高職院校如何開設《虛擬儀器設計與應用》課程

摘 要：本文分析了高職院校設置《虛擬儀器設計與應用》課程的必要性，介紹了該課程的課程內容、課程的實踐教學平臺及課程配套的實訓項目，課程可以完成電子測量與信號監控、自動化領域儀器的應用開發，全面提升學生的綜合素質及創新能力。

關鍵詞：高職；虛擬儀器設計與應用；課程設計

1 引言

虛擬儀器（virtual instrumention，簡稱VI）是基于計算機的儀器，虛擬儀器允許測試人員根據不同的測試要求，通過軟件重新定制硬件，創建自定義的解決方案，實現計算機和儀器的密切結合，是儀器發展的一個重要方向。隨著電子技術的高速發展，掌握虛擬儀器技術已成為畢業生應具有的、不可缺少的關鍵技術。高職院校培養高技能實用型人才，教學中需要大量的實訓設備，虛擬儀器技術以最少的硬件投資即可改進整個系統，非常適合高職教育體制的實訓基地建設。《虛擬儀器設計與應用》課程的設置，能夠滿足軌道交通等多個行業電子測繪領域高職畢業生培養的需求。

2 《虛擬儀器設計與應用》課程設計

《虛擬儀器設計與應用》課程是我院電子測量與信號監控專業方向的核心課程，課程依托教師自主設計的虛擬綜合實訓平臺，結合校企聯合開發的課程項目和實訓項目，培養學生在電子測繪、軌道交通等方面職業能力，為電子技術等多門課程提供很好的技術支撐。

2.1 課程內容設計

本課程內容選取前期以Labview基礎知識學習為主，后期以項目教學為主，項目以信號發生器等常見儀器設備的開發為主。課程項目根據企業當前所需技術，用傳統儀器與虛擬儀器相結合的方法，以地鐵軌道信號設備的信號分析、處理及基于聲卡的虛擬儀器信號發生器設計等為案例開發。課程教學內容安排順序，通過簡單游戲開發，學習Labview基礎知識；設計以聲音采集卡為媒介的簡易信號發生器；完成多通道數據采集裝置的綜合項目，從簡到難，使學生逐漸掌握虛擬儀器開發流程和設計方法。表1是單元教學的主要內容。

2.2 課程的實踐教學平臺

2.2.1 虛擬儀器系統構成

以通用的計算機硬件及操作系統為依托，實現各種儀器功能。圖1是常用的虛擬儀器系統方案。虛擬儀器實際上是一個按照儀器需求組織的數據采集系統。用戶可以根據自己的需要定義和制造各種儀器。虛擬儀器的研究中涉及的基礎理論主要有計算機數據采集和數字信號處理。

2.2.2 虛擬綜合實訓平臺的硬件系統

本課程的實踐平臺按照圖1的虛擬儀器系統而設計，以“NI6221數據采集卡”為核心，以傳感器模塊，數據處理單元，組成高性能的模塊化硬件系統。再結合軟件來完成各種測試、測量和自動化系統集成。平臺開發以來，在企業項目開發中起到重要的作用，尤其是在數據采集和數字信號處理方面應用較多。平臺可以實現通用臺式儀器的全部功能以及一些在傳統儀器上無法實現的功能。經過多年的教學和總結，該平臺目前包括虛擬儀器教學實驗箱、USB高精度采集卡和圖形化軟件開發工具、仿真工具等，此外基于Labview圖形化系統的設計，能夠輔助完成大部分課程的課堂教學，學生競賽及科研項目，非常適合高職院校學生的自主學習和技能訓練。虛擬綜合實訓平臺的硬件總體框架如下圖2，利用模塊化硬件，結合軟件來完成各種測試、測量和自動化的應用。軟件能幫你創建完全自定義的用戶界面，模塊化的硬件能方便地提供全方位的系統集成，靈活的可編程軟硬件平臺滿足對同步和定時應用的需求。只有同時擁有軟件、模塊化IO硬件和用于集成軟硬件的平臺，才能充分發揮虛擬儀器的優勢。

由Labview軟件構建虛擬儀器實訓系統，將計算機技術應用于物理量的測量中，在實際應用中，平臺可以完成多個實訓內容，可供電子、通信類專業學生作為設計性、創新性綜合實驗和畢業設計使用。

2.3 實訓內容

課程開發了一系列實踐項目，包括：示波器、頻譜分析儀、數字電壓表、溫度測量系統、光強檢測與控制系統、紅綠燈控制系統、紅外傳輸系統、電機調速與測速開環系統、電子秤設計、步進電機控制與霍爾元件檢測、電機調速與測速閉環系統、模擬電梯超重報警系統等。學生可以在實訓中完成測試、測量和數字信號分析，從而為嵌入式設計、工業控制以及測試和測量項目開發中提供了一種獨特的解決方案。

2.4 課程在高職電子類專業中的定位

在電子測量與信號監控專業方向的培養方案中，本課程是核心課程，該課程在培養目標中起重要的作用，對培養其他崗位能力起著支撐作用，在課程體系中起著呈上啟下的核心作用。

3 課程對學生的培養

課程可以提高學生創新能力培養。學生可以完成儀器電路的設計、參數分析與計算，調試與測量，嵌入式技術的學習，掌握并熟練使用各種電子設備及儀器、測量技術等，利用現有計算機資源，Labview圖形化軟件、數據采集等，完成測試、控制、自動化或者其他創新性的應用開發，全面提升學生的綜合素質，學生能夠配置、創建、發布、維護和修改已有的解決方案，掌握儀器定制或自制步驟，面對簡單的測試任務，能很快的組建測試系統。

4 總結

高職《虛擬儀器設計與應用》課程設置，適應當前虛擬儀器技術崗位的發展需要，課程就業方向明確，具有很強的可持續發展優勢。通過課程，學生掌握了電子測量的新技術和新方法，大大提升學生電路設計和應用能力；課程采用先進的教學手段，使學生初步掌握新技術的數字化儀器儀表的開發流程；借助虛擬綜合測試儀平臺，學生體驗具有先進技術、開放性和高集成可擴展的工作環境，參與企業實際的項目設計；將理論知識學習、實踐能力培養和綜合素質培養三者緊密結合起來；形成校企聯合培養體系，幫助學生獲得高質量的動手能力訓練，同時平臺在實訓設備的功能和設計方法、水平方面產生了質的飛躍。

參考文獻：

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