基于校園網的遠程實驗教學平臺設計

摘要：本文分析了《微機原理與接口技術》公共課實驗教學的問題，介紹了遠程實驗技術的特點和基于“偉福Lab8000仿真實驗臺”的《微機原理與接口技術》遠程實驗技術的實驗教學方案和實驗教學平臺，給出了平臺的軟硬件基本結構，及遠程實驗的控制實現技術。

關鍵詞：微機原理與接口技術；遠程實驗；實驗教學

中圖分類號：P315.69 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2013）24-0193-03

一、概述

公共課《微機原理與接口技術》是面向高等院校工科學生開設的計算機基礎核心課程之一，是培養學生利用計算機技術與本專業技術相結合，解決實際工程問題的重要課程。《微機原理與接口技術》課程內容龐雜，對先修知識要求較多，軟硬件內容結合緊密，學習難度大，因此實驗教學尤為重要。但實驗教學學時少、實驗設備不足。機電類專業學生要求通過本課程的學習，了解微型計算機硬件系統基本組成、工作原理，掌握接口電路的基本設計方法，具備使用匯編語言進行程序設計的能力，學會通過軟件控制硬件的方法。實驗教學對本課程的教學效果、檢驗學生的實際應用能力具有重要作用。實驗教學效率、實驗教學內容及實驗教學強度對實現本課程的教學目標非常重要。計算機基礎公共課普遍存在開課學生人數多，教師與實驗室及實驗設備相對少，實驗課排課困難，學生實驗不方便等問題。基于校園網絡的遠程實驗教學平臺對解決這些問題、，提高實驗教學效率提供了新方向，網絡新技術奠定了遠程實驗教學系統開發應用的基礎，虛擬軟件等新技術加快了實現遠程實驗教學系統開發應用的步伐。基于計算機網絡的遠程實驗平臺具有以下特點。

1.學生完成實驗課程受到的時間、空間上的制約減小，可隨時通過網絡登錄實驗系統，完成相應的實驗。實驗室的開放程度、使用效率大為提高，實驗資源配置更靈活。

2.提高實驗設備的完好率。學生直接對設備的操作減少了，在實驗過程中對設備的損壞幾率降低，人員和設備的安全性提高。在實驗中軟件的作用增加，使設備更新，尤其是大量同類設備的更新成本降低。

3.實驗更方便。學生直接面對實驗環境的實驗過程，會提高學生完成實驗的積極性。網絡環境實驗平臺使做實驗更方便，而且平臺本身就是培養學生計算機應用能力的重要工具。

4.實驗課教師的工作效率提高。網絡環境實驗平臺使教師可以通過網絡交互指導學生實驗過程、解答問題及處理實驗報告等工作。

5.網絡實驗環境是虛擬實驗環境。虛擬實驗是通過音視頻獲得實驗現象。在實環境中做實驗獲得的實際感觀、體驗及對元器件及人身安全注意事項，在虛擬實驗環境中學生同樣能感受到。教師面對面指導的“身教”缺失，通過網絡交互彌補。

6.遠程實驗在實驗管理上既提供了方便的條件，同時也增加了新的問題。如實驗過程及提交的實驗結果的真實性，實驗環境的公平性（網絡、機器、軟件等），實驗持續時間限制等問題，也是必須考慮的。根據遠程實驗的這些特點，在實驗教學中，一方面積極開發遠程實驗平臺，充分利用遠程實驗技術的優點，解決學生人數多、對實驗設備、實驗室需求量大、提高實驗資源使用效率等問題，同時采用遠程實驗與實驗室實驗相結合方式，避免或降低不利因素。學生完成的實驗中必須有一定數量的實驗在實際實驗室完成。

二、平臺基本結構

《微機原理與接口技術》遠程實驗平臺結構如圖1。其中，遠程用戶端包括學生用戶和輔導教師用戶，通過校園網連接到實驗室服務器；實驗室服務器負責實驗室的實驗臺及用戶的管理；實驗臺由一臺微機與“偉福Lab8000仿真實驗臺”構成，它是完成實驗的實體。按實驗要求，在學生做實驗之前必須按照標準配置接好“偉福Lab8000仿真實驗臺”的硬件連線。

