基于LXI和云存储的网络实验教学管理平台开发

常莉莉, 保延翔, 郭东亮

(中山大学 实验教学中心, 广东 广州　510006)



基于LXI和云存储的网络实验教学管理平台开发

常莉莉, 保延翔, 郭东亮

(中山大学 实验教学中心, 广东 广州510006)

针对实验教学中存在学生人均实验时间不足、实验结果提交不规范、教学管理工作重复度过高等问题,中山大学电子电工实验平台提出基于LXI技术构建网络化实验教学管理平台,并采用云存储技术实现数据存储的解决方案。实践表明该平台能有效提高学生实验自由度和自主性,并可加强实验教学质量监控,同时也为个性化实验教学和开放式实验过程管理奠定了基础。

网络实验教学管理； LXI； 云存储； 远程监控

实验教学是高校理工科教学工作中的重要环节。然而由于高校学生人数逐年增多,实验教学资源远跟不上实验教学的需要。如何充分利用现有资源培养兼备工程实践能力和创新能力的学生是实验教学面临的重要挑战[1]。

目前,中山大学实验教学中心的电子电工实验平台面向信息科学与技术学院、软件学院、移动信息工程学院等多个院系的本科生,独立开设电路基础实验、数字电路实验、电路与模拟电子技术实验、电工电子实验，以及单片机与接口技术、通信原理、计算机组成原理等课程的课内实验,并承担相关专业的实践性环节、工程训练和课程设计及毕业设计任务。由于做实验的学生多,因此存在如下问题:

(1) 人均实验时间短,每个学生每周大约只有2小时,难以完成实验并记录、分析大量实验数据；

(2) 学生撰写实验报告不规范,存在抄袭现象；

(3) 由于实验课上课人数多,实验指导教师很难掌握每个学生的实验能力并及时指导。

近年来,我校电子电工实验平台积极利用先进的网络信息技术,促进优质教学资源的整合与共享,克服了实验室场地和设备的局限,结合自身的实验教学模式和实验设备配置,建立了网络化实验教学管理平台,提高了实验教学质量,进一步加强了对学生动手能力、实践能力和创新能力的培养。

1　相关技术背景

数字混合信号示波器、函数信号发生器、台式万用表和多路直流稳压电源是我校电子电工实验平台实验台的标准配置。这几种实验设备都满足LXI(LAN-based eXtensions for instrumentation,局域网技术在仪器领域的扩展)标准,提供符合IVI规范的驱动程序,并支持VISA资源名[2],具有LAN接口或GPIB与LAN的转换器,支持网络传输的零槽控制器,这就使实验台上的设备可以方便地通过网线和已有的LXI接口组网,同时已有的GPIB、VXI和PXI测试系统也可以很容易地接入到整个LXI总线网络中[3]。此外,我校实验教学中心已建立云存储平台,将网络实验教学管理平台部署在现有云平台,不仅可以节约成本,还能使系统性能得到提升,具有更佳的数据存储和分析能力。

1.1LXI总线技术

LXI是安捷伦公司和VXI科技公司提出的一种仪器接口规范。LXI基于工业标准以太网(Ethernet)技术,扩展了仪器需要的语言、命令、协议等内容。LXI构成了一种适用于自动测试系统的新一代模块化仪器平台标准[4]。

采用LXI总线组网有以下优势。

(1) 基于TCP/IP的LXI网络是一种标准的开放式网络,不同厂商的设备很容易互联,非常适合解决控制系统中不同厂商设备的兼容和互操作的问题,因此适合实验室设备互联。

(2) LXI标准目前已获得超过40家的主要仪器厂家的支持,产品覆盖了传统仪器、模块化仪器和功能模块仪器,因此实验室现有设备都有LXI接口。

(3) LXI网络系统可以不受节点和距离的限制,适合分布式系统组网,适用于实验室多、设备多、校区离散分布的高校。由于LXI设备易于与Internet连接,从传输距离来看,点对点的网络传输距离是100 m,利用交换机或集线器可以达到200 m,如果用光纤通信可以达到几千公里,各类网络终端能够在很远的地方通过Internet对设备进行监控。

