开放大学“远程教学”实践启示：融合互联网技术的ELVIS III 平台至关重要

通过手机，笔记本电脑或平板电脑远程连接NI ELVIS III的能力不仅适用于远程学习机构，也适用于所有提供充满活力的实践内容，希望为他们学生的团队协作提供最大化的灵活性
- Dr. Tim Drysdale, The Open University

现代远程教学面临着什么挑战？
作为远程学习机构，开放大学需要给在远程登录的工程本科生提供真正的工程硬件，而且是具有情感联系的接口，使得学生可以通过实际操作进行学习。我们承诺学生可以随时随地使用智能手机、平板电脑或计算机上的现有接口就可以登录学习页面，而不用下载任何自定义软件。

NI ELVIS能为学校提供什么样的创新思路？
使用NI ELVIS平台，我们创建一个用于托管实验的全自动化实验室。我们利用近乎即时的点对点A / V连接（webRTC）来实现即视感存在感，用于数据和控制的websockets以及用于家用设备的自定义HTML5接口。 这使学生能够使用标准浏览器与远程实验设备进行实时交互。
The Open University的成功案例引起了工程教育界的广泛关注，我们请来 The Open University 的两位重磅嘉宾——Dr. Tim Drysdale和Prof. Nicholas Braithwaite分享关于远程教学的经验

院校教育与实际工程如何接轨？
你会认为做工程类的远程教育非常挑战 – 是的，你是对的。但是，所有类型的工科学生在毕业后进入工作，都将面临国际化的团队，他们和团队成员以及使用的设备都有可能不在同一个地点、甚至不在同一个时区。在一些极端情况下，例如在深海里或遥远的太阳系中、或者更为普遍但同样重要的是，在我们繁华都市的地下基础设施中，工程师可能永远不会与那些位于远处的传感器、执行器和工具进行“物理地”交互。

从一开始就培训学生通过远距离使用设备来探索工程世界，这甚至可能是一个优势。但是，首先，教学者必须使教学流程运行顺畅，保证学生可以远程参与学习而不会因挫折而放弃。开放大学耗资580万英镑的OpenSTEM实验室正在应对工程课程的这一挑战。


图1：学生使用手机，平板电脑，笔记本电脑或台式机上的HTML5接口远程接入实验

开放大学由Royal Charter于1969年建立，是英国领先的、具备灵活性和创新性的技术增强型学习大学。 它为世界各地的学生提供了学习资源。 开放大学最初被设想为“空中大学”，利用电视向整个国家播放讲座。 从那时起，教学模式一直紧跟技术发展演进，寻找最佳教学方法。 它将人作为教学互动的中心，帮助学生克服距离和其他障碍。 开放大学已经帮助超过200万被校园教育拒绝的学生接受教育。

在工程教育环境中使用最新的网络技术是证明开放大学处于行业领导地位的另一个重要例子，因为它反映了世界各地工程作业中最重大的变化之一：工程师通常必须在相当远距离的地方运行他们的装备。

它的重要性还因为当教育者寻求新方法与当代各个学科的学生接触的时候发现，这些出生在移动电话时代的人们希望在几秒钟之内就可以从浏览器中获得他们想要的任何东西，电影、书籍、杂货、学习资源。
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开放工程实验室为“工程实验室互联网”提供了有效的装备
开放工程实验室（OpenEngineering Lab，简称OEL）团队采用的创新方法是通过用工程仪器替换视频通话中的一方来进行点对点沟通。 通过这种方法，无论学生是在美国用移动电话还是在欧洲用笔记本电脑，他们都可以随时连接参与操作课程，他们的键盘/触摸屏操作与存在在这个星球上某个地方的仪器和工具上观察到的响应之间没有明显的延迟，这就为“工程实验室互联网”提供了有效的装备。

通过OEL，我们的学生可以远程直接连接到众多预配置的工程工作站中的一个（就像传统的教学实验室）。 每个工作站都基于NI ELVIS教学平台，将几个最重要的工业级仪器（如示波器，函数发生器，万用表和逻辑分析仪）组合成一个单一、直观的设备。

此外，NI ELVIS可与可更换实验板结合使用，用于不同学科的教学，例如电路，控制和通信。 在整个工程课程中，我们的学生与六个不同的实验板进行交互，其中两个是商业上可用的：
QNET旋转倒立摆板 - 专为闭环控制实验而设计，可帮助学生直观地与倒立摆进行远程互动。
QNET机电一体化执行器板 - 学生使用该板来学习常见电机的基本原理。

