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遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用——面向工程教育
教育乃千秋大業(yè),國(guó)之大計(jì)。近年來(lái),全面工程教育理論在國(guó)內(nèi)外教育界不斷被提起。從全球教育變革這一宏觀背景來(lái)看,強(qiáng)調(diào)全過(guò)程、全包容、全民性的全面工程教育,正作為新時(shí)代需要的一種新的教育哲學(xué)而得到重視。就工程教育而言,其最根本的目的是為學(xué)習(xí)者建立以理論指導(dǎo)實(shí)踐、以實(shí)踐完善理論的思想。實(shí)驗(yàn)作為工科類(lèi)專業(yè)教學(xué)過(guò)程的重要組成部分,是培養(yǎng)學(xué)生分析和解決實(shí)際問(wèn)題能力的重要環(huán)節(jié),被認(rèn)為是工科“學(xué)習(xí)的核心”。
《國(guó)務(wù)院關(guān)于積極推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”行動(dòng)的指導(dǎo)意見(jiàn)》(國(guó)發(fā)〔2015〕40號(hào))已提出了“互聯(lián)網(wǎng)+”正式成為國(guó)家戰(zhàn)略。目前,“互聯(lián)網(wǎng)+教育”正迅速成為一種教育新理念。正是基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展和對(duì)遠(yuǎn)程實(shí)踐教學(xué)的社會(huì)需求,基于“互聯(lián)網(wǎng)+實(shí)驗(yàn)教學(xué)”的遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室應(yīng)運(yùn)而生。
遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室是工程教育遠(yuǎn)程教學(xué)的重要組成部分,也是我國(guó)發(fā)展遠(yuǎn)程教育的一個(gè)重要內(nèi)容。隨著我國(guó)遠(yuǎn)程教育工程的啟動(dòng),開(kāi)發(fā)建設(shè)遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)室的熱潮已在全國(guó)各大院校蓬勃發(fā)展。結(jié)合現(xiàn)代教學(xué)方法,采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)和多媒體技術(shù),實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程教學(xué)和遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn),通過(guò)網(wǎng)絡(luò)上的任何一臺(tái)工作站就可以不受時(shí)間、地點(diǎn)的限制,進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)和實(shí)驗(yàn)?zāi)M。
在遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)的研究熱潮中,國(guó)內(nèi)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)快速地趨于多元化發(fā)展,目前已進(jìn)入到“戰(zhàn)國(guó)時(shí)代”:部分高校紛紛開(kāi)始建立相應(yīng)的遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)中心和實(shí)驗(yàn)平臺(tái),相關(guān)企業(yè)正在逐步開(kāi)發(fā)各類(lèi)面向公眾的遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。目前國(guó)內(nèi)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要有“遠(yuǎn)程虛擬”和“遠(yuǎn)程實(shí)物”兩種形式。遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)建立在先進(jìn)的計(jì)算機(jī)和虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)的基礎(chǔ)上,通過(guò)交互界面實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互,模擬產(chǎn)生真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是根據(jù)理論模型計(jì)算得到的,無(wú)法獲得客觀真實(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和真實(shí)實(shí)驗(yàn)中的各種誤差數(shù)據(jù),而且真實(shí)實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的各種故障也無(wú)法體現(xiàn),因此,缺乏實(shí)驗(yàn)的真實(shí)性和臨場(chǎng)感。與遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)不同,遠(yuǎn)程實(shí)物實(shí)驗(yàn)是在真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境下進(jìn)行遠(yuǎn)程操控。遠(yuǎn)程實(shí)物實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要由監(jiān)控端、客戶端和服務(wù)器端組成,通過(guò)各種接口與硬件設(shè)備相連,由遠(yuǎn)程控制面板發(fā)送控制指令,遠(yuǎn)程控制真實(shí)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備,并通過(guò)攝像頭觀察現(xiàn)象,獲得數(shù)據(jù)。但是,遠(yuǎn)程實(shí)物實(shí)驗(yàn)大多是控制遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)儀器,遠(yuǎn)程觀察示波器等儀器的測(cè)量現(xiàn)象,而實(shí)驗(yàn)設(shè)備的連線都是事先接好的,實(shí)驗(yàn)者仍然無(wú)法在實(shí)驗(yàn)中觀察到實(shí)驗(yàn)中可能出現(xiàn)的相關(guān)故障,也無(wú)法獲得實(shí)驗(yàn)的各種誤差數(shù)據(jù)。因此,也可以說(shuō)遠(yuǎn)程實(shí)物實(shí)驗(yàn)是一種“虛擬的偽真實(shí)”。另外,不同的儀器廠商及相關(guān)企業(yè)制定的遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)儀器接口協(xié)議及標(biāo)準(zhǔn)都略有不同,缺乏通用性。
