基于NI ELVIS Ⅲ的虛擬儀器課程教學(xué)探討

任海霞 李志斌 夏飛

摘要：《虛擬儀器》課程采用NI ELVISⅢ多功能虛擬儀器教學(xué)裝置，根據(jù)教學(xué)內(nèi)容的連續(xù)化、開放化、層次化的特點，不斷改進教學(xué)方法，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，使學(xué)生能夠熟練應(yīng)用LabVIEW開發(fā)虛擬儀器產(chǎn)品，并提高實踐應(yīng)用能力，以滿足現(xiàn)代測量技術(shù)發(fā)展的需求。

關(guān)鍵詞：虛擬儀器;教學(xué)內(nèi)容;教學(xué)方法

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）36-0119-02

自20世紀90年代以來，在計算機技術(shù)的推動下，以虛擬智能化和網(wǎng)絡(luò)化測量儀器及測試系統(tǒng)得到了迅猛發(fā)展，使得測量儀器虛擬儀器技術(shù)是測試技術(shù)和計算機技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，融合了測試技術(shù)、儀器原理、計算機接口技術(shù)以及圖形化編程技術(shù)，在許多領(lǐng)域有取代傳統(tǒng)儀器的趨勢，成為當(dāng)代儀器發(fā)展的一個重要方向。以圖形化軟件編程方法和集成開發(fā)環(huán)境為標志的虛擬儀器開發(fā)環(huán)境是虛擬儀器研究的重要內(nèi)容，也是虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展的技術(shù)基礎(chǔ)。美國國家儀器公司（NI）的創(chuàng)新產(chǎn)品LabVIEW是目前應(yīng)用最為廣泛的虛擬儀器軟件開發(fā)環(huán)境。基于項目制設(shè)計的虛擬儀器課程，可以覆蓋各種工程信號（熱力學(xué)，機械信號等）數(shù)據(jù)采集，并利用LabVIEW軟件進行信號的處理和分析，同時進行控制和仿真的建模設(shè)計，實現(xiàn)多種信號的測控，總線通訊等，以期在加深學(xué)生理論理解的同時，提高學(xué)生的創(chuàng)新、動手與工程實踐能力。

1實驗平臺介紹

國內(nèi)外針對本科高年級學(xué)生教學(xué)實驗室（尤其是針對現(xiàn)代測試技術(shù)或者測控技術(shù)這類綜合技術(shù)性課程的實驗室）的一個趨勢是綜合性和開放性。具體來說，就是不再追求針對大規(guī)模學(xué)生同時進行同一內(nèi)容的實驗，而是允許學(xué)生根據(jù)興趣選擇感興趣的內(nèi)容和相應(yīng)的合適平臺開展實驗。這樣就不需要按照30套的整班規(guī)模配備實驗平臺，而是為學(xué)生提供幾種平臺選擇，每種平臺的數(shù)量可以少一些;或者只是基本平臺按照大量配置滿足訓(xùn)練需求，而提高性的平臺配備多種不同種類，每種數(shù)量相對少一些。這樣做有一個好處是，在技術(shù)發(fā)展較快的時代，可以避免大量購買的同一平臺過幾年完全淘汰，而是可以用輪轉(zhuǎn)式逐漸升級的方式，保持實驗室在一部分平臺滿足基本實驗需求的同時，另有一部分平臺可以反映技術(shù)的最新發(fā)展。另外一個大趨勢是淘汰單純?yōu)榻虒W(xué)設(shè)計的實驗箱或?qū)嶒炁_，而是在教學(xué)實驗中采用與工業(yè)應(yīng)用技術(shù)相通的平臺，這樣雖然實驗平臺本身針對教學(xué)設(shè)計，但是所采用的核心技術(shù)與工業(yè)界和科研單位的平臺相通，學(xué)生將來在工作中使用的平臺型號雖然不同，學(xué)習(xí)到的技術(shù)基礎(chǔ)和系統(tǒng)開發(fā)方法卻完全適用。而且通過開放平臺進行創(chuàng)新性實驗，學(xué)生可以得到更多實踐能力方面的鍛煉。

在和NI合作的基礎(chǔ)上，采用ELIVIS+LabVIEW的11套打包配置，電機和電力電子作為單項各加一套。NI ELVIS Ⅲ是一個多學(xué)科實驗平臺，結(jié)合NI LabVIEW以及不同的插板可完成電子電路、控制、通信、信號處理、嵌入式設(shè)計等學(xué)科實驗，可以使實驗室投入發(fā)揮最大效益;同時基于NI ELVIS的硬件資源和LabVIEW軟件的強大功能，在課程設(shè)計等教學(xué)環(huán)節(jié)中結(jié)合不同學(xué)科背景，可以使學(xué)生融會貫通，也符合當(dāng)今寬口徑人才培養(yǎng)的教學(xué)改革思路。QNET機電一體化（傳感器）訓(xùn)練設(shè)計;機電類傳感器理論實驗是面向QNET直流電極控制訓(xùn)練設(shè)計;電機控制教學(xué)應(yīng)用于經(jīng)典和現(xiàn)代控制理論的電機實驗;QNET En-ergy Conversion電力功率電子面向Energy Conversion電力功率電子教學(xué)，應(yīng)用于電力實驗。平衡小車面向科創(chuàng)、研究生課程和畢業(yè)設(shè)計課題等。

