自動化專業“虛擬儀器技術”教學過程探索

袁明

摘要 以LabVIEW為代表的虛擬儀器作為現代工程教育的優秀平臺，適用于不同工科專業的學生選修。“虛擬儀器技術”課程是我校近年來在自動化專業開設的一門跨專業選修課。考慮到自動化專業的學科特點，作者在虛擬儀器教學中圍繞如何提高對虛擬儀器的掌握水平，如何增強本課程與自動化專業主干課的聯系，以及如何幫助學生在虛擬儀器的幫助下提升控制工程實踐能力等方面進行了探索，供開設相關課程的各位同仁參考。

關鍵詞 虛擬儀器技術 教學探索 自動化專業

中圖分類號：G424 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2018.02.055

虛擬儀器利用計算機的強大處理能力，通過模塊化的硬件設備，即可完成自定義的測試、測量和控制功能，極大降低了專用儀器設備的支出。在虛擬儀器發展中，LabVIEW已經在國內外確立了其主導地位。利用LabVIEW簡單易學的圖形化的編程模式，優秀的人機交互模式、強大的跨平臺支持和海量儀器驅動，工程師和科學家可以把項目開發的主要精力集中到項目本身，實現快速原型。

虛擬儀器的這種優勢受到了國內外眾多高校的青睞。僅我國國內就已經超過200所高校，每年超50000名學生學習虛擬儀器。開展虛擬儀器的教學工作，有助于提高本科生教學質量。但虛擬儀器涵蓋的內容非常廣泛，對某一專業的學生進行這方面訓練時，應結合專業特點，在教學內容上進行優化，既可幫助學生提高專業知識的理解能力，又能增強學生的興趣和動力。基于此，作者以在自動化專業開設“虛擬儀器技術”課程為例，進行了相關探索。

1課程概述

作為自動化專業跨專業選修課，課程的設置參照已在我校測控技術與儀器專業開設多年的虛擬儀器技術課程，共48學時，理論38學時，實驗教學10學時。采用的教材為張重雄、張思維主編，電子工業出版社出版的《虛擬儀器技術分析與設計（第三版）》。課程主要涵蓋LabVIEW圖形化語言編程設計、儀器總線與控制、數據采集與信號處理、虛擬儀器通信技術四大模塊。

作為授課教師，作者使用虛擬儀器從事項目開發已有十年以上經驗，對Windows平臺、實時系統和FPGA平臺上使用虛擬儀器實現精密測量和快速原型的實時控制都有較深入的認識，見證了虛擬儀器技術不斷走向成熟強大的過程。結合多年來使用虛擬儀器完成工程項目的體會和當前工程教育改革背景下對本科生工程素質培養的要求，充分認識到依托虛擬儀器技術，對于提升現代工程教育的重要性。

本課程是跨專業選修課，考慮到本門課程的內容結構和自動化專業的學科特點，以提高學生在自動化學科的專業素質為目標，在教學過程中努力做出了一些探索，以增強本課程與自動化專業主干課程的交叉融合I生，真正使虛擬儀器技術作為學生從事專業認知和項目開發的獨立助手，做到理論基礎到專業實踐的無縫過渡。

2教學內容探索

2.1增強學習本門課程的目的性和向導性

作為選修課，學生在學習這類課程時普遍不夠重視，學生僅滿足于學分，教學效果不佳。為了避免上述現象，作者在課程開始階段不僅圖文并茂的展示了虛擬儀器的應用，從樂高積木到SpaceX航天器發射，提供學生學習興趣；適當結合每年NIWeek和NIDays上最新的虛擬儀器技術和實際工程應用案例，增強學生對本課程的宏觀認知能力。

2.2在教學中增強“系統”的概念

本門課程在大三上學期開設，此時學生已經學習過電路基礎、信號與系統、模擬和數字電子技術等專業基礎課，并開始學習自動控制原理，應已具備對物理系統的初步分析能力。但是在教學過程中發現不少學生對“系統”這一概念的理解仍有待加深，而對系統的認知正是自動化專業學生應掌握的一項基本專業素質。為此本門課程在講述過程中，強調系統的概念，并貫穿到虛擬儀器的教學環節中，通過案例式教學法，加深學生對“系統”的認知。例如在講述數據采集與信號處理部分時，結合系統中的頻響函數、穩態響應和暫態響應等概念，穩定性判斷中常用的伯德圖和奈奎斯特圖等圖表，給出如何利用Lab-VIEW控制數據采集硬件，來對真實的物理系統進行激勵一響應測試，并進一步利用虛擬儀器對采樣得到的數字信號進行處理，獲得系統的時域和頻域特性。

2.3引入“系統辨識”和‘‘控制設計與仿真”模塊的介紹

為了方便工程師實現搭建控制系統，完成從開環性能測試到閉環控制功能驗證的完整流程，LabVIEW開發環境中提供了“系統辨識”和“控制設計與仿真”模塊。對這兩個模塊的介紹在教材中并沒有涉及，但對自動化專業的學生尤為實用。系統辨識是獲得被控對象模型的基本手段，而閉環控制仿真和快速控制原型的建立的加入需要“控制設計與仿真”模塊的功能。

