本發(fā)明涉及一種移動實驗教學管理平臺，尤其涉及一種基于遠程實驗的移動實驗教學管理平臺，適用于實驗教學，屬于教學領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著科技的迅猛發(fā)展，學校信息化建設(shè)的要求也越來越高。數(shù)字化實驗室伴隨著科技的發(fā)展及國家對科技創(chuàng)新人才培養(yǎng)的要求，在校園里應(yīng)運而生。數(shù)字化校園建設(shè)涉及到數(shù)字教室、數(shù)字辦公、數(shù)字圖書館、數(shù)字化實驗教學等諸多方面。較之于傳統(tǒng)的實驗教學，數(shù)字化實驗教學具有開放性、人性化、過程化的特點，為我們的實驗教學提供諸多便利，但同時仍有虛擬實驗效果客觀性差、實驗操作員沉浸感低等不足。

傳統(tǒng)實驗室通過真實實驗完成實驗教學，隨著時代的發(fā)展，尤其是高等學校擴招以來，傳統(tǒng)實驗室的不足逐步暴露：

(1)場地限制。真實實驗需要老師和同學到指定實驗室完成實驗，實驗操作員容納率低，從而導致使用效率低下；

(2)時間限制。為了維護設(shè)備安全，以及考慮到教師工作時間，實驗室不能實現(xiàn)任何時間都對外開放。這使得同學們無法隨時進行實驗。同時，將實驗時間集中在教師工作時間，也造成了該時間段內(nèi)實驗器材資源緊張等問題；

(3)由于絕大多數(shù)實驗器材是針對某門課程的某個章節(jié)購置的，而在該章節(jié)學習之前，該實驗器材是完全閑置的，在該章節(jié)學習之后，同學們集中地進行大量實驗，造成該實驗器材供不應(yīng)求。這種資源安排的不合理，造成了實驗器材利用率很低；

(4)傳統(tǒng)實驗室不能充分利用實驗操作員的碎片時間。實驗操作員在一天之中有很多碎片時間，如早晨起床前、晚上睡覺前、路上等等，這些碎片時間并沒有得到充分利用。如果能夠利用好實驗操作員的碎片時間進行實驗，更好地提高時間利用率，可以給實驗操作員留下更多的學習時間；

(5)需要投入大量資金。實驗所需的設(shè)備往往價格昂貴，許多大學這方面的教學實驗設(shè)備比較缺乏，加之現(xiàn)在許多的教學實踐需要使用計算機，而一般來說計算機使用4年左右就要淘汰，所以各大學實驗經(jīng)費的大部分用于購買計算機，只剩下很少的資金用于一般性的工程實驗室建設(shè)，這就導致了實驗操作員雖然學習了不少新技術(shù)，但卻很少有實踐技能提高的機會；目前的手機完全可以替代簡單的PC功能，而且由實驗操作員自行負擔，不必占用學校的投資。

(6)實驗種類較為單一。受限于場地與資源的不合理安排，學校很難購置多種多樣的實驗器材供多類學科的同學進行實驗，而且可供同學們進行實驗的器材種類也較少，不利于跨學科的同學們自主選擇實驗，培養(yǎng)興趣，也不利于開闊眼界。

如今的數(shù)字化實驗室包含兩部分：以信息化管理為基礎(chǔ)的開放式實驗教學支持服務(wù)系統(tǒng)；以網(wǎng)上教學為主的教育資源的拓展和教育形式的創(chuàng)新^[4]。其具有開放性、人性化、過程化的特點，將考核、練習、數(shù)據(jù)處理等一系列繁雜的操作交給計算機完成，實驗操作員與老師可以專注地考慮實驗相關(guān)的事情，大大提高了實驗的效率，減少了冗余的機械勞動。