2教學(xué)內(nèi)容的特點

虛擬儀器課程的特點是知識覆蓋面廣、實踐性強，反映當(dāng)前白動檢測與控制技術(shù)的發(fā)展方向，是我校測控技術(shù)與儀器專業(yè)必修的一門專業(yè)課程。本課程的教學(xué)內(nèi)容不僅有理論教學(xué)，還有實踐教學(xué)。僅僅依靠教材、實驗指導(dǎo)書或者固定的實踐項目，不能滿足眾多學(xué)生的不同水平、層次的需求。這就需要根據(jù)每一班級學(xué)生的具體情況，不斷改進教學(xué)方法、創(chuàng)新教學(xué)模式[1]。

（1）教學(xué)內(nèi)容的連續(xù)化

在大學(xué)的學(xué)習(xí)過程中，不能單一針對某門課程學(xué)習(xí)，學(xué)完了考完了通過了就忘完了，要讓學(xué)生對其先學(xué)課程和后續(xù)課程都有所了解，前后貫通，激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)。該課程在我校測控技術(shù)與儀器專業(yè)的學(xué)習(xí)過程中起著非常重要的作用，它既是前期基礎(chǔ)課：與電子技術(shù)、檢測技術(shù)、微型計算機原理、測控聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、測控儀器設(shè)計與制作技術(shù)、計算機測控技術(shù)等課程綜合，又是實踐教學(xué)環(huán)節(jié)：畢業(yè)設(shè)計重要基礎(chǔ)課。

虛擬儀器的教學(xué)內(nèi)容多，理論教學(xué)包括基礎(chǔ)的虛擬儀器的概念、組成結(jié)構(gòu)和LabVIEW的基本操作及編程，提高部分是動態(tài)程序控制、網(wǎng)絡(luò)通信等，實踐部分包括上機操作和實踐項目[2]。內(nèi)容之間看似離散，但是相互之間都有所關(guān)聯(lián)，比如溫度采集與報警系統(tǒng)，在理論教學(xué)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)編程上機仿真通過，在實驗平臺上采用熱敏電阻等電子元件進行實物驗證，最后使用工業(yè)生產(chǎn)過程中的Ptl00熱電阻等進行工程應(yīng)用設(shè)計。

（2）教學(xué)內(nèi)容的開放化

單純依靠課堂的上課教授、上機調(diào)試和實驗操作，是無法學(xué)好本課程，甚至連Labview都不能熟練使用，學(xué)生必須課外自學(xué)。教師會在每一節(jié)課上都留有至少一道作業(yè)題，作為過程化考核的一個環(huán)節(jié)，要求學(xué)生必須完成。教師在布置作業(yè)時會根據(jù)學(xué)生的反饋進行修改;上機操作時，學(xué)生可以采取不同的方法實現(xiàn);實驗時，可以自行設(shè)計實驗方案;實踐項目可以根據(jù)自己的興趣在教師的指導(dǎo)下確定題目并執(zhí)行等。注重發(fā)揮學(xué)生個人的思維能力和創(chuàng)造能力，讓學(xué)生結(jié)合自己的興趣自己設(shè)計題目。

除此以外，鼓勵學(xué)生利用課余時間參與教師相關(guān)項目科研研究工作，從而培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力和創(chuàng)造力。一方面是教師們的科研課題，讓學(xué)生更多地參與進來，看自身能力和特長能夠完成哪一階段的任務(wù)，可以和畢業(yè)設(shè)計結(jié)合起來，有充足的時間進行更深入的研究;另一方面是與校外專家合作，比如上海華依科技集團股份有限公司，可針對汽車進行各種參數(shù)測試。這樣所進行的實踐與現(xiàn)實聯(lián)系，有應(yīng)用背景，也有一定先進性，而不是閉門造車，既可鍛煉提高學(xué)生的實踐能力，又可使學(xué)生了解科研工作和工程應(yīng)用的主要環(huán)節(jié)或過程。

