网络实验室:24小时亮灯的课堂

发布时间:2007-11-20来源:作者:6597


    秦皇岛市学生杨晓卓在她家电脑上登录了一个系统,杭州浙江大学玉泉校区教2楼225室的实验室里,有一盏灯亮了。
      
    因为这一系统,杨晓卓才有可能通过远程教育学习电气工程及自动化专业。此前,由于无法解决实验难题,工科电类专业的远程教育在全球都是个难题。
    
    综合了几十个实验项目的这个浙大实验室,是目前全球最完备的虚拟实验室。浙江大学开发的这个系统不但引来了国际学界的兴趣,还创造了一个新纪录:开发主力多为本科生。
    
    家里的实验课
    
    10月30日晚7时半,杨晓卓在秦皇岛的家里打开了电脑,登录浙江大学网络实验室终端。根据课程进度,她这次实验的内容是“吹摆”实验。
      
    吹摆实验相对简单,是《控制理论》教学课程中的一个实验项目。实验利用PID及各种自定义算法,对风扇转速控制,将摆叶吹到所设定的角度。
    
    具体而言,就是通过闭环控制,将角度传感器测到的角度与设定角度进行比较,采用脉冲宽度控制输出电压控制风扇,输出风力吹动吹摆。
    
    打个比方,类似于我们对着挂在横杆上的一张纸片吹气,令其达到一个预先设定的角度并相对固定下来。
    
    实际的任务,就是记录这个过程中设定的控制参数和实验波形,并掌握PID控制算法中各参数对控制效果的影响。
    
    杨晓卓凭自己的用户名登实验室后,进入“吹摆”实验界面,开始了她的实验之旅。
    
    实验室里,吹摆实验位置上的一盏灯自动打开,照亮了实验装置。
    
    接着,一只摄像头启动工作,对准实验装置。通过这只摄像头,杨晓卓可以在电脑屏幕上清楚地看到实验室里摆叶被吹起的整个过程。
    
    “网络实验室系统设有一个现场视频服务子系统,使远程教育的学生可以观看实验对象的实际动作,达到和在实验室里直接观看实验同样的直观感受。”主持这项工作的浙江大学电气工程学院朱善安教授说。
    
    除了操作实验装置,各种实验数据会即时显示在电脑界面上,实验步骤是否正确,以及实验结果等各项数据,均同步反应,学生可以实时调节实验参数,以达到完美的实验效果。
    
    令杨晓卓有一点点不满的是,由于学校的服务器老化,加上要上实验课的学生太多,有些学生操作比较慢,导致她等待的时间太长。
    
    “这个问题我们正在想办法解决。但相对来说,等待实验时间,远程教育学生花的时间不比在校生多。这套系统开发成功后,在所有开放时间里,学生不管白天黑夜,都可以上网操作,大大提高了实验资源的利用效率。”朱善安说。
    
    这个网络实验室可以24小时不间断运行,可以让能上互联网的人,通过远程控制这里的实验设备,在网上完成实验并取得实验结果,完全不受空间和时间限制。操作实验时数据在网络上即时传递,几百个人可以在几秒钟之内获得实验数据。
    
    而在校生要进普通实验室做实验,同样得排队。一个实验要两人一组,才能保证每个学生都能做到实验。在进实验台之前,学生们还得做一两个小时的准备。
    
    本科生参与创造的世界第一
    
    这个网络实验室已经拥有5大类、23组、80多个实验,每组实验包括5—8个实验,目前还在继续拓展,基本上包括了本科阶段的电气工程及控制类实验。
      
    看起来如此复杂的实验,却是由在校本科生参与设计和制作的。“完全自己开发、完全自主知识产权,以及算法、软件开发,都是自己做的。”朱善安说。
    
    浙江大学电气工程学院自动化专业的毛韬,现在是四年级学生。2006年3月份,还在读大二的他参与了“基于网络的电力电子实验系统”的实验设计。在这个实验上他只是“偶尔参与”,并且只做界面等涉及软件的部分,同时帮助文档管理和系统测试等辅助性的工作。两个和他一起工作的伙伴,一名硕士一名博士。
    
    但在实验室里长住的经历,让他在参与第二个实验设计时变成了主力之一。在参与“基于网络的DSP实验系统”设计时,他和另外一名硕士完成了软硬件全程设计,当时也许有些难度,但因为一起合作的是硕士,这些困难立即得到了解决。
    
    毛韬并不觉得自己是本科生而在工作上处于辅助地位。“合作居多,有些系统是无法分开完成的,必须一起做。在这个过程中,只要理解了要点,做起来问题不大。”
    
