自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)“虛擬儀器技術(shù)”教學(xué)過(guò)程探索

袁明

摘要 以L(fǎng)abVIEW為代表的虛擬儀器作為現(xiàn)代工程教育的優(yōu)秀平臺(tái)，適用于不同工科專(zhuān)業(yè)的學(xué)生選修。“虛擬儀器技術(shù)”課程是我校近年來(lái)在自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)的一門(mén)跨專(zhuān)業(yè)選修課。考慮到自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的學(xué)科特點(diǎn)，作者在虛擬儀器教學(xué)中圍繞如何提高對(duì)虛擬儀器的掌握水平，如何增強(qiáng)本課程與自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)主干課的聯(lián)系，以及如何幫助學(xué)生在虛擬儀器的幫助下提升控制工程實(shí)踐能力等方面進(jìn)行了探索，供開(kāi)設(shè)相關(guān)課程的各位同仁參考。

關(guān)鍵詞 虛擬儀器技術(shù) 教學(xué)探索 自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)

中圖分類(lèi)號(hào)：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2018.02.055

虛擬儀器利用計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大處理能力，通過(guò)模塊化的硬件設(shè)備，即可完成自定義的測(cè)試、測(cè)量和控制功能，極大降低了專(zhuān)用儀器設(shè)備的支出。在虛擬儀器發(fā)展中，LabVIEW已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外確立了其主導(dǎo)地位。利用LabVIEW簡(jiǎn)單易學(xué)的圖形化的編程模式，優(yōu)秀的人機(jī)交互模式、強(qiáng)大的跨平臺(tái)支持和海量?jī)x器驅(qū)動(dòng)，工程師和科學(xué)家可以把項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的主要精力集中到項(xiàng)目本身，實(shí)現(xiàn)快速原型。

虛擬儀器的這種優(yōu)勢(shì)受到了國(guó)內(nèi)外眾多高校的青睞。僅我國(guó)國(guó)內(nèi)就已經(jīng)超過(guò)200所高校，每年超50000名學(xué)生學(xué)習(xí)虛擬儀器。開(kāi)展虛擬儀器的教學(xué)工作，有助于提高本科生教學(xué)質(zhì)量。但虛擬儀器涵蓋的內(nèi)容非常廣泛，對(duì)某一專(zhuān)業(yè)的學(xué)生進(jìn)行這方面訓(xùn)練時(shí)，應(yīng)結(jié)合專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)，在教學(xué)內(nèi)容上進(jìn)行優(yōu)化，既可幫助學(xué)生提高專(zhuān)業(yè)知識(shí)的理解能力，又能增強(qiáng)學(xué)生的興趣和動(dòng)力。基于此，作者以在自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)“虛擬儀器技術(shù)”課程為例，進(jìn)行了相關(guān)探索。

1課程概述

作為自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)跨專(zhuān)業(yè)選修課，課程的設(shè)置參照已在我校測(cè)控技術(shù)與儀器專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)多年的虛擬儀器技術(shù)課程，共48學(xué)時(shí)，理論38學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)10學(xué)時(shí)。采用的教材為張重雄、張思維主編，電子工業(yè)出版社出版的《虛擬儀器技術(shù)分析與設(shè)計(jì)（第三版）》。課程主要涵蓋LabVIEW圖形化語(yǔ)言編程設(shè)計(jì)、儀器總線(xiàn)與控制、數(shù)據(jù)采集與信號(hào)處理、虛擬儀器通信技術(shù)四大模塊。

作為授課教師，作者使用虛擬儀器從事項(xiàng)目開(kāi)發(fā)已有十年以上經(jīng)驗(yàn)，對(duì)Windows平臺(tái)、實(shí)時(shí)系統(tǒng)和FPGA平臺(tái)上使用虛擬儀器實(shí)現(xiàn)精密測(cè)量和快速原型的實(shí)時(shí)控制都有較深入的認(rèn)識(shí)，見(jiàn)證了虛擬儀器技術(shù)不斷走向成熟強(qiáng)大的過(guò)程。結(jié)合多年來(lái)使用虛擬儀器完成工程項(xiàng)目的體會(huì)和當(dāng)前工程教育改革背景下對(duì)本科生工程素質(zhì)培養(yǎng)的要求，充分認(rèn)識(shí)到依托虛擬儀器技術(shù)，對(duì)于提升現(xiàn)代工程教育的重要性。