隨著對實驗教學要求的提高，數(shù)字化實驗室已逐漸難以滿足要求。數(shù)字化實驗室采用虛擬實驗，具有天然的缺陷：

(1)虛擬實驗的實驗效果難以比擬真實實驗。虛擬實驗過于“精確”，每次實驗過程都一模一樣，難以實際模擬實物實驗中存在的各種干擾因素和誤差，對實驗操作員創(chuàng)新能力和發(fā)現(xiàn)問題意識的培養(yǎng)不利。

(2)在真實實驗中，同學們可以通過視覺、聽覺、觸覺等多方面切實感受到實驗器材與實驗效果。而在虛擬試驗中，同學們只是面對計算機中動畫模擬的設(shè)備，難以滿足要求。沉浸感對實驗操作員的學習收獲影響巨大，沉浸感較差的環(huán)境，難以給同學們留下切身體會。

如何借助于先進的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將實物實驗與虛擬實驗的優(yōu)勢結(jié)合起來，建立一種新的更加利于師生互動的新型實驗室是當前一個重要的挑戰(zhàn)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明公開一種基于遠程實驗的移動實驗教學管理平臺，要解決的技術(shù)問題是，提供一種以移動終端為控制終端、基于遠程實驗的移動實驗教學管理平臺，能夠根據(jù)實驗?zāi)康暮蛯嶒炐枨髮Φ讓訉嶒炘O(shè)備進行遠程實驗控制，完成遠程實驗。

本發(fā)明的目的是通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)的：

本發(fā)明公開的一種基于遠程實驗的移動實驗教學管理平臺，包括移動控制終端APP、服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫、攝像頭和底層實驗設(shè)備，構(gòu)成完整的閉環(huán)回路。

移動控制終端APP作為整個實驗教學管理平臺的入口，用于根據(jù)實際實驗需要輸入實驗參數(shù)并發(fā)送到服務(wù)器，此外，還用于從服務(wù)器獲取傳來的實驗數(shù)據(jù)，將所述的實驗數(shù)據(jù)進行可視化處理，并將可視化處理數(shù)據(jù)結(jié)果在移動終端顯示。

可視化處理數(shù)據(jù)結(jié)果包括以視頻方式展現(xiàn)出來或折線圖方式展現(xiàn)出來。

移動控制終端APP還用于實現(xiàn)移動實驗教學管理功能，包括注冊、登錄、信息反饋、個人信息管理等管理功能。

服務(wù)器用于獲取從移動控制終端APP傳來的實驗參數(shù)，根據(jù)實驗參數(shù)與反饋量初始設(shè)置參數(shù)計算出控制量發(fā)送給底層實驗設(shè)備。當?shù)讓訉嶒炘O(shè)備獲取控制量進行實驗后，服務(wù)器還用于實時獲取底層實驗設(shè)備的反饋信息，并結(jié)合實驗參數(shù)計算出控制量再次發(fā)送到底層實驗設(shè)備，實現(xiàn)閉環(huán)控制。同時，服務(wù)器還用于將攝像頭獲取到的視頻信息發(fā)送到移動終端APP中。服務(wù)器還用于與數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

服務(wù)器還用于建立實驗教學平臺、添加諸如實驗操作員管理、實驗數(shù)據(jù)分析、實驗報告生成、實驗結(jié)果評價、相關(guān)教學資源整合與鏈接等功能。

數(shù)據(jù)庫用于保存實驗數(shù)據(jù)、實驗操作員信息等數(shù)據(jù)，服務(wù)器可從數(shù)據(jù)庫中獲取相應(yīng)實驗數(shù)據(jù)，發(fā)送給移動控制終端APP，供數(shù)據(jù)可視化展現(xiàn)使用。

攝像頭用于采集底層實驗設(shè)備實驗現(xiàn)場的視頻數(shù)據(jù)，反饋底層實驗設(shè)備實際控制效果，并將視頻數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器，由服務(wù)器發(fā)送到移動終端APP，以視頻的方式呈現(xiàn)控制實驗現(xiàn)場。

