應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建高校綠色實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系

[摘要]在當(dāng)前高校規(guī)模擴(kuò)張的新形式下，為貫徹科學(xué)發(fā)展觀，需要探索大學(xué)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的新思路。采用虛擬儀器技術(shù)創(chuàng)建綠色實(shí)驗(yàn)室、優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，以培養(yǎng)創(chuàng)新人才，塑造大學(xué)生現(xiàn)代工程素質(zhì)，建設(shè)和諧大學(xué)。

[關(guān)鍵詞]綠色實(shí)驗(yàn);虛擬儀器;教學(xué);創(chuàng)新體系

[中圖分類號(hào)]G642.423[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A[文章編號(hào)]1005-4634(2010)04-0067-04

0引言

營(yíng)造綠色創(chuàng)新體系是國(guó)家大力倡導(dǎo)的科技發(fā)展戰(zhàn)略，高校教學(xué)與科學(xué)研究及產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)必須施以綠色導(dǎo)向，同國(guó)家綠色科技發(fā)展戰(zhàn)略相一致。營(yíng)造高校綠色教育氛圍主要是通過(guò)校園文化建設(shè)，滲透到教學(xué)活動(dòng)中，形成一種崇尚綠色的教學(xué)環(huán)境。這要求高校的人才培養(yǎng)必須走出封閉模式，加大與實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程融合的力度，不斷孕育高技術(shù)人才，為實(shí)現(xiàn)國(guó)家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略提供人才與技術(shù)支持[1]。

1綠色工科實(shí)驗(yàn)的要求

綠色實(shí)驗(yàn)首先在化學(xué)實(shí)驗(yàn)室中提出，其目的是減少化學(xué)實(shí)驗(yàn)過(guò)程及廢棄物所帶來(lái)的污染，增強(qiáng)學(xué)生的環(huán)保意識(shí)[2]。綠色實(shí)驗(yàn)教學(xué)的廣度和深度在工科學(xué)生的培養(yǎng)中還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。在實(shí)驗(yàn)室建設(shè)中響應(yīng)國(guó)家綠色科技發(fā)展戰(zhàn)略，是一項(xiàng)從基礎(chǔ)建設(shè)到后期管理都要貫徹始終的措施。它不僅要求技術(shù)含量高，配置最簡(jiǎn)，維護(hù)最省，實(shí)驗(yàn)最有效，還要追求環(huán)境最怡人，關(guān)系最和諧，從而達(dá)到實(shí)驗(yàn)最舒適，更好地為科研與教學(xué)服務(wù)。綠色實(shí)驗(yàn)室建設(shè)應(yīng)該能夠滿足以下要求。

1.1技術(shù)領(lǐng)先

先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)是綠色實(shí)驗(yàn)室的首要條件，實(shí)驗(yàn)室要有先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)儀器和實(shí)驗(yàn)方法，不僅能夠向教師和學(xué)生提供基本的工程技能訓(xùn)練條件，還應(yīng)該緊跟科技發(fā)展的前沿，有利于教師開(kāi)展科研和學(xué)生擴(kuò)大視野、掌握新技術(shù)，增強(qiáng)學(xué)生就業(yè)能力。

科技發(fā)展日新月異，當(dāng)前普通高校課程設(shè)置方面理論與實(shí)踐脫節(jié)的課程較多，對(duì)學(xué)生的動(dòng)手能力和綜合處理問(wèn)題的能力訓(xùn)練太少。以工科為例，由于擴(kuò)招，實(shí)驗(yàn)儀器嚴(yán)重不足，加之損壞的儀器得不到及時(shí)維修，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目數(shù)、學(xué)生動(dòng)手鍛煉的機(jī)會(huì)等均不能滿足教學(xué)的需要，沖擊最大的是課程實(shí)習(xí)、畢業(yè)實(shí)習(xí)質(zhì)量得不到有效保證，導(dǎo)致本應(yīng)實(shí)踐為主的工科教學(xué)有理論化趨向[3]。

1.2節(jié)約降耗

胡錦濤同志在黨的十七大上的報(bào)告明確指出，要貫徹落實(shí)科學(xué)發(fā)展觀，努力構(gòu)建和諧社會(huì)，基本形成節(jié)約能源資源和保護(hù)生態(tài)環(huán)境的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、增長(zhǎng)方式、消費(fèi)模式[4]。在高校中推進(jìn)資源節(jié)約意識(shí)，也是科教興國(guó)戰(zhàn)略的組成部分之一。采用高科技手段節(jié)能，大力推廣高科技產(chǎn)品，杜絕點(diǎn)滴的能源浪費(fèi)現(xiàn)象，凸現(xiàn)其重要意義。

