一种基于远程实验的移动实验教学管理平台的制作方法

本发明涉及一种移动实验教学管理平台，尤其涉及一种基于远程实验的移动实验教学管理平台，适用于实验教学，属于教学领域。

背景技术：

随着科技的迅猛发展，学校信息化建设的要求也越来越高。数字化实验室伴随着科技的发展及国家对科技创新人才培养的要求，在校园里应运而生。数字化校园建设涉及到数字教室、数字办公、数字图书馆、数字化实验教学等诸多方面。较之于传统的实验教学，数字化实验教学具有开放性、人性化、过程化的特点，为我们的实验教学提供诸多便利，但同时仍有虚拟实验效果客观性差、实验操作员沉浸感低等不足。

传统实验室通过真实实验完成实验教学，随着时代的发展，尤其是高等学校扩招以来，传统实验室的不足逐步暴露：

(1)场地限制。真实实验需要老师和同学到指定实验室完成实验，实验操作员容纳率低，从而导致使用效率低下；

(2)时间限制。为了维护设备安全，以及考虑到教师工作时间，实验室不能实现任何时间都对外开放。这使得同学们无法随时进行实验。同时，将实验时间集中在教师工作时间，也造成了该时间段内实验器材资源紧张等问题；

(3)由于绝大多数实验器材是针对某门课程的某个章节购置的，而在该章节学习之前，该实验器材是完全闲置的，在该章节学习之后，同学们集中地进行大量实验，造成该实验器材供不应求。这种资源安排的不合理，造成了实验器材利用率很低；

(4)传统实验室不能充分利用实验操作员的碎片时间。实验操作员在一天之中有很多碎片时间，如早晨起床前、晚上睡觉前、路上等等，这些碎片时间并没有得到充分利用。如果能够利用好实验操作员的碎片时间进行实验，更好地提高时间利用率，可以给实验操作员留下更多的学习时间；

(5)需要投入大量资金。实验所需的设备往往价格昂贵，许多大学这方面的教学实验设备比较缺乏，加之现在许多的教学实践需要使用计算机，而一般来说计算机使用4年左右就要淘汰，所以各大学实验经费的大部分用于购买计算机，只剩下很少的资金用于一般性的工程实验室建设，这就导致了实验操作员虽然学习了不少新技术，但却很少有实践技能提高的机会；目前的手机完全可以替代简单的PC功能，而且由实验操作员自行负担，不必占用学校的投资。

(6)实验种类较为单一。受限于场地与资源的不合理安排，学校很难购置多种多样的实验器材供多类学科的同学进行实验，而且可供同学们进行实验的器材种类也较少，不利于跨学科的同学们自主选择实验，培养兴趣，也不利于开阔眼界。

如今的数字化实验室包含两部分：以信息化管理为基础的开放式实验教学支持服务系统；以网上教学为主的教育资源的拓展和教育形式的创新^[4]。其具有开放性、人性化、过程化的特点，将考核、练习、数据处理等一系列繁杂的操作交给计算机完成，实验操作员与老师可以专注地考虑实验相关的事情，大大提高了实验的效率，减少了冗余的机械劳动。

随着对实验教学要求的提高，数字化实验室已逐渐难以满足要求。数字化实验室采用虚拟实验，具有天然的缺陷：

(1)虚拟实验的实验效果难以比拟真实实验。虚拟实验过于“精确”，每次实验过程都一模一样，难以实际模拟实物实验中存在的各种干扰因素和误差，对实验操作员创新能力和发现问题意识的培养不利。

(2)在真实实验中，同学们可以通过视觉、听觉、触觉等多方面切实感受到实验器材与实验效果。而在虚拟试验中，同学们只是面对计算机中动画模拟的设备，难以满足要求。沉浸感对实验操作员的学习收获影响巨大，沉浸感较差的环境，难以给同学们留下切身体会。

如何借助于先进的互联网技术，将实物实验与虚拟实验的优势结合起来，建立一种新的更加利于师生互动的新型实验室是当前一个重要的挑战。

技术实现要素：

本发明公开一种基于远程实验的移动实验教学管理平台，要解决的技术问题是，提供一种以移动终端为控制终端、基于远程实验的移动实验教学管理平台，能够根据实验目的和实验需求对底层实验设备进行远程实验控制，完成远程实验。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

