基于校园网的远程实验教学平台设计

基于校园网的远程实验教学平台设计
摘要：本文分析了《微机原理与接口技术》公共课实验教学的问题，介绍了远程实验技术的特点和基于“伟福lab8000仿真实验台”的《微机原理与接口技术》远程实验技术的实验教学方案和实验教学平台，给出了平台的软硬件基本结构，及远程实验的控制实现技术。

关键词：微机原理与接口技术；远程实验；实验教学
中图分类号：p315.69 文献标志码：a 文章编号：1674-9324（2013）24-0193-03
一、概述
公共课《微机原理与接口技术》是面向高等院校工科学生开设的计算机基础核心课程之一，是培养学生利用计算机技术与本专业技术相结合，解决实际工程问题的重要课程。

《微机原理与接口技术》课程内容庞杂，对先修知识要求较多，软硬件内容结合紧密，学习难度大，因此实验教学尤为重要。

但实验教学学时少、实验设备不足。

机电类专业学生要求通过本课程的学习，了解微型计算机硬件系统基本组成、工作原理，掌握接口电路的基本设计方法，具备使用汇编语言进行程序设计的能力，学会通过软件控制硬件的方法。

实验教学对本课程的教学效果、检验学生的实际应用能力具有重要作用。

实验教学效率、实验教学内容及实验教学强度对实现本课程的教学目标非常重要。

计算机基础公共课普遍存在开课学生人数多，教师与实验室及实验设备相对少，实验课排课困难，学生实验
不方便等问题。

基于校园网络的远程实验教学平台对解决这些问题、，提高实验教学效率提供了新方向，网络新技术奠定了远程实验教学系统开发应用的基础，虚拟软件等新技术加快了实现远程实验教学系统开发应用的步伐。

基于计算机网络的远程实验平台具有以下特点。

1.学生完成实验课程受到的时间、空间上的制约减小，可随时通过网络登录实验系统，完成相应的实验。

实验室的开放程度、使用效率大为提高，实验资源配置更灵活。

2.提高实验设备的完好率。

学生直接对设备的操作减少了，在实验过程中对设备的损坏几率降低，人员和设备的安全性提高。

在实验中软件的作用增加，使设备更新，尤其是大量同类设备的更新成本降低。

3.实验更方便。

学生直接面对实验环境的实验过程，会提高学生完成实验的积极性。

网络环境实验平台使做实验更方便，而且平台本身就是培养学生计算机应用能力的重要工具。

4.实验课教师的工作效率提高。

网络环境实验平台使教师可以通过网络交互指导学生实验过程、解答问题及处理实验报告等工作。

5.网络实验环境是虚拟实验环境。

虚拟实验是通过音视频获得实验现象。

在实环境中做实验获得的实际感观、体验及对元器件及人身安全注意事项，在虚拟实验环境中学生同样能感受到。

教师面对面指导的“身教”缺失，通过网络交互弥补。

6.远程实验在实验管理上既提供了方便的条件，同时也增加了新
的问题。

如实验过程及提交的实验结果的真实性，实验环境的公平性（网络、机器、软件等），实验持续时间限制等问题，也是必须考虑的。

根据远程实验的这些特点，在实验教学中，一方面积极开发远程实验平台，充分利用远程实验技术的优点，解决学生人数多、对实验设备、实验室需求量大、提高实验资源使用效率等问题，同时采用远程实验与实验室实验相结合方式，避免或降低不利因素。

学生完成的实验中必须有一定数量的实验在实际实验室完成。

二、平台基本结构
《微机原理与接口技术》远程实验平台结构如图1。

其中，远程用户端包括学生用户和辅导教师用户，通过校园网连接到实验室服务器；实验室服务器负责实验室的实验台及用户的管理；实验台由一台微机与“伟福lab8000仿真实验台”构成，它是完成实验的实体。

