用 LabsLand 升级工程学实验室

引言：现代工程学教育中的实验室困境

每位教师都认同：学生需要进行动手实践。但如何在现代工程学课程中真正做到这一点呢？这才是事情的复杂之处。

传统上，组织实践课程往往具有挑战性，而且不方便。每个学生都需要前往物理实验室，而那里的硬件通常价格昂贵，设备也难以维护和保持最佳工作状态。设备故障常导致实验中断，实验室无法在学生希望的时间开放和监管，众多其他挑战限制了教师能有效开展的实践次数，或使实践难以与理论紧密结合。

结果是，尽管人人都重视动手实践，但是往往难以落实和充分开展。

如今，科技发展为我们带来了一种缓解这一问题的新工具：远程实验室——允许学生通过互联网访问真实实验室设备的系统。尽管名为“远程实验室”，但其目的并非取代传统实验室，也不针对远程教育。远程实验室旨在成为一种强大的工具，让工程学实践教育变得更加灵活、有效。

什么是 LabsLand？

LabsLand 是一个通过互联网提供真实工程学教育设备访问的平台。这些设备不是模拟程序：而是真实的硬件。教师因此可以便捷高效地提供实践体验，不存在传统物理实验室课程遇到的物流障碍限制。

这不仅是一种远程学习手段，更是一个给实践课程赋能的通用工具。教师可以纳入更多实践课程，甚至可以方便地将其与理论课程相结合。学生可访问众多真实设备，随时随地在数秒内完成接入——不再受地理位置或物理实验室有限时间安排的束缚。

关键在于，LabsLand 的一切都基于真实设备，而非软件仿真或模拟。学生运行的代码和访问的设备实际部署在全球各地。

LabsLand 专为工程学教育开发。其中整合了安全层以确保学生可安全做实验而不损坏设备，提供学习分析和访问控制，并与所有主流学习管理系统 (LMS) 平台集成。

DigiKey 是我们的战略合作伙伴，帮助我们大规模建立并提供有效的工程学教育解决方案。

不仅仅用于远程学习

尽管乍看之下远程实验室似乎用于远程教育，但事实并非如此。远程实验室是为各类工程学课程和培训设计的工具，事实上，实体大学也是远程实验室的常见用户。

即使具备传统物理实验室，教师也可将远程实验室添加到工具集中，确保学生能够使用更多的设备，将实验室访问无缝集成到理论课程中，能够让学生全天候无限制地使用实验室。

远程实验室并不一定取代传统实验室，而是对传统实验室的补充。教师将享受更多便利，减少资源瓶颈，并以更低管理成本持续可靠地提供更多的实验时间。

图 1. UPNA 学生在教室中使用 LabsLand 远程实验室实时访问真实 FPGA 并对其进行编程。（图片来源：LabsLand）

远程实验室不是模拟

远程实验室不是模拟。学生不仅仅是访问模拟物理设备行为或现实的软件——他们是在与 100% 真实的硬件进行交互。

许多工具提供模拟或仿真设备。这些工具可能非常有用，LabsLand 的目的不是取代它们。但在某些时候，学生需要使用真实信号和元器件，而这正是 LabsLand 所提供的核心价值。

模拟始终受程序员假设的制约。它们按设计者决定的方式运行。这意味着学生可能会错过现实世界中出现的意外结果、极端案例或硬件异常，而这些往往是最宝贵的学习时刻。这对工程师而言至关重要，因为他们的解决方案最终恰恰需要直面现实工况。

LabsLand 用户界面简洁且可通过浏览器访问。学生仅需数秒即可打开网站并启动已完全配置好的设备。但在这一切的表象之下，他们正与真实硬件进行交互——他们知道自己的学习真正扎根于现实场景。

图 2. 学生现场参观远程实验室设备。（图片来源：LabsLand）

与传统实验室同样有效

多项实证研究证实，LabsLand 提供的远程实验室可达到甚至超越传统实践实验室的教学效果。华盛顿大学的一项研究对远程和现场使用 FPGA 硬件学习数字电路设计的学生进行了比较。基于布鲁姆教育目标分类法的研究结果显示，远程实验室学生在需要分析能力的任务中表现显著更优，而在理解或应用概念等其他层次的学习中成绩也未下降。类似地，德乌斯托大学使用 VISIR 远程实验室（现已被下文介绍的 LabsLand Hive 取代）开展的实验表明，多所机构不同层级学生的前测与后测成绩呈现统计显著性提升，科恩效应量达 1.0——这标志着远程学习对教学产生强正向影响