另外四个实验是在内部设计和建造的：
光和应变传感器 - 学生控制光和应变传感器（旋转鼓，弯曲光束）的物理环境，并配置传感器接口电路以了解灵敏度和噪声。
傅立叶变换 - 具有不同长度的插槽的旋转磁盘允许学生听到电机速度改变引起的频率变化，并观察插槽长度对放置在插槽下方的光传感器产生的信号的频率成分的影响。
数字电路 - 74系列CMOS芯片通过虚拟交换结构连接，学生可以设计和实现组合和顺序逻辑，同时观察到每个引脚上的逻辑状态。
测距传感器 - 红外和超声波距离传感器扫描伪随机物理场景，向学生介绍自动驾驶汽车在监测到危险时面临的挑战。

接下来，我们计划再委托两套商业板：
Emona DATEx电通信板 - 学生可以通过组合标准功能块将数据转换为可传输信号，来探索数字通信系统。
Emona SIGEx信号与系统实验板 - 学生可以配置电路操作信号如用于理解传感器数据或控制机械输出信号

这些实验为我们的学生提供了对传感、处理和驱动的启发性理解。 通过结合现代工程的这三大支柱，即使是学生们最狂热的想象也可以有可操作的方式。


 图片2：在我们电子课程中使用的实验包括(a) Quanser倒立摆，(b) 光和应变传感器，(c) 傅立叶变换，(d) 数字电路，(e) 测距传感器，以及(f) 电机执行器

OEL成绩斐然
迄今为止的结果令人印象深刻。在我们运作的第一年，学生可以从超过200,000个完全检查过的实验课程中选择适合他们的时间操作。 第一个使用该实验室的课程有121名电子工程专业学生，他们使用了600多个课程。 我们还为工作人员和公众提供了额外的数百次会议。 这说明了系统具有处理极大学生群体的能力以及在线托管实验所需要的可用时间的增加。

“我们的一位学生说：“我发现OEL是一种将“动手”的维度添加到模块的绝佳方式。 通过远程学习，为学生提供硬件包是非常困难的。 OEL是一个很好的解决方案。 我发现各种实验都很有启发性; 他们增加了我对优秀课程材料的理解。 它还提供了安全的环境。 此外，即使我在Barbados休假，实验室仍然允许我继续使用该模块 - 真正提供全球接入，好东西！”

在撰写本文时，我们提供了45个连网的工作站，有六种不同类型的实验。实验组合每隔几个月就会发生变化，以适应课程材料的重点，这使得管理实验室成为一项重大挑战。在全负荷运行时，OEL可以在任何时候同时进行198个实验，以及每周进行的变更。

您不会想要手工完成这样的任务。为了满足我们当前和未来的需求，OEL团队建立了一个自动化管理系统，负责每小时更换密码，在可接受的参数范围内检查实验设备功能，并将学生连接到正确的设备，无论他们是单独操作还是组团操作。

这个任务的逻辑比一般的小说需要更多的代码！能成功运行的原因之一是NI ELVIS工作站坚如磐石的性能，支撑着每个实验，并提供了物理世界与websockets和网络数据包世界之间的联系。


图片3，实验设备位于机架中，相比于传统实验室，通过3D空间提高利用率。

开放大学的OpenSTEM实验室团队和OEL项目成功获得了以下奖项：2017年杰出数字创新奖，泰晤士高等教育领导和管理奖之一; 2018年卫报卓越教学奖和2018年全球在线实验室联盟的远程实验奖

下一代NI ELVIS生态系统更加丰富
NI ELVIS III的推出，包括了许多“互联网”功能，这是一个及时的发展。 从手机，笔记本电脑或平板电脑远程连接到NI ELVIS III的能力不仅适用于远程学习机构，而且适用于任何具有蓬勃发展的实践内容的高校，他们希望为学生提供团队工作最大的灵活性，而无论那个时候小组成员身处何处。

如果他们都在房间里，那么他们可以同时在NI ELVIS板的不同部分上工作。 如果小组成员从其他地方访问设备，那么NI ELVIS III可以减轻这样做的难度。

丰富的NI ELVIS生态系统得到了进一步增强，可以自动识别连接的电路板，无需外部电源，两者都有助于管理灵活的实验室。基于FPGA的硬件系统还降低了需要硬件定时执行器和传感器的定制实验板卡的复杂性，因为它们可以直接从NI ELVIS III驱动。 这些发展必将促进工程教育的持续发展和加强，无论是面对面还是远程的教学。

学生们想要随时都能做实验，想在一个浏览器中就能完成，工程教育者能否忽略这些可能性？如果能通过其他的方式，提高实验室之外的利用率，或者提供能够模拟极端恶劣环境的实验设备来提高实验的真实性。此外，即使在讲座开始前五分钟更改了房间分配，实验也可以直接从演讲厅接入使用，这不仅仅是偶然的便利。因此，基于点对点通信世界的创新，通过提供更真实的学习环境并将其置于工程实验室互联网的先锋，为学生带来了益处。