底層實驗設(shè)備是真實實驗設(shè)備，包括下位機與實驗被控對象，下位機用于根據(jù)實驗?zāi)康牟杉瘜嶒灡豢貙ο髮嶒灁?shù)據(jù)反饋信息，將實驗數(shù)據(jù)反饋信息發(fā)送到服務(wù)器；下位機還用于接收由服務(wù)器發(fā)來的控制量，將控制量發(fā)往實驗被控對象，實現(xiàn)對被控對象的控制實驗，即底層實驗設(shè)備根據(jù)服務(wù)器發(fā)來的控制量實現(xiàn)閉環(huán)控制實驗。

實驗被控對象及對實驗被控對象采集的實驗數(shù)據(jù)反饋信息根據(jù)實驗要求和實驗?zāi)康亩?。例如：PID實驗的實驗被控對象可選為電機，實驗被控對象采集的實驗數(shù)據(jù)包括位置信息、速度信息、加速度信息。

底層實驗設(shè)備能夠根據(jù)需求擴充。比如擴充自控實驗設(shè)備、智能家居實驗設(shè)備等。擴充成本低，只需購置相應(yīng)器材、對接接口即可。

所述的移動終端優(yōu)選智能手機。

本發(fā)明公開的一種基于遠程實驗的移動實驗教學管理平臺實驗方法為：

步驟一：實驗操作員打開移動控制終端APP，根據(jù)實驗?zāi)康妮斎雽嶒瀰?shù)，移動控制終端APP將該參數(shù)發(fā)往服務(wù)器；同時打開攝像頭，攝像頭采集底層實驗設(shè)備實驗現(xiàn)場的視頻數(shù)據(jù)，反饋底層實驗設(shè)備實際控制效果，并將視頻數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器，由服務(wù)器發(fā)送到移動終端APP，以視頻的方式呈現(xiàn)控制實驗現(xiàn)場。

步驟二：服務(wù)器根據(jù)實驗參數(shù)與反饋量初始設(shè)置參數(shù)計算出控制量發(fā)送給底層實驗設(shè)備；

步驟三：底層實驗設(shè)備接收由服務(wù)器發(fā)來的控制量，將控制量發(fā)往實驗被控對象，實現(xiàn)對實驗被控對象的控制實驗。下位機根據(jù)實驗?zāi)康牟杉瘜嶒灡豢貙ο髮嶒灁?shù)據(jù)反饋信息，將實驗數(shù)據(jù)反饋信息發(fā)送到服務(wù)器；

步驟四：服務(wù)器實時獲取底層實驗設(shè)備的反饋信息，并結(jié)合實驗參數(shù)計算出控制量再次發(fā)送到底層實驗設(shè)備，實現(xiàn)閉環(huán)控制。同時，服務(wù)器還將攝像頭獲取到的視頻信息發(fā)送到移動終端APP中。服務(wù)器還將反饋量的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫中存儲。

步驟五：重復(fù)步驟二至步驟四，根據(jù)實驗要求、實驗?zāi)康暮蛯嶒瀮?nèi)容開展閉環(huán)控制實驗，直至完成閉環(huán)控制實驗，通過移動控制終端APP結(jié)束實驗、關(guān)閉攝像頭，并關(guān)閉移動控制終端APP。

有益效果：

1、本發(fā)明公開的一種基于遠程實驗的移動實驗教學管理平臺，底層實驗設(shè)備是真實實驗設(shè)備，繼承傳統(tǒng)實驗室實驗客觀、準確的優(yōu)勢，能夠彌補數(shù)字化實驗室虛擬實驗中準確性差的不足，同時利用服務(wù)器與移動控制終端APP實現(xiàn)遠程控制。并且在此基礎(chǔ)上可建立實驗教學平臺，添加諸如實驗操作員管理、實驗數(shù)據(jù)分析、實驗報告生成、實驗結(jié)果評價、相關(guān)教學資源整合與鏈接等一系列功能，繼承數(shù)字化實驗室的提高實驗效率、減少冗余機械勞動的優(yōu)勢，能夠彌補傳統(tǒng)實驗室教學管理造成的資源浪費?？梢哉f對傳統(tǒng)實驗室、網(wǎng)絡(luò)化實驗室各取所長。

