教育乃千秋大业，国之大计。近年来，全面工程教育理论在国内外教育界不断被提起。从全球教育变革这一宏观背景来看，强调全过程、全包容、全民性的全面工程教育，正作为新时代需要的一种新的教育哲学而得到重视。就工程教育而言，其最根本的目的是为学习者建立以理论指导实践、以实践完善理论的思想。实验作为工科类专业教学过程的重要组成部分，是培养学生分析和解决实际问题能力的重要环节，被认为是工科“学习的核心”。 《国务院关于积极推进“互联网+”行动的指导意见》(国发〔2015〕40号)已提出了“互联网+”正式成为国家战略。目前，“互联网+教育”正迅速成为一种教育新理念。正是基于互联网技术的迅速发展和对远程实践教学的社会需求，基于“互联网+实验教学”的远程实验室应运而生。 远程实验室是工程教育远程教学的重要组成部分，也是我国发展远程教育的一个重要内容。随着我国远程教育工程的启动，开发建设远程虚拟实验室的热潮已在全国各大院校蓬勃发展。结合现代教学方法，采用先进的计算机网络技术、通信技术和多媒体技术，实现远程教学和远程实验，通过网络上的任何一台工作站就可以不受时间、地点的限制，进行实验教学和实验模拟。 在远程实验室系统的研究热潮中，国内远程实验平台快速地趋于多元化发展，目前已进入到“战国时代”：部分高校纷纷开始建立相应的远程实验中心和实验平台，相关企业正在逐步开发各类面向公众的远程实验平台。目前国内远程实验平台主要有“远程虚拟”和“远程实物”两种形式。远程虚拟实验建立在先进的计算机和虚拟现实等技术的基础上，通过交互界面实现人机交互，模拟产生真实的实验环境。远程虚拟实验的实验数据是根据理论模型计算得到的，无法获得客观真实的实验数据和真实实验中的各种误差数据，而且真实实验中出现的各种故障也无法体现，因此，缺乏实验的真实性和临场感。与远程虚拟实验不同，远程实物实验是在真实实验环境下进行远程操控。远程实物实验平台主要由监控端、客户端和服务器端组成，通过各种接口与硬件设备相连，由远程控制面板发送控制指令，远程控制真实的实验设备，并通过摄像头观察现象，获得数据。但是，远程实物实验大多是控制远程实验仪器，远程观察示波器等仪器的测量现象，而实验设备的连线都是事先接好的，实验者仍然无法在实验中观察到实验中可能出现的相关故障，也无法获得实验的各种误差数据。因此，也可以说远程实物实验是一种“虚拟的伪真实”。另外，不同的仪器厂商及相关企业制定的远程实验仪器接口协议及标准都略有不同，缺乏通用性。 本书提出的工程教育远程实验室系统，是一种新的采用基于社交即时消息(IM)应用程序架构的TURN-KEY远程实验集成解决方案。这个新框架作为远程实验室系统的基础平台，通过HTML 5和Web 2.0技术，将远程实验课程作为唯一的ID节点灵活地添加到远程实验室系统中，而且易于集成到大多数流行的、基于Web的学习管理系统(LMS)中，并连接到社交网络。本工程教育远程实验共享平台是目前第一个使用流行的社交IM应用程序体系结构的集成远程实验室系统，无需额外插件就能将电子信息类、人工智能类、机械控制类、结构工程类等工程教育相关实验接入，包括实验硬件系统、数据传输系统、数据服务与存储系统和实验应用系统，可以实现实时视频、桌面共享、实验论坛、实验预习、实验过程控制、实验报告管理和实验评分等功能，同时还可扩展集成第三方的虚拟实验课程资源或者自建课程资源，为各类院校提供远程实验教学环境与服务。该平台还以课程管理为基础，结合视频点播、视频直播和其他功能模块，实现了班级管理、课程发布、课程预习、作业练习、小组讨论及在线考试等功能，有效提高了教学过程管理的效率与远程实验的学习体验，增强了学习平台的教学黏性，为工程教育的实验课程提供了一个非常重要的教学平台。 本书为高级远程实验室技术的开发提供了完整的指南，为该领域当前研究和应用中遇到的核心问题提供了相应的解决方案。授其业谓之为“鱼”，传其法才能谓之为“渔”。