三、軟件結構及實現技術

整個系統的軟件，包括客戶端軟件、實驗室服務器軟件及實驗臺軟件等部分。根據功能需求，客戶端軟件包括登陸選擇實驗臺及管理軟件，與實驗指導教師的交互支持軟件，“偉福Lab8000仿真實驗臺”實驗及調試軟件。實驗臺安裝一般單機實驗的所有軟件，可支持本地的單機實驗。為支持遠程實驗需增加相應軟件并聯網，并通過實驗室服務器連接到校園網絡上。軟件結構如圖2。其中，實驗控制程序編輯編譯，程序下載及系統狀態上傳，控制執行及調試與單機試驗系統是一樣的。上面兩層完成遠程訪問的支持。

實驗時首先登錄實驗室并選定實驗臺。對于單機環境下不需硬件仿真器的實驗，可直接在本地完成，只需通過網絡獲得實驗指導和提交實驗報告。對需要硬件環境的實驗，在客戶機上有一個顯示“偉福Lab8000仿真實驗臺”實物的虛擬設備，可以在其上進行相關實驗的硬件接線（如同實際使用仿真臺的過程一樣），；學生給出的連接狀態被記錄，然后將記錄發往遠程實驗室。遠程實驗臺接到客戶端連線狀態表后，進行連線映像轉換，以使得硬件系統表現出的狀態與實驗者設計的狀態一致。對于只有一種連接方式的實驗（實驗臺已按此鏈接），如果用戶發來的連線表正確，則進行后續的軟件調試及運行實驗。如果不正確則反饋硬件連接錯誤信息，提示用戶重新設計硬件，如“D/A數模轉換實驗”。一旦建立了正確的硬件連接，客戶端就可以發送軟件直接控制仿真實驗臺運行，運行結果可以通過實時圖像反饋給用戶。對于可能出現的多種硬件連接的實驗，或需要實驗幾種不同硬件連接的情況，在實驗臺服務器端接到客戶端發來的連接關系后，把這些連接與實驗臺實際連接進行對比，并產生能出現客戶端定義的連接效果的映像關系，軟件運行時按照這個映像關系控制實驗臺。如“步進電機控制實驗”，用8255控制的標準硬件連線接法如圖3。如果遠程實驗客戶端給出的連接關系為表1，并按此編程，則在實驗臺服務器端收到這個表后，做表2所示的變換。按照這個關系，用服務器端引腳名字替換客戶端相應引腳，編譯連接后下載運行。

為了方便在實驗臺服務器端完成這個替換，客戶端編程要求在頭文件中定義硬件連接關系（C語言），或使用等值定義語句在程序頭部分定義連接關系，如：

A EQU PA.i

B EQU Pa.j

C EQU PA.k

D EQU PA.l

按照以上處理后，如果客戶端的硬件連接與軟件程序相對應并正確的話，就可以得到預估的實驗結果和現象。實驗的現場現象可以通過視頻反饋到客戶端。遠程實驗的結果評測采用兩種方式，一是在遠程實驗客戶認為完成實驗時，向實驗室指導教師發送請求，指導教師可以到相應實驗臺在線觀測現象，并記錄，與提交的報告一起作為實驗評測依據。另一方式是提交報告中包含實驗現象視頻記錄，提交后教師可以離線根據提交的材料評測實驗成績。至于實驗過程的指導、實驗報告的提交及管理、通信層功能等與一般網絡教學管理系統相同，采用相同的技術方法實現，不再贅述。

四、總結

根據《微機原理與接口技術》公共課實驗教學需求的特點，利用計算機網絡平臺提供的通信及遠程訪問功能，構建可以通過網絡遠程進行實驗的平臺，對于解決《微機原理與接口技術》公共課實驗教學存在的一些問題、提高教學效率是一個有效手段。本文提出了一個基于遠程實驗技術的《微機原理與接口技術》實驗教學方案，設計了一個《微機原理與接口技術》遠程實驗教學平臺，給出了平臺的軟硬件基本結構，及對于硬件接口實驗的遠程控制實現技術。對遠程實驗的優缺點進行了分析，提出了一個虛實結合的實際教學方法，對實驗評測的方法進行了探討。

隨著網絡技術、虛擬現實技術及物理實驗平臺性能的提高，遠程實驗系統也越來越完善。《微機原理與接口技術》實驗特點是軟硬件結合，遠程實驗中硬件部分實驗是較難實現遠程操作的。在《微機原理與接口技術》遠程實驗技術中，如何提高硬件有關的遠程實驗效果，是進一步提高實驗平臺性能的關鍵。

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作者簡介：侯彥利（1966-），女，河北饒陽人，副教授，學士，研究方向：人工智能；王長喜（1979-），男，吉林人，工程師，碩士，研究方向：信息安全。