利用 LabsLand 提升工程實驗室體驗

簡介：現代工程教育的實驗室困境

每一個教師都會同意學生必須有實驗室的實作經驗，但如何才能真正落實到現代工程課程之中？這才是棘手的地方。

以往安排實作常困難重重，也不方便。每位學生必須前往實體實驗室，那裡常擺放昂貴的硬體，設備也很難維護和保持完美的運作狀態。設備損壞常導致活動中斷；實驗室無法在學生想去的時段開放和派人監管；其他許多挑戰也限制了教師實作的次數，或使得理論與實作難以緊密配合。

導致於雖然大家都重視實作，但往往難以落實和充分利用。

如今，科技帶來「遠端實驗室」這項新工具，可解決這個問題。這種系統能讓學生透過網際網路取用真實的實驗室設備。雖然名為遠端實驗室，但不是要取代傳統實驗室，也不是專為遠距教學所設立。遠端實驗室是一種讓工程實作教育變得更彈性、更有效的強大工具。

什麼是 LabsLand？

LabsLand 平台能讓使用者透過網際網路取用真正的工程教學設備。這並不是系統模擬，而是真實的硬體。這樣一來，教師就能輕鬆有效地提供實作體驗，不再受傳統實體實驗課的各種安排阻礙。

這不只是一種遠距教學媒介，更是體驗實作課程的通用工具。教師能納入更多實作課程，甚至輕鬆結合理論課程與實作課程。學生只要簡單幾秒就能從全球各處隨時隨地取用無數真實裝置，不再受限於地點限制或實體實驗室有限的時段安排。

關鍵在於 LabsLand 一切都是以真實裝置為基礎，而非軟體模擬。學生將會執行程式碼，並操作在世界各地實際架設的設備及裝置。

LabsLand 為工程教育而生。此平台結合多層安全防護，確保學生安全地從事實驗且不致損壞設備，提供學習分析與存取控制能力並整合所有主流 LMS 平台。

DigiKey 是我們的策略夥伴，協助我們大規模打造並提供有效的工程教育解決方案。

不限於遠距教學用途

乍看之下，遠端實驗室似乎是遠距教學的專用平台，但事實並非如此。遠端實驗室是針對各種工程課程及工程訓練設計的工具，實體大學其實也經常運用遠端實驗室。

即使有傳統實體實驗室可用，教師還是能善用遠端實驗室，確保學生取用更多元的設備、將實驗室操作順暢地融入理論課程，並使學生能全天候自由取用該實驗室。

遠端實驗室未必取代傳統實驗室，而是互補。教師能享有方便性、減少瓶頸、穩定可靠地提供更多實驗的時間，並減少經常性費用。

圖 1. UPNA 學生在教室利用 LabsLand 遠端實驗室即時取用和編程實際的 FPGA。(圖片來源：LabsLand)

遠端實驗室不是系統模擬

遠端實驗室不是系統模擬。學生不光是取用「模仿實體裝置的行為或真實性」的軟體，而是和完全真實的硬體互動。

許多工具都提供模擬或仿真的裝置。這些工具有時確實有用，LabsLand 不是要取代它們，只是有時學生仍需接觸真正的訊號和組件，而這正是 LabsLand 提供的體驗。

模擬始終受限於編程人員的假設前提。人員已決定其應有的行為模式。因此學生可能會錯過某些意外結果、邊緣案例，或真實世界才會發生的特殊硬體現象，而這些往往卻是最寶貴的學習時刻。這對工程師來說非常重要，因為他們的解決方案最終就是得面對真實世界的境況。

LabsLand 介面簡潔並能從瀏覽器進行取用。學生只要幾秒鐘就能打開網站並開始使用經過完整配置的設備。但歸根究柢卻是與真實的硬體互動，學生會知道學習過程是以現實作為基礎。

圖 2. 學生親自參觀遠端實驗室設備。(圖片來源：LabsLand)

和傳統實驗室一樣有效

幾項實證研究已證實，LabsLand 遠端實驗室的教學成效能媲美傳統的實作實驗室，甚至更勝一籌。華盛頓大學一項研究比較學生以 FPGA 硬體來學習數位邏輯設計的成果，一些學生從遠端使用 FPGA 硬體，一些則親身使用。研究結果以 Bloom 分類法為基礎，顯示出遠端實驗室學生在需要進行分析的任務上表現遠優於另一組，其他方面的學習表現也未下滑，像是概念的理解或應用。同樣，德烏斯托大學 (University of Deusto) 利用 VISIR 遠端實驗室進行實驗後顯示 (LabsLand Hive 現已取代該實驗室，見下方說明)，多所院校和各層級學生後測分數的數據遠高於前測分數，而且 Cohen's 效果量驚人，達到 1.0，表示對學習產生極大正面影響。