2、本發(fā)明公開的一種基于遠程實驗的移動實驗教學管理平臺，可隨時隨地完成實驗，具有“移動化”的特點。在校園網(wǎng)覆蓋區(qū)域內(nèi)，實驗操作員可以利用移動控制終端APP，連接服務(wù)器，輸入控制參數(shù)，隨時隨地完成實驗，并實時得到控制效果的視頻反饋，為實驗操作員做實驗提供了極大的便利。

3、本發(fā)明公開的一種基于遠程實驗的移動實驗教學管理平臺，充分利用實驗操作員的碎片時間。由于隨時隨地開展實驗，實驗操作員可以利用任何碎片時間在任何地點進行實驗。比如早晨起床前、晚上睡覺前等等，完全不受教師工作時間限制。由此實驗操作員可以節(jié)約完整時間去做其他的事情，提高時間利用率與學習效率。

4、本發(fā)明公開的一種基于遠程實驗的移動實驗教學管理平臺，輔助教學，為課上實驗演示提供便利。在移動實驗教學管理平臺概念下，受益于不受時空限制的移動實驗，可在課上進行開放性實驗，將網(wǎng)絡(luò)化的實驗效果呈現(xiàn)在投影儀上，真正將理論與實踐相結(jié)合，加深同學們對知識的理解與把握。

5、本發(fā)明公開的一種基于遠程實驗的移動實驗教學管理平臺，采用真實實驗設(shè)備，實驗結(jié)果準確性高。這里的準確性不是指實驗結(jié)果與課本上理論推導的結(jié)論完全相符，而是指在客觀現(xiàn)實條件下，受到各種干擾情況下得出的實踐結(jié)論。對比該實踐結(jié)論與理論推導的結(jié)論，可啟發(fā)實驗操作員思考更深層次的問題。較之于數(shù)字化實驗室的虛擬實驗，工程性強，也更能增加同學們的學習興趣。

6、本發(fā)明公開的一種基于遠程實驗的移動實驗教學管理平臺，可以跨學科應(yīng)用，豐富實驗資源。移動實驗教學管理平臺結(jié)構(gòu)中的服務(wù)器與控制終端，可組成一個網(wǎng)絡(luò)平臺。該網(wǎng)絡(luò)平臺連接的底層實驗設(shè)備可以不斷擴充。比如擴充自控實驗設(shè)備、智能家居實驗設(shè)備等。擴充成本低，只需購置相應(yīng)器材、對接接口即可。這為平臺擴展提供了極大便利，各個不同學科的實驗操作員可從中享受到更多的實驗資源，開闊視野，了解到自控專業(yè)更多的發(fā)展方向。

7、本發(fā)明公開的一種基于遠程實驗的移動實驗教學管理平臺，具有更高的資源利用率。由于移動實驗教學管理平臺是隨時隨地可完成實驗，所以可以將過去集中在教師工作時間的人流分散到一天的各個時間點，優(yōu)化資源的時間分配，避免教師工作時間實驗器材供不應(yīng)求、非工作時間實驗器材閑置的問題。實驗設(shè)備數(shù)目相同的情況下，每天可以滿足更多的同學進行實驗。

