虛擬儀器技術(shù)在新工科虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中的應(yīng)用

劉萍萍，黃 嵐，趙宏偉

（吉林大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130012）

0 引言

“新工科教育”概念自提出以來(lái)，其建設(shè)目標(biāo)被確立為服務(wù)新一輪產(chǎn)業(yè)革命，打造新興工科和傳統(tǒng)工科融合發(fā)展的學(xué)科專業(yè)“新結(jié)構(gòu)”，探索建立工程教育人才培養(yǎng)的“新模式”，逐步完善具有中國(guó)特色工程教育的“新體系”。新工科建設(shè)除了要設(shè)置和發(fā)展一批新興工科專業(yè)，更重要的是推動(dòng)現(xiàn)有工科專業(yè)的教育模式的改革創(chuàng)新。

新工科包含了理論基礎(chǔ)和工程實(shí)踐，對(duì)于工科學(xué)生而言，他們需要將知識(shí)和技能結(jié)合起來(lái)，需要將系統(tǒng)性的思維和創(chuàng)新型的理念結(jié)合起來(lái)。為深入推進(jìn)信息技術(shù)與工程高等教育實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深度融合，不斷加強(qiáng)高等教育實(shí)驗(yàn)教學(xué)優(yōu)質(zhì)資源建設(shè)與應(yīng)用，著力提高新工科教育實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和實(shí)踐育人水平，虛擬仿真作為一種新的技術(shù)形式逐步得到了各級(jí)教育主管領(lǐng)導(dǎo)部門(mén)和廣大師生的青睞。

教育部《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011—2020 年）》明確提出，深入推進(jìn)信息技術(shù)與高等教育實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深度融合，著力提高高等教育實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和實(shí)踐育人水平。在2018年6月的新時(shí)代全國(guó)高等學(xué)校本科教育工作會(huì)議，特別強(qiáng)調(diào)了不斷加強(qiáng)高等教育實(shí)驗(yàn)教學(xué)優(yōu)質(zhì)資源建設(shè)、應(yīng)用與共享，打造實(shí)驗(yàn)“金課”，教育部適時(shí)在普通本科高等學(xué)校開(kāi)展示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)工作，也為新工科的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革指明了方向。

1 虛擬仿真平臺(tái)建設(shè)的意義與原則

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要是通過(guò)虛擬儀器平臺(tái)、多媒體技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等技術(shù)，輔助3D打印和平板電腦等設(shè)備，構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)室，實(shí)現(xiàn)軟件共享、儀器共享和設(shè)備遠(yuǎn)程控制[1]。

新工科人才培養(yǎng)要緊緊圍繞經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展的新要求、現(xiàn)代大學(xué)生成長(zhǎng)的新特點(diǎn)、信息化時(shí)代教育教學(xué)的新規(guī)律，以提高學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神為核心，以現(xiàn)代信息技術(shù)為依托，以相關(guān)專業(yè)急需的實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化內(nèi)容為指向，以完整的實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目為基礎(chǔ)，建設(shè)示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，形成專業(yè)布局合理、教學(xué)效果優(yōu)良、開(kāi)放、共享、有效的高等教育信息化實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，支撐教學(xué)質(zhì)量全面提高。

（1）虛擬仿真平臺(tái)建設(shè)的意義。通過(guò)建設(shè)和使用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，可以作為推進(jìn)完善現(xiàn)有實(shí)踐教學(xué)體系，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的重要舉措，加大對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)隊(duì)伍的培養(yǎng)培訓(xùn)，著力提升信息技術(shù)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)深度融合的意識(shí)，使用信息技術(shù)改造傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的能力和水平。根據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)計(jì)劃和實(shí)際情況，在堅(jiān)持“能實(shí)不虛”的基礎(chǔ)上加大虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)力度。加強(qiáng)對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的應(yīng)用管理，建立健全適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)化學(xué)習(xí)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)成績(jī)考核評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量穩(wěn)步提高。

（2）虛擬仿真平臺(tái)建設(shè)的原則。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的主要建設(shè)原則包括：①以學(xué)生為中心的實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和潛能，增強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)造能力；②準(zhǔn)確適宜的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，研發(fā)原理準(zhǔn)確、內(nèi)容緊湊、時(shí)長(zhǎng)合理，解決高危、極端環(huán)境、高成本等問(wèn)題；③創(chuàng)新多樣的教學(xué)方式方法，互動(dòng)式、研討式教學(xué)與自主式、合作式、探究式學(xué)習(xí)結(jié)合；④先進(jìn)可靠的實(shí)驗(yàn)研發(fā)技術(shù)，運(yùn)用多種現(xiàn)代化手段，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的吸引力和教學(xué)有效度，但必須兼顧可靠性和安全性；⑤穩(wěn)定安全的開(kāi)放運(yùn)行模式，搭建具有開(kāi)放性、擴(kuò)展性、兼容性和前瞻性的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目運(yùn)行平臺(tái)；⑥持續(xù)改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)體系，將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目納入相關(guān)專業(yè)培養(yǎng)方案和教學(xué)課程，制訂相關(guān)教學(xué)效果評(píng)價(jià)辦法。