（3）教學(xué)內(nèi)容的層次化

分為基礎(chǔ)訓(xùn)練、應(yīng)用訓(xùn)練和綜合訓(xùn)練三個層面。

學(xué)生在完成基本訓(xùn)練——上機熟練使用Labview編程的基礎(chǔ)上，可以利用NI ELVIS Ⅲ進行應(yīng)用訓(xùn)練。讓學(xué)生不僅僅是連線、加電、讀取實驗數(shù)據(jù)，還要結(jié)合電子電路知識，親自動手構(gòu)建基本的檢測系統(tǒng)，加大學(xué)生自由發(fā)揮的空間，提高實際動手能力。在綜合訓(xùn)練中，測控對象或參數(shù)均為工業(yè)現(xiàn)場常用的設(shè)備和參數(shù)或者是對他們進行小型化和簡化處理而得到，再加上與之配套的工業(yè)用傳感器。通過這些實驗設(shè)備，使學(xué)生能夠認知生產(chǎn)實際、感知生產(chǎn)實際，真正了解工程控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成情況，有效地達到實驗教學(xué)的目的。

3教學(xué)方法的改進

為了學(xué)好這門課程，僅僅采用講課——實驗——大作業(yè)的教學(xué)方法，無法提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性與主動性。但本課程如果缺少學(xué)生的深度參與，必將無法達到理想的教學(xué)效果，所以有必要對《虛擬儀器》課程的教學(xué)方法進行討論。

基于LabVIEW設(shè)計的虛擬實驗平臺是通過以“軟”代“硬”的方式，充分利用LabVIEW豐富的軟件資源和計算機的硬件資源，利用LabVIEW編程效率高，易于修改的特性進行設(shè)計。減少了對硬件儀器的依賴，節(jié)省了教學(xué)經(jīng)費，同時可直接應(yīng)用于多媒體教學(xué)中，把對學(xué)生獨立思考能力、動手能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)融合到課堂教學(xué)中。針對測控綜合實踐，智能儀器儀表，自動控制原理，運動控制，圖像處理，測控設(shè)計與制作技術(shù)，測控聯(lián)網(wǎng)與儀器總線等課程，全面鋪開，擴展ELVIS的不同課程實驗板卡，構(gòu)建多學(xué)科交叉的新工科教學(xué)實驗室，加強設(shè)備共享和利用;引入NI的學(xué)生科創(chuàng)平臺如機器人套件TetrixmyRIO套件等，促進學(xué)生創(chuàng)新項目和科技實踐比賽等需求。

采取項目驅(qū)動方法：該方法是本課程教學(xué)的總體方法，在授課之前提出于課程內(nèi)容相關(guān)工程項目，以實際演示的方式，首先讓學(xué)生直觀感受虛擬儀器的應(yīng)用，然后通過對項目進行分解獲得相關(guān)知識和技能模塊。通過這樣的方法可以引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，避免從課本到課本的教授方法。

目前的時代是一個快速發(fā)展的時代，為了跟上時代的發(fā)展，使課程和實際結(jié)合更加緊密，課程組教師將不斷加強自身和課程相關(guān)的能力培養(yǎng)，積極參加和課程相關(guān)的研討活動，提高教學(xué)和實踐素養(yǎng)，同時也請校外專家講座介紹工程實踐經(jīng)驗以及技術(shù)進展，讓學(xué)生能夠接觸到最新的信息和資訊。

在互聯(lián)網(wǎng)+的年代，教育也需要和互聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合，本課程通過將部分教學(xué)內(nèi)容和實踐中經(jīng)常遇到的問題錄制視頻的方式，提供更加靈活多樣的學(xué)習(xí)方式。

4結(jié)束語

基于NI ELVIS Ⅲ的實驗平臺不僅可完成虛擬儀器課程實驗，而且能提供面向設(shè)計、原型、發(fā)布應(yīng)用的統(tǒng)一平臺，可以完成從原型設(shè)計到系統(tǒng)部署之間的所有工作，從而將教學(xué)與科研、理論知識與實際工業(yè)應(yīng)用無縫銜接。《虛擬儀器》課程通過不同教學(xué)方法和教學(xué)內(nèi)容的嘗試，培養(yǎng)學(xué)生動手操作和實踐創(chuàng)新能力，解決理論教學(xué)與實踐相互脫節(jié)的問題，避免出現(xiàn)學(xué)生只會讀書而實踐能力缺乏的高分低能情況。

參考文獻：

[1]錢聲強，李晴.“虛擬儀器應(yīng)用技術(shù)”課程教學(xué)改革探討[J].職教通訊，2013（33）：17-18.

[2]周小鳳，肖俊生.虛擬儀器課程教學(xué)方法探索與實踐[J].中國電力教育，2013（22）：150-151.

【通聯(lián)編輯：代影】

收稿日期：2019-07 -25

基金項目：該文系上海電力大學(xué)重點核心課程建設(shè)-20183135 -虛擬儀器的研究成果

作者簡介：任海霞（1974-），女，浙江寧波人，上海電力大學(xué)自動化工程學(xué)院，副教授，博士，主要研究方向為自動化裝置、光通信等。