一种基于网络的远程教学实验系统及实验方法与流程

本发明涉及陀螺仪实验平台、服务器搭建以及教学系统设计，更具体的说，是涉及一种基于网络的远程教学实验系统及实验方法。

背景技术：

随着我国素质教育的不断提高，对课堂教学提出了更高的要求。原来填鸭式的教学模式已经不能够适应社会对于教育的需求。基于素质教育和个性化教育的要求，互动式教学被引入了课堂教学中。互动式教学强调了在实施教学过程中学生的主动参与性，尊重学生的主体地位，力争在教学过程中实现信息双向传递，培养创新型人才的教育目标。

互动式教学虽然可以提高学生学习兴趣，激发学习潜能，但是由于课堂教学时间和空间的局限性，效果终究不能够让人满意。得益于互联网技术的发展，网络教学平台的出现，为互动式教学提供了有益的补充，促进了互动式教学模式的发展。

实验教学是理工科高等院校教学的关键环节，通过不同的实验项目教学：一方面帮助学生巩固理论，另一方面帮助培养学生的操作能力和解决实际问题的能力。提高学生对课程的学习效果，促进学生发现问题、解决问题的基本素质形成，在培养学生动手能力和创新能力的同时引导学生养成科学求真的态度、严禁周密的作风和团结协作的精神。

作为现代网络教学平台不仅仅是通过技术的使用来延伸课堂，去支持原有的课程讲授的教学模式，更应该在拓展课程的空间性、丰富课程的内容。于是建立具有实时互动性，即双向交互的网络学习社区是一个很好的发展方向。这种学习社区更好地联系了学生、教师和学习资源，使其中每个环节都获得更好地信息获取与信息传出。

当今信息社会，特别是物联网的到来，任何科技进步都离不开测量与控制理论，无论是汽车制造，产品检测乃至卫星发射，测控系统都在其中有着重要的作用。测控电路的传感器和执行机构组成了测控系统。“测控电路”课程已被全国高校的仪器相关专业列为核心课程，因此建立一套具有高效性、先进性的结合理论与实验的网络实验教学系统有着重要的意义。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种基于网络的远程教学实验系统及实验方法，能够解决现有测控电路教学系统不全面、实时性差、控制知识应用缺失的不足，提升测控电路教学的丰富性、实践性以及先进性。

本发明的目的可通过以下技术方案实现。

一种基于网络的远程教学实验系统，由实验系统本体构成，所述实验系统本体包括依次连接的应用服务器、数据库服务器和中心服务器，所述中心服务器通过园区网络与用户进行通信，所述中心服务器通过以太网络与设备服务器进行通信，所述设备服务器连接有陀螺仪实验平台；

所述应用服务器和数据库服务器用于记录设备运行状况或者维护设备；

所述中心服务器是实现网络共享和实验控制的事务中心，接受用户的指令与参数，经过处理后将其发给设备服务器实现控制，当接收到来自设备服务器的实验结果时，通过园区网络实时显示在用户的界面；

所述设备服务器接收由中心服务器发送的参数并发送至陀螺仪实验平台进行实验测试，同时实时采集实验结果并通过以太网络返回至中心服务器，按照时序处理顺序实现用户与陀螺仪实验平台之间的实时控制。

所述陀螺仪实验平台包括与设备服务器连接的数据处理工控机，所述数据处理工控机连接有控制电路、数据采集与控制装备、数字再平衡回路、高精度转台和实时摄像系统，所述控制电路分别与数据采集与控制装备和数字再平衡回路相互连接，所述高精度转台上设置有陀螺仪，所述陀螺仪的信号器和力矩器均与控制电路相连接，所述控制电路连接有用于供电的电源柜，所述电源柜连接由高精度转台和陀螺仪构成的实验现场，所述实时摄像系统对实验现场进行摄录。

本发明的目的还可通过以下技术方案实现。

一种根据上述系统的基于网络的远程教学实验方法，包括以下步骤：

步骤一，学生或管理者进行登录注册，若是管理者，登录后进入后台管理部分，若是学生，进行用户注册经教师审核后成为正式用户，进入教学系统；

步骤二，学生进入教学系统后选择理论学习部分：查看信息公告，了解课程目标、学习任务，按时进入在线课堂进行学习，在课后进入教学课件模块下载相关资料进行课后巩固复习；

步骤三，在理论学习部分结束之后进入远程实验部分，依次进行陀螺仪模型辨识、实验仿真、回路生成、陀螺测试和实验报告；

步骤四，学生进入信息交流部分进行问题讨论：系统会发布在线答疑开放时间，学生进入在线答疑进行提问并获得解答；或进入课程论坛，与其他用户进行问题交流；每隔一段时间会有阶段测试，对学生所学知识进行巩固。