此外，马来西亚莫纳什大学主导的一项研究发现，使用 LabsLand 远程 FPGA 实验室的学生不仅设备访问频率更高（单学期使用量超 2 万次），且与此前线下教学年份相比，学习参与度和满意度显著提升。反馈数据显示，与课程学习成果的契合度得到了改善，使用远程实验室的学生与没有使用远程实验室的学生相比，总体学习体验更好。这些研究结果突出表明，远程实验室不仅是替代品，更是一项教学功能强且可扩展的工程学教育改进。

FPGA 实验室：随时随地的数字设计

LabsLand FPGA 实验室（包含在 LCAL0001、LCAL9001 和 LCAL9002 许可中）能够让学生访问部署在全球高校与企业的真实 FPGA 开发板（如 Terasic DE1-SoC 和 DE2-115）。这些开发板连接到 LED 灯、开关、7 段显示器及内部时钟等真实外设，并支持使用 VHDL、Verilog 或 SystemVerilog 进行编程。

但除了这些基础外设，该实验室还支持高级外设。部分开发板连接到 VGA 显示器、音频输出，甚至智能停车系统或任天堂控制器等现实场景。学生可通过运行在 FPGA 上的逻辑对这些设备进行远程控制。学生编写 HDL 代码并完成上传后，即可访问真实开发板及外设，实现全流程实时交互。

视频 1：学生远程操控 Altera Terasic DE1-SoC：左侧为实时摄像头画面，右侧是包含 10 个开关、4 个按钮及虚拟 NES 控制器的操作界面。（视频来源：LabsLand）

针对入门阶段，实验室配备了 Digital Trainer 和 Boole Designer 等工具，旨在通过真实硬件底层实现，教授逻辑门、组合逻辑系统和布尔代数等核心概念。

图 3. LabsLand Prism4 提供对四个 Altera DE1-SoC FPGA 的远程访问（为便于观察，已移除半透明外壳）。设备连接多组线缆，支持视频/音频处理及外设扩展。（图片来源：LabsLand）

STM32 实验室：嵌入式系统

LabsLand STM32 实验室（包含在 LCAL0004、LCAL9001 和 LCAL9002 许可中）支持远程访问 STMicroelectronics Nucleo WB55RG 开发板，无需任何硬件部署即可开展嵌入式系统、物联网或微控制器编程的教学与实践。

该实验室支持多种开发环境，包括基于 Web 的 LabsLand IDE、Keil Studio Cloud、ARM 在线 Mbed 编译器，以及离线工具链，如 STM32CubeIDE 或基于 GCC 的环境。这种灵活性能够让教师在入门课程和高阶课程中使用同一实验室。例如，我们可在线查看这门使用该远程实验室的 Udemy 课程。

开发板连接到一系列真实和仿真外设：LED、RGB LED、伺服电机、LCD 屏幕，以及开关、按钮和电位器。该实验室还支持电流监控功能，学生可借此分析不同工况下的功耗表现——这在节能计算或低功耗物联网系统相关课程中具有重要教学价值。

视频 2：STM32 Nucleo 远程实验室，操作开关和按钮，观看 SPI 控制的显示屏、LED、伺服电机和 UART，以及学生可以使用真正的开发板通过 GPIO 控制模拟停车场的真实应用场景。（视频来源：LabsLand）

此外，实验室还支持高级配置，可将开发板与交互式虚拟环境（如停车自动化系统）联动。这些场景在将嵌入式系统与系统级逻辑或仿真结合时尤其实用。

图 4. 远程控制四块 STM32 Nucleo WB55RG 开发板的平板，可集成至 Prism4 单元。每个配置均提供屏幕、伺服电机、LED 灯及其他外设的访问接口。（图片来源：LabsLand）

模拟电子实验室：构建和测量真实电路

LabsLand 模拟电子实验室（又称 Hive，需购买设备 LPEQ0001 或包含于 LCAL0003、LCAL9001 及 LCAL9002 许可中）支持学生远程构建与测量真实模拟电路。该实验室面向电子学入门及模拟电路专项课程，配备电阻、电容、二极管等核心元器件。