8、本發(fā)明公開的一種基于遠程實驗的移動實驗教學管理平臺，具有更低的人工成本。由于移動實驗教學管理平臺可以隨時隨地遠程完成實驗，不存在進入實驗室實際操作的情況，所以無需開放、關(guān)閉實驗室，也無需對底層實驗設(shè)備進行防盜監(jiān)護，能夠節(jié)約人工成本。同時，移動實驗教學管理平臺作為一個網(wǎng)絡(luò)平臺，可以提供一系列的平臺管理功能，如實驗學習結(jié)果評價、實驗報告生成、協(xié)作學習、相關(guān)教學資源整合與管理等，減少冗雜、簡單重復(fù)的人力勞動，使實驗室老師可以有更多的精力投入到實驗設(shè)計中去。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的一種基于遠程實驗的移動實驗教學管理平臺原理框圖；

圖2本發(fā)明的一種基于遠程實驗的移動實驗教學管理平臺實驗過程流程圖。

具體實施方式：

下面將結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明加以詳細說明，同時也敘述了本發(fā)明技術(shù)方案解決的技術(shù)問題及有益效果，需要指出的是，所描述的實施例僅旨在便于對本發(fā)明的理解，而對其不起任何限定作用。

實施例1：

本實施例公開的一種基于遠程實驗的移動實驗教學管理平臺，包括移動控制終端APP、服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫、攝像頭和底層實驗設(shè)備，構(gòu)成完整的閉環(huán)回路。

移動控制終端APP作為整個實驗教學管理平臺的入口，用于根據(jù)實際實驗需要輸入實驗參數(shù)并發(fā)送到服務(wù)器，此外，還用于從服務(wù)器獲取傳來的實驗數(shù)據(jù)，將所述的實驗數(shù)據(jù)進行可視化處理，并將可視化處理數(shù)據(jù)結(jié)果在移動終端顯示。

移動控制終端APP還用于實現(xiàn)移動實驗教學管理功能，包括注冊、登錄、信息反饋、個人信息管理等管理功能。

移動控制終端APP優(yōu)選混合架構(gòu)。

混合架構(gòu)結(jié)合C/S、B/S架構(gòu)的優(yōu)勢，一次開發(fā)，跨平臺使用。后期維護中，如果僅是對內(nèi)容的更新，同樣實現(xiàn)實驗操作員無感知。同時，也可擴展本機API，較之于B/S架構(gòu)，與本機的結(jié)合更好。

服務(wù)器用于獲取從移動控制終端APP傳來的實驗參數(shù)，根據(jù)實驗參數(shù)與反饋量初始設(shè)置參數(shù)計算出控制量發(fā)送給底層實驗設(shè)備。當?shù)讓訉嶒炘O(shè)備獲取控制量進行實驗后，服務(wù)器還用于實時獲取底層實驗設(shè)備的反饋信息，并結(jié)合實驗參數(shù)計算出控制量再次發(fā)送到底層實驗設(shè)備，實現(xiàn)閉環(huán)控制。同時，服務(wù)器還用于將攝像頭獲取到的視頻信息發(fā)送到移動終端APP中。服務(wù)器還用于與數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

服務(wù)器還用于建立實驗教學平臺、添加諸如實驗操作員管理、實驗數(shù)據(jù)分析、實驗報告生成、實驗結(jié)果評價、相關(guān)教學資源整合與鏈接等一系列功能。

數(shù)據(jù)庫用于保存實驗數(shù)據(jù)、實驗操作員信息等數(shù)據(jù)，服務(wù)器可從數(shù)據(jù)庫中獲取相應(yīng)實驗數(shù)據(jù)，發(fā)送給移動控制終端APP，供數(shù)據(jù)可視化展現(xiàn)使用。

攝像頭用于采集底層實驗設(shè)備實驗現(xiàn)場的視頻數(shù)據(jù)，反饋底層實驗設(shè)備實際控制效果，并將視頻數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器，由服務(wù)器發(fā)送到移動終端APP，以視頻的方式呈現(xiàn)控制實驗現(xiàn)場。

