開發“遠程實驗”疏通教學堵點

　　“沒想到在家還能控制學校實驗設備，很便捷，學習效率也提高了。”說這話的是杭州電子科技大學電子信息學院大三學生郭奔崢。疫情期間由于不能去學校做電機實驗，郭奔崢擔心線上體驗不深刻。但是讓他驚喜的是，學校研發的遠程控制實驗平臺，可以讓他在千里之外，一邊直接操控學校實驗室里的實體實驗設備，一邊通過家里電腦屏幕對即時電壓、電流、相位差變化有直觀深刻理解。

　　“通過學校的遠程實驗平臺，不管大家離得多遠，都能身臨其境地做實驗搞科研。”杭電黨委書記王興杰自豪地說。

　　虛實結合做實驗“如臂使指”

　　讓郭奔崢驚喜不已的“電機遠程實驗平臺”，是杭電正在大力推進的遠程實驗系統的冰山一角。“作為電子信息特色大學，學校高度重視學生實踐動手能力的培養，必須面對信息技術日新月異帶來的挑戰，在實踐教學模式和教學手段上不斷進行探索與創新。但我們也發現，由于實驗設備陳舊、理念匱乏落后等問題，‘實驗水課’也有存在。所以我們把打造遠程‘實驗金課’，作為學校大力提升人才培養水平的重要抓手。”王興杰說。

　　電子信息學院教師馬學條，則從實踐教學的痛點出發，說出了一線實驗教學人員的苦惱。“部分理工科類實驗內容，存在概念抽象、理論深奧、學生不易掌握等特點，比如正弦穩態電路相量的研究，傳統實驗授課方式，學生很難理解，學生親自做問題較多，常出故障，學生實驗效率很低。常有學生抱怨，完成一次實驗操作后，還是云里霧里的，吐槽學校的實驗課程用處不大。”對此，學校2019年下半年開發的“遠程實驗平臺”，切切實實地提升了實驗課的“含金量”。

　　“遠程實驗平臺”不是一般意義上的完全模擬的虛擬仿真實驗平臺，而是通過網絡進行操作，不管相距千山萬水，實驗都是在遠端真實的實驗設備上進行的。

　　無死角對“水課”開刀

　　以杭電目前已經在運行的電機遠程實驗平臺為例。它是由模擬操作界面、云端服務器，加上實體實驗設備以及相關傳感器組成。用戶可以通過電腦上的操作界面來下達指令，指令再上傳到云端服務器，云端服務器作為中轉，把指令傳輸到實驗設備上，實驗設備根據這些指令進行一系列的實驗動作，這些實驗動作中產生的實驗數據被傳感器采集，再傳回云端服務器，從而到達用戶界面，這些數據形成可視化的圖線。同時，用戶可以通過高端“攝像頭”實時觀察實驗設備的運轉狀況。“互聯網所及，不管你離實驗設備有多遠，就像在設備前親自做實驗一樣。”

　　在杭電電子信息學院的一堂創新性實驗課上，十幾個實驗成員，通過遠程實驗平臺，同時上機。他們有的是在圖書館里，有的是在咖啡館里，有的是在寢室里，甚至有的在地鐵上。坐在咖啡館里一邊喝咖啡一邊操作實驗界面的馬翔龍，正在通過平板電腦對電機的參數進行調整，當電機啟動時，從平板中傳來電機的嗡鳴聲，界面上顯示出電機內部的電流、電壓相量圖，而且圖線在實時變化。馬翔龍知道，自己看到的界面上的實驗畫面和數據變化，正是實驗室里實驗設備正在運行真實發生的。

　　電子信息學院副院長、遠程實驗平臺開發項目負責人陳龍教授指著界面上的畫面說，這個實驗中，電機轉速快，易傷人，電壓高，易觸電，存在一定的安全隱患，傳統實驗中，只能用人工記錄數據，再輸入到電腦中進行處理，誤差較大，費時費力。

　　遠程實驗平臺可以把實驗中的數據，直接反饋到我們的電腦界面上，可以直接繪制成圖線，反映動態變化，更加形象直觀地說明問題，提高學習效率，有效解決了以往“高階性實驗普及性不高”的難題。

　　“傳統實驗方式，受時空及軟硬件條件限制，從事的實驗內容有限，挑戰度不高，培養的力度和效果與設想有一定的差距，導致收獲不大。有了遠程實驗平臺，運用云端技術和互聯網硬核應用賦能實驗過程，打破時空等條件限制，可以滿足學生自主創新設計的需求，大大提高學生學習的自主性和積極性。”陳龍表示。

　　全時空共享“實驗金課”

　　打造實驗“金課”，構建虛擬仿真實驗平臺是一個重要方向。遠程實驗平臺，是其中難度較高的實現方式。“而目前，杭電電子信息工程、電子科學與技術、光電工程、集成電路、電氣與自動化等 22個電類專業，占全校專業總數近一半，打造這些專業的遠程實驗課程，關系到學校提升人才培養質量的根本大計，也是我們開發遠程實驗平臺的動力所在。”杭電副校長徐江榮表示。

　　杭電電子信息技術國家級虛擬仿真實驗教學中心、電工電子國家級實驗教學示范中心與墨西哥蒙特雷科技大學遠程控制實驗中心，采取“共研、共建、共享”的方式，聯合建設了這個中國領先的“實驗金課”平臺。

　　陳龍教授領銜的近10人攻關團隊，加上墨西哥蒙特雷科技大學Macias(曼紐爾·馬西亞斯)教授帶領的4位專家，2019年整個下半年，一直在全力開發這個遠程實驗平臺，采用的是“邊開發學生邊用”的模式。而在此之前，墨西哥蒙特雷科技大學已經積累了非常豐富的遠程實驗平臺設計經驗。

　　“蒙特雷科技大學，在遠程控制解決方案、頁面UI設計等領域屬于業界頂尖水平，我們是站在巨人的肩膀上，結合杭電在電工電子實驗教學上的長期探索，和我們在資源調度整合上的優勢，打造出杭電版遠程實驗平臺，全力推進杭電實驗‘金課’攻堅工程。”陳龍表示。

　　做了十幾年電機實驗指導老師的自動化學院教師余善恩認為，遠程實驗平臺，將“共享實驗室”的理念和實踐，向前推進了一大步。“之前說共享實驗室，說的是通過網上界面預約做實驗，但本人還是要到實驗室做實驗，這就意味著還是要受限于時空，受限于實驗設備數量和實驗指導人員量。而杭電推行的遠程實驗平臺，可以在連接的實驗設備上做實驗，而且是全真實驗，等于是擁有了一個實驗室。”

　　“我開設過電工、電路、模電、可編程控制器等實踐類課程，深感這些課講起來抽象乏味，學生很難理解，通過遠程實驗平臺講課，學生聽起來會生動有趣、易于吸收。”長春工程學院蔡常青教授常年關注、研究創新性實驗教學，她認為遠程實驗平臺“最令人激動的地方，是實驗設備全世界共享。比方說，杭電實驗室人員下午5點鐘下班了，墨西哥蒙特雷科技大學的人員，可以通過遠程控制，用杭電的實驗設備。反之，墨西哥蒙特雷科技大學的實驗設備，在他們的下班時間，杭電師生同樣可以通過遠程實驗平臺在他們的實驗設備上做實驗。這樣的‘共享實驗金課’前景，讓人振奮!”