)則是遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革方向。與傳統(tǒng)的虛擬實(shí)驗(yàn)相比，遠(yuǎn)程在線實(shí)景實(shí)驗(yàn)更加貼近線下實(shí)驗(yàn)，但受現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)所限，這種遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)仍然存在一些技術(shù)問題。本文針對(duì)“數(shù)字電子技術(shù)”課程的遠(yuǎn)程在線實(shí)景實(shí)驗(yàn)要求，研制了實(shí)景實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

　　這是一種介于線上和線下之間的實(shí)驗(yàn)方法。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能夠使學(xué)生利用網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，通過自定義的通信命令，在實(shí)驗(yàn)箱上的FPGA 模塊實(shí)現(xiàn)硬件連接，然后通過遠(yuǎn)程監(jiān)控查看實(shí)驗(yàn)效果。通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以將真實(shí)的儀器設(shè)備模塊與上位機(jī)客戶端軟件相連接，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)電路的搭建，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程在線對(duì)實(shí)驗(yàn)室中的設(shè)備進(jìn)行真實(shí)操控，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的同步顯示。本文以三人搶答器實(shí)驗(yàn)為教學(xué)案例，闡述了遠(yuǎn)程在線實(shí)景實(shí)驗(yàn)的具體過程，本文設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)表語言便于后續(xù)數(shù)字系統(tǒng)課程的學(xué)習(xí)。該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)開設(shè)以來，受到我校電類專業(yè)學(xué)生的廣泛好評(píng)。

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　　作者：陳 燁，袁小平