本发明公开的一种基于远程实验的移动实验教学管理平台，包括移动控制终端APP、服务器、数据库、摄像头和底层实验设备，构成完整的闭环回路。

移动控制终端APP作为整个实验教学管理平台的入口，用于根据实际实验需要输入实验参数并发送到服务器，此外，还用于从服务器获取传来的实验数据，将所述的实验数据进行可视化处理，并将可视化处理数据结果在移动终端显示。

可视化处理数据结果包括以视频方式展现出来或折线图方式展现出来。

移动控制终端APP还用于实现移动实验教学管理功能，包括注册、登录、信息反馈、个人信息管理等管理功能。

服务器用于获取从移动控制终端APP传来的实验参数，根据实验参数与反馈量初始设置参数计算出控制量发送给底层实验设备。当底层实验设备获取控制量进行实验后，服务器还用于实时获取底层实验设备的反馈信息，并结合实验参数计算出控制量再次发送到底层实验设备，实现闭环控制。同时，服务器还用于将摄像头获取到的视频信息发送到移动终端APP中。服务器还用于与数据库实现数据传输。

服务器还用于建立实验教学平台、添加诸如实验操作员管理、实验数据分析、实验报告生成、实验结果评价、相关教学资源整合与链接等功能。

数据库用于保存实验数据、实验操作员信息等数据，服务器可从数据库中获取相应实验数据，发送给移动控制终端APP，供数据可视化展现使用。

摄像头用于采集底层实验设备实验现场的视频数据，反馈底层实验设备实际控制效果，并将视频数据发送到服务器，由服务器发送到移动终端APP，以视频的方式呈现控制实验现场。

底层实验设备是真实实验设备，包括下位机与实验被控对象，下位机用于根据实验目的采集实验被控对象实验数据反馈信息，将实验数据反馈信息发送到服务器；下位机还用于接收由服务器发来的控制量，将控制量发往实验被控对象，实现对被控对象的控制实验，即底层实验设备根据服务器发来的控制量实现闭环控制实验。

实验被控对象及对实验被控对象采集的实验数据反馈信息根据实验要求和实验目的而定。例如：PID实验的实验被控对象可选为电机，实验被控对象采集的实验数据包括位置信息、速度信息、加速度信息。

底层实验设备能够根据需求扩充。比如扩充自控实验设备、智能家居实验设备等。扩充成本低，只需购置相应器材、对接接口即可。

所述的移动终端优选智能手机。

本发明公开的一种基于远程实验的移动实验教学管理平台实验方法为：

步骤一：实验操作员打开移动控制终端APP，根据实验目的输入实验参数，移动控制终端APP将该参数发往服务器；同时打开摄像头，摄像头采集底层实验设备实验现场的视频数据，反馈底层实验设备实际控制效果，并将视频数据发送到服务器，由服务器发送到移动终端APP，以视频的方式呈现控制实验现场。

步骤二：服务器根据实验参数与反馈量初始设置参数计算出控制量发送给底层实验设备；

步骤三：底层实验设备接收由服务器发来的控制量，将控制量发往实验被控对象，实现对实验被控对象的控制实验。下位机根据实验目的采集实验被控对象实验数据反馈信息，将实验数据反馈信息发送到服务器；

步骤四：服务器实时获取底层实验设备的反馈信息，并结合实验参数计算出控制量再次发送到底层实验设备，实现闭环控制。同时，服务器还将摄像头获取到的视频信息发送到移动终端APP中。服务器还将反馈量的数据传输到数据库中存储。

步骤五：重复步骤二至步骤四，根据实验要求、实验目的和实验内容开展闭环控制实验，直至完成闭环控制实验，通过移动控制终端APP结束实验、关闭摄像头，并关闭移动控制终端APP。

