UltraLab网络实验平台建设

崔玉龙 范逸强 于浩然 何冠男 张 红

北京化工大学 北京 100029

随着科学技术的进步，教学方式也与时俱进。从20世纪90年代的书本教学到多媒体的普遍应用，网络教学、全天候教学、移动教学等教学方式成了高校的教学改革方向。数字电路、模拟电路作为电子类专业的基础课程，其教学内容分为理论和实验两部分。而实验部分的设立是为了加深学生对于理论的理解以及运用。为了解决实验课程中出现的一系列问题，引入了网络化实验平台，对实验课程和仪器进行有效管理。这不仅是多媒体教学的应用，也是当今最热关键词“物联网”“云服务”概念的实际运用，也是教学改革的创新点所在，且对于以后相关专业的实验课程具有指导意义。

1 数字电路、模拟电路教学现状

如今，教育部大力提倡教学改革，如何在实验教学方式和内容上应用最新的科学技术则成了各大高校教师的主要教学改革方向之一。就目前的教学情况来看，大部分高校教师过多侧重理论教学，实验教学学时相对较少，理论授课课时往往跟实验教学课时差距很大。实验课时还会因为实验器材紧张和师资不足而压缩，使得学生无法真正深入理解课程内容。教学方式、考核方式过于单一，教师难以把握学生实际课程的掌握程度。且高校对于不同专业的数电、模电基础课程教学缺乏针对性，不能为各个专业量身定做。

2 教学存在问题

在分析数字电路、模拟电路的教学现状[1-4]时，存在以下教学问题。教学是教师和学生之间的互动过程，因此教师的教授方式、课程内容的设置、学生的学习态度以及教学辅助工具等都是教学成果的重要影响因子。对北京化工大学2015信息科学与技术学院下属的学习数字电路、模拟电路课程的专业进行调查。专业涉及自动化专业、测控技术与仪器专业、电子信息科学与技术专业、通信工程以及国际学院。数电实验课程安排在秋季学期，模电实验安排在春季学期。以上专业，除国际学院外，一个学期课程均为20学时，一学时45分钟；而国际学院安排的课程均为48学时，且教材为双语教材，实验课程为英文教材，上课为英文授课。调查结果显示，国际学院的学生与其他专业的学生相比，课时长，所用国外教材要求动手能力更高，英语授课与国际接轨，授课效果显著。除基本实验课程之外，还可自己搭建新型实验电路，对课程进行创新。而其他专业的学生因为课时少，只能完成基本的实验电路，对课程的理解程度相对较差。但无论哪种授课方式，在授课过程中都会出现以下问题。

2.1 实验问题

据高校调查显示，主要问题为学生使用仪器步骤不规范、仪器使用出现问题多、仪器使用的问题反复出现、实验内容与日后工作不符、开放式实验师资力量不足、教师在教授使用仪器上耗时过多等。学生上课时大都将时间花费在熟悉仪器上，忽略了实验本身的意义；同时，教师需要不断地解决学生提出的仪器使用问题，且很多问题都为重复问题，浪费了大量宝贵的教学时间，对于实验的教学创新也是有心无力；实验的考核多为纸质报告，批改和整理也需要很长时间，考核成绩管理不便利。

2.2 仪器管理问题

随着各大高校对于教学经费的逐年投入，实验室的设备资产越趋于庞大，价值越来越高，设备的管理与维护也成了教师教学的重要问题。实验室设备数量大，管理和维护给实验室教师带来很大困难；设备利用率低，统计仪器的老化率和损坏率也较严重；不能合理地分配实际使用率(许多仪器过了保修期还未发现)；校企合作流程繁杂，需要时间协调，不易及时发现仪器使用问题。加之仪器的管理和维护问题，综合以上种种因素均严重压缩了教师对于教学课程的创新时间以及科研时间。

3 UltraLab网络实验平台

为了解决以上问题，引入UltraLab网络实验平台。UltraLab设计理念涉及网络化和云服务等先进技术，使整个系统十分具有超前性和科技感。UltraLab系统具有共享教学信息、仪器信息管理、云端资源功能。UltraLab网络实验平台[5]用网路搭建了一个区域网络共享平台(如图1所示)，将示波器、信号发生器、多用电表、电源等多种实验仪器进行联网，学生可以远程操控实验设备，教师也可以对实验仪器设备进行在线管理和对学生进行在线指导，还可以上传课程视频、课件、文档等。

图1 UltraLab网络实验平台的先进性

3.1 UltraLab网络实验平台的基本原理

图2 为UltraLab网络实验平台原理图，由工作台、交换机、服务器和用户终端构成。工作台分为数字示波器、线性可编程电源、波形发生器、数字万用表等设备。以上设备都具有网络接口，可实现“物联网”的功能，连接计算机，构成网络平台；交换机配置仪器的IP地址，实现设备和服务器之间的信息交互。

服务器实现用户和交换机之间的数据传输。用户可以在手机、平板电脑、手提和台式计算机等用户终端上通过相应的软件在网络上对仪器进行操作和配置。

图2 UltraLab网络实验平台系统原理图

3.2 UltraLab网络实验平台实验界面介绍

如图3所示，UltraLab网络实验平台系统的功能分为实验教学功能和实验管理功能。实验教学功能：课件下载功能、自定义仪器功能、控制功能、即时通信功能、报告生成功能和在线考核功能；实验管理功能：学生使用仪器信息、学生实验成绩等方面的管理功能。

