科技創(chuàng)新智能實(shí)訓(xùn)平臺(tái)研制

張曉琪, 王 旭, 尹天浩, 姜佐騰

(杭州電子科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院, 浙江 杭州 310018)

市場(chǎng)上多數(shù)教學(xué)儀器存在多學(xué)科交叉融合困難、功能組件不能有效跟蹤學(xué)科發(fā)展、靈活性不足等缺點(diǎn),難以滿足高校的各類科技創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)。為此,杭州電子科技大學(xué)電子設(shè)計(jì)綜合實(shí)驗(yàn)室以提高學(xué)生的工程創(chuàng)新能力為培養(yǎng)目標(biāo),融合計(jì)算機(jī)、電子、自動(dòng)化、通信等專業(yè)知識(shí)研制大學(xué)生科技創(chuàng)新智能實(shí)訓(xùn)平臺(tái),以滿足我校創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)、第二課堂實(shí)踐和學(xué)科競(jìng)賽集訓(xùn)等需要[1-2]。

1 實(shí)訓(xùn)平臺(tái)功能設(shè)計(jì)

在理論教學(xué)之外,積極開辟創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐的第二課堂,在實(shí)踐中深化教學(xué)內(nèi)容,提高學(xué)生對(duì)理論認(rèn)識(shí)的深度,培養(yǎng)學(xué)生實(shí)際工作能力,是保證教學(xué)質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)的重要舉措之一[3]。基于這一理念,大學(xué)生科技創(chuàng)新智能實(shí)訓(xùn)平臺(tái)主要從自主實(shí)驗(yàn)預(yù)約、虛擬儀器設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告自動(dòng)生成和成績(jī)報(bào)表自動(dòng)生成四部分進(jìn)行功能設(shè)計(jì)。

1.1 創(chuàng)新性實(shí)踐教學(xué)

平臺(tái)滿足多學(xué)科交叉融合的綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開設(shè)需要,學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)技能鍛煉、復(fù)雜電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)、產(chǎn)學(xué)研項(xiàng)目開發(fā)等逐級(jí)深入的實(shí)踐培訓(xùn)環(huán)節(jié)；與行業(yè)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)無縫對(duì)接,滿足復(fù)合型人才培養(yǎng)需要。

1.2 自主實(shí)驗(yàn)預(yù)約

打破實(shí)驗(yàn)教學(xué)的時(shí)間限制,實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室的全天候開放,為學(xué)生提供更加豐富的實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源,讓學(xué)生通過自主實(shí)驗(yàn),實(shí)現(xiàn)對(duì)理論的深入理解[4]。

學(xué)生登錄智能實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng),即可自主預(yù)約實(shí)驗(yàn)時(shí)間和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容；系統(tǒng)根據(jù)學(xué)生學(xué)號(hào)等特定信息生成專屬二維碼,并自動(dòng)分配可供使用的實(shí)訓(xùn)平臺(tái)。學(xué)生在預(yù)約時(shí)間內(nèi),在分配的實(shí)訓(xùn)平臺(tái)上掃描二維碼即可開始自主實(shí)驗(yàn)。此外,在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)預(yù)約時(shí)還將進(jìn)行“理論測(cè)試”,通過測(cè)試的學(xué)生才能被分配實(shí)訓(xùn)平臺(tái)。

1.3 實(shí)驗(yàn)報(bào)告自動(dòng)生成

學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)操作后,通過云端智能實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)內(nèi)容填寫,并由平臺(tái)自動(dòng)生成實(shí)驗(yàn)總結(jié)報(bào)告。報(bào)告格式、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)結(jié)果均由系統(tǒng)自動(dòng)采集生成,學(xué)生無權(quán)修改,確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的真實(shí)可靠。該功能改變了學(xué)生以往手工記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),手動(dòng)撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告的形式,使學(xué)生更好地集中精力在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過程,提升實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)質(zhì)量[5]。同時(shí),統(tǒng)一的報(bào)告格式,方便教師進(jìn)行評(píng)分,避免因?yàn)樽舟E不清、抄寫錯(cuò)誤影響的實(shí)驗(yàn)成績(jī)?cè)u(píng)定。

1.4 成績(jī)報(bào)表自動(dòng)生成

教師不受時(shí)間和空間的約束,通過互聯(lián)網(wǎng)登錄云端智能實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng),即可查看相關(guān)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作記錄和提交的實(shí)驗(yàn)報(bào)告,并對(duì)學(xué)生的自主實(shí)驗(yàn)進(jìn)行評(píng)分。完成評(píng)分后,云端智能實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)能將每次實(shí)驗(yàn)的預(yù)習(xí)測(cè)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)操作、總結(jié)報(bào)告等分?jǐn)?shù)按照教師設(shè)定的比例進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理、橫向縱向比較、繪制各種統(tǒng)計(jì)圖、生成期末成績(jī)報(bào)表等,極大地減輕教師工作量,提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率。