1.3動(dòng)態(tài)升級(jí)與持續(xù)發(fā)展

綠色實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，應(yīng)該能夠在原有設(shè)備或少量設(shè)備更新的條件下滿足實(shí)驗(yàn)技術(shù)的動(dòng)態(tài)升級(jí)，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)師資力量，有利于實(shí)驗(yàn)教材、內(nèi)容、過(guò)程及計(jì)劃等的更新。持續(xù)發(fā)展是指實(shí)驗(yàn)室應(yīng)能夠幫助教師更容易獲得科研課題，易于開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué);有利于學(xué)生完成教學(xué)計(jì)劃規(guī)定的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，走產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合道路，尤其是高年級(jí)學(xué)生可以在教師指導(dǎo)下，有針對(duì)性地就實(shí)際生產(chǎn)中存在的有關(guān)技術(shù)問(wèn)題開(kāi)展研究，提高動(dòng)手能力、工程能力和創(chuàng)新能力。

2虛擬儀器技術(shù)的綠色優(yōu)勢(shì)

實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)離不開(kāi)實(shí)驗(yàn)儀器的支撐，儀器的先進(jìn)與否在很大程度上決定了實(shí)驗(yàn)室的先進(jìn)性。當(dāng)前，儀器儀表技術(shù)在向數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、微型化方向邁進(jìn)。虛擬儀器(VI)，實(shí)際上是一個(gè)按照儀器需求組織的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，它是在以通用計(jì)算機(jī)為核心的硬件平臺(tái)上，由使用者設(shè)計(jì)定義，具有虛擬面板，測(cè)試功能由測(cè)試軟件實(shí)現(xiàn)的一種計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)。虛擬儀器的綜合應(yīng)用體現(xiàn)出上述儀器儀表技術(shù)的發(fā)展方向。

2.1技術(shù)特點(diǎn)

VI技術(shù)可由使用者定義自己的專用儀器系統(tǒng)，且功能靈活，容易構(gòu)建，所以應(yīng)用面極為廣泛。其功能強(qiáng)大，可實(shí)現(xiàn)示波器、邏輯分析儀、頻譜儀、信號(hào)發(fā)生器等多種普通儀器全部功能，配以專用探頭和軟件還可檢測(cè)特定系統(tǒng)的參數(shù);操作靈活，完全圖形化界面，風(fēng)格簡(jiǎn)約，符合傳統(tǒng)設(shè)備的使用習(xí)慣，使用者可迅速掌握操作規(guī)程;集成方便，不但可以和高速數(shù)據(jù)采集設(shè)備構(gòu)成自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，而且可以和控制設(shè)備構(gòu)成自動(dòng)控制系統(tǒng)。

2.2綜合應(yīng)用的價(jià)格優(yōu)勢(shì)

傳統(tǒng)形式實(shí)驗(yàn)室建設(shè)需要投入大筆資金，期望儀器設(shè)備成本的大幅降低是實(shí)驗(yàn)室建設(shè)首要考慮因素。一套完整的實(shí)驗(yàn)測(cè)量設(shè)備少則幾萬(wàn)元，多則幾十萬(wàn)元。在同等的性能條件下，相應(yīng)VI綜合應(yīng)用的價(jià)格要低二分之一甚至更多。

2.3仿真優(yōu)勢(shì)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)也是一種先進(jìn)實(shí)驗(yàn)技術(shù)，并且得到廣泛應(yīng)用，特別是對(duì)一些難以再現(xiàn)的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)具有重要意義。在高科技實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)具有重要價(jià)值;在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域，仿真實(shí)驗(yàn)往往不利于學(xué)生實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)的培養(yǎng)。VI綜合二者的優(yōu)點(diǎn)，其將普通儀器的智能部分交給計(jì)算機(jī)來(lái)完成，易于仿真，且增強(qiáng)了儀器的靈活性，可靠性等;VI在工業(yè)應(yīng)用中需要結(jié)合一定的硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)，比如配以傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、電纜、接線端子等，有效培養(yǎng)學(xué)生的工程素質(zhì)，特別適合高校本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)和研究生科研課題。

