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远程实验室的开发与应用——面向工程教育

  • 主 编:邓军 戚玉涛 罗明璋 哈睿 王宁 刘旨阳 李修...
  • 策划编辑:黄薇谚
  • 书代号:674500
  • I S B N:978-7-5606-6443-9
  • 出版日期:2022-06
  • 印刷日期:2022-06
  • 业务分类:本科;
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内容简介
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本书旨在体现产教融合理念,为高级远程实验室的开发提供完整的指南。本书在分析国内外主流远程实验室技术的基础上,提出了一种新的基于社交即时消息 (IM) 应用程序架构的TURN-KEY远程实验集成解决方案。同时,基于一种新型的在线可编程实验平台,介绍了远程实验室系统平台的相关设计方法,以及设计面向移动设备优化应用程序体系结构的方法,可适用于众多应用领域的应用程序开发。

本书还给出了若干实验案例,涉及嵌入式技术、人工智能、结构检测等领域,供读者参考。

本书可作为高校相关专业的本科生及研究生的学习参考资料,也可作为相关领域的教师及工程师开展远程实验的参考资料。

教育乃千秋大业,国之大计。近年来,全面工程教育理论在国内外教育界不断被提起。从全球教育变革这一宏观背景来看,强调全过程、全包容、全民性的全面工程教育,正作为新时代需要的一种新的教育哲学而得到重视。就工程教育而言,其最根本的目的是为学习者建立以理论指导实践、以实践完善理论的思想。实验作为工科类专业教学过程的重要组成部分,是培养学生分析和解决实际问题能力的重要环节,被认为是工科“学习的核心”。

《国务院关于积极推进“互联网+”行动的指导意见》(国发〔2015〕40号)已提出了“互联网+”正式成为国家战略。目前,“互联网+教育”正迅速成为一种教育新理念。正是基于互联网技术的迅速发展和对远程实践教学的社会需求,基于“互联网+实验教学”的远程实验室应运而生。

远程实验室是工程教育远程教学的重要组成部分,也是我国发展远程教育的一个重要内容。随着我国远程教育工程的启动,开发建设远程虚拟实验室的热潮已在全国各大院校蓬勃发展。结合现代教学方法,采用先进的计算机网络技术、通信技术和多媒体技术,实现远程教学和远程实验,通过网络上的任何一台工作站就可以不受时间、地点的限制,进行实验教学和实验模拟。

在远程实验室系统的研究热潮中,国内远程实验平台快速地趋于多元化发展,目前已进入到“战国时代”:部分高校纷纷开始建立相应的远程实验中心和实验平台,相关企业正在逐步开发各类面向公众的远程实验平台。目前国内远程实验平台主要有“远程虚拟”和“远程实物”两种形式。远程虚拟实验建立在先进的计算机和虚拟现实等技术的基础上,通过交互界面实现人机交互,模拟产生真实的实验环境。远程虚拟实验的实验数据是根据理论模型计算得到的,无法获得客观真实的实验数据和真实实验中的各种误差数据,而且真实实验中出现的各种故障也无法体现,因此,缺乏实验的真实性和临场感。与远程虚拟实验不同,远程实物实验是在真实实验环境下进行远程操控。远程实物实验平台主要由监控端、客户端和服务器端组成,通过各种接口与硬件设备相连,由远程控制面板发送控制指令,远程控制真实的实验设备,并通过摄像头观察现象,获得数据。但是,远程实物实验大多是控制远程实验仪器,远程观察示波器等仪器的测量现象,而实验设备的连线都是事先接好的,实验者仍然无法在实验中观察到实验中可能出现的相关故障,也无法获得实验的各种误差数据。因此,也可以说远程实物实验是一种“虚拟的伪真实”。另外,不同的仪器厂商及相关企业制定的远程实验仪器接口协议及标准都略有不同,缺乏通用性。