步骤一中管理者进入后台管理部分后，发布首页公告，进行教学目标和系统信息的更新，或增删教师信息，或修改用户个人资料，或清除存有数据。

步骤三中进入远程实验部分后的具体过程：

①根据陀螺仪机理的先验知识，由学生设计激励信号并构造模型类；

②将设计参数通过网络发送至陀螺仪实验平台；

③将陀螺仪放置于高精度位置速率转台上，陀螺仪x、y轴分别与高精度位置速率转台的内外框的自转轴平行，陀螺仪测试组件上电进行预热，将设计的激励信号输入陀螺仪力矩器端，并采集输入输出数据；

④分析陀螺仪输入输出数据，通过aic准则和fpe准则判定模型阶数，并估计试用模型参数；

⑤对试用模型进行残差分析和拟合度检验，以验证试用模型是否合适，若合适返回用户后验模型，若不合适返回错误信息，并重新设计模型类以及激励信号；

⑥用户根据后验模型设计控制器参数，以获得满足陀螺仪稳定的相位裕度、幅值裕度，通过仿真环节仿真开环幅频特性、开环相频特性、闭环节约响应、闭环幅频特性曲线验证控制器；

⑦若仿真不通过返回重新设计控制器参数，若仿真通过将设计参数发送至陀螺仪实验平台并将设计参数写入控制器，生成控制电路；

⑧测试数字再平衡回路动静态性能，实时获取反馈力矩电流动态，进行陀螺仪漂移测试、八位置翻滚测试、标度因数标度测试；最后根据实验结果提交实验报告。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

本发明的基于网络的远程教学实验系统及实验方法，以陀螺仪硬件生成及测试系统为基础设计的测控电路综合实验，集成了放大、分离、解调、运算、控制电路模块的设计仿真与在线测试；不仅可以消除贵重仪器与学生之间的距离，将理论知识和实际应用更好地结合起来，还可以让学生学习系统辨识的相关知识，独立完成整个设计实验，达到了提升学生综合能力的目的；此外，在线学习系统的建立不仅可以更好地帮助学生实现问题及时交流讨论，而且可以使得学生的知识体系搭建更加系统；线上教学与线上解答可以实现课堂的延展性，达到更好地教学效果；有效地解决了传统教学课时紧张、实验效果差、学生互动性欠缺的若干不足。

附图说明

图1是本发明基于网络的远程教学实验系统的硬件结构示意图；

图2是本发明实验系统中陀螺仪实验平台的电路原理图；

图3是本发明基于网络的远程教学实验方法的流程图；

图4是本发明实验方法中远程实验部分的流程图。

附图标记:1用户；2园区网络；3应用服务器；4数据库服务器；5中心服务

器；6以太网络；7设备服务器；8陀螺仪实验平台；801数据处理工控机；

802数据采集与控制装备；803控制电路；804电源柜；805数字再平衡回路；

806陀螺仪；807高精度转台；808实时摄像系统；809实验现场。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

如图1所示，本发明的基于网络的远程教学实验系统，由实验系统本体构成，所述实验系统本体包括依次连接的应用服务器3、数据库服务器4和中心服务器5，所述中心服务器5通过园区网络2可与多个用户1(如手机、电脑终端等)进行通信，所述中心服务器5通过以太网络6与设备服务器7进行通信，所述设备服务器7至少连接有一个陀螺仪实验平台8。

其中，园区网络2主要是实现了用户1与中心服务器5的连接功能。以太网络6主要是实现了设备服务器7与中心服务器5的连接功能，实现了陀螺仪实验平台8的远程控制。应用服务器3和数据库服务器4可以用于记录设备运行状况或者维护设备。中心服务器5是实现网络共享和实验控制的事务中心，可以接受来自用户1的指令与参数，经过处理后将其发给设备服务器7实现控制；当接收到来自设备服务器7的实验结果时，通过园区网络2实时显示在用户1的界面。设备服务器7接收由中心服务器5发送的参数并发送至陀螺仪实验平台8进行实验测试，同时实时采集实验结果并通过以太网络6返回至中心服务器5，按照时序处理顺序实现用户1与陀螺仪实验平台8之间的实时控制。