2 虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)的國(guó)內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀

國(guó)外高校在虛擬仿真平臺(tái)建設(shè)方面的工作開(kāi)展較早，其工作包含建立內(nèi)容豐富的虛擬仿真教學(xué)資源庫(kù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)資源網(wǎng)絡(luò)化，學(xué)生遠(yuǎn)程操作，提升學(xué)習(xí)效果，并逐步形成了完備的實(shí)驗(yàn)過(guò)程管理的標(biāo)準(zhǔn)和體系。美國(guó)、英國(guó)和新西蘭等國(guó)家的一些大學(xué)先后在電子工程專業(yè)、物理學(xué)專業(yè)等啟動(dòng)了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，學(xué)生可以遠(yuǎn)程訪問(wèn)實(shí)驗(yàn)室里的昂貴的測(cè)試設(shè)備來(lái)獲取測(cè)試數(shù)據(jù)，驗(yàn)證自己的設(shè)計(jì)；也可以利用虛擬實(shí)驗(yàn)手段，完成天體物理、力學(xué)和熱學(xué)的典型實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)；或通過(guò)仿真軟件，實(shí)現(xiàn)各類物理現(xiàn)象的仿真與分析，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)造性[1-2]。

國(guó)內(nèi)的許多大學(xué)也利用各種形式的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，實(shí)現(xiàn)儀器設(shè)備資源共享建立虛擬資源、場(chǎng)景，形成網(wǎng)絡(luò)協(xié)作平臺(tái)，服務(wù)于教學(xué)和科研活動(dòng)。比較具有代表性的是清華大學(xué)數(shù)字化制造系統(tǒng)虛擬仿真平臺(tái)、北京航空航天大學(xué)空天電子信息虛擬仿真平臺(tái)、北京郵電大學(xué)通信與網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真平臺(tái)、吉林大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和杭州電子科技大學(xué)的電子信息技術(shù)虛擬仿真平臺(tái)等。這些大學(xué)采用虛擬儀器、虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體技術(shù)等多種技術(shù)手段，探索了將多學(xué)科虛擬仿真成果，形成基礎(chǔ)支撐課程群、專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程群與虛擬實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練相結(jié)合的教學(xué)新模式，以虛擬仿真平臺(tái)的共享服務(wù)，促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新能力的提升[3-7]。

3 虛擬儀器在虛擬仿真實(shí)踐教育中的作用

虛擬儀器技術(shù)是當(dāng)今測(cè)試仿真領(lǐng)域一種新興技術(shù)，是指利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，將特殊設(shè)計(jì)的硬件與專用軟件結(jié)合，可完成傳統(tǒng)儀器的基本功能，又可將傳統(tǒng)儀器的公共部分集中共享，具備便捷化、網(wǎng)絡(luò)化、個(gè)性化的特點(diǎn)，因而非常適合建設(shè)虛擬仿真平臺(tái)。在國(guó)家新工科建設(shè)過(guò)程中，在人工智能、智能制造、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和智能網(wǎng)聯(lián)汽車等專業(yè)方向的虛擬仿真平臺(tái)中都有著不可替代的作用[8]。

近年來(lái)我們一直圍繞工科人才培養(yǎng)的時(shí)代要求，不斷優(yōu)化基于虛擬儀器的虛擬仿真平臺(tái)建設(shè)，通過(guò)平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)課程學(xué)習(xí)，旨在使學(xué)生形成從系統(tǒng)的角度分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的思維方法，了解相關(guān)技術(shù)研究領(lǐng)域的發(fā)展方向及新技術(shù)內(nèi)涵。

