基 于 计 算 机 网 络 的 理 工 科
远 程 课 程 实 验 的 开 发
兰 卫 东
[摘 要] 现 代 远 程 开 放 教 育 中 理 工 科 课 程 实 验 课 如 何 进 行 是 一 个 亟 待 解 决 的 新 课 题 。 本 文 结 合 当 前 广 播 电 视 大 学 正 在 实 施 的 人 才 培 养 模 式 改 革 和 开 放 教 育 试 点 工 作 ， 提 出 将 实 验 室 原 来 的 软 件 硬 件 快 速 、 高 效 、 低 成 本 地 移 植 到 网 络 平 台 上 ， 实 现 硬 件 设 备 的 网 络 化 ， 为 远 程 教 学 中 的 远 程 仪 器 设 备 网 络 化 、 开 放 化 提 供 了 一 条 有 效 的 技 术 解 决 途 径 。
[关 键 词] 远 程 理 工 科 教 学 实 验 远 程 控 制
[中 图 分 类 号]G642.423 [文 献 标 识 码]A [文 章 编 号]1008— 7656(2002)04－ 0018－ 02
随 着 科 学 技 术 的 发 展 和 现 代 通 讯 技 术 的 完 善 ， 使 传 统 课 堂 教 育 延 伸 到 异 地 远 程 教 育 成 为 现 实 。 人 们 在 世 界 的 任 何 地 方 通 过 互 联 网 异 地 接 受 教 育 已 成 为 了 可 能 。 但 作 为 理 工 科 远 程 高 等 教 育 中 一 个 不 可 缺 少 的 重 要 环 节 — — 课 程 实 验 ， 则 是 一 个 在 远 程 教 育 中 亟 待 解 决 的 新 课 题 。
在 理 工 科 高 等 教 育 远 程 实 验 中 ， 由 于 既 需 要 一 定 非 传 统 教 学 模 式 上 的 仪 器 、 设 备 ， 又 需 要 学 生 的 参 与 ， 要 求 具 有 远 程 、 双 向 信 息 传 输 和 特 殊 的 实 验 组 合 装 置 ， 其 实 现 难 度 明 显 超 过 远 程 课 堂 教 学 。 由 此 带 来 的 一 系 列 问 题 已 使 一 些 学 者 对 远 程 教 育 是 否 适 合 于 理 工 科 高 等 教 育 产 生 了 怀 疑 。
从 广 西 广 播 电 视 大 学 理 工 科 机 电 类 专 业 设 置 所 要 求 的 实 验 项 目 来 看 ， 其 范 围 包 括 ： 机 械 类 、 电 气 类 、 计 算 机 类 以 及 交 叉 类 的 实 验 。 在 开 发 远 程 实 验 中 ， 对 传 统 的 要 求 学 生 亲 自 动 手 的 纯 机 械 类 实 验 ， 例 如 用 车 、 铣 、 刨 、 磨 、 钻 等 机 床 加 工 一 个 零 件 ， 尽 管 也 可 以 采 用 计 算 机 仿 真 实 验 来 实 现 ， 但 要 真 正 替 代 实 际 操 作 过 程 的 “ 感 受 ” ， 在 现 有 技 术 条 件 下 尚 有 一 定 差 异 ， 这 种 差 异 ， 大 致 就 象 在 计 算 机 游 戏 中 打 台 球 和 实 际 打 台 球 等 各 类 游 戏 的 环 境 、 视 觉 、 听 觉 、 手 感 和 心 理 等 区 别 ， 在 这 个 方 面 还 难 以 实 现 真 正 意 义 上 的 “ 替 换 ” 。 但 对 于 电 气 类 、 计 算 机 类 以 及 机 电 一 体 化 等 学 科 的 实 验 ， 经 过 在 教 学 中 的 探 索 和 实 践 ， 取 得 了 比 较 理 想 的 效 果 和 进 展 ， 基 于 计 算 机 网 络 的 理 工 科 远 程 课 程 实 验 可 以 达 到 传 统 实 验 方 法 相 同 的 效 果 ， 并 具 有 传 统 教 育 中 无 法 比 拟 的 特 点 和 优 势 。 笔 者 认 为 ， 作 为 一 种 新 型 的 高 等 教 育 大 众 化 人 才 培 养 模 式 ， 现 代 远 程 开 放 教 育 完 全 可 以 在 理 工 科 高 等 教 育 中 大 有 作 为 ， 并 能 在 远 程 实 验 课 教 学 中 不 断 取 得 突 破 ， 这 并 不 意 味 着 要 完 全 取 代 传 统 的 理 工 科 高 等 教 育 中 学 生 亲 自 动 手 操 作 完 成 实 验 培 养 模 式 ， 而 是 相 互 补 充 ， 互 相 借 鉴 。 可 以 预 见 ， 随 着 科 学 技 术 、 现 代 教 育 技 术 和 通 迅 技 术 的 不 断 发 展 ， 基 于 网 络 的 理 工 科 远 程 实 验 将 会 得 到 迅 速 的 发 展 并 进 一 步 扩 大 其 “ 作 业 面 ” 。