3 應(yīng)用VI技術(shù)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)

VI突破傳統(tǒng)電子儀器以硬件為主體的模式，通過(guò)軟件將計(jì)算機(jī)硬件資源與儀器有機(jī)地融合為一體，從而把計(jì)算機(jī)處理能力和儀器硬件的測(cè)量、控制能力結(jié)合在一起，通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的顯示、存儲(chǔ)和分析處理。VI與計(jì)算機(jī)技術(shù)同步發(fā)展，與網(wǎng)絡(luò)及其他周邊設(shè)備互聯(lián)，只需要改變軟件程序就可以不斷賦予它或擴(kuò)展增強(qiáng)它的測(cè)量功能，這給傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶來(lái)深刻的影響。

3.1低成本實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的綠色通道

高校為了提供一定的實(shí)驗(yàn)規(guī)模，保證每個(gè)學(xué)生得到實(shí)際手動(dòng)能力的訓(xùn)練，傳統(tǒng)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)室一般需購(gòu)置大量的基礎(chǔ)測(cè)量?jī)x器，如示波器、萬(wàn)用表、信號(hào)源等，一次性投資較大，且技術(shù)更新快，維護(hù)困難。利用VI技術(shù)，可以設(shè)計(jì)出與實(shí)際儀器在原理、功能和操作等方面完全一樣的全軟件VI。在成本方面，VI價(jià)格低，傳統(tǒng)儀器價(jià)格昂貴。由一臺(tái)計(jì)算機(jī)配以相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集硬件組成的VI，可以方便地實(shí)現(xiàn)很多臺(tái)儀器儀表的功能。可維護(hù)性對(duì)比方面，VI的開(kāi)發(fā)和維護(hù)費(fèi)用低，傳統(tǒng)儀器的開(kāi)發(fā)和維護(hù)費(fèi)用高。VI易于維護(hù)必將成為實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的首選。

3.2激發(fā)學(xué)生實(shí)驗(yàn)興趣，培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新素質(zhì)

VI技術(shù)為教學(xué)雙方都提供了很好的舞臺(tái)，其內(nèi)容新，反映了當(dāng)前測(cè)量技術(shù)的發(fā)展方向;應(yīng)用廣泛，幾乎適應(yīng)大部分工科實(shí)驗(yàn)，并且已經(jīng)在電子、電氣工程、計(jì)算機(jī)工程、機(jī)械工程、生物工程、物理、化學(xué)工程以及其他工程領(lǐng)域的相關(guān)實(shí)驗(yàn)應(yīng)用;可以非常靈活的為教學(xué)中的原理和概念設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)行直觀的演示，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)更生動(dòng)，學(xué)生更容易接受和理解。它要求學(xué)生在理論與實(shí)際結(jié)合的基礎(chǔ)上解決問(wèn)題，同時(shí)為學(xué)生的創(chuàng)造性學(xué)習(xí)提供充分的空間。該實(shí)驗(yàn)方式減少學(xué)生在編程上所花費(fèi)的時(shí)間，使學(xué)生有更多的時(shí)間思考實(shí)驗(yàn)問(wèn)題本身，考慮如何確立一個(gè)合理的設(shè)計(jì)方案，進(jìn)而安排算法，配置參數(shù)，確定實(shí)驗(yàn)步驟，編程調(diào)試，并得到驗(yàn)證，讓他們有機(jī)會(huì)充分發(fā)揮自己的才能、想象力的空間，利于培養(yǎng)學(xué)生的求知興趣和創(chuàng)新能力。

