工程教育專業(yè)認證背景下基于MyDAQ的口袋實驗室建設

張貞凱 楊永紅 伍杰 周辰笛

摘 要：工程教育專業(yè)認證背景下，口袋實驗室的建設和應用有利于促進教學改革，進一步提升工程人才的培養(yǎng)質(zhì)量。文中分析口袋實驗室建設與工程教育專業(yè)認證關系的同時，基于NI公司的MyDAQ構建信號處理口袋實驗室，設計函數(shù)信號發(fā)生器、示波器、濾波器和頻譜儀等。仿真結果表明，文中構建的口袋實驗室具有較好的工作性能。

關鍵詞：工程教育專業(yè)認證;口袋實驗室;教學改革;虛擬儀器;工程人才;MyDAQ

中圖分類號：TP393;C931.6文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）04-0-02

0 引 言

在我國開展工程教育專業(yè)認證具有重大意義，不僅能為實施職業(yè)資格證書制度打下基礎，還有利于我國學歷教育在國際互認體系中得到認可[1]。因此，我國申請加入了“華盛頓協(xié)議”預備成員國，這對我國工程教育改革與發(fā)展具有深遠的影響[2]。文獻[3]介紹了美國工程教育專業(yè)認證標準，深入揭示了認證的內(nèi)涵和共性特征。目前，圍繞工程教育專業(yè)認證開展教學改革是高校教學工作的重點和熱點。

1 口袋實驗室建設對工程教育專業(yè)認證的意義

口袋實驗室是將體積較小的實驗板卡發(fā)到每個學生的手上，裝在口袋里可以隨身攜帶、隨時操作，不受傳統(tǒng)實驗室空間和開放時間的限制，在鞏固各種基本實驗的基礎上，充分激發(fā)學生的潛力，提升學生的創(chuàng)新能力，是一種全新的理論和實驗教學模式[4]。目前清華大學、華中科大等國內(nèi)重點高校已經(jīng)開始大力推行口袋實驗室的實踐和創(chuàng)新，國外很多高校也開始對口袋實驗室進行探索和實踐，如英國德蒙福特大學，為學生購置了基于微控制器或FPGA的最小系統(tǒng)開發(fā)板作為口袋實驗室平臺，學生在課程實驗及畢業(yè)設計階段，都可以在這些口袋實驗室平臺上開展理論研究和實踐設計[5-6]。

口袋實驗室建設與應用將利于推進高校的工程教育專業(yè)認證工作，能夠支撐的標準畢業(yè)要求如下：

（1）工程知識。口袋實驗室的建設和推廣能夠促進學生將自然科學、工程基礎和專業(yè)知識相結合，有利于進一步分析和解決復雜的工程問題。

（2）問題分析。在不受時間和空間限制的實驗室平臺上，需要學生應用自然科學和工程科學的基本原理完成創(chuàng)新實踐，并合理分析實驗結果以獲得有效結論。

（3）設計/開發(fā)解決方案。在口袋實驗室的設計過程中，學生需要提出解決和設計方案，并在設計環(huán)節(jié)中提升創(chuàng)新意識。

（4）研究。基于口袋實驗室開展課程所需的實驗設計與理論研究，需要學生基于科學原理并采用科學方法對專業(yè)中復雜的工程問題進行研究，包括算法設計、理論推導、實驗驗證等。

（5）使用現(xiàn)代化工具。口袋實驗室的應用和推廣需要學生掌握和使用現(xiàn)代化軟件、硬件工具，實現(xiàn)對復雜工程問題的預測與模擬。

（6）工程與社會。基于口袋實驗室的便捷使用，學生能合理評價和預測自己專業(yè)的部分工程實踐、設計方案等對社會及環(huán)境的影響。

（7）個人和團隊。在基于口袋實驗室的團隊作品設計與開發(fā)過程中，學生需要在多學科背景下的團隊中扮演好自己的角色，完成自己的任務。

（8）溝通。在團隊合作中，學生需要在團隊間進行有效的溝通和交流，包括任務分工、撰寫設計報告、方案交流、作品答辯等。

（9）終身學習。口袋實驗室應用中，學生需要根據(jù)設計需求，自主學習和研究，有效提升不斷學習和適應發(fā)展的能力。

由此可以看出，口袋實驗室的建設和發(fā)展是實現(xiàn)工程教育專業(yè)認證的重要基礎。本文基于現(xiàn)代信息工具設計科學高效的“口袋實驗室”，在NI（National Instrument）公司的MyDAQ平臺上，使用LabVIEW設計開發(fā)相關信號處理軟件，是傳統(tǒng)教學方法改革的基礎，將有利于激發(fā)學生的學習興趣，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識，提升學生的動手實踐能力。