如图2所示，所述陀螺仪实验平台8包括与设备服务器7相互连接的数据处理工控机801，所述数据处理工控机801分别与数据采集与控制装备802、数字再平衡回路805和实时摄像系统808相互连接，所述数据处理工控机801输出端还连接有控制电路803和高精度转台807。所述控制电路803分别与数据采集与控制装备802和数字再平衡回路805相互连接。所述控制电路803输出端分别连接电源柜804与陀螺仪806力矩器，陀螺仪806信号器输出端连接控制电路803输入端，所述陀螺仪806设置于高精度转台807上。电源柜804输出端连接由陀螺仪806和高精度转台807构成的实验现场809，电源柜804包括激磁电源、电路板电源以及陀螺仪三相电源，主要为整个实验平台组件供电。所述实时摄像系统808作为本发明的显示单元，对实验现场809进行摄录，负责实时直观的显示用户远程的控制效果。高精度转台807和陀螺仪806构成本发明的测试组件，作为实验目标的载体，可以让用户观察自主设计程序的控制效果。数据处理工控机801、数据采集与控制装备802和数字再平衡回路805构成本发明的处理单元，是目标层程序实现的载体，是用户控制程序实现的主体。

本发明负责提供用户程序与网络空间来实现实验功能与学习信息交流。学生进行系统注册，之后进入系统，进行理论学习的部分，通过了解学习目标、课程信息、理论学习资源以及在线课堂的讲解，进行在线教学，学习教学课件掌握理论知识。之后进入远程实验系统，提供用户实验基本信息，实验目的以及远程控制的途径，可让用户更好的完成学习任务，实现学习目标。首先进行系统的模型辨识，将辨识模型回传到用户，进行电路设计仿真，仿真成功后将电路参数发至实验平台生成回路，进而进行一系列的测试环节，最后填写实验报告。在整个学习过程中，学生都可进入信息交流系统，进行在线答疑和课程论坛进行讨论，负责用户学习信息的共享与交流，课程还设计了定期的阶段性自我检测以及在线的课程指导，以巩固学生所学的知识。

借助上述基于网络的远程教学实验系统的实验方法，如图3所示，包括以下步骤：

步骤一，学生或管理者进行登录注册：若是管理者，登录后进入后台管理部分，发布首页公告，进行教学目标和系统信息的更新，或增删教师信息，或修改用户个人资料，或清除存有数据；若是学生，进行用户注册经教师审核后成为正式用户，进入教学系统。

步骤二，学生进入教学系统后选择理论学习部分：查看信息公告，了解课程目标、学习任务等要求；按时进入在线课堂进行学习，在课后进入教学课件模块下载相关资料进行课后巩固复习。

步骤三，在理论学习部分结束之后进入远程实验部分，依次进行陀螺仪模型辨识、实验仿真、回路生成、陀螺测试和实验报告。如图4所示，具体过程如下：

①根据陀螺仪机理的先验知识，由学生设计激励信号并构造模型类；

②将设计参数通过网络发送至陀螺仪实验平台；

③将陀螺仪放置于高精度位置速率转台上，陀螺仪x、y轴分别与高精度位置速率转台的内外框的自转轴平行，陀螺仪测试组件上电进行预热，将设计的激励信号输入陀螺仪力矩器端，并采集输入输出数据；

④分析陀螺仪输入输出数据，通过aic准则和fpe准则判定模型阶数，并估计试用模型参数；

⑤对试用模型进行残差分析和拟合度检验，以验证试用模型是否合适，若合适返回用户后验模型，若不合适返回错误信息，并重新设计模型类以及激励信号；

⑥用户根据后验模型设计控制器参数，以获得满足陀螺仪稳定的相位裕度、幅值裕度，通过仿真环节仿真开环幅频特性、开环相频特性、闭环节约响应、闭环幅频特性曲线验证控制器；

⑦若仿真不通过返回重新设计控制器参数，若仿真通过将设计参数发送至陀螺仪实验平台并将设计参数写入控制器，生成控制电路；

⑧测试数字再平衡回路动静态性能，实时获取反馈力矩电流动态，进行陀螺仪漂移测试、八位置翻滚测试、标度因数标度测试；最后根据实验结果提交实验报告。

步骤四，学生进入信息交流部分进行问题讨论：系统会发布在线答疑开放时间，学生进入在线答疑进行提问并获得解答；或进入课程论坛，与其他用户进行问题交流；每隔一段时间会有阶段测试，对学生所学知识进行巩固。

尽管上面结合附图对本发明的功能及工作过程进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体功能和工作过程，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。