為此，在本課程開設進程的后半階段，對該模塊進行了介紹。以柔性機械臂控制為例，鼓勵學生以LabVIEW為設計環境，完成從系統辨識到被控對象的穩定性、時域響應和頻域響應的分析，搭建PID閉環控制實現仿真和物理實現，獲得解決實際工程問題流程的完整訓練。

通過以LabVIEW作為工具，連接數據采集硬件，使學生領悟快速原型建立對項目開發的重要性。在教學過程中，Lab—VIEW的循環定時結構、采樣速率、實時系統和程序的抖動性等概念能夠與控制系統中的實時性和魯棒性等概念建立密切關聯。通過補充這部分內容，使學生既鞏固了虛擬儀器技術課程的基本知識，也加深自動化專業學生的專業素養，為其設計更復雜的控制裝置打下基礎。

2.4部分教材知識點的調整與補充

針對自動化專業的學科特點，并結合當前虛擬儀器技術的發展現狀，在“儀器總線與控制”模塊課程講述過程中，適度降低GPIB和VXI這兩種總線的教學難度，縮減部分教學內容。考慮到PXI總線近年來的快速發展，在PXI總線基礎上增加了對PXI-E高性能總線介紹和性能比較等教學內容。

在儀器控制中，刪除測控專業中對利用c++作為編程環境實現儀器程控的要求，僅要求使用LabVIEW作為編程語言來實現，提高了課程的適用度。

在“虛擬儀器通信技術”教學模塊，補充“網絡流”這種最新無損傳輸技術，并將其與TCP/IP技術、UDP技術、DataSocket技術，共享變量技術進行比較，以流程樹的模式幫助學生快速梳理不同數據傳輸技術的適用場合，幫助學生快速掌握基于虛擬儀器實現網絡化測控的強大功能。

3嚴抓訓練環節

虛擬儀器技術這門課程具有較強的實踐性，作為授課教師，結合實驗室現有條件和自動化專業本科生培養方案，為學生設計了由易到難的四級訓練過程，切實加強學生對知識點的掌握程度，并通過訓練提升其解決實際工程問題能力。

3.1課堂動手實踐環節

為了有效提高課堂的教學效果，作者在講授LabVIEW程序設計環節時，采取問題式教學模式，增強師生互動程度。在基本編程方法介紹結束后，提出相關問題，讓學生來多媒體講臺上解決編程和調試工作。通過這種方法，可以更有效地找出學生在學習中碰到的問題并解決。

在利用虛擬儀器進行數據采集講授階段，作者購買了NI公司的USB-6009和USB-4431數據采集卡，結合壓電加速度傳感器、麥克風傳感器，在課堂上向學生展示如何結合應用需求，進行數據采集，并以此為基礎講述利用虛擬儀器完成物理信號的處理，讓學生體會到虛擬儀器的功能，并對知識點進行掌握。

3.2增強實驗環節和作業訓練

在10學時的實驗教學中，將理論教學的大班模式打散，即采用小班化教學模式。純軟件類實驗做到一人一組，軟硬結合類實驗做到2-3人一組，實驗中配備了示波器、GPIB通信卡、NIELVIS等設備，保證學生通過自主實踐，完成大綱要求的實驗內容。

在作業布置上實現多樣化設計，除對課本習題外，還布置了開放式的題目，如查找虛擬儀器相關應用案例、利用虛擬儀器編寫基于聲卡的應用程序、設計自動售貨機程序等，這類題目并無標準答案，能充分調動學生的主動性，去思考和實踐。

3.3通過開放實驗和大學生創新訓練項目實踐

作者所在的學院每年都為學生提供基于虛擬儀器的開放實驗項目和大學生創新訓練項目，學生可以以團隊的形式加入這類工程訓練項目，利用虛擬儀器完成相關的軟硬件設計和報告撰寫。項目最后階段需要通過委員會答辯，驗收后可給予自主化學分。該訓練環節學生主要通過課余時間來完成，具有很好的靈活性。學生可通過指導教師、網絡、小組討論來提高其自我學習能力和對知識的綜合應用能力。

3.4通過虛擬儀器競賽訓練

通過前三階段的訓練，學生已經基本具備使用虛擬儀器獨立開發應用項目的能力。在此基礎上，掌握程度較好的學生可以進一步參加江蘇省和全國的虛擬儀器競賽，完成測試、控制、自動化或其他創新性的應用開發，進一步提升其工程應用綜合能力。“

4結語

虛擬儀器是大學生進行工程訓練非常優秀的實踐平臺，在大學中開設此課程能幫助學生快速掌握這項工具。考慮到課程性質和專業的不同，作為教師，講述虛擬儀器技術的相關知識應努力適應被講述的對象的專業領域，這樣更有利于提高學生學習的目的性和興趣性，更好地幫助其提高工程應用能力。

本門課程在我校自動化專業開設三年來，選課人數在75-100人之間波動，教學滿意率達90%。筆者和部分已畢業的學生交流，大家普遍認為通過虛擬儀器技術這門課的學習，對他們的本科畢業設計、碩士課題研究和走上工作崗位后相關項目的開展都有較大的幫助。