X射線衍射儀遠程網(wǎng)絡實驗室開發(fā)

楊景賀, 徐 倩, 陳鵬飛, 楊 光, 姚 立, 范潤龍, 高忠民, 田 地

(1. 吉林大學 儀器科學與電氣工程學院, 吉林 長春 130061; 2. 吉林大學 地球科學學院, 吉林 長春 130061;3. 中國地質科學院地質研究所 北京離子探針中心, 北京 102206; 4. 吉林大學 X射線衍射中心,吉林 長春 130061; 5. 吉林大學 無機合成與制備化學國家重點實驗室, 吉林 長春 130061)

X射線衍射儀遠程網(wǎng)絡實驗室開發(fā)

楊景賀1, 徐 倩1, 陳鵬飛1, 楊 光1, 姚 立2, 范潤龍3, 高忠民4,5, 田 地1

(1. 吉林大學 儀器科學與電氣工程學院, 吉林 長春 130061; 2. 吉林大學 地球科學學院, 吉林 長春 130061;3. 中國地質科學院地質研究所 北京離子探針中心, 北京 102206; 4. 吉林大學 X射線衍射中心,吉林 長春 130061; 5. 吉林大學 無機合成與制備化學國家重點實驗室, 吉林 長春 130061)

吉林大學X射線衍射中心擁有先進的儀器設備,雄厚的師資和技術力量，為了充分發(fā)揮吉林大學X射線衍射中心在儀器、學術和技術資源上的優(yōu)勢,實現(xiàn)優(yōu)質資源為社會服務,開發(fā)了吉林大學X射線衍射儀遠程網(wǎng)絡實驗室系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有現(xiàn)場視頻與計算機屏幕視頻的實時播放、語音交互、實驗案例點播、課程預約、信息發(fā)布、實驗報告上傳、成績記錄等功能。現(xiàn)已開展遠程網(wǎng)絡教學試驗工作。

X射線衍射; 遠程實驗; 網(wǎng)絡教學

20世紀90年代初國內(nèi)外就已開展了大型儀器網(wǎng)絡實驗室建設。1990年Carl Zmola等人開展掃描電鏡遠程實驗,實現(xiàn)樣品圖像遠程傳輸。2002年建立的北京離子探針遠程共享控制系統(tǒng)和2005年JOEL公司的POIT-EM系統(tǒng),不僅能共享實驗結果和儀器計算機屏幕視頻,而且能實現(xiàn)專家異地遠程操作儀器、語音交流等[5-7]。目前大型科學儀器網(wǎng)絡實驗系統(tǒng)在提升儀器利用率和異地專家協(xié)同實驗等方面取得了顯著成果[8-9]。遠程網(wǎng)絡教學起步較晚,早期是2007年,在美國猶他州州立大學開設一門允許全球人參與的課程。近年來網(wǎng)絡學習平臺的設立及課程提供商的興起,讓更多學生能夠參與各種網(wǎng)絡課程學習?，F(xiàn)在應用最廣泛的是MOOC(大型開放式網(wǎng)絡課程),每個人都能免費獲取來自名牌大學的資源,可以在任何地方對很多設備進行學習[10]，但是未見大型分析儀器,特別是X射線衍射儀用于遠程教學的報道。于是，我們開發(fā)了吉林大學X射線衍射儀遠程網(wǎng)絡實驗室。

1 總體設計

吉林大學X射線衍射儀遠程網(wǎng)絡實驗室具有現(xiàn)場視頻與計算機屏幕視頻的實時播放、語音交互、實驗案例點播、課程預約、信息發(fā)布、實驗報告上傳、成績記錄等功能,系統(tǒng)內(nèi)容框架如圖1所示。

系統(tǒng)功能基于B/S結構,用Java+MySQL+Tomcat技術,并嵌入jQuery庫、AJAX技術、ActiveX控件，實現(xiàn)基于Web模式的功能。

圖1 系統(tǒng)內(nèi)容框架圖

2 功能模塊設計

2.1 實驗過程同步播放子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)用于實時顯示實驗室現(xiàn)場情況、控制儀器工作的計算機屏幕內(nèi)容。

硬件部分:實驗室現(xiàn)場情況通過球形攝像頭獲取;X射線衍射儀計算機屏幕內(nèi)容通過視頻采集盒和VGA分配器獲取,經(jīng)H.264的視頻壓縮格式壓縮后實時播放給遠端學生。