按实验要求，在学生做实验之前必须按照标准配置接好“伟福lab8000仿真实验台”的硬件连线。

三、软件结构及实现技术
整个系统的软件，包括客户端软件、实验室服务器软件及实验台软件等部分。

根据功能需求，客户端软件包括登陆选择实验台及管理软件，与实验指导教师的交互支持软件，“伟福lab8000仿真实验台”实验及调试软件。

实验台安装一般单机实验的所有软件，可支持本地的单机实验。

为支持远程实验需增加相应软件并联网，并通过实验室服务器连接到校园网络上。

软件结构如图2。

其中，实验控制程序编辑编译，程序下载及系统状态上传，控制执行及调试
与单机试验系统是一样的。

上面两层完成远程访问的支持。

实验时首先登录实验室并选定实验台。

对于单机环境下不需硬件仿真器的实验，可直接在本地完成，只需通过网络获得实验指导和提交实验报告。

对需要硬件环境的实验，在客户机上有一个显示“伟福lab8000仿真实验台”实物的虚拟设备，可以在其上进行相关实验的硬件接线（如同实际使用仿真台的过程一样），；学生给出的连接状态被记录，然后将记录发往远程实验室。

远程实验台接到客户端连线状态表后，进行连线映像转换，以使得硬件系统表现出的状态与实验者设计的状态一致。

对于只有一种连接方式的实验（实验台已按此链接），如果用户发来的连线表正确，则进行后续的软件调试及运行实验。

如果不正确则反馈硬件连接错误信息，提示用户重新设计硬件，如“d/a数模转换实验”。

一旦建立了正确的硬件连接，客户端就可以发送软件直接控制仿真实验台运行，运行结果可以通过实时图像反馈给用户。

对于可能出现的多种硬件连接的实验，或需要实验几种不同硬件连接的情况，在实验台服务器端接到客户端发来的连接关系后，把这些连接与实验台实际连接进行对比，并产生能出现客户端定义的连接效果的映像关系，软件运行时按照这个映像关系控制实验台。

如“步进电机控制实验”，用8255控制的标准硬件连线接法如图3。

如果远程实验客户端给出的连接关系为表1，并按此编程，则在实验台服务器端收到这个表后，做表2所示的变换。

按照这个关系，用服务器端引脚名字替换客户端相应引脚，编译连接后下载运行。

为了方便在实验台服务器端完成这个替换，客户端编程要求在头文件中定义硬件连接关系（c语言），或使用等值定义语句在程序头部分定义连接关系，如：
a equ pa.i
b equ pa.j
c equ pa.k
d equ pa.l
按照以上处理后，如果客户端的硬件连接与软件程序相对应并正确的话，就可以得到预估的实验结果和现象。

实验的现场现象可以通过视频反馈到客户端。

远程实验的结果评测采用两种方式，一是在远程实验客户认为完成实验时，向实验室指导教师发送请求，指导教师可以到相应实验台在线观测现象，并记录，与提交的报告一起作为实验评测依据。

另一方式是提交报告中包含实验现象视频记录，提交后教师可以离线根据提交的材料评测实验成绩。

至于实验过程的指导、实验报告的提交及管理、通信层功能等与一般网络教学管理系统相同，采用相同的技术方法实现，不再赘述。

四、总结
根据《微机原理与接口技术》公共课实验教学需求的特点，利用计算机网络平台提供的通信及远程访问功能，构建可以通过网络远程进行实验的平台，对于解决《微机原理与接口技术》公共课实验教学存在的一些问题、提高教学效率是一个有效手段。

本文提出了一个基于远程实验技术的《微机原理与接口技术》实验教学方案，
设计了一个《微机原理与接口技术》远程实验教学平台，给出了平台的软硬件基本结构，及对于硬件接口实验的远程控制实现技术。

对远程实验的优缺点进行了分析，提出了一个虚实结合的实际教学方法，对实验评测的方法进行了探讨。

随着网络技术、虚拟现实技术及物理实验平台性能的提高，远程实验系统也越来越完善。

《微机原理与接口技术》实验特点是软硬件结合，远程实验中硬件部分实验是较难实现远程操作的。

在《微机原理与接口技术》远程实验技术中，如何提高硬件有关的远程实验效果，是进一步提高实验平台性能的关键。

参考文献：
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[7]“伟福lab8000仿真实验台”说明书[z].2009.
作者简介：侯彦利（1966-），女，河北饶阳人，副教授，学士，研究方向：人工智能；王长喜（1979-），男，吉林人，工程师，硕士，研究方向：信息安全。