吉林大學(xué)面向電子信息工程、測(cè)控技術(shù)與儀器、物聯(lián)網(wǎng)工程、機(jī)械工程和汽車工程等工科專業(yè)不斷優(yōu)化基于以虛擬儀器技術(shù)為核心的虛擬仿真平臺(tái)，服務(wù)若干課程，形成了一個(gè)課程體系，包括若干理論教學(xué)課程、綜合實(shí)驗(yàn)以及課程設(shè)計(jì)。“虛擬儀器及測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)”為該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的核心實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，是集理論學(xué)習(xí)與課程實(shí)踐為一體的綜合性實(shí)驗(yàn)。通過(guò)該平臺(tái)學(xué)生能全面系統(tǒng)地了解智能測(cè)試技術(shù)的相關(guān)基礎(chǔ)理論、智能測(cè)試系統(tǒng)的組成、所用儀器儀表及其實(shí)現(xiàn)方法以及基于虛擬儀器的智能檢測(cè)及控制技術(shù)、方法及常用算法[9-10]。通過(guò)該平臺(tái)使學(xué)生將課上所掌握的理論知識(shí)與實(shí)際相結(jié)合，要求學(xué)生通過(guò)分析理論與實(shí)踐間存在差異的原因，對(duì)各種信號(hào)檢測(cè)所需的傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、測(cè)量顯示及記錄方法、計(jì)算機(jī)接口與數(shù)據(jù)采集技術(shù)進(jìn)行實(shí)際運(yùn)用，掌握相關(guān)儀器、設(shè)備的正確使用方法[11]。利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程，讓學(xué)生了解實(shí)際測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程、設(shè)計(jì)原則和注意事項(xiàng)，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的實(shí)踐能力，為進(jìn)一步研究處理工程測(cè)試技術(shù)問(wèn)題打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)[12-13]。

4 基于虛擬儀器的虛擬仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)理念與功能

為了滿足不同新興專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要，我們建立的虛擬仿真平臺(tái)以一套虛擬儀器綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為核心，根據(jù)課程設(shè)置選取工程中常用的溫度、聲音、光、磁、應(yīng)變等多種不同類型傳感器，將其集成于一個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)之上。采用模塊化設(shè)計(jì)，每個(gè)傳感器模塊都有單獨(dú)的開(kāi)關(guān)控制，確保各個(gè)模塊之間不存在相互影響[14]。

在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，系統(tǒng)采用了美國(guó)NI公司的USB-6218型數(shù)據(jù)采集卡，通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡把硬件電路和PC機(jī)連接起來(lái)，能夠完成模擬信號(hào)的輸入/輸出和數(shù)字信號(hào)輸入/輸出的功能[15]。系統(tǒng)采用LabVIEW進(jìn)行上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)，其功能主要包括數(shù)據(jù)采集和處理模塊、實(shí)驗(yàn)原理模塊和數(shù)據(jù)結(jié)果的存儲(chǔ)與分析模塊[16]。上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)由兩部分組成：前面板和程序框圖。在前面板，輸入用輸入控件來(lái)實(shí)現(xiàn)。程序運(yùn)行的結(jié)果由顯示控件來(lái)完成。程序框圖是完成程序功能的圖形化源代碼，通過(guò)它對(duì)信號(hào)數(shù)據(jù)的輸入和輸出進(jìn)行指定，完成對(duì)信號(hào)采集及分析處理功能的控制[17]。

除傳統(tǒng)的真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境之外，虛擬儀器綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)探索利用數(shù)據(jù)庫(kù)和網(wǎng)絡(luò)通訊等技術(shù)，構(gòu)建高度仿真的網(wǎng)絡(luò)化實(shí)驗(yàn)環(huán)境和分布式部署結(jié)構(gòu)，能在不受時(shí)間和空間限制的條件下完成教學(xué)功能。學(xué)生可以在遠(yuǎn)程登錄到實(shí)驗(yàn)室的服務(wù)器上控制程序及數(shù)據(jù)采集設(shè)備的運(yùn)行，采集多種傳感器數(shù)據(jù)。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，充分利用了數(shù)據(jù)采集卡或NI ELVIS的軟硬件資源，不同專業(yè)的學(xué)生可以選用不同的模塊組合。在現(xiàn)行局域網(wǎng)構(gòu)架之上，采用LabVIEW編程進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和分析計(jì)算，并顯示和保存相應(yīng)的采樣處理結(jié)果；將LabVIEW客戶端程序通過(guò)軟件本身的Web Server 功能發(fā)布到網(wǎng)頁(yè)上，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程訪問(wèn)和共享，達(dá)到了構(gòu)架虛擬實(shí)驗(yàn)室的目的。

