成功案例

基于远宽能源前沿技术的创新探索和经典案例

清华大学—云实验

本学期开展线上教学以来,清华大学电机系多位教师就如何在工科基础课及专业课中通过网络真刀真枪地做实验进行了积极探索和实践,电路原理、可编程控制器及变频器系统等课程通过邮寄实验设备给学生或者对实验设备进行网络化改造都实现了远程实验。最近,“电工电子技术”和“数字信号处理器DSP实验”两门课程也顺利实现了远程实验,取得了较好的教学效果。

电工电子技术:采用硬件智能共享方式的电工学远程实验



清华大学电工学系列课程是针对工科非电类学生的技术基础课程,教学内容主要包括电工技术、电机及PLC、电子技术等内容。实践教学与理论教学密切结合,相关实验包含在课程中一般占到总学时的30~40%,多数课程有6个基础实验、2个仿真实验。实验课与理论课进度相互配合进行,本学期有17个课堂800多名学生,实验内容绝大多数是电子技术。突然爆发的疫情影响了课程的整体教学进程,虽然在学校的统一领导下理论课程顺利进行,但是如果少了实验教学环节就不是完整的教学过程。因此在依托雨课堂的理论课教学进入正轨后,课程负责人段玉生老师带领教学团队基于之前对于远程实验教学初步研究基础(“配合spoc教学的电工电子技术在线实验研究”,2018年教研项目),开始部署电子技术远程实验(remote experiment)。开放实验室以一台emona远程实验平台为基础,重新设计了实验内容,编写了培训教材和实验指导书,并在雨课堂建立了面向全体学生的“电工学实验雨课堂”,统一进行实验教学。采用智能共享硬件的方式面向学生开放实验室,学生可以在规定的时间段内不用预约、不受时间限制、不限次数地随时登录实验室平台进行实验。后台记录学生的实验登录时间和操作过程。老师可以定向观察某个学生的实验过程,或者进行在线实验辅导。同学之间也可以互相观察、讨论切磋。从第六周开始进行摸索实验,到第7周周末,已经分两批(各90名学生,每批学生4天时间)完成了第一个实验。目前,第二个实验正在进行中。


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图1 在线实验室登录界面


实验设计:按照远程实验与原实验实质等同对的原则,基于平台的特点重新设计了实验。工作量按照提前预习1小时、实验3学时、总结1个小时设计。编写了详细的设备使用说明、实验指导书,并由教师进行了全过程实验测试。教学过程:开设“电工学实验雨课堂”针对全体同学培训实验平台(目前有近800名学生)。因为学生可能随时进行实验,不能集中辅导。因此建立了电工学实验辅导群,老师、助教、实验室技术人员在群里随时辅导,需要的话可以利用Watch功能进行在线一对一辅导实验。学生完成实验后在网络学堂提交实验报告。老师根据实验报告、参考实验登录情况给出每次实验的分数。


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图2  利用Watch观察某同学的实验过程


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图3  学生实验场景


初步教学总结:通过一对一观察学生实验过程,发现学生在本平台进行远程实验时,其操作过程与实验室实验有很大区别。同学反映,因为实验不受限制,可以安心地边思考边实验,所以显示的仪器操作不连续,观察到在几分钟的密集操作后,屏幕会停留几分钟甚至十几分钟。一般不是在3个学时内完成一个实验,而是根据自己的情况灵活安排时间,一次实验要登录好多次。从实验登录记录可以印证这个情况,第一个实验相对简单,90人在4天内完成实验后,服务器上得到了8000多条记录,估计后面比较复杂的实验记录会更多。有同学说,在我们的远程开放实验平台做实验最大的好处是可以花更多时间研究电路,对实验电路的理解更深入。我们认为这也是本实验平台的最大优点。实验刚刚开始,进一步的数据获得及分析将后续进行。电工电子课程之所以在疫情爆发后能够找到硬件共享的远程实验方法,顺利进行实验教学,是因为教学组有远程在线实验的研究基础。当时的出发点是在实验室实验的基础上,能够通过远程实验的方式增加学生的实验项目,学生只需要一台计算机,无需其他任何设备就可以做实验来研究电路,为电子技术教学模式的改变准备基础。现在看来这种想法不但是可行的,而且还具有更多如全开放、高效率的特点。肯定会在以后的电工学教学工作中发挥更大的作用。


数字信号处理器DSP实验:网络化实验教学



电机系为大三学生开设的“数字信号处理器DSP实验”课程每节课都配套有硬件实验练习,为使学生疫情期间能够在家里远程完成实验学习,并保证实验教学质量及实验可靠性,毕大强老师及其团队(温烨婷博士后、郭瑞光工程师)对3-306电力电子实验室10套实时仿真硬件在环实验设备进行了远程实验改造。第一步,实验台设备互联改造。每个实验台的设备(DSP控制器、硬件在环仿真器、示波器、摄像头)都以计算机为核心组成一个局部互联小系统,实验室中的所有计算机再通过无线网卡组成内部的局域网,通过无线路由连至外网。示波器通过浏览器网页访问,替代现场示波器操作。DSP仿真器与摄像头通过USB连接到计算机,远程编程及查看现场实验设备的运转情况。硬件在环仿真器通过网络访问,为DSP控制器提供各种虚拟实验环境。通过改造后,在计算机系统的桌面上就能完成数字信号处理器DSP的所有实验内容。第二步,将实验室的计算机系统远程共享给学生使用。为了给学生提供最好的远程实验效果,毕大强老师及其团队做了大量的调研和测试工作。方式一:最先考虑的远程访问方式是采用可为个人用户提供免费使用权限的商业远程桌面软件TeamViewer,在使用者相互协调下可多用户同时访问。方式二:为了保障远程访问的可靠性,提供网络化实验方案备份,在实验室中搭建了一台远程访问管理服务器,通过搭建远程服务程序和路由器的配置,将实验室局域网内的计算机端口映射到了公网IP的指定端口,学生在家通过windows自带的远程桌面客户端就能实现对实验室计算机桌面的远程访问。同时,在实验室远程访问管理服务器上可以实时监测计算机的连接情况,访问情况和网络流量情况。整个系统架构如图4所示。

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图4 实验平台远程访问示意图


实验室改造与调试完成后,编写了学生远程访问及使用流程,组织学生远程试用,学生表示两种方案远程访问实验平台的操作流畅。2020年3月16日下午第四大节《数字信号处理器DSP实验》正式开始网络化实验教学,通过雨课堂在线讲解实验原理和演示编程软件后,11名同学在10套设备上开始远程实验。学生通过课程微信群对实验中遇到的问题进行提问,老师通过雨课堂在线语音和本地操作指导学生实验,助教也通过远程访问实验设备辅助学生,学生通过雨课堂投稿发送实验结果,学生实验效果与到实验室完全相同。到4月11日,学生已完成8次实验课,练习了18个DSP硬件实验项目,其中14个实验项目是DPS控制器结合硬件在环实时系统完成。


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图5 实验室实验设备运行情况


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图6 部分学生远程实验情况

 

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