视频 3：运行中的 Hive：上部是来自真实设备的示波器数据，本例中来自德国多特蒙德工业大学，其中可清晰观察使用了哪些元器件。（视频来源：LabsLand）

学生通过可视化界面构建电路，而底层则通过基于继电器的开关矩阵实现物理连接。所有测量均使用真实实验室仪器完成：示波器、函数发生器、万用表和电源。

该实验室支持大量预定义电路，包括电阻网络、RLC 滤波器、二极管及其他标准电路配置。电路可从目录中选择，也可以使用支持的元器件手动创建。为确保安全与实用性，系统对可物理构建的电路进行了限制，但仍全面覆盖电子学教育中的常见应用场景。

得益于无缝的排队系统和快速测量响应机制，该实验室支持高并发操作，数十甚至数百名学生可同时使用而无明显延迟。

图 5：用于构建模拟电子电路的继电器电路板经堆叠与连接后，三色 LED 状态指示灯点亮。（图片来源：LabsLand）

图 6. 分布在不同国家/地区的 LabsLand HIVE 单元。顶部装有两个小型实时摄像头。（图片来源：LabsLand）

随时随地可用

LabsLand 远程实验室的一大核心优势是随时随地可用。无需安排特定时段、提前预约、前往指定实验室教室，也不受大学课程表的限制。

学生可在家中或教室中连接。许多教师甚至在理论授课过程中引入实验室的使用，在课堂上利用真实设备，将实践操作与理论教学更紧密地结合起来。

学生能够更便捷地在最适合自己的时间、以最适合自己的节奏开展更多实践，这不仅能促进实验室资源的高频使用，还能提升学习成效。

无需硬件搭建，无需维护

LabsLand 及其合作伙伴负责基础设施的维护与管理。这样，院校无需自行搭建或配置硬件，也不必担心设备维护、校准及监管等问题。实验室有多个复制体分布在全球不同地点。

这使教师能够专注于教学，无需处理物流事务、应对设备故障导致的教学中断或解决技术问题。学生可在数秒内便捷连接，随时随地使用，无需适应严格的时间或地理限制。

而由大学提供这项服务不仅通常更高效便捷，而且成本可降低数倍，因为实验设备的闲置浪费以及因设备采购、维护和监管产生的间接成本大幅减少。

灵活模式：订阅或托管

LabsLand 实验室的使用入门很简单：院校只需订阅网络。许可证通常非常实惠，按学生和学期收费。无需购买硬件，且提供现成的教学内容和专业指导，帮助教师快速将实验室融入课程。

对于希望进行本地部署、定制化配置并优先使用自有设备的高校，LabsLand 提供预制的先进远程实验室（其中许多与 DigiKey 合作开发），可在各院校便捷部署。通过这些实验室，院校能够以服务提供者身份加入该网络。

拥有自有设备的院校可获得更强的控制权、系统优先访问权、更经济的使用成本，以及全球品牌认知度。

无缝 LMS 集成

实验室访问通过统一平台进行管理和提供。该平台可与大多数学习管理系统 (LMS) 集成，包括 Moodle、Blackboard、Canvas、Sakai 等。如此一来，学生便可无缝访问实验室及实践活动，所有内容均可整合到同一平台中，甚至能利用自动评估等 LMS 功能。

LabsLand 平台还包含用于访问学习分析、监控使用情况等功能的工具。

受顶尖院校信赖

LabsLand 已被全球多所大学采用。其中不乏知名院校，如华盛顿大学和密歇根大学，这两所大学的校园内均托管了 LabsLand 的设备。

该平台还广泛应用于各类教育场景，包括德国、西班牙、哥斯达黎加和南非的大学。例如，福特哈尔大学将 LabsLand 作为其拓展工程学教育普及度的举措之一。欧洲规模最大的大学之一 UNED，也在多个课程项目中应用了 LabsLand。

许多高校不仅使用这些实验室，还为其发展做出了贡献。部分院校将自有设备接入网络并共享，让全球学生都能使用其课堂上的同款实验室。

美洲、欧洲、非洲和亚洲的数十所高校已加入 LabsLand 网络。这种模式已在不同语言、教学风格和课程体系中规模化落地，证明远程实验室并非理论构想，而是已在真实课堂中应用的实用可靠工具。

如何启动

启动 LabsLand 非常简单。如果您有兴趣探索实验室功能、了解其如何适配您的课程，或希望进一步了解相关方案，我们建议您直接与我们联系。

开始沟通前无需搭建或购买任何设备。无论您是考虑未来订阅服务还是进行本地部署，我们都很乐意帮助您了解 LabsLand 如何适配您的具体场景。

如需联系我们或咨询任何问题，请访问 https://labsland.com/en/contact