虛擬儀器技術在電工演示性教學中的應用

田武剛，潘孟春，陳棣湘

(國防科學技術大學機電工程與自動化學院，湖南 長沙 410073)

課堂演示教學是“電工技術”課程理論教學的一個重要而又易忽視的環節，對理論教學可以起到很好的輔助效果[1]。目前“電工技術”課程課堂演示教學的實現，存在著許多問題，如用到的儀器設備繁多，設計復雜，演示效果差。因此，本文提出將虛擬儀器技術應用于“電工技術”課堂演示教學，收到了較好的效果。

1 演示教學法的優缺點

演示教學法，就是教師以教科書或講義為主要教學材料，以實物、幾何模型、物理模型、邏輯模型、計算機數字仿真模型、計算機圖形仿真模型和多媒體仿真模型等直觀教學媒體為主要教學手段，向學生傳授知識與技能的一種教學方法[2]。

演示教學法的優點是:演示內容可重復地再現，教師可運用口語加以講解、闡釋或說明。突出的是演示的過程性、動態性和直觀性，強調演示與講解相配合。

在“電工技術”課程教學過程中，許多物理過程可以通過演示形象直觀地表現出來，使課堂表現形式多樣。這不僅有助于學生對于難點的理解，也可以鞏固和提高他們對知識的運用能力，達到預期的教學目的，改善了教學效果，提高了教學質量。

“電工技術”課程課堂實物演示的可視化效果較差，影響了演示教學的效果。因其涉及到的設備和器材較多，包括電源、信號源、示波器、萬用表、電阻、電容和電感等。將它們都搬進教室不太可能，帶學生直接去實驗室達不到理論教學的效果。

隨著電路仿真技術的發展，采用成熟的仿真軟件(如 Multisim)設計課堂演示是方便的[3，4]。由于仿真演示結果可以采用投影儀顯示，可視化效果較好。但仿真演示給學生的印象不及實物演示的深刻，所以仿真演示作為課堂演示教學也存在著一定的局限性。

2 基于虛擬儀器技術的演示教學

基于虛擬儀器技術設計的“電工技術”課程演示教學實現如圖1所示。圖中虛框內電路部分為演示教學所涉及的具體電路實物。多功能模塊主要包括A/D和D/A模塊，用來產生激勵信號，并且對電路的響應結果進行數字化采集，該模塊采用USB接口，可以方便地和筆記本計算機通信。計算機采用軟件編程實現具體儀器的功能(數據處理、存儲等)，并通過投影儀把結果以圖形化的形式顯示在大屏幕上，保證全班學生都能清楚地觀察到測試結果。通過轉動實物投影儀的攝像頭可以把整個實物組成的演示裝置投影到大屏幕，使后排學生也能清楚地看到以實物組建的演示裝置。其中可以選擇具有實物投影和計算機投影功能集成的投影儀，使整個系統更為簡化。

圖1 基于虛擬儀器技術的演示教學結構框圖

多功能模塊可以選擇USB接口帶A/D和D/A功能的數據采集器，如選擇美國NI公司的最新推出的NI myDAQ模塊和NI ELVIS教學平臺等。其中NImyDAQ集示波器、數字萬用表、任意波形發生器、波特圖儀、動態信號分析儀、函數發生器以及數字輸入和數字輸出等八種硬件儀器于一身，可以方便地應用于“電工技術”課程演示教學。NI ELVIS教學平臺為虛擬儀器套件，其帶有實驗電路板和12種內置虛擬儀器(如示波器、信號發生器和可變電源等)，將電路和多功能模塊集成為一體，可以更為方便地設計演示教學。計算機軟件采用NI公司的LabVIEW或LabWINDOW/CVI系列圖形化編程軟件，完成數據的采集、分析、處理、存儲、顯示和儀器的控制等功能。

3 教學實踐

我們以NI ELVIS教學平臺和LabVIEW作為工具應用于“電工技術”課程的課堂演示教學，主要設計了表1所列的幾個演示內容。

表1 基于虛擬儀器技術設計的“電工技術”演示教學

這些演示教學設計和制作都很方便。通過這些演示教學調動了學生的學習積極性，增強了對所學理論知識的理解程度，使理論課程學習不再枯燥乏味。收到了較好的教學效果。

[1]陳棣湘，孟祥貴，潘孟春.互動教學在電工技術教學中的應用[J].北京:高校教育研究，2008，(8):81

[2]何敏，趙鍇，王道平.演示教學法在模擬電子技術難點內容教學中的運用研究[J].長沙:當代教育論壇(綜合研究)，2010，(7):104-105

[3]陳旭.利用演示實驗強化電類理論課教學的實踐[J].揚州:揚州職業大學學報，2003，7(3):58-60.

[4]劉貴棟，王淑娟.應用Multisim的“電子技術基礎”研究性教學實踐[J].南京:電氣電子教學學報，2010，32(5):60-61