    现在,毛韬已经成了实验室里的骨干之一。
    
    毛韬和杨晓卓所学专业类似,杨晓卓要做的一些实验,毛韬同样要做,只不过一个在实验室里做,一个通过网络。
    
    毛韬感觉,在真实实验环境下,实验过程“更复杂一些”。虽然也有实验步骤等资料参照,但动手和观看是不一样的,比如也许会因为杂乱而搭错线。
    
    但在网络上,这些复杂的东西都没有了,细节和现场有很大差别。虽然步骤和现实中完全一样,但线路之类的细节,会因实验设计的精细而大为清晰,只要按照相应的步骤操作,没有理解错误,一般不会出错。
    
    实际上,网络实验确实比现实实验更加明晰。比如一个交通信号灯的实验,沙盘式的模拟交通道口和红绿灯信号,通过视频传送到网络上,细节比现场更清晰条理。
    
    实验室的墙上有一张大表格,记载着参与实验设计的本科生发表论文的情况。据电气工程学院统计,2002年至今,这个实验室设计平台共指导6届本科毕业设计学生47名、SRTP学生66名,所指导的本科SRTP学生在国内学术杂志及国际会议上发表论文40多篇。
    
    在第二个实验设计完成后,毛韬撰写了学术论文《串行、引导、加载技术在DSP网络实验系统中的应用》,发表在2007年8月份《机电工程》杂志上。
    
    毛韬并不是第一个参与实验设计的本科生,“每届都有延续,每个班都有几个人。”在毛韬所在的班上,另一名学生罗雷也参与了设计。他们和其他年级的本科生一道,成为实验设计的“阶梯式队伍”。
    
    “本科阶段与国际前沿科研结合起来,这是我们培养工科类专业人才的方法之一,大三、大四学生中已经有47个通过网络实验室完成了毕业设计。”朱善安说,到目前为止,浙大的这个实验室综合了几十个实验项目,是全球最完备的虚拟实验室。
    
    这个实验室引起了美国麻省理工学院的关注。从去年夏天开始,已经有两批美国麻省理工学院的大学生和研究生就网络实验室到浙大学习交流。2006年11月,朱善安教授受邀到麻省理工学院针对网络实验室做了专题讲座。
    
    在美国,教育机构投入了大量的资金和人力开发类似实验室,但迄今为止只做了几个孤立的实验,未能系统地完成专业教育的系列实验设计。“他们的成本太高了。”朱善安教授说,相对来说,中国的成本要低很多,作为学业的一部分,毛韬他们没有拿过实验室的报酬,而这个实验室本身的投资包括设备等的投入,也仅有160万元。
    
    全球开放的实验室
    
    秦皇岛姑娘杨晓卓,2002年计算机专业大专毕业后在当地电力公司工作。由于工作内容有关工程技术,非常想进修与工程有关的课程。
      
    由于无法到学校做实验,几乎所有的高校都没有相关专业的远程教育,直到浙江大学的这个网络实验室开发成功。
    
    朱善安教授说,去年4月份他在维也纳参加国际工程继续教育学术年会时,介绍了浙江大学利用网络实验室克服实验难题开展远程工程教育。“目前只有我们成功地解决了这个问题。”
    
    由于网络实验室的建成,从2006年春季起,浙江大学开始了远程工程领域的学历教育,目前浙江大学远程教育学院电气工程及自动化专业学生人数已经突破2000人。其中1500人以上已在全国各地通过网络实验室完成了实验课程,杨晓卓就是春季招生时入学的新生。
    
    朱善安教授说,这些实验设备不是所有的学校都能开发的。一台设备要几万元,一个实验室需要几百万台,单个的学校根本无力单独开发,条件良好的浙江大学紫金港校区也才有60台设备。以后,这个实验室也可以开放给没有这些实验条件的普通高校,供其他高校的学生使用。
    
    除了硬件投入,开发实验的人力成本和版权问题也困扰着网络实验室的建设。浙江大学通过本科生和研究生的合作开发解决了人力成本问题,但版权问题仍然待解。
    
    在国内,教育部主导的虚拟实验室项目也正在推进。这个项目由华中科技大学具体负责,申请经费达到3500万元,浙江大学的这个实验室项目作为子项目,也列入其中。
    
    这个建设中的项目,将拥有最大的自由度,基本装备也比浙江大学现有的这个实验室要精良。如果说现在囿于硬件条件的制约,有些实验无法做到24小时全天候开放,只能预约排队进行。这个项目建成后,可以完全达到设想中的“想做就做”。
    
    国外,麻省理工学院已向美国自然科学基金申请资金,以建立全球性的虚拟实验室系统。如果这个项目成功,浙大这个网络实验室将作为中国的中心节点。
    
    “这是个在全球范围内开放的实验室,只要有网络的地方,就可以到我们实验室做实验。”朱善安教授说。
    
    (本报记者 朱永红 通讯员 周炜)2007年11月20日