理 工 科 高 等 教 育 远 程 实 验 是 建 立 在 计 算 机 、 计 算 机 网 络 和 现 代 通 讯 技 术 基 础 上 ， 目 前 实 现 利 用 现 代 教 育 技 术 完 成 远 程 理 工 科 专 业 实 验 的 方 法 主 要 有 两 种 类 型 ： 一 种 是 远 控 实 验 ； 另 一 种 是 仿 真 实 验 。
远 控 实 验 是 利 用 计 算 机 多 媒 体 技 术 和 通 讯 方 式 ， 将 实 验 室 内 真 实 的 实 验 设 备 及 控 制 系 统 ， 转 换 成 图 像 、 声 音 、 状 态 等 通 过 多 种 媒 介 方 式 传 输 到 远 端 的 学 生 计 算 机 中 ， 参 加 实 验 的 学 生 可 以 在 自 己 的 计 算 机 中 按 预 定 的 规 则 和 按 实 验 步 骤 输 入 命 令 控 制 操 作 实 验 室 中 实 验 设 备 ， 例 如 对 实 验 设 备 进 行 编 程 、 校 对 、 启 停 、 监 控 等 操 作 。 而 实 验 设 备 执 行 操 作 的 结 果 又 实 时 地 回 传 给 学 生 ， 使 参 加 实 验 的 学 生 如 身 临 其 境 ， 取 得 与 亲 自 到 实 验 室 现 场 做 实 验 相 同 的 效 果 ， 它 还 可 实 现 各 单 位 实 验 设 备 最 优 化 的 组 合 和 最 高 的 使 用 效 率 ， 做 到 资 源 共 享 。 在 远 程 实 验 装 置 开 发 方 面 ， 还 可 以 开 发 专 门 的 远 程 实 验 操 控 器 材 ， 例 如 机 床 的 手 柄 、 按 钮 和 操 纵 杆 等 ， 具 有 手 感 、 力 度 、 协 调 动 作 、 手 眼 配 合 等 功 能 ， 而 不 是 常 规 的 键 盘 和 鼠 标 的 操 作 ， 以 取 得 和 实 验 室 相 似 的 实 验 效 果 。 在 这 点 上 ， 作 者 认 为 可 以 借 鉴 许 多 游 戏 机 的 开 发 成 果 。
仿 真 实 验 是 采 用 虚 拟 仪 器 和 设 备 的 方 法 ， 在 计 算 机 中 用 软 件 模 拟 仪 器 、 设 备 和 元 器 件 等 实 验 器 材 。 参 加 实 验 的 学 生 登 录 虚 拟 实 验 室 后 ， 可 以 根 据 实 验 要 求 充 分 利 用 虚 拟 器 材 库 中 丰 富 的 “ 实 验 器 材 ” ， 按 照 实 验 要 求 进 行 组 合 连 接 。 例 如 ， 可 以 自 由 地 取 用 各 种 规 格 的 电 阻 、 电 容 、 晶 体 管 、 集 成 电 路 等 器 件 组 成 实 验 要 求 的 电 路 ， 然 后 接 上 开 关 、 电 源 、 信 号 发 生 器 、 测 量 仪 表 、 示 波 器 、 频 谱 分 析 仪 等 虚 拟 仪 器 进 行 实 验 ， 观 察 记 录 实 验 数 据 、 波 形 和 分 析 结 果 。 这 一 切 实 验 操 作 都 是 在 计 算 机 上 仿 真 实 现 的 ， 可 以 取 得 和 采 用 真 实 实 验 器 材 、 设 备 和 实 验 过 程 相 同 的 实 验 结 果 。 利 用 仿 真 实 验 还 可 以 开 展 传 统 实 验 室 中 一 般 无 法 进 行 的 “ 破 坏 ” 性 实 验 ， 加 深 学 生 对 课 程 实 验 内 容 的 理 解 ， 鼓 励 学 生 在 实 验 课 中 的 创 新 。