本課程是跨專(zhuān)業(yè)選修課，考慮到本門(mén)課程的內(nèi)容結(jié)構(gòu)和自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的學(xué)科特點(diǎn)，以提高學(xué)生在自動(dòng)化學(xué)科的專(zhuān)業(yè)素質(zhì)為目標(biāo)，在教學(xué)過(guò)程中努力做出了一些探索，以增強(qiáng)本課程與自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)主干課程的交叉融合I生，真正使虛擬儀器技術(shù)作為學(xué)生從事專(zhuān)業(yè)認(rèn)知和項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的獨(dú)立助手，做到理論基礎(chǔ)到專(zhuān)業(yè)實(shí)踐的無(wú)縫過(guò)渡。

2教學(xué)內(nèi)容探索

2.1增強(qiáng)學(xué)習(xí)本門(mén)課程的目的性和向?qū)?/p>

作為選修課，學(xué)生在學(xué)習(xí)這類(lèi)課程時(shí)普遍不夠重視，學(xué)生僅滿(mǎn)足于學(xué)分，教學(xué)效果不佳。為了避免上述現(xiàn)象，作者在課程開(kāi)始階段不僅圖文并茂的展示了虛擬儀器的應(yīng)用，從樂(lè)高積木到SpaceX航天器發(fā)射，提供學(xué)生學(xué)習(xí)興趣；適當(dāng)結(jié)合每年NIWeek和NIDays上最新的虛擬儀器技術(shù)和實(shí)際工程應(yīng)用案例，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)本課程的宏觀(guān)認(rèn)知能力。

2.2在教學(xué)中增強(qiáng)“系統(tǒng)”的概念

本門(mén)課程在大三上學(xué)期開(kāi)設(shè)，此時(shí)學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)過(guò)電路基礎(chǔ)、信號(hào)與系統(tǒng)、模擬和數(shù)字電子技術(shù)等專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，并開(kāi)始學(xué)習(xí)自動(dòng)控制原理，應(yīng)已具備對(duì)物理系統(tǒng)的初步分析能力。但是在教學(xué)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)不少學(xué)生對(duì)“系統(tǒng)”這一概念的理解仍有待加深，而對(duì)系統(tǒng)的認(rèn)知正是自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)學(xué)生應(yīng)掌握的一項(xiàng)基本專(zhuān)業(yè)素質(zhì)。為此本門(mén)課程在講述過(guò)程中，強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)的概念，并貫穿到虛擬儀器的教學(xué)環(huán)節(jié)中，通過(guò)案例式教學(xué)法，加深學(xué)生對(duì)“系統(tǒng)”的認(rèn)知。例如在講述數(shù)據(jù)采集與信號(hào)處理部分時(shí)，結(jié)合系統(tǒng)中的頻響函數(shù)、穩(wěn)態(tài)響應(yīng)和暫態(tài)響應(yīng)等概念，穩(wěn)定性判斷中常用的伯德圖和奈奎斯特圖等圖表，給出如何利用Lab-VIEW控制數(shù)據(jù)采集硬件，來(lái)對(duì)真實(shí)的物理系統(tǒng)進(jìn)行激勵(lì)一響應(yīng)測(cè)試，并進(jìn)一步利用虛擬儀器對(duì)采樣得到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，獲得系統(tǒng)的時(shí)域和頻域特性。

2.3引入“系統(tǒng)辨識(shí)”和‘‘控制設(shè)計(jì)與仿真”模塊的介紹

為了方便工程師實(shí)現(xiàn)搭建控制系統(tǒng)，完成從開(kāi)環(huán)性能測(cè)試到閉環(huán)控制功能驗(yàn)證的完整流程，LabVIEW開(kāi)發(fā)環(huán)境中提供了“系統(tǒng)辨識(shí)”和“控制設(shè)計(jì)與仿真”模塊。對(duì)這兩個(gè)模塊的介紹在教材中并沒(méi)有涉及，但對(duì)自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的學(xué)生尤為實(shí)用。系統(tǒng)辨識(shí)是獲得被控對(duì)象模型的基本手段，而閉環(huán)控制仿真和快速控制原型的建立的加入需要“控制設(shè)計(jì)與仿真”模塊的功能。

