杨景贺, 徐 倩, 陈鹏飞, 杨 光, 姚 立, 范润龙, 高忠民, 田 地

(1. 吉林大学 仪器科学与电气工程学院, 吉林 长春 130061; 2. 吉林大学 地球科学学院, 吉林 长春 130061;3. 中国地质科学院地质研究所 北京离子探针中心, 北京 102206; 4. 吉林大学 X射线衍射中心,吉林 长春 130061; 5. 吉林大学 无机合成与制备化学国家重点实验室, 吉林 长春 130061)

X射线衍射仪远程网络实验室开发

杨景贺1, 徐 倩1, 陈鹏飞1, 杨 光1, 姚 立2, 范润龙3, 高忠民4,5, 田 地1

(1. 吉林大学 仪器科学与电气工程学院, 吉林 长春 130061; 2. 吉林大学 地球科学学院, 吉林 长春 130061;3. 中国地质科学院地质研究所 北京离子探针中心, 北京 102206; 4. 吉林大学 X射线衍射中心,吉林 长春 130061; 5. 吉林大学 无机合成与制备化学国家重点实验室, 吉林 长春 130061)

吉林大学X射线衍射中心拥有先进的仪器设备,雄厚的师资和技术力量，为了充分发挥吉林大学X射线衍射中心在仪器、学术和技术资源上的优势,实现优质资源为社会服务,开发了吉林大学X射线衍射仪远程网络实验室系统。该系统具有现场视频与计算机屏幕视频的实时播放、语音交互、实验案例点播、课程预约、信息发布、实验报告上传、成绩记录等功能。现已开展远程网络教学试验工作。

X射线衍射; 远程实验; 网络教学

20世纪90年代初国内外就已开展了大型仪器网络实验室建设。1990年Carl Zmola等人开展扫描电镜远程实验,实现样品图像远程传输。2002年建立的北京离子探针远程共享控制系统和2005年JOEL公司的POIT-EM系统,不仅能共享实验结果和仪器计算机屏幕视频,而且能实现专家异地远程操作仪器、语音交流等[5-7]。目前大型科学仪器网络实验系统在提升仪器利用率和异地专家协同实验等方面取得了显著成果[8-9]。远程网络教学起步较晚,早期是2007年,在美国犹他州州立大学开设一门允许全球人参与的课程。近年来网络学习平台的设立及课程提供商的兴起,让更多学生能够参与各种网络课程学习。现在应用最广泛的是MOOC(大型开放式网络课程),每个人都能免费获取来自名牌大学的资源,可以在任何地方对很多设备进行学习[10]，但是未见大型分析仪器,特别是X射线衍射仪用于远程教学的报道。于是，我们开发了吉林大学X射线衍射仪远程网络实验室。

1 总体设计

吉林大学X射线衍射仪远程网络实验室具有现场视频与计算机屏幕视频的实时播放、语音交互、实验案例点播、课程预约、信息发布、实验报告上传、成绩记录等功能,系统内容框架如图1所示。

系统功能基于B/S结构,用Java+MySQL+Tomcat技术,并嵌入jQuery库、AJAX技术、ActiveX控件，实现基于Web模式的功能。

图1 系统内容框架图

2 功能模块设计

2.1 实验过程同步播放子系统

该子系统用于实时显示实验室现场情况、控制仪器工作的计算机屏幕内容。

硬件部分:实验室现场情况通过球形摄像头获取;X射线衍射仪计算机屏幕内容通过视频采集盒和VGA分配器获取,经H.264的视频压缩格式压缩后实时播放给远端学生。

软件部分:采用摄像头提供的动态链接库,实现对摄像头拍摄角度及缩放倍数的控制。采用NetViewX控件,二次开发多路视频通道的IP地址、端口和控制线程,实时显示视频信息。实验过程同步播放子系统流程如图2所示。

图2 实验过程同步播放子系统流程图

2.2 实验互动交流子系统

该子系统用于建立远端学生与实验教师的语音交流。采用开源音频控件VSession，控件作为网络实验室底层音频控件,编写服务器IP地址和数据端口等属性封装成符合教学功能的音频控件。采用UDP内网穿透技术进行数据传输,使一个内网节点在收发数据时将自己的IP地址和端口自动地呈现在外网上,并且能够与系统内其他节点进行正确的通信,解决学生利用路由器上网无独立IP地址而无法建立链接的问题[11]。实验互动交流子系统流程如图3所示。

图3 实验互动交流子系统流程图

2.3 实验信息共享子系统

该子系统用于将X射线衍射仪的实验结果、测试图表等实验信息进行网络化共享,使参与网络教学的学生就可以在线获取实验数据。采用位图格式或无损图像压缩方式将截取的图像传输给远端用户,以保证远程共享的测试图表具有与本地同等的清晰度。