此外，根據一項由蒙納許大學馬來西亞校區 (Monash University Malaysia) 主導的研究發現，使用 LabsLand 遠端 FPGA 實驗室的學生不僅更常取用設備 (一學期使用超過 2 萬次)，投入的程度和滿意度也比過去實體上課時更高。回饋數據顯示更能達到課程學習成效，使用遠端實驗室的學生比未使用的學生具有更好的整體學習經驗。這些結果突顯出遠端實驗室不只是替代方案，也是一種具備教學強度並可擴充的工程教育升級利器。

FPGA 實驗室：隨時隨地進行數位設計

LCAL0001、LCAL9001、LCAL9002 這三種授權中皆提供 LabsLand FPGA 實驗室，此平台能讓學生取用全球許多大學和公司內的真實 FPGA 開發板，例如 Terasic DE1-SoC 和 DE2-115。這些開發板連接至許多真實的周邊設備，例如 LED、開關、七段顯示器與內部時脈，並能利用 VHDL、Verilog 或 SystemVerilog 進行編程。

但除了基本層面以外，此實驗室還支援進階周邊裝置。某些開發板連接至 VGA 顯示器、音訊輸出，甚至是智慧型停車系統或任天堂搖桿等實體結構。學生在 FPGA 上執行的邏輯能遠端控制這些裝置。學生親自撰寫並上傳 HDL 程式碼並取用真實的板件和周邊裝置，與任何一切即時互動。

影片 1：學生從遠端使用 Altera Terasic DE1-SoC：畫面左側是即時攝影機饋送畫面，右側是控制選項，包括 10 個開關、4 個按鈕以及虛擬 NES 控制器。(影片來源：LabsLand)

入門方面，此實驗室附有 Digital Trainer 和 Boole Designer 等工具，這些工具用於介紹邏輯閘、組合系統和布林代數等核心概念，這些也是以真實的硬體作為基礎。

圖 3 LabsLand Prism4 能讓人遠端取用四個 Altera DE1-SoC FPGA，此圖移除了半透明式護蓋以便觀察。並連接多條纜線 (以提供影音處理能力) 以及其他周邊裝置。(圖片來源：LabsLand)

STM32 實驗室：嵌入式系統

LCAL0004、LCAL9001、LCAL9002 這三個授權提供 LabsLand STM32 實驗室，此實驗室能讓人遠端取用真實的 STMicroelectronics Nucleo WB55RG 開發板，無需設置硬體就能示範及練習操作嵌入式系統、IoT 或微控制器的編程。

此實驗室支援多種開發環境，包括網路型 LabsLand IDE、Keil Studio Cloud、ARM 線上 Mbed 編譯器，以及 STM32CubeIDE 等離線式工具鏈或 GCC 型環境。這種彈性讓教師在入門課程和高階課程中都能使用此實驗室。例如這門 Udemy 課程，就是以這種遠端實驗室進行。

開發板連接至多種真實和仿真的周邊裝置：LED、RGB LED、伺服馬達、LCD 螢幕以及開關、按鈕和電位器。同時支援電流監控能力，學生能分析不同狀況下的功耗，這在節能運算或低功耗 IoT 系統相關課程中很有幫助。

影片 2：STM32 Nucleo 遠端實驗室使用許多開關和按鈕並查看由 SPI 控制的螢幕、LED、伺服馬達和 UART，學生還能在真實的應用中利用真實的板件控制含有 GPIO 的模擬停車場。(影片來源：LabsLand)

還有其他進階設置將板件連接至互動式虛擬環境，例如停車自動化系統。在結合嵌入式系統與系統級邏輯或模擬時，這些情境特別有用。

圖 4 此控制盤將四個 STM32 Nucleo WB55RG 開發板遠端化，隨時能整合至 Prism4 中。每個設置都能讓人取用螢幕、伺服馬達、LED 及其他周邊裝置。(圖片來源：LabsLand)

類比電子實驗室：建立和測量真實的電路

LabsLand 類比電子實驗室又名 The Hive (需購買設備 LPEQ0001，或附於 LCAL0003、LCAL9001、LCAL9002 授權中)，此實驗室能讓學生遠端建構和測量真實的類比電路。主要針對以電子元件和類比為主的入門課程，含有電阻、電容、二極體等關鍵元件。

影片 3：Hive 操作展示：最上方顯示來自真實設備的示波器資料，此例是德國的多特蒙德工業大學 (TU Dortmund)，其中能看見使用了哪些組件。(影片來源：LabsLand)