為此，在本課程開(kāi)設(shè)進(jìn)程的后半階段，對(duì)該模塊進(jìn)行了介紹。以柔性機(jī)械臂控制為例，鼓勵(lì)學(xué)生以L(fǎng)abVIEW為設(shè)計(jì)環(huán)境，完成從系統(tǒng)辨識(shí)到被控對(duì)象的穩(wěn)定性、時(shí)域響應(yīng)和頻域響應(yīng)的分析，搭建PID閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)仿真和物理實(shí)現(xiàn)，獲得解決實(shí)際工程問(wèn)題流程的完整訓(xùn)練。

通過(guò)以L(fǎng)abVIEW作為工具，連接數(shù)據(jù)采集硬件，使學(xué)生領(lǐng)悟快速原型建立對(duì)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的重要性。在教學(xué)過(guò)程中，Lab—VIEW的循環(huán)定時(shí)結(jié)構(gòu)、采樣速率、實(shí)時(shí)系統(tǒng)和程序的抖動(dòng)性等概念能夠與控制系統(tǒng)中的實(shí)時(shí)性和魯棒性等概念建立密切關(guān)聯(lián)。通過(guò)補(bǔ)充這部分內(nèi)容，使學(xué)生既鞏固了虛擬儀器技術(shù)課程的基本知識(shí)，也加深自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)學(xué)生的專(zhuān)業(yè)素養(yǎng)，為其設(shè)計(jì)更復(fù)雜的控制裝置打下基礎(chǔ)。

2.4部分教材知識(shí)點(diǎn)的調(diào)整與補(bǔ)充

針對(duì)自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的學(xué)科特點(diǎn)，并結(jié)合當(dāng)前虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，在“儀器總線(xiàn)與控制”模塊課程講述過(guò)程中，適度降低GPIB和VXI這兩種總線(xiàn)的教學(xué)難度，縮減部分教學(xué)內(nèi)容。考慮到PXI總線(xiàn)近年來(lái)的快速發(fā)展，在PXI總線(xiàn)基礎(chǔ)上增加了對(duì)PXI-E高性能總線(xiàn)介紹和性能比較等教學(xué)內(nèi)容。

在儀器控制中，刪除測(cè)控專(zhuān)業(yè)中對(duì)利用c++作為編程環(huán)境實(shí)現(xiàn)儀器程控的要求，僅要求使用LabVIEW作為編程語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)，提高了課程的適用度。

在“虛擬儀器通信技術(shù)”教學(xué)模塊，補(bǔ)充“網(wǎng)絡(luò)流”這種最新無(wú)損傳輸技術(shù)，并將其與TCP/IP技術(shù)、UDP技術(shù)、DataSocket技術(shù)，共享變量技術(shù)進(jìn)行比較，以流程樹(shù)的模式幫助學(xué)生快速梳理不同數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的適用場(chǎng)合，幫助學(xué)生快速掌握基于虛擬儀器實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化測(cè)控的強(qiáng)大功能。

3嚴(yán)抓訓(xùn)練環(huán)節(jié)

虛擬儀器技術(shù)這門(mén)課程具有較強(qiáng)的實(shí)踐性，作為授課教師，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有條件和自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)本科生培養(yǎng)方案，為學(xué)生設(shè)計(jì)了由易到難的四級(jí)訓(xùn)練過(guò)程，切實(shí)加強(qiáng)學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握程度，并通過(guò)訓(xùn)練提升其解決實(shí)際工程問(wèn)題能力。

3.1課堂動(dòng)手實(shí)踐環(huán)節(jié)

為了有效提高課堂的教學(xué)效果，作者在講授LabVIEW程序設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)時(shí)，采取問(wèn)題式教學(xué)模式，增強(qiáng)師生互動(dòng)程度。在基本編程方法介紹結(jié)束后，提出相關(guān)問(wèn)題，讓學(xué)生來(lái)多媒體講臺(tái)上解決編程和調(diào)試工作。通過(guò)這種方法，可以更有效地找出學(xué)生在學(xué)習(xí)中碰到的問(wèn)題并解決。

