自動控制技術課程遠程在線實景實驗的探索與實踐

張佰順，于亦凡，吳學英，劉 明

（海軍潛艇學院 基礎部，山東 青島 266199）

傳統實驗室實驗具有直觀真實的特點，但也受時空的限制，在時間安排、資源共享等方面存在不足。此外，由于特殊情況（如新冠病毒疫情影響等）學生有時無法進入實驗室親身實踐操作。這為強化實驗教學與信息技術深度融合提供了機遇。據有關資料統計，我國各類高校和研究機構開展的與遠程實驗相關的研究項目已有近百個[1-3]。遠程在線實景實驗可與傳統實驗相結合，使其成為一種新的實驗技術和方式，為實驗教學注入新的生機與活力，不僅可以激發學生的求知欲，培養學生的實踐興趣，還能有效實現實驗教學資源的共享和利用[4-6]。我院擬與深圳某企業合作共建自動控制技術遠程在線實景實驗室，以便進一步提升實驗教學效果。

二階系統瞬態響應實驗是自動控制技術課程的必修實驗，實驗目的是了解二階系統模擬電路的構成方法，研究二階閉環系統結構參數無阻尼正當頻率和阻尼比對過渡過程的影響，觀察和分析二階閉環系統在欠阻尼、臨界阻尼和過阻尼的瞬態響應曲線及在階躍信號輸入時的動態性能指標，并與理論計算值作對比[7-9]。

1 遠程在線實景實驗系統

遠程在線實景實驗系統由兩大部分組成：在線實驗軟件管理平臺和在線實驗硬件平臺。其中在線實驗軟件管理平臺可實現實驗在線預習檢測、實驗預約、遠程在線實驗、實驗過程數據采集以及形成性評價等功能；在線實驗硬件平臺既可以支持本地線下傳統實驗，還可以支持遠程在線實景實驗，是一個可編程門陣列系統，采用互聯網技術和MR（mixed reality，混合現實技術）突破時空限制，將實驗室真實存在的物理器件（電阻、電容、電感和放大器等）以及儀器儀表（萬用表、信號源和示波器）等實驗裝置映射到軟件平臺的人機交互客戶端的器件庫中，系統可自動識別元器件的種類、參數規格等。教師端和學生端用戶可自行安裝在線實驗軟件管理系統，調用元器件、電路模塊及設備等實現電路連接并自動布線，電路下發至硬件平臺觀察實驗現象并記錄實驗數據。圖1 為遠程在線實景實驗系統組成框圖。

圖1 遠程在線實景實驗系統組成框圖

1.1 二階系統瞬態響應實驗平臺

二階系統瞬態響應實驗硬件平臺設備包括信號源、數字示波器等儀器儀表以及放大器和多種規格參數的電阻、電容等元器件，其中還包括可變電阻和典型I 型二階閉環系統模擬電路（見圖2）[10-11]。

圖2 Ⅰ型二階閉環系統模擬電路

上位機客戶端人機交互界面由主界面和各儀器儀表分界面組成，上位機客戶端人機交互界面如圖3 所示。

圖3 上位機客戶端人機交互界面

學生端通過上位機客戶端軟件平臺遠程控制實驗電路真實器件的連接，在線調節可變電阻參數，在線操縱儀器儀表獲取硬件真實數據；觀察欠阻尼、臨界阻尼和過阻尼波形，也可通過遠程攝像頭觀察實際波形的變化，達到身臨其境的實驗效果；硬件實驗平臺采用模塊化組裝形式，可通過更換相關實驗器件進行其他實驗項目，學生可嘗試自己的實驗想法，以此培養創新性思維。

1.2 在線實驗軟件管理平臺

在線實驗軟件管理平臺具有預習檢測功能，教師可將預習實驗內容提前上傳至軟件管理平臺供學生進行相關知識的預習。

教師還可通過在線實驗軟件管理平臺設置檢測點，即設置好測量范圍，軟件系統測量數據后可直接判斷結果的正確與否。同時，學生還可以通過這一系統在線完成實驗報告。軟件系統可協助教師評分，客觀題目由系統進行自動判斷，主觀類題目由教師給出，然后系統進行綜合成績的自動加權，給出本次實驗的最終成績。