对 这 两 种 类 型 的 远 程 实 验 方 式 ， 我 们 在 教 学 中 进 行 了 初 步 的 探 索 和 实 践 。 在 远 控 实 验 中 ， 我 们 试 验 了 对 三 菱 FX系 列 可 编 程 控 制 器 (PLC)的 远 程 控 制 尝 试 ， 并 取 得 成 功 。 试 验 通 过 电 大 远 程 教 育 网 络 实 现 了 点 对 点 (实 验 室 一 台 FX2可 编 程 控 制 器 为 一 点 ， 实 验 者 远 端 的 一 台 计 算 机 为 另 一 点 )的 控 制 。 在 远 程 计 算 机 上 用 三 菱 的 PLC编 程 软 件 可 以 对 这 台 FX2可 编 程 控 制 器 进 行 编 程 、 修 改 、 监 视 、 运 行 等 操 作 ， 其 界 面 和 在 实 验 室 编 程 无 差 异 。 以 PLC为 媒 介 ， 在 远 程 实 验 中 ， 可 以 通 过 远 程 PLC去 启 动 、 停 止 各 种 泵 、 风 机 、 机 械 设 备 ； 可 以 控 制 动 力 头 前 进 、 后 退 的 循 环 ； 也 可 以 对 伺 服 系 统 进 行 调 速 、 定 位 控 制 等 ， 控 制 过 程 和 参 数 在 远 程 计 算 机 上 实 时 反 映 出 来 。 可 将 这 一 成 功 的 实 践 进 行 推 广 ， 全 区 电 大 各 校 之 间 独 自 具 备 的 实 验 室 有 机 地 联 合 起 来 ， 充 分 发 挥 电 大 “ 五 统 一 ” 的 办 学 优 势 和 资 源 共 享 的 优 势 ， 还 可 以 通 过 利 用 Real网 络 流 媒 体 技 术 ， 用 摄 像 机 和 视 频 捕 捉 卡 在 另 一 台 计 算 机 上 构 架 流 媒 体 服 务 器 可 实 现 实 验 现 场 的 视 频 直 播 和 教 学 内 容 的 视 频 点 播 。 通 过 电 大 远 程 网 络 和 双 向 视 频 直 播 系 统 让 全 区 同 一 专 业 的 学 生 共 同 进 行 远 控 实 验 。
远 控 方 式 应 用 到 工 业 生 产 中 ， 则 可 以 通 过 PLC远 距 离 控 制 各 种 自 动 设 备 、 机 床 和 生 产 流 水 线 。 同 理 ， 可 以 对 其 他 型 号 的 PLC， 例 如 西 门 子 S7系 列 、 Omron的 α 系 列 等 进 行 类 似 的 试 验 ， 实 验 设 备 的 实 时 图 像 传 送 ， 使 实 验 者 可 以 通 过 计 算 机 观 看 实 验 设 备 的 运 动 ， 而 不 仅 仅 是 状 态 和 参 数 。
在 仿 真 实 验 方 面 ， 电 子 设 计 自 动 化 (EDA)技 术 能 将 电 子 产 品 从 电 路 设 计 、 性 能 分 析 到 设 计 出 印 刷 板 的 整 个 过 程 在 计 算 机 上 自 动 处 理 完 成 。 推 荐 使 用 两 种 虚 拟 设 备 的 软 件 ： 一 是 加 拿 大 Interactive Image Technologies公 司 于 20世 纪 90年 代 初 推 出 的 专 门 用 于 电 子 线 路 仿 真 的 “ 虚 拟 电 子 工 作 台 EWB” (Electronics Workbench)软 件 ； 二 是 美 国 的 “ 矩 阵 实 验 室 ” MATLAB(Matrix Laboratory)。 EWB软 件 是 以 SPICE3F5为 模 拟 软 件 的 核 心 ， 并 增 强 了 其 在 数 字 及 混 合 信 号 仿 真 方 面 的 功 能 。 它 可 以 为 设 计 者 提 供 所 需 的 各 种 元 器 件 和 仪 器 仪 表 ， 进 行 计 算 机 辅 助 设 计 、 模 拟 及 布 局 ， 以 产 生 印 刷 板 层 次 的 电 路 。 能 将 电 子 产 品 从 电 路 设 计 、 性 能 分 析 到 设 计 出 印 刷 板 的 整 个 过 程 在 计 算 机 上 自 动 处 理 完 成 。 该 软 件 提 供 了 数 千 种 电 路 元 器 件 供 选 用 ， 选 用 元 器 件 和 仪 器 与 实 际 情 形 非 常 接 近 。 