有益效果：

1、本发明公开的一种基于远程实验的移动实验教学管理平台，底层实验设备是真实实验设备，继承传统实验室实验客观、准确的优势，能够弥补数字化实验室虚拟实验中准确性差的不足，同时利用服务器与移动控制终端APP实现远程控制。并且在此基础上可建立实验教学平台，添加诸如实验操作员管理、实验数据分析、实验报告生成、实验结果评价、相关教学资源整合与链接等一系列功能，继承数字化实验室的提高实验效率、减少冗余机械劳动的优势，能够弥补传统实验室教学管理造成的资源浪费。可以说对传统实验室、网络化实验室各取所长。

2、本发明公开的一种基于远程实验的移动实验教学管理平台，可随时随地完成实验，具有“移动化”的特点。在校园网覆盖区域内，实验操作员可以利用移动控制终端APP，连接服务器，输入控制参数，随时随地完成实验，并实时得到控制效果的视频反馈，为实验操作员做实验提供了极大的便利。

3、本发明公开的一种基于远程实验的移动实验教学管理平台，充分利用实验操作员的碎片时间。由于随时随地开展实验，实验操作员可以利用任何碎片时间在任何地点进行实验。比如早晨起床前、晚上睡觉前等等，完全不受教师工作时间限制。由此实验操作员可以节约完整时间去做其他的事情，提高时间利用率与学习效率。

4、本发明公开的一种基于远程实验的移动实验教学管理平台，辅助教学，为课上实验演示提供便利。在移动实验教学管理平台概念下，受益于不受时空限制的移动实验，可在课上进行开放性实验，将网络化的实验效果呈现在投影仪上，真正将理论与实践相结合，加深同学们对知识的理解与把握。

5、本发明公开的一种基于远程实验的移动实验教学管理平台，采用真实实验设备，实验结果准确性高。这里的准确性不是指实验结果与课本上理论推导的结论完全相符，而是指在客观现实条件下，受到各种干扰情况下得出的实践结论。对比该实践结论与理论推导的结论，可启发实验操作员思考更深层次的问题。较之于数字化实验室的虚拟实验，工程性强，也更能增加同学们的学习兴趣。

6、本发明公开的一种基于远程实验的移动实验教学管理平台，可以跨学科应用，丰富实验资源。移动实验教学管理平台结构中的服务器与控制终端，可组成一个网络平台。该网络平台连接的底层实验设备可以不断扩充。比如扩充自控实验设备、智能家居实验设备等。扩充成本低，只需购置相应器材、对接接口即可。这为平台扩展提供了极大便利，各个不同学科的实验操作员可从中享受到更多的实验资源，开阔视野，了解到自控专业更多的发展方向。

7、本发明公开的一种基于远程实验的移动实验教学管理平台，具有更高的资源利用率。由于移动实验教学管理平台是随时随地可完成实验，所以可以将过去集中在教师工作时间的人流分散到一天的各个时间点，优化资源的时间分配，避免教师工作时间实验器材供不应求、非工作时间实验器材闲置的问题。实验设备数目相同的情况下，每天可以满足更多的同学进行实验。

8、本发明公开的一种基于远程实验的移动实验教学管理平台，具有更低的人工成本。由于移动实验教学管理平台可以随时随地远程完成实验，不存在进入实验室实际操作的情况，所以无需开放、关闭实验室，也无需对底层实验设备进行防盗监护，能够节约人工成本。同时，移动实验教学管理平台作为一个网络平台，可以提供一系列的平台管理功能，如实验学习结果评价、实验报告生成、协作学习、相关教学资源整合与管理等，减少冗杂、简单重复的人力劳动，使实验室老师可以有更多的精力投入到实验设计中去。

附图说明

图1为本发明的一种基于远程实验的移动实验教学管理平台原理框图；

图2本发明的一种基于远程实验的移动实验教学管理平台实验过程流程图。

具体实施方式：

下面将结合附图和实施例对本发明加以详细说明，同时也叙述了本发明技术方案解决的技术问题及有益效果，需要指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

实施例1：

本实施例公开的一种基于远程实验的移动实验教学管理平台，包括移动控制终端APP、服务器、数据库、摄像头和底层实验设备，构成完整的闭环回路。

移动控制终端APP作为整个实验教学管理平台的入口，用于根据实际实验需要输入实验参数并发送到服务器，此外，还用于从服务器获取传来的实验数据，将所述的实验数据进行可视化处理，并将可视化处理数据结果在移动终端显示。