底層實驗設(shè)備是真實實驗設(shè)備，包括下位機與實驗被控對象，下位機用于接收由服務(wù)器發(fā)來的控制量，將控制量發(fā)往實驗被控對象，實現(xiàn)對實驗被控對象的控制實驗；下位機還用于根據(jù)實驗?zāi)康牟杉瘜嶒灡豢貙ο髮嶒灁?shù)據(jù)反饋信息，將實驗數(shù)據(jù)反饋信息發(fā)送到服務(wù)器，即底層實驗設(shè)備根據(jù)服務(wù)器發(fā)來的控制量實現(xiàn)閉環(huán)控制實驗。

實驗被控對象及對實驗被控對象采集的實驗數(shù)據(jù)反饋信息根據(jù)實驗要求和實驗?zāi)康亩ā＠纾篜ID實驗的實驗被控對象可選為電機，實驗被控對象采集的實驗數(shù)據(jù)包括位置信息、速度信息、加速度信息。

本發(fā)明公開的一種基于遠程實驗的移動實驗教學管理平臺實驗方法為：

步驟一：實驗操作員打開移動控制終端APP，根據(jù)實驗?zāi)康妮斎雽嶒瀰?shù)，移動控制終端APP將該參數(shù)發(fā)往服務(wù)器；同時打開攝像頭，攝像頭采集底層實驗設(shè)備實驗現(xiàn)場的視頻數(shù)據(jù)，反饋底層實驗設(shè)備實際控制效果，并將視頻數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器，由服務(wù)器發(fā)送到移動終端APP，以視頻的方式呈現(xiàn)控制實驗現(xiàn)場。

步驟二：服務(wù)器根據(jù)實驗參數(shù)與反饋量初始設(shè)置參數(shù)計算出控制量發(fā)送給底層實驗設(shè)備；

步驟三：底層實驗設(shè)備接收由服務(wù)器發(fā)來的控制量，將控制量發(fā)往實驗被控對象，實現(xiàn)對實驗被控對象的控制實驗。下位機根據(jù)實驗?zāi)康牟杉瘜嶒灡豢貙ο髮嶒灁?shù)據(jù)反饋信息，將實驗數(shù)據(jù)反饋信息發(fā)送到服務(wù)器；

步驟四：服務(wù)器實時獲取底層實驗設(shè)備的反饋信息，并結(jié)合實驗參數(shù)計算出控制量再次發(fā)送到底層實驗設(shè)備，實現(xiàn)閉環(huán)控制。同時，服務(wù)器還將攝像頭獲取到的視頻信息發(fā)送到移動終端APP中。服務(wù)器還將反饋量的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫中存儲。

步驟五：重復(fù)步驟二至步驟四，根據(jù)實驗要求、實驗?zāi)康暮蛯嶒瀮?nèi)容開展閉環(huán)控制實驗，直至完成閉環(huán)控制實驗，通過移動控制終端APP結(jié)束實驗、關(guān)閉攝像頭，并關(guān)閉移動控制終端APP。

實驗被控對象及對實驗被控對象采集的實驗數(shù)據(jù)反饋信息根據(jù)實驗要求和實驗?zāi)康亩ā?/p>

實驗實施例1：PID實驗

PID實驗的實驗被控對象可選為電機，被控量為電機轉(zhuǎn)速，實驗被控對象采集的實驗數(shù)據(jù)包括位置信息、速度信息、加速度信息。

實驗實施例2：溫度控制實驗

溫度控制實驗的實驗被控對象可選為溫度計，被控量為溫度計的溫度，實驗被控對象采集的實驗數(shù)據(jù)包括溫度、溫度變化率信息。

實驗實施例3：直流穩(wěn)壓實驗

直流穩(wěn)壓實驗的實驗被控對象可選為輸出直流電壓，被控量為電壓值，實驗被控對象采集的實驗數(shù)據(jù)包括電壓值、電壓變化率信息。

以上控制所述的具體描述，對發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行進一步詳細說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限定本發(fā)明的保護范圍，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。