为达到“鱼渔双授”的目的，本书所设计的实验内容以提升学习者在“理论→实践→理论”过程中的学习能力为目的，结合现代教学方法，设置科学、合理的教学模式，张弛有度，引导学习者通过独立思考、讨论等各种方法进行探索，获得新知，激发并培养学习者的主观能动性，同时教会学习者理论联系实际的方法，并引导学习者通过实践反馈来印证理论，甚至是完善理论的思维方式。本书可作为高校相关专业本科生及研究生的学习参考资料，也可作为相关领域的教师及工程师开展远程实验的参考资料。 本书共8章。第1章介绍了远程实验室的概念，分析了国内外的研究现状，并对远程实验技术的发展进行了展望。第2章在分析国内外主流远程实验技术的基础上，提出了一种新的基于社交即时消息(IM)应用程序架构的TURN-KEY远程实验集成解决方案，以提高学习者的工程教育和研究能力以及利用工业应用程序自定义远程实验的能力。第3章基于一种新型在线可编程实验平台，介绍了远程实验室系统(实验平台)的相关设计方法。第4章介绍了一种新型的面向移动设备优化的应用程序架构，该应用程序架构作为一种开发工具，为众多应用领域(如M-Learning应用、工业电子应用等)的应用程序开发提供了新的解决方案。第5章介绍了基于工程教育远程实验共享平台的远程实验教学的内容设置方法，并探讨了其教学模式，同时给出了四个实验案例，涉及嵌入式技术、人工智能、结构检测等领域，供学习者参考。第6章介绍了一种基于Web的集成开发环境(IDE)的在线可编程平台，借助这个平台，用户可以协作设计和实施新的远程可编程控制实验。第7章介绍了一种基于Wiki技术的优势和灵活性的统一框架开发远程实验系统(RL)的创新方法，可为学习者开发新的平台提供新的思路。第8章作为全书的总结，探讨了建设远程实验平台的核心与要素，并对其发展趋势进行了展望。 本书由昆山阳澄湖科技园、西安电子科技大学昆山创新研究院、昂徕博智能科技(昆山)有限公司、苏州丰华声赫智能科技有限公司和国家电工电子教学基地(西安电子科技大学)共同策划。参与本书编写的有邓军、戚玉涛、罗明璋、哈睿、王宁、刘旨阳、李修权、袁晓龙。在编写本书的过程中得到了昆山阳澄湖科技园管理委员会和西安电子科技大学出版社的大力支持，在此表示衷心的感谢！ 由于作者知识水平和教学实践经验有限，加之书中一些内容为创新尝试，因此难免存在不妥之处，恳请广大读者批评指正。 作者联系邮箱为：dengjun@xidian.edu.cn。 作 者 2022年3月

本书旨在体现产教融合理念，为高级远程实验室的开发提供完整的指南。本书在分析国内外主流远程实验室技术的基础上，提出了一种新的基于社交即时消息 (IM) 应用程序架构的TURN-KEY远程实验集成解决方案。同时，基于一种新型的在线可编程实验平台，介绍了远程实验室系统平台的相关设计方法，以及设计面向移动设备优化应用程序体系结构的方法，可适用于众多应用领域的应用程序开发。 本书还给出了若干实验案例，涉及嵌入式技术、人工智能、结构检测等领域，供读者参考。 本书可作为高校相关专业的本科生及研究生的学习参考资料，也可作为相关领域的教师及工程师开展远程实验的参考资料。

第1章　远程实验室技术介绍 1 1.1 引言 1 1.2 远程实验概述 3 1.3 国外远程实验室系统及其现状 4 1.4 国内远程实验室系统发展现状 7 1.5 远程实验室系统开发技术的发展 13 1.5.1 用于远程实验室系统的云计算技术 15 1.5.2 移动远程实验室应用开发 17 1.5.3 用于远程实验室系统的社会计算技术 20 第2章　远程实验室构架及其关键技术 22 2.1 引言 22 2.2 快速集成离线实验的新型远程实验平台架构 23 2.2.1 高可扩展架构的理论基础 23 2.2.2 Node.js Web引擎 24 2.2.3 数据传输协议选择 25 2.3 新型信息交互框架设计案例 27 2.3.1 客户端Web模块 28 2.3.2 服务器模块 