3.2.1 UltraLab网络实验教学功能的探究

自定义仪器功能：在做不同实验时，使用的仪器不尽相同，教师或学生可通过软件根据实验需求选择所用仪器，从而提升仪器使用率，节省学校资源。

图3 UltraLab网络实验平台系统操作界面

控制功能：实验进行前，学生在平台软件上进行仪器参数的设定，具体操作如图4、图5所示，如设定示波器的频率、振幅、量程、测量精度等参数，信号发生器的波形、频率、振幅等参数。且仪器的参数设定和数据读取已经做了数字化处理，具有较高的精度。因此，不仅教师可以通过UltraLab网络实验平台管理实验设备，还可让学生在线训练实验。

仪器参数可以统一设置，解决教师数量少等问题。

图4 仪器参数显示页面图

图5 仪器参数设置界面

即时通信功能：实验操作中，学生可通过查阅说明书进行自学，还可以通过实时通信软件与教师进行信息交互。教师可实时掌握学生进度，进行在线指导教学，解决学生问题，对学生的情况进行实时统计，为接下来的教学工作做好准备。报告生成功能：如图6所示，学生做完实验后，自动生成实验报告，教师进行在线查阅和批改后给出成绩。不仅能够生成实验报告，教师还可以进行在线查阅和批改给出成绩。不仅节省学生时间，也节约了教师的时间，为教师省出更多的科研创新时间，提高师生的学习效率以及实验报告存放质量。

在线考核功能：教师可在系统上随机分配多套实验考核试题，达到因材施教以及适应不同专业学生的目的。学生通过在网络上进行在线测评，完成期末考核，系统自动评测成绩。这不仅减轻了教师评卷负担，还提高了阅卷准确率，保证了考试的公平性。

图6 实验报告

3.2.2 UItraLab网络实验平台管理和测试功能的探究

UItraLab网络实验平台不仅有教学功能，还具有测试和管理功能，例如应用在实验、仪器、信息、课程和成绩等方面(如图7所示)。下文只对实验管理功能、成绩管理功能和系统的实验测试进行主要的介绍。

图7 管理界面

实验管理功能：教师根据课程定制实验内容，学生在平台上按照要求进行实验。既方便了教师教学，学生还可得到针对性的训练和提高。对教学管理和学生课业有着指导、规划作用。

信息和成绩管理功能：信息管理系统主要是用来管理学生的个人资料和记录仪器使用信息。学生信息可通过学校系统直接导入实验平台，可用来记录学生的考勤、平时成绩、期末考试成绩。仪器的实际使用情况可通过实验平台实时跟踪记录，如图8所示，用来登记和检测仪器的使用频率和故障率。从而实验室教师可以迅速排查仪器故障，进行维修，大大减少工作量，提高工作效率。

图8 仪器管理

系统的实验测试功能：如图9所示，用户可以自定义测试的顺序，对仪器进行组合，最终实现模拟工业自动化测试的功能。

图9 模拟工业自动化测试

3.3 UltraLab网络实验平台的优点

3.3.1 网络化

在图2中，系统中的各类设备和终端均具有联网功能。个系统都可实行网络在线管理，特别是实验设备配置具有符合LX-I的C类LAN接口，整个系统的稳定性和响应速度得到大大提升。

3.3.2 真正意义的开放性

建立好UltraLab网络实验平台之后，学生使用自己计算机终端可随时随地进行实验课程学习，管理实验室的教师也可以通过个人用户终端24小时进行远程监控和管理设备。与传统的实验实操课程相比，实现了移动学习和在线学习，在线监测仪器和排查故障，也实现了全天候开放性实验室的目的。

3.3.3 强大的云服务平台

云服务平台即为虚拟硬盘，可存储海量数据，满足实验管理需求。学生数量多，实验数据、文件、成绩等文件资料需要有序存储，教学课件、教学计划、实验教程和慕课资料等也需要存储以供查阅，而这些数据需要海量的存储空间。UltraLab实验系统的云服务可以完美地解决海量数据的存档和检索问题。除以上功能，服务器还有强大的数据库保障功能，保存的数据更长效、更安全，且能够充分地网络共享。

3.4 UltraLab网络实验平台的使用实效

在实际教学中，通过对比之前没有引用UltraLab系统的教学情况，得出以下结论，可分为实验教学管理、平时或考试成绩管理、线下教学管理3个部分。教师编辑和管理教学计划后，学生可以在线查阅和提前预习，这不仅为以后的教学提供了范本，也节省了5～8分钟的课堂时间；在实验教学中，教师通过学生统计、实验台统计、仪器统计等功能对整个实验进度进行管理节省了10～20 分钟的教学时间；以上二者所节省的时间可用来做巩固训练和创新拔高实验等。且在线审批和管理实验报告以及考试成绩等措施节省了教师1～2周的工作时长，增加了教师的科研创新时间。总体而言，整个教学时间变得比较宽裕，而教学质量也得以提升。不仅国际班的同学实验成绩良好，普通班在时间少于国际班的情况下，成绩也大幅度提高，加大了与教师的线上交流时间，整体实验进度加快10～15分钟，总体成绩较去年提高了10%。还有部分学生使用此系统进行仿真实验完成了毕业设计，且此系统对于创新竞赛也有着极大的辅助作用。这都说明引入UltraLab系统收到良好的教学成果。

4 结语

理论和实践教学是相互结合的，实践是验证理论和加深学生对其掌握的必要手段。实践教学相比理论教学更加直观、易接受，所以实验课程的改革有着很大意义。为了更好地提高实验的教学效果，引入了网络化管理平台UltraLab实验平台。该平台不仅提高了教师的教学效率，也使学生的动手能力、实践能力得以提升，提升学生对学习数电和模电本身的自信心，学生的创新能力和主观能动性都得以提高；且对于设备的维护和保养也起到了有效的监督作用，实现了实验系统的自动化管理。真正做到了以学生为本，最终达到了提升教学质量的目的。