(4) LXI设备利用标准的以太网接口传递数据,而网络的传输速度已经在过去15年里从10 Mbit/s发展到10 Gbit/s,因而采用LXI总线组网可以提高系统数据传输速度。

(5) LXI总线技术适用于远程中央控制系统[5],便于实验室设备的集中监控。与传统的GPIB和VXI总线技术相比,由于每个LXI设备有自己的处理器,所以监测节点处不需要终端计算机,可以将实验台上的LXI设备通过交换机组网后由远程服务器集中控制,从而简化系统配置。

(6) LXI仪器提供符合IVI规范的驱动程序,采用Web页作为控制界面,使得仪器的编程控制更加方便[6]。

1.2云存储技术

云存储技术是将网络中大量的不同类型的存储设备通过应用软件集合起来协同工作,共同对外提供数据存储和业务访问功能的技术[7-8]。

系统数据采用云存储有诸多优点。

(1) 云存储数据采用多副本容错、计算节点同构可互换等措施,可保障数据服务的稳定性和可靠性[9]。系统数据通过云存储实施备份,可以避免因设备硬件或软件问题导致数据丢失,提升了系统数据的安全性。

(2) 可以在实验室海量非活动数据日益增长的情况下,保证师生访问系统数据的存取速度需求。

(3) 将仪器数据和实验数据利用云存储数据库服务器进行存储[10],便于后续信息分析与统计,利于数据挖掘与知识发现。

(4) 采用实验教学中心现有的云存储平台搭建网络实验教学管理系统,可以为实验室节约重新采购硬件设备的成本和日后升级存储系统的资金。

我校电子电工实验平台分布在广州东校区和珠海校区。通过云存储,将位于不同校区的实验室的实验设备和实验数据进行连接和统一存储,师生可以利用PC、手机、移动多媒体等不同设备,登录统一的云存储平台,访问所有实验室的设备和数据,有效提升了师生使用的便利性。另外,采用云存储技术也提升了系统可拓展性。目前基于LXI技术的网络实验教学管理系统主要应用于电路与模拟电子技术的实验教学中。该平台在设计时考虑了可拓展性,后续还将应用于数字电路设计、通信技术原理等多个电子实验课程和设计项目的辅助教学中,并添加实验室设备的资产管理功能。采用云存储技术,在新加入实验数据时,可以快速拓展存储空间,免于重新部署硬件和数据迁移中可能出现的数据丢失等问题。

2　网络实验教学管理平台的设计

基于LXI和云存储技术的网络实验教学管理平台是电子电工实验平台根据实验室现状和教学特色设计的一套基于LXI的网络实验教学管理系统,采用云存储技术实现后台数据的存储[11-12]。系统的总体架构如图1所示,主要包括应用服务器、备份服务器、云存储控制服务器以及后端存储设备。

应用服务器:主要用于提供设备监测、设备远程控制、设备数据上传下载、学生信息管理、实验课程信息管理等服务。

备份服务器:用于服务器端网站的定期备份。

云存储控制服务器:用于对外提供实验数据、学生信息以及课程资料数据的存储和数据访问服务,管理和分配所有可用存储资源,实现负载均衡。

图1　基于LXI和云存储技术的网络实验教学管理平台架构图

后端存储设备:采用分布式存储方式聚合各存储节点的存储空间和I/O性能,从而提升存储空间的自适应伸缩性能以及数据存取速度。

由于B/S架构具有易于维护、升级和便于多种类型网络终端接入的优点,本系统采用B/S架构[13]。实验室内每个实验台上的设备包括学生用电脑、示波器、万用表、直流电源和函数信号发生器,它们均用以太网口连入集线器,并通过局域网与系统应用服务器相连。