28 2.3.3 新版LtoN协议 29 2.3.4 技术与创新 29 2.4 远程实验信息共享机制 30 2.4.1 基于Wiki技术的学习环境 30 2.4.2 基于Wiki的远程实验室系统架构 31 2.4.3 基于Wikidata和标签云的搜索框架 32 2.4.4 基于Wiki的知识共享平台模型架构 32 2.4.5 基于Wiki的知识共享平台的协同工作模式 34 2.4.6 灵活便捷的实验实施过程 35 2.4.7 优化与改进方向 36 第3章　远程实验室设计方法 37 3.1 引言 37 3.2 基于云计算的RLaaS框架设计 39 3.2.1 实验应用程序即服务(EAaaS)层 39 3.2.2 实验开发框架和运行环境即服务(EFEaaS)层 40 3.2.3 基础实验资源即服务(BERaaS)层 40 3.2.4 RLaaS-Frame框架的特征 41 3.2.5 RLaaS-Frame框架的参考部署过程 42 3.3 适用移动设备的应用架构设计 45 3.4 远程控制可编程逻辑控制器的设计 45 3.4.1 可编程逻辑控制器的原理与组成 45 3.4.2 可编程逻辑控制器的特点 47 3.4.3 可编程逻辑控制器的功能选择 48 3.5 基于PLC的在线可编程实验平台设计 50 3.5.1 基于PLC的远程实验室平台架构 51 3.5.2 基于PLC的远程实验室平台的功能 51 第4章　一种新型的移动优化远程实验室应用程序架构 53 4.1 引言 53 4.2 新型移动优化应用程序架构 54 4.2.1 移动优化应用程序层 55 4.2.2 统一框架层 56 4.2.3 新的移动优化应用程序体系架构的特征 58 4.3 远程实验室架构在移动优化方面的改进方向 58 第5章　工程类远程实验案例设计与实现 60 5.1 引言 60 5.1.1 教学模式 60 5.1.2 实验内容设置方式 62 5.2 嵌入式无线传感网络应用实验 64 5.2.1 实验目的 64 5.2.2 实验原理 65 5.2.3 实验设计 70 5.2.4 实验过程 83 5.2.5 实验结果及分析 92 5.3 基于北斗的定时定位系统设计实验 98 5.3.1 实验目的 98 5.3.2 实验原理 100 5.3.3 实验设计 106 5.3.4 实验过程 107 5.3.5 实验结果及分析 115 5.4 可编程机器人视觉目标跟踪算法实验 117 5.4.1 实验目的 117 5.4.2 实验原理 118 5.4.3 实验设计 121 5.4.4 实验过程 125 5.4.5 实验结果及分析 129 5.5 电涡流调谐质量阻尼远程控制实验 133 5.5.1 实验目的 133 5.5.2 实验原理 134 5.5.3 实验设计 137 5.5.4 实验过程 141 5.5.5 实验结果及分析 144 第6章　用于远程可编程控制实验开发的新型在线可编程平台 148 6.1 引言 148 6.1.1 用于实验设备控制的可编程逻辑控制器 149 6.1.2 工作站中用于实验设备控制的软件 150 6.1.3 用于实验设备控制的基于服务器的可编程环境 151 6.2 在线可编程实验平台架构 151 6.2.1 用户层 153 6.2.2 平台内核层 153 6.2.3 系统层 154 6.2.4 新的在线可编程实验平台的优势 154 6.3 在线可编程实验平台的改进方向 154 第7章　基于Wiki的工程教育远程实验室平台 156 7.1 引言 156 7.2 基于Wiki的远程实验室系统架构 157 7.2.1 终端用户层 159 7.2.2 平台层 159 7.2.3 数据存储层 160 7.3 基于Wiki的远程实验室平台的实现过程 161 第8章　总结 163 8.1 远程实验教育的模式创新 164 8.2 远程实验教学实施与评价 168 参考文献 170