移动控制终端APP还用于实现移动实验教学管理功能，包括注册、登录、信息反馈、个人信息管理等管理功能。

移动控制终端APP优选混合架构。

混合架构结合C/S、B/S架构的优势，一次开发，跨平台使用。后期维护中，如果仅是对内容的更新，同样实现实验操作员无感知。同时，也可扩展本机API，较之于B/S架构，与本机的结合更好。

服务器用于获取从移动控制终端APP传来的实验参数，根据实验参数与反馈量初始设置参数计算出控制量发送给底层实验设备。当底层实验设备获取控制量进行实验后，服务器还用于实时获取底层实验设备的反馈信息，并结合实验参数计算出控制量再次发送到底层实验设备，实现闭环控制。同时，服务器还用于将摄像头获取到的视频信息发送到移动终端APP中。服务器还用于与数据库实现数据传输。

服务器还用于建立实验教学平台、添加诸如实验操作员管理、实验数据分析、实验报告生成、实验结果评价、相关教学资源整合与链接等一系列功能。

数据库用于保存实验数据、实验操作员信息等数据，服务器可从数据库中获取相应实验数据，发送给移动控制终端APP，供数据可视化展现使用。

摄像头用于采集底层实验设备实验现场的视频数据，反馈底层实验设备实际控制效果，并将视频数据发送到服务器，由服务器发送到移动终端APP，以视频的方式呈现控制实验现场。

底层实验设备是真实实验设备，包括下位机与实验被控对象，下位机用于接收由服务器发来的控制量，将控制量发往实验被控对象，实现对实验被控对象的控制实验；下位机还用于根据实验目的采集实验被控对象实验数据反馈信息，将实验数据反馈信息发送到服务器，即底层实验设备根据服务器发来的控制量实现闭环控制实验。

实验被控对象及对实验被控对象采集的实验数据反馈信息根据实验要求和实验目的而定。例如：PID实验的实验被控对象可选为电机，实验被控对象采集的实验数据包括位置信息、速度信息、加速度信息。

本发明公开的一种基于远程实验的移动实验教学管理平台实验方法为：

步骤一：实验操作员打开移动控制终端APP，根据实验目的输入实验参数，移动控制终端APP将该参数发往服务器；同时打开摄像头，摄像头采集底层实验设备实验现场的视频数据，反馈底层实验设备实际控制效果，并将视频数据发送到服务器，由服务器发送到移动终端APP，以视频的方式呈现控制实验现场。

步骤二：服务器根据实验参数与反馈量初始设置参数计算出控制量发送给底层实验设备；

步骤三：底层实验设备接收由服务器发来的控制量，将控制量发往实验被控对象，实现对实验被控对象的控制实验。下位机根据实验目的采集实验被控对象实验数据反馈信息，将实验数据反馈信息发送到服务器；

步骤四：服务器实时获取底层实验设备的反馈信息，并结合实验参数计算出控制量再次发送到底层实验设备，实现闭环控制。同时，服务器还将摄像头获取到的视频信息发送到移动终端APP中。服务器还将反馈量的数据传输到数据库中存储。

步骤五：重复步骤二至步骤四，根据实验要求、实验目的和实验内容开展闭环控制实验，直至完成闭环控制实验，通过移动控制终端APP结束实验、关闭摄像头，并关闭移动控制终端APP。

实验被控对象及对实验被控对象采集的实验数据反馈信息根据实验要求和实验目的而定。

实验实施例1：PID实验

PID实验的实验被控对象可选为电机，被控量为电机转速，实验被控对象采集的实验数据包括位置信息、速度信息、加速度信息。

实验实施例2：温度控制实验

温度控制实验的实验被控对象可选为温度计，被控量为温度计的温度，实验被控对象采集的实验数据包括温度、温度变化率信息。

实验实施例3：直流稳压实验

直流稳压实验的实验被控对象可选为输出直流电压，被控量为电压值，实验被控对象采集的实验数据包括电压值、电压变化率信息。

以上控制所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。