3.3綠色化實(shí)驗(yàn)設(shè)備配置

實(shí)驗(yàn)室內(nèi)各種設(shè)備繁多，功能上存在著很多重復(fù)。傳統(tǒng)高校實(shí)驗(yàn)室追求小而全，設(shè)備多有重置，其結(jié)果是既降低了設(shè)備的更新能力，又?jǐn)U大了實(shí)驗(yàn)設(shè)備與實(shí)踐之間的距離。有些項(xiàng)目在設(shè)備購(gòu)置時(shí)只為一時(shí)所需，只考慮某個(gè)項(xiàng)目和課題的需要，沒(méi)有考慮本校、本地區(qū)同類設(shè)備的配備情況;有些設(shè)備選型不合理，貪大求全、大材小用;貴重儀器的利用率低下已經(jīng)引起相關(guān)部門的關(guān)注。這些現(xiàn)象完全可以通過(guò)VI技術(shù)以及基于VI的網(wǎng)絡(luò)化實(shí)驗(yàn)室來(lái)解決，實(shí)現(xiàn)綠色配置。傳統(tǒng)儀器中硬件是關(guān)鍵，固定、功能單一、操作不便，只可連接有限的設(shè)備。VI關(guān)鍵部件是軟件，開(kāi)放靈活與計(jì)算機(jī)同步，可重復(fù)使用和配置。在技術(shù)更新頻率方面，VI較傳統(tǒng)儀器更新周期短得多。這些特點(diǎn)都是綠色實(shí)驗(yàn)室所必須具備的。

3.4優(yōu)化遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)教學(xué)

促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程的綠色化，不僅要注重實(shí)驗(yàn)的節(jié)能、高效，以充分利用實(shí)驗(yàn)室有限的資源，而且也指合理有序安排實(shí)驗(yàn)教學(xué)與開(kāi)放，實(shí)驗(yàn)過(guò)程、實(shí)驗(yàn)室的充分開(kāi)放，有利于創(chuàng)新人才的脫穎而出。信息時(shí)代，VI實(shí)驗(yàn)技術(shù)更有利于實(shí)驗(yàn)方法、結(jié)果發(fā)布，非常有利于實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源共享。應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為遠(yuǎn)程教學(xué)和遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)提供了強(qiáng)大功能，并進(jìn)一步提高實(shí)驗(yàn)室及實(shí)驗(yàn)設(shè)備的利用率，并為異地實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及學(xué)術(shù)交流提供了高效平臺(tái)。

4教學(xué)實(shí)驗(yàn)案例——虛擬數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)

在教學(xué)和工業(yè)實(shí)踐中，經(jīng)常會(huì)要求對(duì)所采集信號(hào)進(jìn)行濾波。實(shí)際教學(xué)中對(duì)這一知識(shí)點(diǎn)的講授不夠直觀及缺乏互動(dòng)，通過(guò)指導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)虛擬數(shù)字濾波器，有效地克服了這些不足。

濾波是將信號(hào)中特定波段頻率濾除的操作，是抑制和防止干擾的一項(xiàng)重要措施。它是從含有干擾的接收信號(hào)中提取有用信號(hào)的一種技術(shù)。這類問(wèn)題在電子技術(shù)、航天科學(xué)、控制工程及其他科學(xué)技術(shù)部門中都是大量存在的。數(shù)字濾波器的一個(gè)重要作用是濾除無(wú)用信號(hào)，只讓信號(hào)中需要的頻率成分通過(guò)，抑制不需要的干擾信號(hào)。

對(duì)濾波器的設(shè)計(jì)有多種方法，本文采用LabVIEW來(lái)設(shè)計(jì)虛擬濾波器。在濾波器子模板提供了各種濾波器模塊。這些濾波器的參數(shù)(濾波器的階數(shù)、截止頻率、阻帶、通帶、脈動(dòng)量及阻帶衰減)都可方便的進(jìn)行控制。用波形信產(chǎn)生模塊模擬一個(gè)含有低頻噪聲的正弦信，然后用高通濾波器將其低頻噪聲濾除。圖1、圖2分別是虛擬濾波器的前面板和程序框圖。

此例輸入信號(hào)為一正弦波，并加入一個(gè)白噪聲以模擬信號(hào)傳輸中的隨機(jī)干擾信號(hào)，在程序中設(shè)計(jì)了一個(gè)低通巴特沃斯濾波器，以濾除信號(hào)中的噪聲分量，提取10Hz正弦信號(hào)。該濾波器使用時(shí)只需輸入?yún)?shù)濾波器的階數(shù)、截止頻率、阻帶和通帶，其目的是用數(shù)字濾波器從含有高頻噪聲的采樣數(shù)據(jù)中提取正弦信號(hào)。

5結(jié)束語(yǔ)

虛擬儀器技術(shù)方興未艾，在高校中的應(yīng)用大都處于探索階段。虛擬儀器技術(shù)有利于培養(yǎng)學(xué)生現(xiàn)代工程素質(zhì)，一定會(huì)給在規(guī)模擴(kuò)張的新形式下的普通高校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)及實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶來(lái)新的思路。

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