5 成果應(yīng)用與成效

目前，該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)通過(guò)十幾年的建設(shè)，在吉林大學(xué)以綜合實(shí)驗(yàn)及開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)的形式，吸引了計(jì)算機(jī)、測(cè)控、自動(dòng)化、機(jī)械和汽車等多個(gè)專業(yè)總計(jì)727名學(xué)生的參與。學(xué)生被劃分成2～4人的小組，鼓勵(lì)跨專業(yè)組隊(duì)。課程考核分為基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新交叉實(shí)驗(yàn)，分別占總評(píng)成績(jī)的40%和60%。通過(guò)學(xué)生的反饋，得出以下結(jié)論。

（1）實(shí)驗(yàn)平臺(tái)操作簡(jiǎn)單，將工程實(shí)際應(yīng)用引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)，學(xué)生可以看到真實(shí)的信號(hào)，實(shí)踐能力獲得了巨大提升，激發(fā)了學(xué)生對(duì)工程實(shí)踐研究的興趣。多位學(xué)生表示，加深了對(duì)工程實(shí)踐的理解。

（2）虛擬仿真平臺(tái)的遠(yuǎn)程訪問(wèn)，使學(xué)生可以隨時(shí)隨地參與到實(shí)驗(yàn)中來(lái)，極大地方便學(xué)生，使得學(xué)生在理論學(xué)習(xí)中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，隨時(shí)可以驗(yàn)證，也通過(guò)遠(yuǎn)程交流平臺(tái)和交叉學(xué)科的協(xié)作，拓展了學(xué)術(shù)視野，學(xué)生的綜合素質(zhì)大幅提升。

（3）針對(duì)各專業(yè)的實(shí)際需求，設(shè)計(jì)了多層次、分等級(jí)的實(shí)驗(yàn)課程，實(shí)現(xiàn)循序漸進(jìn)的教學(xué)模式。該系統(tǒng)所支持開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目見(jiàn)表1。從基礎(chǔ)類實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開(kāi)始，讓學(xué)生掌握數(shù)據(jù)采集的基本操作，并熟悉各種外部資源的配置方法；在此基礎(chǔ)上開(kāi)展通用性實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生逐步掌握實(shí)驗(yàn)平臺(tái)各個(gè)模塊的用法。對(duì)于熟知前兩個(gè)階段性實(shí)驗(yàn)的同學(xué)，可以根據(jù)老師提出的實(shí)驗(yàn)要求進(jìn)行創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，結(jié)合新工科教育強(qiáng)調(diào)學(xué)科交叉互通，可以在大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目中，與船舶工程、機(jī)械工程、汽車工程、物聯(lián)網(wǎng)工程等學(xué)科融合、面向機(jī)器人、智慧養(yǎng)殖、智慧城市、智慧醫(yī)療、智能交通等應(yīng)用領(lǐng)域設(shè)計(jì)出更深層次的綜合性交叉性實(shí)驗(yàn)。

6 結(jié)語(yǔ)

新工科建設(shè)過(guò)程中，各個(gè)新專業(yè)都對(duì)建設(shè)虛擬仿真平臺(tái)，并在此基礎(chǔ)上開(kāi)設(shè)開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)、學(xué)科交叉型實(shí)驗(yàn)和綜合性實(shí)驗(yàn)提出了新的要求。本文圍繞著新工科建設(shè)的思考及實(shí)踐，基于虛擬儀器系列實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開(kāi)展了虛擬仿真平臺(tái)建設(shè)工作，經(jīng)歷了逐步改進(jìn)和優(yōu)化的開(kāi)發(fā)歷程。虛擬儀器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)充分發(fā)揮了虛擬儀器技術(shù)在多個(gè)新興學(xué)科都廣泛應(yīng)用的特點(diǎn)，緊密結(jié)合了實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程內(nèi)容，增加了學(xué)生與實(shí)驗(yàn)課程的互動(dòng)性，提高了學(xué)生對(duì)相關(guān)課程的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生能進(jìn)一步驗(yàn)證相關(guān)理論，掌握課程中的難點(diǎn)、重點(diǎn)。學(xué)生可以自行控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)電機(jī)轉(zhuǎn)速、光強(qiáng)、壓力等產(chǎn)生不同的物理信號(hào)，從而每個(gè)實(shí)驗(yàn)小組得到的實(shí)驗(yàn)信號(hào)也不盡相同，避免了以往實(shí)驗(yàn)課程中千篇一律的信號(hào)圖表。教學(xué)實(shí)踐表明，通過(guò)實(shí)驗(yàn)課的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握了相關(guān)儀器、設(shè)備的正確使用方法，對(duì)相關(guān)學(xué)科有了更加深入的了解，使其具有虛擬儀器、數(shù)據(jù)采集、信號(hào)分析、智能處理及測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的基礎(chǔ)知識(shí)和應(yīng)用能力。