教师或学生只需要一台联网的网络终端设备(实验台上的电脑或移动网络终端),就能通过浏览器访问系统服务器,实现实验设备的远程监控、实验数据和波形的获取和提交、实验课程的设置、实验教学成果的验收、学生信息管理等功能。

3　平台运行效果

至今,基于LXI技术的网络实验教学管理平台系统已在我校东校区的实验教学中心电子电工实验平台的电子技术实验室实现局域网系统的搭建。由于实验室内的设备数量不多,目前仍采用传统的基于本地存储的B/S结构搭建网络实验教学管理平台系统。待应用成熟后,再通过云存储技术升级系统，实现多校区跨地域的部署使用。

3.1平台的功能模块

图2所示为基于LXI技术的网络实验教学管理平台系统整体功能框图。该网络实验教学管理系统可划分为设备管理、实验设置、报告管理、查询统计、师生互动、用户管理6个功能模块。

图2　基于LXI的网络实验教学管理平台系统功能框图

(1) 实验设置功能。教师在实验课前将实验内容录入系统,并设置本节课程的起止时间、各步骤分数和实验要求,以及学生需记录的数据、波形、数据标准值、误差范围、数据来源以及相应的机器指令。教师指定本节课程内容面向的学生班级,只有指定班级的学生才能看到该课程内容。另外，指定班级所有学生需要在限定时间内完成实验,并提交报告,否则将被标注为报告逾期。

(2) 报告管理功能。实验课开始后学生登录系统,按照课程设置进行实验操作,并按要求利用机器指令提取设备测量数据和波形以及示波器截图或信号源截图。完成实验报告后学生可提交在线报告至服务器,系统将保存学生上传的波形图像,并根据教师预设标准数据、误差范围和评分标准,对实验数据自动评分。教师则需登录系统后检查学生报告中的波形是否合理、实验分析结论是否正确,判断是否给予报告主观部分的分数。评分完毕,系统将自动统计并显示报告总分。

(3) 设备管理功能。实验课程进行时,教师登录系统后可远程监控所有设备是否运转正常。系统可采用缩略图形式标注实验室内运转正常的设备、未开机的设备以及故障或网络不通的设备。教师也可远程控制实验室内任意实验台上一台或多台设备并调取实验数据和波形。系统提供精简的仪器控制界面,教师可以在该界面下完成全部或任一实验室设备基础参数的设置,并看到实验室内任一实验台上设备的当前参数设置下相应的波形及数据。

(4) 查询统计功能。实验课后教师可在线批改学生提交的报告并发布成绩,同时统计分析实验报告得分情况,及时获取教学反馈信息。

3.2平台解决的主要教学问题

该网络实验教学管理平台解决了上文提到的一些实验教学问题。

(1) 师生均可利用图形化界面控制实验仪器设备并提取数据和波形,既方便了学生对实验波形的记录工作,也方便了教师了解学生实验进展的情况。数据和波形保存于后台云存储平台,方便师生随时查阅,避免了实验数据的遗失。

(2) 系统管理员通过实验台终端IP的设置,使学生登录系统后只能从所在实验台设备获取实验数据和波形,并上传实验报告,防止了学生实验数据的抄袭和杜撰现象。

(3) 缩短了实验教学“收集—提交—批改—返还”的过程。学生提交的数据可获得实时判断正误,师生均可随时查看实验报告提交与批改情况,不仅督促了学生提交报告和教师批改报告,还使得整个教学管理透明化。

(4) 适用于多门实验课程,教师根据需求定制课程内容和要求,并可在课后获取各项统计报表,进行实验教学成果的累计和数据分析。

(5) 适合实验室的开放式教学,学生在课后可独立完成实验并提交报告,从而减轻了实验室资源利用和教师统计考核的负担。

3.3现行平台性能测评

现阶段搭建在电子电工实验平台的电子技术实验室内、基于LXI技术的网络实验教学管理平台系统如图3所示。采用浪潮NF5270M3型服务器,服务器配有至强E5-2620处理器(6核2.1 GHz,L2缓存：6×256 KB，L3缓存：15 MB，7.2 GT/s总线频率)、300 GB固态硬盘、600 GB×4磁盘阵列硬盘、双千兆网卡和双电源保护。电子技术实验室每个实验台都配备电脑终端、示波器、万用表、直流电源和函数信号发生器,系统支持实验室内80个实验台300多台实验设备同时运转。