2 實(shí)訓(xùn)平臺(tái)組成及技術(shù)實(shí)現(xiàn)

實(shí)訓(xùn)平臺(tái)由人機(jī)交互系統(tǒng)、智能實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)套件和實(shí)驗(yàn)桌4部分組成,結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。在管理系統(tǒng)完成實(shí)驗(yàn)預(yù)約的學(xué)生,可在預(yù)定時(shí)間進(jìn)行二維碼掃碼驗(yàn)證,驗(yàn)證成功后人機(jī)交互系統(tǒng)為實(shí)驗(yàn)教學(xué)套件提供開機(jī)電源。教師通過人機(jī)交互系統(tǒng)掃描包含工號(hào)信息的二維碼后,可對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行成績(jī)?cè)u(píng)定。完成實(shí)驗(yàn)操作后,教學(xué)平臺(tái)會(huì)自動(dòng)切斷電源。此外,還可通過手機(jī)端和電腦端對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作進(jìn)行視頻觀看和成績(jī)遠(yuǎn)程評(píng)定。該教學(xué)模式豐富了實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段,滿足學(xué)生自主控制實(shí)驗(yàn)進(jìn)程的需要,對(duì)培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力具有非常重要的作用[6]。

圖1 大學(xué)生科技創(chuàng)新實(shí)訓(xùn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)框圖

根據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)場(chǎng)景的不同,開發(fā)設(shè)計(jì)了兩套實(shí)驗(yàn)桌方案：基于互動(dòng)實(shí)驗(yàn)桌構(gòu)成的實(shí)訓(xùn)平臺(tái)適用于開放性實(shí)驗(yàn)教學(xué)和翻轉(zhuǎn)課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué),如圖2所示；基于通用實(shí)驗(yàn)桌構(gòu)成的實(shí)訓(xùn)平臺(tái)適用于模擬電路、高頻電路等電工電子類實(shí)驗(yàn)課程教學(xué),如圖3所示。

2.1 人機(jī)交互系統(tǒng)

人機(jī)交互系統(tǒng)主要由二維碼識(shí)別模塊、語音模塊、顯示模塊以及圖形交互界面組成,承擔(dān)電源監(jiān)控、視頻交互、實(shí)驗(yàn)呼叫和實(shí)驗(yàn)應(yīng)答等功能。學(xué)生通過掃描包含學(xué)號(hào)信息的二維碼進(jìn)行實(shí)驗(yàn)預(yù)約驗(yàn)證及實(shí)驗(yàn)操作,教師通過云端智能實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作進(jìn)行成績(jī)?cè)u(píng)定。

人機(jī)交互系統(tǒng)以u(píng)cos III嵌入式操作系統(tǒng)為基礎(chǔ),融合STemwin圖形庫資源,設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了語音提示、用戶身份驗(yàn)證、電源監(jiān)控、實(shí)驗(yàn)評(píng)分和數(shù)據(jù)采集處理等功能,承擔(dān)用戶與實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的信息交互任務(wù)。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程見圖4。

圖2 基于互動(dòng)實(shí)驗(yàn)桌的實(shí)訓(xùn)平臺(tái)

圖3 基于通用實(shí)驗(yàn)桌的實(shí)訓(xùn)平臺(tái)

圖4 人機(jī)交互系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程

2.2 智能實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)

智能實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)能通過Wi-Fi與實(shí)驗(yàn)教學(xué)套件、視頻設(shè)備、電源控制模塊等硬件設(shè)備進(jìn)行交互通信。系統(tǒng)集成了實(shí)驗(yàn)教學(xué)、成績(jī)?cè)u(píng)定和報(bào)告管理等功能,能將虛擬儀器采集到的數(shù)據(jù)直接嵌入到實(shí)驗(yàn)報(bào)告中,并為用戶提供超文本編輯器和實(shí)驗(yàn)報(bào)告生成向?qū)А?/p>

2.2.1 實(shí)驗(yàn)報(bào)告自動(dòng)生成技術(shù)實(shí)現(xiàn)

采用markdown作為頁面編輯器的填寫方式,當(dāng)學(xué)生填寫完內(nèi)容后,頁面內(nèi)JS將會(huì)在瀏覽器的localstorge對(duì)應(yīng)字段中追加存儲(chǔ)當(dāng)前學(xué)生填寫的內(nèi)容,當(dāng)學(xué)生填寫完最后一項(xiàng)內(nèi)容后,頁面內(nèi)JS將localstorge中的內(nèi)容追加載入到頁面內(nèi),實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)報(bào)告的自動(dòng)生成[7]。通過特定css進(jìn)行修飾,以滿足打印需求,將其打印為PDF,實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)報(bào)告即時(shí)存儲(chǔ)和導(dǎo)出。這部分?jǐn)?shù)據(jù)將被存放在數(shù)據(jù)庫內(nèi),當(dāng)教師需要導(dǎo)出時(shí),重復(fù)上述操作,即可實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)報(bào)告的查詢和導(dǎo)出。