2 基于NI MyDAQ的口袋實驗室構建

MyDAQ是由美國國家儀器公司出品，和大學工程類課程結合十分緊密的便攜式設備[7]，即使學生身處實驗室之外，也可以隨時隨地進行學習實踐和創(chuàng)新設計。本文基于MyDAQ設計函數(shù)信號發(fā)生器、示波器和濾波器、頻譜儀等常用的信號處理虛擬儀器，方便學生在此基礎上進行拓展設計，函數(shù)發(fā)生器運行結果如圖1所示，示波器和濾波器如圖2所示，頻譜儀運行結果如圖3所示。

從圖1和圖2可以看出，函數(shù)發(fā)生器首先產(chǎn)生信號，由數(shù)據(jù)采集卡MyDAQ采集后在設計的虛擬示波器上顯示。仿真結果表明，本文設計的函數(shù)信號發(fā)生器可以產(chǎn)生標準的正弦波、方波、三角波和鋸齒波，頻率變化范圍為0～5 kHz，幅值變化范圍為0～10 V。圖2是示波器和濾波器的前面板，示波器不僅能夠?qū)Σㄐ芜M行顯示，還可以自適應調(diào)節(jié)坐標系的橫軸、縱軸和采樣信息等。本文設計的濾波器包含低通、帶通、高通、帶阻等常見的濾波模式，可以自適應調(diào)節(jié)截止頻率等參數(shù)。示波器和濾波器功能完善，能夠代替實驗室的部分實體儀器。由圖3可以看出，函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生信號為100 Hz的正弦波，頻譜儀顯示在100 Hz處有一個譜峰，準確地反映出了函數(shù)信號的頻率成分。

3 結 語

本文完成了口袋實驗室對工程教育認證中標準畢業(yè)要求的支撐情況分析，并基于NI MyDAQ構建了信號處理口袋實驗室，設計了函數(shù)信號發(fā)生器、示波器、濾波器、頻譜儀等常見的信號處理儀器，能夠為理論和實驗教學方法改革提供基礎，為學生日常的軟硬件開發(fā)、設計和研究提供便捷的平臺，有利于進一步促進學生創(chuàng)新實踐能力的提高。

參 考 文 獻

[1]胡順仁，趙紅.電子信息工程專業(yè)的工程教育專業(yè)認證實踐探索[J].武漢大學學報（理學版），2012，58（z2）：130-132.

[2]胡文龍.工程專業(yè)認證背景下的高校教師教學發(fā)展[J].高等工程教育研究，2015（1）：73-78.

[3]朱永東，葉玉嘉.美國工程教育專業(yè)認證標準研究[J].現(xiàn)代大學教育，2009（3）：46-50.

[4]劉艷，秦昌明.“口袋”實驗室在物聯(lián)網(wǎng)工程實驗教學中的應用[J].實驗技術與管理，2015，32（8）：212-215.

[5]姜志鵬，陳正宇，史金芬，等.應用型功課院校“口袋實驗室”培養(yǎng)模式探索[J].統(tǒng)計與管理，2015（10）：173-174.

[6]姜志鵬，陳正宇，閻浩.基于“口袋實驗室”的實踐教學模式實施方法[J].物聯(lián)網(wǎng)技術，2015，5（9）：98-99.

[7]伍杰，周辰笛.基于LabVIEW和MyDAQ的虛擬信號處理儀器設計[J].電子測試，2017（16）：28-30.

[8]畢家駒.中國工程專業(yè)認證進入穩(wěn)步發(fā)展階段[J].高教發(fā)展與評估，2009（1）：3-5.

[9]羅正祥.工程教育專業(yè)認證及其對高校實踐教學的影響[J].實驗室研究與探索，2008（6）：1-3.

[10]劉寶，任濤，李貞剛.面向工程教育專業(yè)認證的自動化國家特色專業(yè)改革與建設[J].高等工程教育研究，2016（6）：48-52.