軟件部分:采用攝像頭提供的動態(tài)鏈接庫,實現(xiàn)對攝像頭拍攝角度及縮放倍數(shù)的控制。采用NetViewX控件,二次開發(fā)多路視頻通道的IP地址、端口和控制線程,實時顯示視頻信息。實驗過程同步播放子系統(tǒng)流程如圖2所示。

圖2 實驗過程同步播放子系統(tǒng)流程圖

2.2 實驗互動交流子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)用于建立遠端學生與實驗教師的語音交流。采用開源音頻控件VSession，控件作為網(wǎng)絡實驗室底層音頻控件,編寫服務器IP地址和數(shù)據(jù)端口等屬性封裝成符合教學功能的音頻控件。采用UDP內(nèi)網(wǎng)穿透技術進行數(shù)據(jù)傳輸,使一個內(nèi)網(wǎng)節(jié)點在收發(fā)數(shù)據(jù)時將自己的IP地址和端口自動地呈現(xiàn)在外網(wǎng)上,并且能夠與系統(tǒng)內(nèi)其他節(jié)點進行正確的通信,解決學生利用路由器上網(wǎng)無獨立IP地址而無法建立鏈接的問題[11]。實驗互動交流子系統(tǒng)流程如圖3所示。

圖3 實驗互動交流子系統(tǒng)流程圖

2.3 實驗信息共享子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)用于將X射線衍射儀的實驗結果、測試圖表等實驗信息進行網(wǎng)絡化共享,使參與網(wǎng)絡教學的學生就可以在線獲取實驗數(shù)據(jù)。采用位圖格式或無損圖像壓縮方式將截取的圖像傳輸給遠端用戶,以保證遠程共享的測試圖表具有與本地同等的清晰度。

2.4 實驗案例點播子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)包括網(wǎng)絡課程資源和典型案例庫。網(wǎng)絡課程資源由大型多功能X射線衍射儀的功能構造與應用、晶體結構點陣常數(shù)的精確測定,以及礦物定性、定量分析等課程單元組成。典型案例庫由高聚物結晶度分析、在牽伸過程中PAN原絲中微孔取向角的小角衍射動態(tài)變化規(guī)律分析、分子篩中有序微孔長周期的小角衍射分析等具有代表性的實驗方法組成。

2.5 網(wǎng)絡實驗教學管理子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)包括課程預約、信息發(fā)布、實驗報告上傳、成績記錄。采用課程預約的模式,防止當有過多人同時在線觀看時,造成網(wǎng)絡擁堵、音視頻傳輸延遲的問題。教師在系統(tǒng)的通知公告上發(fā)布上課的時間段,學生根據(jù)教師規(guī)定的時間段選擇適合自己的上課時間[12]。

吉林大學X射線衍射儀遠程網(wǎng)絡實驗見圖4—圖6。

圖4 Web顯示儀器計算機屏幕圖

圖5 Web顯示現(xiàn)場情況圖

圖6 Web顯示案例點播圖

3 結束語

現(xiàn)已完成各個功能模塊的開發(fā)及系統(tǒng)的集成和安裝,并開展遠程網(wǎng)絡教學試驗工作,取得了良好的效果。本項工作可為其他大型科學儀器網(wǎng)絡實驗室的建設提供借鑒。

References)

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[3] 徐曉明,苗偉,陶琨,等.高水平X射線衍射儀開放共享服務平臺的建設[J].實驗技術與管理,2011,28(3):191-194.

[4] 聞星火,孫麗為,劉連臣,等.建設高等學校儀器設備和優(yōu)質資源共享系統(tǒng),為教學科研服務[J].實驗技術與管理,2005,22(10):4-10.

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[11] 白雪,劉學,邱春玲.UDP內(nèi)網(wǎng)穿透技術在網(wǎng)絡實驗室系統(tǒng)中的應用[J].科技通報,2013,29(9):77-80.

[12] 司曉波,焦世惠,陳鵬飛,等.基于貪心算法和近距離搜索法的實驗室儀器預約研究[J].科技通報,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

國家“211工程”項目“高等學校儀器設備和優(yōu)質資源共享”(CERS-2-9)

楊景賀(1989—)，男，吉林吉林，碩士研究生，研究方向為網(wǎng)絡實驗室

E-mail：youngyjh@163.com

田地(1958—)，男，吉林長春，博士，教授，研究方向為分析儀器測控技術與軟件.

E-mail：tiandi@jlu.edu.cn

G434；G482

A

1002-4956(2015)6- 0251- 03