图3　基于LXI技术的网络实验教学管理平台应用场景

该系统支持在线用户数100个、并发用户数为50个的情况下,客户端信息查询和仪器管理等各项操作响应时间在5 s之内,以保障系统操作和页图刷新的顺畅。系统在多用户在线或并发操作时,服务器内存使用上限为系统内存的85%以下,CPU占用率上限为90%以下。

网络实验教学管理平台系统用于电路与模拟电子技术实验课程教学已半年多,基本达到了预期指标,但系统的响应速度仍不够理想,测试结果如表1所示。

表1　系统测试结果统计

采用IxChariot测试工具,测得电子技术实验室的局域网在上下行数据传输速率平均为70～80 Mbit/s的情况下,采用HttpWatch测试系统页面响应时间,除了在对实验室内300多台设备下达控制指令的响应时间略长以外,其他各项操作的响应时间基本在5 s以内。

在对该网络实验教学管理平台进一步的研究中,需进一步代码调优,以提高页面响应速度。考虑到平台的跨校区、跨实验室使用和功能的可拓展性,在优化升级现有电子技术实验室的基于LXI技术的网络化教学管理平台基础上,还需利用数据仓库技术将分布在各实验室的仪器和实验数据构建统一的信息模型并进行云存储,将该平台应用至电子电工平台多个实验室(包括珠海校区电子电工实验室),最终搭建起基于LXI和云存储技术的网络实验教学管理平台。

4　结语

基于LXI和云存储技术的开放式网络实验教学管理系统的开发,促进了电子电工实验平台多层次、个性化的实验课程建设。教师可借助该系统不断丰富实验课程内容,优化实验教学管理流程,从而提升实验教学水平。例如可在该平台上根据不同院系、专业的实验需求,以及学生的学习进度,分别设计基础验证型实验和创新设计型实验,使学生不仅可以在实验室完成预设课程,还可通过远程实验完成实验操作并提交实验报告。教师还可充分利用平台的自动判分和错误统计功能,为学生提供远程、实时的实验指导,更可在平台中设立多等级的评分体系,鼓励有兴趣、有能力的学生进行更多探索性实验。

搭建基于LXI和云存储技术的网络实验教学管理平台,是电子电工实验平台在促进实验室个性化教学与开放式实验过程管理上的探索与尝试,在该平台的辅助下,学生掌握了学习的主动权,激发了学生的积极性和主动性。

References)

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Development of platform of network experimental teaching management based on LXI and cloud storage

Chang Lili, Bao Yanxiang, Guo Dongliang

(Experimental Teaching Center, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510006, China)

This paper analyzes the current situation which is the redundancy and repetition in experimental teaching and the shortage of students’ experimental time, and presents a network teaching management platform based on LXI (LAN-based Extensions for Instrumentation) technology which is established by the electronics and electrotechnics laboratory, using cloud storage technology, combined with its own characteristics. The degree of students’ freedom and independence in the experimental class are effectively improved by using this system. Furthermore not only the monitoring of the experimental teaching is strengthened, but also the personalized teaching and the process management of open experiment are promoted by applying this system.

network experiment teaching management; LXI; cloud storage; remote monitoring

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.04.039

2015- 09- 21

中山大学信息技术国家级实验教改示范中心实验教学改革项目(2013008)

常莉莉(1982—),女,吉林省吉林市,硕士,助理实验师,主要从事实验室管理和本科实验教学研究.

E-mail：changll@mail.sysu.edu.cn

TP393

A

1002-4956(2016)4- 0143- 05