本書(shū)提出的工程教育遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng),是一種新的采用基于社交即時(shí)消息(IM)應(yīng)用程序架構(gòu)的TURN-KEY遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)集成解決方案。這個(gè)新框架作為遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)的基礎(chǔ)平臺(tái),通過(guò)HTML 5和Web 2.0技術(shù),將遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)課程作為唯一的ID節(jié)點(diǎn)靈活地添加到遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)中,而且易于集成到大多數(shù)流行的、基于Web的學(xué)習(xí)管理系統(tǒng)(LMS)中,并連接到社交網(wǎng)絡(luò)。本工程教育遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)共享平臺(tái)是目前第一個(gè)使用流行的社交IM應(yīng)用程序體系結(jié)構(gòu)的集成遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng),無(wú)需額外插件就能將電子信息類(lèi)、人工智能類(lèi)、機(jī)械控制類(lèi)、結(jié)構(gòu)工程類(lèi)等工程教育相關(guān)實(shí)驗(yàn)接入,包括實(shí)驗(yàn)硬件系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)服務(wù)與存儲(chǔ)系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)應(yīng)用系統(tǒng),可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)視頻、桌面共享、實(shí)驗(yàn)論壇、實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)過(guò)程控制、實(shí)驗(yàn)報(bào)告管理和實(shí)驗(yàn)評(píng)分等功能,同時(shí)還可擴(kuò)展集成第三方的虛擬實(shí)驗(yàn)課程資源或者自建課程資源,為各類(lèi)院校提供遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境與服務(wù)。該平臺(tái)還以課程管理為基礎(chǔ),結(jié)合視頻點(diǎn)播、視頻直播和其他功能模塊,實(shí)現(xiàn)了班級(jí)管理、課程發(fā)布、課程預(yù)習(xí)、作業(yè)練習(xí)、小組討論及在線考試等功能,有效提高了教學(xué)過(guò)程管理的效率與遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)體驗(yàn),增強(qiáng)了學(xué)習(xí)平臺(tái)的教學(xué)黏性,為工程教育的實(shí)驗(yàn)課程提供了一個(gè)非常重要的教學(xué)平臺(tái)。
本書(shū)為高級(jí)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室技術(shù)的開(kāi)發(fā)提供了完整的指南,為該領(lǐng)域當(dāng)前研究和應(yīng)用中遇到的核心問(wèn)題提供了相應(yīng)的解決方案。授其業(yè)謂之為“魚(yú)”,傳其法才能謂之為“漁”。為達(dá)到“魚(yú)漁雙授”的目的,本書(shū)所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容以提升學(xué)習(xí)者在“理論→實(shí)踐→理論”過(guò)程中的學(xué)習(xí)能力為目的,結(jié)合現(xiàn)代教學(xué)方法,設(shè)置科學(xué)、合理的教學(xué)模式,張弛有度,引導(dǎo)學(xué)習(xí)者通過(guò)獨(dú)立思考、討論等各種方法進(jìn)行探索,獲得新知,激發(fā)并培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的主觀能動(dòng)性,同時(shí)教會(huì)學(xué)習(xí)者理論聯(lián)系實(shí)際的方法,并引導(dǎo)學(xué)習(xí)者通過(guò)實(shí)踐反饋來(lái)印證理論,甚至是完善理論的思維方式。本書(shū)可作為高校相關(guān)專業(yè)本科生及研究生的學(xué)習(xí)參考資料,也可作為相關(guān)領(lǐng)域的教師及工程師開(kāi)展遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)的參考資料。
本書(shū)共8章。第1章介紹了遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室的概念,分析了國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀,并對(duì)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了展望。第2章在分析國(guó)內(nèi)外主流遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)技術(shù)的基礎(chǔ)上,提出了一種新的基于社交即時(shí)消息(IM)應(yīng)用程序架構(gòu)的TURN-KEY遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)集成解決方案,以提高學(xué)習(xí)者的工程教育和研究能力以及利用工業(yè)應(yīng)用程序自定義遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)的能力。第3章基于一種新型在線可編程實(shí)驗(yàn)平臺(tái),介紹了遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)(實(shí)驗(yàn)平臺(tái))的相關(guān)設(shè)計(jì)方法。第4章介紹了一種新型的面向移動(dòng)設(shè)備優(yōu)化的應(yīng)用程序架構(gòu),該應(yīng)用程序架構(gòu)作為一種開(kāi)發(fā)工具,為眾多應(yīng)用領(lǐng)域(如M-Learning應(yīng)用、工業(yè)電子應(yīng)用等)的應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)提供了新的解決方案。第5章介紹了基于工程教育遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)共享平臺(tái)的遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容設(shè)置方法,并探討了其教學(xué)模式,同時(shí)給出了四個(gè)實(shí)驗(yàn)案例,涉及嵌入式技術(shù)、人工智能、結(jié)構(gòu)檢測(cè)等領(lǐng)域,供學(xué)習(xí)者參考。第6章介紹了一種基于Web的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境(IDE)的在線可編程平臺(tái),借助這個(gè)平臺(tái),用戶可以協(xié)作設(shè)計(jì)和實(shí)施新的遠(yuǎn)程可編程控制實(shí)驗(yàn)。第7章介紹了一種基于Wiki技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和靈活性的統(tǒng)一框架開(kāi)發(fā)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)(RL)的創(chuàng)新方法,可為學(xué)習(xí)者開(kāi)發(fā)新的平臺(tái)提供新的思路。第8章作為全書(shū)的總結(jié),探討了建設(shè)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的核心與要素,并對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。
本書(shū)由昆山陽(yáng)澄湖科技園、西安電子科技大學(xué)昆山創(chuàng)新研究院、昂徠博智能科技(昆山)有限公司、蘇州豐華聲赫智能科技有限公司和國(guó)家電工電子教學(xué)基地(西安電子科技大學(xué))共同策劃。參與本書(shū)編寫(xiě)的有鄧軍、戚玉濤、羅明璋、哈睿、王寧、劉旨陽(yáng)、李修權(quán)、袁曉龍。在編寫(xiě)本書(shū)的過(guò)程中得到了昆山陽(yáng)澄湖科技園管理委員會(huì)和西安電子科技大學(xué)出版社的大力支持,在此表示衷心的感謝!
由于作者知識(shí)水平和教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)有限,加之書(shū)中一些內(nèi)容為創(chuàng)新嘗試,因此難免存在不妥之處,懇請(qǐng)廣大讀者批評(píng)指正。
作者聯(lián)系郵箱為:dengjun@xidian.edu.cn。
作 者
2022年3月
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