2.2.2 后臺(tái)數(shù)據(jù)庫構(gòu)建

采用MySQL構(gòu)建數(shù)據(jù)庫,在前端可通過調(diào)用后端接口對(duì)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行查詢和顯示。數(shù)據(jù)庫用ER圖進(jìn)行設(shè)計(jì),并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)表。服務(wù)器通過TCP/IP協(xié)議與地面站通信,通過PHP DataBase Object與數(shù)據(jù)庫進(jìn)行交互連接,并由ajax輔助http與前端頁面交換數(shù)據(jù)[8]。服務(wù)器架構(gòu)見圖5。當(dāng)業(yè)務(wù)量擴(kuò)張時(shí),整個(gè)程序僅需修改PHP DataBase Object的Object名稱,而不需要大范圍修改程序[9]。

圖5 服務(wù)器架構(gòu)

2.3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)套件

實(shí)驗(yàn)教學(xué)套件包括便攜式底板、插拔式核心板和外圍功能組件。便攜式底板兼容DIGILENT的口袋儀器Analog Discovery 2,對(duì)外提供示波器、信號(hào)發(fā)生器、電壓表和邏輯分析儀等虛擬儀器,并提供3.3 V、5 V、±12 V和24 V輸出電源。插拔式核心板包括51單片機(jī)核心板、PIC18單片機(jī)核心板、STM32單片機(jī)核心板和FPGA核心板,可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行更換,并集成了J-link下載調(diào)試器和串口模塊,可以通過USB線連接電腦,實(shí)現(xiàn)供電、下載和串口調(diào)試功能。外圍功能組件包括物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)組件、機(jī)電控制開發(fā)組件、無線電開發(fā)組件、電源學(xué)習(xí)組件及各類教師自制組件等,并配備了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)教程,改變以往受實(shí)驗(yàn)條件限制只開設(shè)傳統(tǒng)簡(jiǎn)單基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)的局限,支撐復(fù)雜電子技術(shù)綜合性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[10]。

2.4 實(shí)驗(yàn)桌

實(shí)驗(yàn)桌提供220 V交流電源和24 V標(biāo)準(zhǔn)直流電源,方便用戶選擇使用。220 V交流電源以無引線導(dǎo)軌的形式對(duì)外供電,24 V直流電源為各類實(shí)驗(yàn)教學(xué)套件和實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行供電。每張實(shí)驗(yàn)桌配備了視頻設(shè)備,通過Wi-Fi將視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)街悄軐?shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)。

3 基于實(shí)訓(xùn)平臺(tái)開發(fā)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目

實(shí)驗(yàn)室教師以工程實(shí)踐為背景,開發(fā)了18項(xiàng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,包括旋轉(zhuǎn)LED時(shí)鐘設(shè)計(jì)、步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、無人機(jī)與智能車協(xié)同導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等。其中,設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)有4項(xiàng),綜合性實(shí)驗(yàn)14項(xiàng)。

以任意波形信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)為例,介紹該平臺(tái)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的過程如下：采用實(shí)驗(yàn)教學(xué)套件FPGA核心板和AD采樣功能模塊,進(jìn)行綜合性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。完成DDS信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)→任意波形信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)→李薩如圖信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)流程見圖6。

圖6 任意波形信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)流程圖

任意波形信號(hào)發(fā)生器功能設(shè)計(jì)方法具有多樣性,可用原理圖、硬件描述語言、宏模塊等多種方法完成實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)；在此基礎(chǔ)上,學(xué)生還可以結(jié)合自身情況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)功能拓展,完成VGA波形顯示、調(diào)幅控制等內(nèi)容。

4 結(jié)語

普通省屬高等學(xué)校人才培養(yǎng)應(yīng)具有多樣性,既培養(yǎng)學(xué)科型人才,更應(yīng)培養(yǎng)大批能滿足國(guó)家戰(zhàn)略發(fā)展需求的工程技術(shù)人才[11]。電子設(shè)計(jì)綜合實(shí)驗(yàn)室依托杭州電子科技大學(xué)國(guó)家級(jí)計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心、國(guó)家級(jí)電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心和全國(guó)大學(xué)生“小平科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)”,以提高學(xué)生的工程創(chuàng)新能力和可持續(xù)發(fā)展能力為培養(yǎng)目標(biāo),自主研發(fā)了大學(xué)生科技創(chuàng)新智能實(shí)訓(xùn)平臺(tái)。同時(shí),以工程實(shí)踐和學(xué)科競(jìng)賽內(nèi)容為背景開發(fā)了系列實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目,結(jié)合“自主設(shè)計(jì)論文答辯”實(shí)踐教學(xué)模式,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。