2 二階系統瞬態響應本地及遠程實驗

2.1 二階系統瞬態響應傳統實驗過程

傳統的二階系統瞬態響應實驗過程通常是教師先講解實驗目的和實驗原理，之后根據實驗步驟示范，并強調本次實驗應注意的事項，然后學生自主實驗，觀察實驗現象并記錄相關實驗數據，最后學生根據教師的要求完成實驗報告。

2.2 二階系統瞬態響應遠程實景實驗過程

二階系統瞬態響應遠程在線實景實驗過程如下所述：首先確保實驗室的二階系統瞬態響應實驗的遠程在線硬件平臺準備正確無誤；教師一般提前一段時間上傳預習實驗內容，包括本次實驗的目的、實驗原理、實驗步驟以及實驗注意事項等；之后，學生分別預約實驗時間，以遠程訪問的形式登錄客戶端系統。

學生點擊“掃描”將本次實驗所用到的儀器設備（示波器和信號源）和模塊器件（放大器和多種規格參數的電阻電容）讀寫到客戶端系統中，此時客戶端界面器件庫中的器件和實驗室真實的物理器件相聯通；然后選擇實驗項目“二階系統瞬態響應實驗”，可以根據指導書和原理圖中內容搭建二階系統瞬態響應模擬電路，從模塊器件庫和儀器設備庫中拖出信號源、示波器、放大器和電阻電容等器件進行布線，布線完成后進行模擬電路的下發；點擊“下發”將搭建完成的模擬電路下載至實驗室的硬件平臺中，打開信號源調節界面調節信號源輸出矩形波（相當于連續的階躍信號）；打開示波器調節界面調節輸入輸出兩通道波形；點擊“攝像頭”觀察實驗室示波器的實際輸出波形和儀器儀表界面中波形的變化并進行對比分析，同時記錄相關實驗數據；調節可變電阻阻值分別進行二階系統瞬態響應實驗中的欠阻尼、臨界阻尼、過阻尼實驗現象的觀察和數據的采集。

3 與傳統實驗教學模式的對比

相比傳統實驗室實驗，遠程在線實景實驗具有如下特點[12]。

（1）遠程在線實景實驗最大的特點是“真實驗”，并非虛擬仿真實驗。虛擬仿真實驗的結果往往過于理想，而在實際實驗過程中總存在各種各樣的誤差，正是這些誤差的存在鍛煉了學生分析問題的能力，從而提高學生解決問題的能力。

（2）遠程在線實景實驗系統可以突破時空限制，學生可在理論學習的同時，預約線上實驗進行驗證，加深對理論知識的理解。此外，教師也可以在課堂上進行遠程操作驗證演示，無須將一些不方便帶出實驗室的儀器設備搬進課堂。在遠程在線實景實驗系統中可內置各種實驗學習資源，可滿足學有余力的學生進行拓展實驗，同時系統還有強大的幫助功能，可培養學生的自學能力。

（3）遠程在線實景實驗系統可為學生提供試錯的機會，可根據理論知識更改相關元器件參數，觀察實驗現象的變化。同時還具有利用率高的特點，實驗設 備只要空閑便可進行實驗；而且通過遠程在線實景實驗可將學生引入遠程控制的領域，讓學生感受現代信息技術與傳統實驗的整合[13]。

4 結語

在特殊情況下不方便進入實驗室做實驗時，遠程在線實景實驗不失為一種好的選擇。遠程在線實景實驗系統能夠把本該在實驗室進行的相關實驗操作，利用互聯網技術和增強現實技術將真實的儀器設備模塊與上位機客戶端人機界面中的器件一一對應，從而實現對真實電路的搭建，實現遠程在線對實驗室中的設備進行真實操控，實現實驗現象的同步顯示。以二階系統的瞬態響應實驗為教學案例，闡述了遠程在線實景實驗的具體過程，為實驗教學探索了一種新的途徑。