學生雖然是利用視覺介面來建構電路，但背後是以繼電器型切換矩陣實際產生連接結構。所有量測都是以真實的儀器完成：示波器、函數產生器、三用電表、電源供應器。

此實驗室支援非常多預先定義的電路，包括電阻網路、RLC 濾波器、二極體及其他標準設置。電路能直接從目錄中選取，也能使用支援的元件手動建構。雖然為了切合實際和安全起見，系統對可建構的實體物作出限制，但仍提供許多種常見的電子教育使用案例。

藉助流暢的佇列系統及快速量測周轉時間，即使數十名甚至數百名學生同時使用此實驗室也不會有顯著延遲。

圖 5：用於建構類比電路的繼電器型板件相互堆疊且建立連接，並亮起多個三色狀態 LED。(圖片來源：LabsLand)

圖 6. 許多國家都有 LabsLand HIVE 裝置的身影。頂部設有兩台即時攝影機。(圖片來源：LabsLand)

隨時隨地皆可用

LabsLand 遠端實驗室的一大優點是隨時隨地都能使用。無需安排時段或提前預訂，也無需專程走到特定的實驗教室或受限於大學的課表。

學生在家或在教室就能連線操作。許多教師甚至在理論課中介紹如何使用這種實驗室，在課堂上徹底善用真實的裝置並且更緊密地結合實作和理論。

學生能按照最適合自己的時間和步調輕鬆加強練習，這能促進實驗室的使用並改善實驗表現。

無需設置硬體、無需維護

LabsLand 與合作夥伴負責所有基礎設施。因此院校不必自行安裝或配置硬體，也不必費心維護、校正及監管。該實驗室裝置遍佈於全球許多不同地點。

教師因此能專注於教學，無需處理物流面以及設備故障或技術問題導致的中斷情形。學生幾秒鐘內就能隨時隨地輕鬆連線，不必配合嚴格的時段或地域限制。

大學提供的服務能變得更方便有效且成本降低數倍，因為能大幅減少實驗室設備使用率不足的情形，以及因採購、維護和監管而產生的經常性成本。

彈性模式：訂閱或託管

LabsLand 實驗室平台很容易上手：各院校只需訂閱網路服務即可。授權方案通常價格低廉，按學生與學期計價。不必添購硬體，並提供現成教材及專家指引以協助教師快速將實驗室整合至課程中。

大學若希望進行本機部署、客製化並且優先取用設備，LabsLand 也販售預製的先進遠端實驗室裝置 (許多都是和 DigiKey 一同協作)，這些裝置能在各院校當地輕鬆部署，院校也能藉由這些裝置加入網路中成為供應者。

自備設備的院校擁有更大的掌控性、系統優先取用權、更經濟的使用量，以及全球品牌知名度。

無縫整合 LMS

實驗室取用權限透過統一平台管理及提供。此平台整合大部分的學習管理系統，包括 Moodle、Blackboard、Canvas、Sakai 等。因此，學生能順暢取用實驗室和從事實作活動，所有物品都能留在同一處，甚至能徹底善用自動評估及其他 LMS 特點。

LabsLand 平台也能讓人利用工具存取學習分析、監控使用情況等等。

受頂尖學府信賴

LabsLand 已獲全球多所大學採用。其中包括華盛頓大學和密西根大學等名校，這兩間學校也在自家校區實際託管 LabsLand 設備。

此平台也用於教育環境，包括位於德國、西班牙、哥斯大黎加與南非的大學。例如，南非福特哈爾大學 (University of Fort Hare) 就運用 LabsLand 增加學習工程教育的機會。歐洲最大的大學之一 UNED 也將 LabsLand 用於幾項不同的學程。

許多這些大學不僅使用實驗室，也為實驗室貢獻設備。有些大學託管自己的設備並透過網路分享，讓全球學生都能享用他們在課堂上使用的實驗室。

美洲、歐洲、非洲和亞洲也有其他數十所大學加入 LabsLand 網路。這種模式已經規模化運作，橫跨不同的語系、教學風格與課程結構，證明遠端實驗室並非紙上談兵，而是已經在真實課堂上實際運用的可靠工具。

如何入門

LabsLand 入門非常容易。如果您有興趣探索此實驗室平台、瞭解如何融入於您的課程，或純粹想瞭解相關選項，歡迎您聯絡我們。

無需安裝或購買任何服務也可與我們討論。無論您正考慮訂閱或考慮日後採取託管方式，我們都很樂意助您瞭解此平台如何搭配您的需求。

若要聯繫我們或有任何疑問，請造訪 https://labsland.com/en/contact