绘 制 电 路 图 需 要 的 元 器 件 、 电 路 仿 真 需 要 的 测 试 仪 器 均 可 从 屏 幕 上 选 取 ， 而 且 仪 器 的 操 作 开 关 、 按 键 同 实 际 仪 器 极 为 相 似 ， 可 以 将 不 同 类 型 的 电 路 组 合 成 混 合 电 路 进 行 仿 真 ， 对 于 验 证 电 路 原 理 和 电 子 类 课 程 的 教 学 与 实 验 极 为 方 便 ， ElectronicsWorkbench还 提 供 了 较 为 详 细 的 电 路 分 析 手 段 ， 以 帮 助 设 计 、 实 验 人 员 分 析 电 路 的 性 能 ， 在 《 电 路 与 磁 路 》 、 《 模 拟 电 子 电 路 》 、 《 数 字 电 子 电 路 》 、 《 计 算 机 电 路 基 础 》 和 《 数 字 集 成 电 路 》 等 有 关 课 程 实 验 教 学 中 取 得 良 好 效 果 。
MATLAB是 一 种 功 能 强 、 效 率 高 ， 便 于 进 行 科 学 和 工 程 计 算 的 交 互 式 软 件 包 ， 集 数 值 分 析 、 矩 阵 运 算 、 信 号 处 理 和 图 形 显 示 于 一 体 ， 构 成 了 一 个 方 便 的 、 界 面 友 好 的 用 户 环 境 。 美 国 各 著 名 大 学 早 在 80年 代 末 已 把 MATLAB列 入 电 气 工 程 类 专 业 课 程 的 教 学 计 划 ， 成 为 大 学 生 和 研 究 生 必 修 课 程 和 实 验 环 境 中 必 须 掌 握 的 技 术 工 具 。 MATLAB提 供 的 SIMULINK是 一 个 用 来 对 动 态 系 统 进 行 建 模 、 仿 真 和 分 析 的 软 件 包 ， 它 支 持 连 续 、 离 散 及 两 者 混 合 的 线 性 和 非 线 性 系 统 ， 也 支 持 具 有 多 种 采 样 频 率 的 系 统 。 在 SIMULINK环 境 中 ， 利 用 鼠 标 就 可 以 在 模 型 窗 口 中 直 观 地 “ 画 ” 出 系 统 模 型 ， 然 后 直
接 进 行 仿 真 。 MATLAB提 供 了 强 大 的 扩 展 功 能 ， 有 30多 种 各 类 工 具 箱 可 供 使 用 。 通 过 在 机 电 专 业 的 《 工 程 测 试 技 术 》 和 《 自 动 控 制 理 论 》 等 课 程 教 学 实 验 中 进 行 试 用 ， 学 生 反 映 良 好 。
远 程 实 验 的 进 一 步 发 展 ， 可 以 在 许 多 专 业 和 学 科 得 以 拓 展 。 就 机 电 一 体 化 专 业 来 说 ， 可 以 在 数 控 机 床 的 仿 真 和 远 控 实 验 、 液 压 系 统 的 仿 真 和 远 控 实 验 、 机 械 机 构 的 仿 真 实 验 等 领 域 开 发 远 程 实 验 。 远 程 实 验 向 Intranet和 Internet扩 展 更 是 一 个 具 有 潜 力 的 发 展 方 向 。 在 工 业 控 制 领 域 ， 在 Wizcom、 Intouch、 Intellution、 Kingview等 组 态 软 件 的 支 持 下 ， 远 程 控 制 自 动 化 流 水 线 、 车 间 、 工 厂 是 一 种 发 展 方 向 。 将 此 技 术 扩 展 到 远 程 实 验 领 域 ， 在 远 程 计 算 机 上 进 行 数 控 机 床 、 智 能 仪 表 、 过 程 控 制 等 实 验 也 是 可 行 的 。
综 上 所 述 ， 在 现 代 远 程 开 放 教 育 中 理 工 科 远 控 实 验 的 开 发 、 仿 真 实 验 的 实 物 仿 真 的 开 发 ， 具 有 非 常 广 阔 的 前 景 ， 符 合 时 代 发 展 、 广 西 高 等 教 育 大 众 化 和 科 学 进 步 的 要 求 ， 适 应 现 代 远 程 教 育 的 发 展 需 要 。
[参 考 资 料]
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[作 者 简 介]兰 卫 东 ， 南 宁 职 业 技 术 学 院 副 院 长 。 广 西 南 宁 。 邮 编 ： 530022。
[责 任 编 辑 张 宜]