基于“互联网+”的远程实践系统的设计及应用

【关键词】远程控制 电子技术

1 远距离成人教育实验课程的现状

目前普通高校实验课程大多采用传统实

验方法，传统实验的优点是通过实验课程，可

以加深学生对理论知识基本原理的理解，培养

学生的感性认识和动手能力，培养学生的团队

协作能力，传统实验的缺点是需要统一安排时

间，集中实验地点，人手一台设备，资源不能

共享，不适合远距离教育的发展。由于受到传

统实验教学方法在时间、空间和硬件资源等方

面的限制，实验课程的教学始终是远距离教育

发展的瓶颈。

为了解决这一问题，目前远距离成人教育

普遍采用各种仿真软件进行虚拟实验的方法，

该方法与INTERNET 网络相结合很容易实现

远程模拟实验，从而解决时间、空间和硬件资

源的限制问题。虚拟实验具有透明性、资源共

享性、互动操作性、用户自主性、扩展性以及

安全性等特点，不受时空的限制，在远距离成

人教育的实践教学中应用广泛。但在实际实验

中，有的是对原理的验证，有的是对器件特性

的测试，与传统实验教学所能够达到的效果相

比，仿真实验是在虚拟环境中模拟真实的实验，

往往忽略了很多实际实验中的干扰因素，纯虚

拟实验在直观性和测量数据的误差分析等方面

具有难以克服的缺陷。随着“互联网+”和大

数据时代的到来，给远程实践系统的设计和应

用提供了可能。

文/阮晓芳

实践环节是制约远距离成人

教育发展的瓶颈，随着“互联网+”