本书提出的工程教育远程实验室系统,是一种新的采用基于社交即时消息(IM)应用程序架构的TURN-KEY远程实验集成解决方案。这个新框架作为远程实验室系统的基础平台,通过HTML 5和Web 2.0技术,将远程实验课程作为唯一的ID节点灵活地添加到远程实验室系统中,而且易于集成到大多数流行的、基于Web的学习管理系统(LMS)中,并连接到社交网络。本工程教育远程实验共享平台是目前第一个使用流行的社交IM应用程序体系结构的集成远程实验室系统,无需额外插件就能将电子信息类、人工智能类、机械控制类、结构工程类等工程教育相关实验接入,包括实验硬件系统、数据传输系统、数据服务与存储系统和实验应用系统,可以实现实时视频、桌面共享、实验论坛、实验预习、实验过程控制、实验报告管理和实验评分等功能,同时还可扩展集成第三方的虚拟实验课程资源或者自建课程资源,为各类院校提供远程实验教学环境与服务。该平台还以课程管理为基础,结合视频点播、视频直播和其他功能模块,实现了班级管理、课程发布、课程预习、作业练习、小组讨论及在线考试等功能,有效提高了教学过程管理的效率与远程实验的学习体验,增强了学习平台的教学黏性,为工程教育的实验课程提供了一个非常重要的教学平台。

本书为高级远程实验室技术的开发提供了完整的指南,为该领域当前研究和应用中遇到的核心问题提供了相应的解决方案。授其业谓之为“鱼”,传其法才能谓之为“渔”。为达到“鱼渔双授”的目的,本书所设计的实验内容以提升学习者在“理论→实践→理论”过程中的学习能力为目的,结合现代教学方法,设置科学、合理的教学模式,张弛有度,引导学习者通过独立思考、讨论等各种方法进行探索,获得新知,激发并培养学习者的主观能动性,同时教会学习者理论联系实际的方法,并引导学习者通过实践反馈来印证理论,甚至是完善理论的思维方式。本书可作为高校相关专业本科生及研究生的学习参考资料,也可作为相关领域的教师及工程师开展远程实验的参考资料。

本书共8章。第1章介绍了远程实验室的概念,分析了国内外的研究现状,并对远程实验技术的发展进行了展望。第2章在分析国内外主流远程实验技术的基础上,提出了一种新的基于社交即时消息(IM)应用程序架构的TURN-KEY远程实验集成解决方案,以提高学习者的工程教育和研究能力以及利用工业应用程序自定义远程实验的能力。第3章基于一种新型在线可编程实验平台,介绍了远程实验室系统(实验平台)的相关设计方法。第4章介绍了一种新型的面向移动设备优化的应用程序架构,该应用程序架构作为一种开发工具,为众多应用领域(如M-Learning应用、工业电子应用等)的应用程序开发提供了新的解决方案。第5章介绍了基于工程教育远程实验共享平台的远程实验教学的内容设置方法,并探讨了其教学模式,同时给出了四个实验案例,涉及嵌入式技术、人工智能、结构检测等领域,供学习者参考。第6章介绍了一种基于Web的集成开发环境(IDE)的在线可编程平台,借助这个平台,用户可以协作设计和实施新的远程可编程控制实验。第7章介绍了一种基于Wiki技术的优势和灵活性的统一框架开发远程实验系统(RL)的创新方法,可为学习者开发新的平台提供新的思路。第8章作为全书的总结,探讨了建设远程实验平台的核心与要素,并对其发展趋势进行了展望。

本书由昆山阳澄湖科技园、西安电子科技大学昆山创新研究院、昂徕博智能科技(昆山)有限公司、苏州丰华声赫智能科技有限公司和国家电工电子教学基地(西安电子科技大学)共同策划。参与本书编写的有邓军、戚玉涛、罗明璋、哈睿、王宁、刘旨阳、李修权、袁晓龙。在编写本书的过程中得到了昆山阳澄湖科技园管理委员会和西安电子科技大学出版社的大力支持,在此表示衷心的感谢!

由于作者知识水平和教学实践经验有限,加之书中一些内容为创新尝试,因此难免存在不妥之处,恳请广大读者批评指正。

作者联系邮箱为:dengjun@xidian.edu.cn。

作 者

2022年3月

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