2.4 实验案例点播子系统

该子系统包括网络课程资源和典型案例库。网络课程资源由大型多功能X射线衍射仪的功能构造与应用、晶体结构点阵常数的精确测定,以及矿物定性、定量分析等课程单元组成。典型案例库由高聚物结晶度分析、在牵伸过程中PAN原丝中微孔取向角的小角衍射动态变化规律分析、分子筛中有序微孔长周期的小角衍射分析等具有代表性的实验方法组成。

2.5 网络实验教学管理子系统

该子系统包括课程预约、信息发布、实验报告上传、成绩记录。采用课程预约的模式,防止当有过多人同时在线观看时,造成网络拥堵、音视频传输延迟的问题。教师在系统的通知公告上发布上课的时间段,学生根据教师规定的时间段选择适合自己的上课时间[12]。

吉林大学X射线衍射仪远程网络实验见图4—图6。

图4 Web显示仪器计算机屏幕图

图5 Web显示现场情况图

图6 Web显示案例点播图

3 结束语

现已完成各个功能模块的开发及系统的集成和安装,并开展远程网络教学试验工作,取得了良好的效果。本项工作可为其他大型科学仪器网络实验室的建设提供借鉴。

References)

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[2] 闻星火,李明,黄乐,等.高等学校仪器设备和优质资源共享系统的建设与成效[J].实验技术与管理,2006,23(10):6-11.

[3] 徐晓明,苗伟,陶琨,等.高水平X射线衍射仪开放共享服务平台的建设[J].实验技术与管理,2011,28(3):191-194.

[4] 闻星火,孙丽为,刘连臣,等.建设高等学校仪器设备和优质资源共享系统,为教学科研服务[J].实验技术与管理,2005,22(10):4-10.

[5] Furuya K,Tanaka M,K.Mitsuishi,et al.Public-opened Internet Electron Microscopy 2005 in Japan-Remote-control SEM and TEM for High-school Users[J].Microscopy and Microanalysis,2005,11(2):68-69.

[6]Carl Zmola,Oscar H.Kapp.Networking of an electron microscope laboratory internally and to the internet [C]//Applications of Optical Engineering:Proceedings of OE/ Midwes.USA:SPIE,1990:331-334.

[7] 刘敦一.大型科学装备远程共享示范研究：离子探针示范系统[J].地球学报,2006,01:50.

[8] 田地,邱春玲,杨智君,等.大型科学仪器工作状态监测系统简介[J].实验技术与管理,2005,22(12):4-5.

[9] 马骏骁,李伟,杨智君,等.科学仪器工作状态监测装置的设计与实现[J].分析化学,2007,35(3):466-468.

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[11] 白雪,刘学,邱春玲.UDP内网穿透技术在网络实验室系统中的应用[J].科技通报,2013,29(9):77-80.

[12] 司晓波,焦世惠,陈鹏飞,等.基于贪心算法和近距离搜索法的实验室仪器预约研究[J].科技通报,2013,29(9):72-76.

Development of remote network laboratory with X-ray diffractometer

Yang Jinghe1, Xu Qian1, Chen Pengfei1, Yang Guang1, Yao Li2, Fan Runlong3, Gao Zhongmin4,5, Tian Di1

(1. College of Instrumentation and Electrical Engineering,Jilin University,Changchun 130061, China; 2. College of Earth Sciences,Jilin University,Changchun 130061,China; 3. Beijing Sensitive Ion Microprobe Center,Institute of Geology Chinese Academy of Geology Sciences,Beijing 102206, China; 4. X-ray Diffraction Center,Jilin University,Changchun 130061,China; 5. State Key Laboratory of Inorganic Synthesis and Preparative Chemistry,Jilin University,Changchun 130061,China)

The X-ray Diffraction Center of Jilin University has the advanced instruments and equipment,abundant human resources and strong technical force.In order to give full play to the X-ray Diffraction Center of Jilin University on the instruments,academic and technical resource advantages,and realize the excellent resources providing high quality service for school and society, the remote network laboratory with the X-ray diffractometer of Jilin University is developed. It has realized live video and computer screen video real-time broadcast,voice interaction,document sharing,typical experiment cases on demand,course booking,information publishing,laboratory report uploaded,records,etc.Currently,the applied research and experimental teaching have been carried out.

X-ray diffraction; remote experiment; network teaching

2014- 11- 30 修改日期：2015- 02- 11

国家“211工程”项目“高等学校仪器设备和优质资源共享”(CERS-2-9)

杨景贺(1989—)，男，吉林吉林，硕士研究生，研究方向为网络实验室

E-mail：youngyjh@163.com

田地(1958—)，男，吉林长春，博士，教授，研究方向为分析仪器测控技术与软件.

E-mail：tiandi@jlu.edu.cn

G434；G482

A

1002-4956(2015)6- 0251- 03