和大数据时代的到来，给远程实

践系统的设计和应用提供了便利。

本文根据远程控制实验的原理，

以电子类课程的实验教学为对象，

基于NI ELVIS 平台设计开发了远

程控制的物理实践系统，并提出

将虚拟仿真实验与远程控制的物

理实验相结合，在实验过程中学

生分阶段进行虚拟仿真实验和远

程控制的物理实验，既达到了传

统实验教学的效果，又保持了基

于网络操作的特点。实践证明，

远程控制的电子物理实验系统是

远距离实验教学中较为理想的一

种实验模式，也是未来远程实验

的发展趋势。

摘 要

远程控制的物理实验系统一直是众多院

校急需的教学辅助系统，它比仿真实验真实直

观，又克服了传统本地硬件实验的占用场地、

设备易坏、维护成本高等弊端。借助虚拟仪器

技术与远程控制技术，这类系统已经成为现实，

并已在国内外众多院校得到应用，是现有本地

硬件实验室的补充与拓展。但是远程控制实验

也具有硬件电路灵活性不足，在原理性教学方

面欠缺的问题。因此，将虚拟仿真实验与远程

控制实验相结合是远程实验教学的发展趋势。

2 基于“互联网+”的远程控制的原理及

应用

随着“互联网+”和大数据时代的到来，

给远程控制系统的设计和应用提供了可能。远

程控制是指主控端电脑通过INTERNET 网络

远距离控制被控端电脑的一门技术，其原理如

图1 所示。远程控制软件包括安装在主控端电

脑的客户端程序(Client) 和安装在受控端电脑

的服务器程序(Server)。远程控制软件在两台

计算机之间建立起数据交换的通道，主控端电

脑负责发送指令和显示受控端电脑执行程序的

结果。某些远程控制软件使用了Web 技术，

主控端可通过IE 浏览器运行位于服务器端中

的主控端程序来实现远程控制。通过远程控制

软件，我们可以进行多种远程操作，可以使用

被控端电脑的上的所有资源，包括与之相连的

所有设备。在工业应用中，被控端电脑常常通

过传感器和执行器与现场设备相关联，这样用

户可以通过主控端电脑远程监控现场设备。

远程控制在众多的领域里有着非常广泛

的应用，在教学领域，大连理工大学从麻省理

工学院引入微电子器件、动态信号分析两个远

程实验室，学生可以在网上远程控制麻省理工

学院实验仪器设备，进行真实实验。在科研

领域，东北大学依托“985 工程”工业综合自

动化科技创新平台, 建立了远程控制理论实验

室，为控制理论研究者提供了一个物理实验系

统, 使他们不仅能完成复杂对象控制算法的仿

真研究, 同时也能够快速地在物理系统上进行

验证。在天文观测领域，中国科学院国家天文

台搭建的远程观测系统，使天文望远镜通过

INTERNET 对外开放，研究者可以通过Web

浏览器远程控制望远镜的角度和焦距，并获取

观测数据。在深海探测领域，通过在海底布放

传感器并组成观测网络，可以通过网络远程长

时间实时观测搜集海底数据。

3 远程控制的物理实验系统

基于上述远程控制的原理，结合浙江广

播电视大学电子类课程实验教学的需求，开

发了远程控制的物理实验系统。该系统以美

国国家仪器提供ELVIS 平台为基础，ELVIS

集成了12 款常用的虚拟仪器组，包括了示

波器、数字万用表(DMM)、函数发生器、可

调数字电源等等。支持图形化系统设计环境

LabVIEW，在LabVIEW 平台下开发的应用程

序在网络上发布后，学生就可通过因特网远程

操作相关试验。

通过开发与课程实验相对应的程序和电

路，实现远程控制的电路实验。系统具有4 个

现场监控计算机，每个计算机上连接一个摄

像头和一个ELVIS 平台。只要将电路模块与

ELVIS 平台连接，学生就可以用远程登录的方

式操作实验对象，取得实验数据与结果，同时

通过远程视频窗口观察实验模块状态的变化。

目前这套远程控制实验系统由“电路分

析”、“模拟电路”、“数字电路”和“模数

系统综合设计”4 个模块构成，可以覆盖电工

电子技术基础课程中大部分实验。该系统可以

作为理论教学的辅助演示系统，教师不必携带

实验设备到教室，就可以在课堂上给学生做硬

件实验演示，增强学生的直观感受与体验；该

系统也可以作为全天候远程开放实验室，学生

可以在任何时间、任何地点登录进来完成课程

实验的预习工作。

4 虚实结合的成人教育远程实验教学设

计

为了将虚拟实验与远程控制实验有机结

合起来，尽可能达到传统实验的教学目标。首

先需要对传统实验和虚拟实验的教学内容和所

能达到的教学目标进行对比分析。

4.1 传统实验的教学目标和效果

传统的实验教学内容首先由实验课教师

讲解实验原理和要求，然后根据实验资源和学

生人数的比例进行分组实验，学生根据电路原

理动手搭建实验电路，利用仪器设备调整并测

量实验电路的运行状态，并记录实验数据，在

对实验数据进行分析的基础上撰写实验报告，

最后教师对实验报告进行评阅。在这个过程中

学生得到了以下的锻炼，包括：建立了对电子

电路的直观认识、加深了对抽象原理的理解、

掌握了仪器设备的使用方法、增强了动手能力、

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Electronic Technology & Software Engineering 电子技术与软件工程• 29

掌握了数据分析技巧。虽然传统实验教学的效

果较好，但是受到时间、空间和资源的限制，

不适合远距离教育的要求。

4.2 虚拟仿真实验的教学目标和效果

与传统实验教学相比，纯虚拟实验流程

相对简单，学生座在电脑前通过网络远程访问

电路仿真平台即可完成，解决了传统实验在空

间、时间和资源方面的限制问题。

教学活动一般由教师选定实验项目，学

生进入虚拟实验系统后首先阅读该实验的原理

与实验要求，然后用虚拟平台提供的电子元器

件通过鼠标拖拽的方式构建电路，在此基础上

修改电路参数进行仿真，记录仿真数据或曲线，

最后撰写并提交仿真实验报告，教师在网上对

仿真实验报告进行评阅。通过虚拟仿真实验可

以检验和加深学生对电路原理的认识。但是与

传统实验相比，缺乏对实验对象和实验现象的

直观认识。另外由于所得数据不是真实测量所

得，无法对误差进行分析。而且仿真过程从本

质上不具备实际物理过程所固有的随机性，从

而给实验数据分析环节造成困扰。

4.3 虚实结合实验的教学目标和效果

综合上述分析，基于浙江广播电视大学

新建成的远程控制实验系统，我们提出了虚实

结合实验教学设计方案。在教学过程中分阶段

使用虚拟实验平台和远程控制实验系统，保持

了基于网络远程操作的特点。

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