在利用虛擬儀器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集講授階段，作者購(gòu)買(mǎi)了NI公司的USB-6009和USB-4431數(shù)據(jù)采集卡，結(jié)合壓電加速度傳感器、麥克風(fēng)傳感器，在課堂上向?qū)W生展示如何結(jié)合應(yīng)用需求，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并以此為基礎(chǔ)講述利用虛擬儀器完成物理信號(hào)的處理，讓學(xué)生體會(huì)到虛擬儀器的功能，并對(duì)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行掌握。

3.2增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)和作業(yè)訓(xùn)練

在10學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，將理論教學(xué)的大班模式打散，即采用小班化教學(xué)模式。純軟件類(lèi)實(shí)驗(yàn)做到一人一組，軟硬結(jié)合類(lèi)實(shí)驗(yàn)做到2-3人一組，實(shí)驗(yàn)中配備了示波器、GPIB通信卡、NIELVIS等設(shè)備，保證學(xué)生通過(guò)自主實(shí)踐，完成大綱要求的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

在作業(yè)布置上實(shí)現(xiàn)多樣化設(shè)計(jì)，除對(duì)課本習(xí)題外，還布置了開(kāi)放式的題目，如查找虛擬儀器相關(guān)應(yīng)用案例、利用虛擬儀器編寫(xiě)基于聲卡的應(yīng)用程序、設(shè)計(jì)自動(dòng)售貨機(jī)程序等，這類(lèi)題目并無(wú)標(biāo)準(zhǔn)答案，能充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的主動(dòng)性，去思考和實(shí)踐。

3.3通過(guò)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)和大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目實(shí)踐

作者所在的學(xué)院每年都為學(xué)生提供基于虛擬儀器的開(kāi)放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目，學(xué)生可以以團(tuán)隊(duì)的形式加入這類(lèi)工程訓(xùn)練項(xiàng)目，利用虛擬儀器完成相關(guān)的軟硬件設(shè)計(jì)和報(bào)告撰寫(xiě)。項(xiàng)目最后階段需要通過(guò)委員會(huì)答辯，驗(yàn)收后可給予自主化學(xué)分。該訓(xùn)練環(huán)節(jié)學(xué)生主要通過(guò)課余時(shí)間來(lái)完成，具有很好的靈活性。學(xué)生可通過(guò)指導(dǎo)教師、網(wǎng)絡(luò)、小組討論來(lái)提高其自我學(xué)習(xí)能力和對(duì)知識(shí)的綜合應(yīng)用能力。

3.4通過(guò)虛擬儀器競(jìng)賽訓(xùn)練

通過(guò)前三階段的訓(xùn)練，學(xué)生已經(jīng)基本具備使用虛擬儀器獨(dú)立開(kāi)發(fā)應(yīng)用項(xiàng)目的能力。在此基礎(chǔ)上，掌握程度較好的學(xué)生可以進(jìn)一步參加江蘇省和全國(guó)的虛擬儀器競(jìng)賽，完成測(cè)試、控制、自動(dòng)化或其他創(chuàng)新性的應(yīng)用開(kāi)發(fā)，進(jìn)一步提升其工程應(yīng)用綜合能力。“

4結(jié)語(yǔ)

虛擬儀器是大學(xué)生進(jìn)行工程訓(xùn)練非常優(yōu)秀的實(shí)踐平臺(tái)，在大學(xué)中開(kāi)設(shè)此課程能幫助學(xué)生快速掌握這項(xiàng)工具。考慮到課程性質(zhì)和專(zhuān)業(yè)的不同，作為教師，講述虛擬儀器技術(shù)的相關(guān)知識(shí)應(yīng)努力適應(yīng)被講述的對(duì)象的專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域，這樣更有利于提高學(xué)生學(xué)習(xí)的目的性和興趣性，更好地幫助其提高工程應(yīng)用能力。

本門(mén)課程在我校自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)三年來(lái)，選課人數(shù)在75-100人之間波動(dòng)，教學(xué)滿(mǎn)意率達(dá)90%。筆者和部分已畢業(yè)的學(xué)生交流，大家普遍認(rèn)為通過(guò)虛擬儀器技術(shù)這門(mén)課的學(xué)習(xí)，對(duì)他們的本科畢業(yè)設(shè)計(jì)、碩士課題研究和走上工作崗位后相關(guān)項(xiàng)目的開(kāi)展都有較大的幫助。