开发“远程实验”疏通教学堵点

开发“远程实验”疏通教学堵点

“没想到在家还能控制学校实验设备,很便捷,学习效率也提高了(www.vszs.cn)。”说这话的是杭州电子科技大学电子信息学院大三学生郭奔峥。疫情期间由于不能去学校做电机实验,郭奔峥担心线上体验不深刻。但是让他惊喜的是,学校研发的远程控制实验平台,可以让他在千里之外,一边直接操控学校实验室里的实体实验设备,一边通过家里电脑屏幕对即时电压、电流、相位差变化有直观深刻理解。

“通过学校的远程实验平台,不管大家离得多远,都能身临其境地做实验搞科研。”杭电党委书记王兴杰自豪地说。

虚实结合做实验“如臂使指”

让郭奔峥惊喜不已的“电机远程实验平台”,是杭电正在大力推进的远程实验系统的冰山一角。“作为电子信息特色大学,学校高度重视学生实践动手能力的培养,必须面对信息技术日新月异带来的挑战,在实践教学模式和教学手段上不断进行探索与创新。但我们也发现,由于实验设备陈旧、理念匮乏落后等问题,‘实验水课’也有存在。所以我们把打造远程‘实验金课’,作为学校大力提升人才培养水平的重要抓手。”王兴杰说。

电子信息学院教师马学条,则从实践教学的痛点出发,说出了一线实验教学人员的苦恼。“部分理工科类实验内容,存在概念抽象、理论深奥、学生不易掌握等特点,比如正弦稳态电路相量的研究,传统实验授课方式,学生很难理解,学生亲自做问题较多,常出故障,学生实验效率很低。常有学生抱怨,完成一次实验操作后,还是云里雾里的,吐槽学校的实验课程用处不大。”对此,学校2019年下半年开发的“远程实验平台”,切切实实地提升了实验课的“含金量”。

“远程实验平台”不是一般意义上的完全模拟的虚拟仿真实验平台,而是通过网络进行操作,不管相距千山万水,实验都是在远端真实的实验设备上进行的。

无死角对“水课”开刀

以杭电目前已经在运行的电机远程实验平台为例。它是由模拟操作界面、云端服务器,加上实体实验设备以及相关传感器组成。用户可以通过电脑上的操作界面来下达指令,指令再上传到云端服务器,云端服务器作为中转,把指令传输到实验设备上,实验设备根据这些指令进行一系列的实验动作,这些实验动作中产生的实验数据被传感器采集,再传回云端服务器,从而到达用户界面,这些数据形成可视化的图线。同时,用户可以通过高端“摄像头”实时观察实验设备的运转状况。“互联网所及,不管你离实验设备有多远,就像在设备前亲自做实验一样。”

在杭电电子信息学院的一堂创新性实验课上,十几个实验成员,通过远程实验平台,同时上机。他们有的是在图书馆里,有的是在咖啡馆里,有的是在寝室里,甚至有的在地铁上。坐在咖啡馆里一边喝咖啡一边操作实验界面的马翔龙,正在通过平板电脑对电机的参数进行调整,当电机启动时,从平板中传来电机的嗡鸣声,界面上显示出电机内部的电流、电压相量图,而且图线在实时变化。马翔龙知道,自己看到的界面上的实验画面和数据变化,正是实验室里实验设备正在运行真实发生的。

电子信息学院副院长、远程实验平台开发项目负责人陈龙教授指着界面上的画面说,这个实验中,电机转速快,易伤人,电压高,易触电,存在一定的安全隐患,传统实验中,只能用人工记录数据,再输入到电脑中进行处理,误差较大,费时费力。

远程实验平台可以把实验中的数据,直接反馈到我们的电脑界面上,可以直接绘制成图线,反映动态变化,更加形象直观地说明问题,提高学习效率,有效解决了以往“高阶性实验普及性不高”的难题。

“传统实验方式,受时空及软硬件条件限制,从事的实验内容有限,挑战度不高,培养的力度和效果与设想有一定的差距,导致收获不大。有了远程实验平台,运用云端技术和互联网硬核应用赋能实验过程,打破时空等条件限制,可以满足学生自主创新设计的需求,大大提高学生学习的自主性和积极性。”陈龙表示。

全时空共享“实验金课”

打造实验“金课”,构建虚拟仿真实验平台是一个重要方向。远程实验平台,是其中难度较高的实现方式。“而目前,杭电电子信息工程、电子科学与技术、光电工程、集成电路、电气与自动化等 22个电类专业,占全校专业总数近一半,打造这些专业的远程实验课程,关系到学校提升人才培养质量的根本大计,也是我们开发远程实验平台的动力所在。”杭电副校长徐江荣表示。

杭电电子信息技术虚拟仿真实验教学中心、电工电子实验教学示范中心与墨西哥蒙特雷科技大学远程控制实验中心,采取“共研、共建、共享”的方式,联合建设了这个中国领先的“实验金课”平台。

陈龙教授领衔的近10人攻关团队,加上墨西哥蒙特雷科技大学Macias(曼纽尔·马西亚斯)教授带领的4位专家,2019年整个下半年,一直在全力开发这个远程实验平台,采用的是“边开发学生边用”的模式。而在此之前,墨西哥蒙特雷科技大学已经积累了非常丰富的远程实验平台设计经验。

“蒙特雷科技大学,在远程控制解决方案、页面UI设计等领域属于业界水平,我们是站在巨人的肩膀上,结合杭电在电工电子实验教学上的长期探索,和我们在资源调度整合上的优势,打造出杭电版远程实验平台,全力推进杭电实验‘金课’攻坚工程。”陈龙表示。

做了十几年电机实验指导老师的自动化学院教师余善恩认为,远程实验平台,将“共享实验室”的理念和实践,向前推进了一大步。“之前说共享实验室,说的是通过网上界面预约做实验,但本人还是要到实验室做实验,这就意味着还是要受限于时空,受限于实验设备数量和实验指导人员量。而杭电推行的远程实验平台,可以在连接的实验设备上做实验,而且是全真实验,等于是拥有了一个实验室。”

“我开设过电工、电路、模电、可编程控制器等实践类课程,深感这些课讲起来抽象乏味,学生很难理解,通过远程实验平台讲课,学生听起来会生动有趣、易于吸收。”长春工程学院蔡常青教授常年关注、研究创新性实验教学,她认为远程实验平台“最令人激动的地方,是实验设备全世界共享。比方说,杭电实验室人员下午5点钟下班了,墨西哥蒙特雷科技大学的人员,可以通过远程控制,用杭电的实验设备。反之,墨西哥蒙特雷科技大学的实验设备,在他们的下班时间,杭电师生同样可以通过远程实验平台在他们的实验设备上做实验。这样的‘共享实验金课’前景,让人振奋!”

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