基于NI ELVIS Ⅲ的虛擬儀器課程教學探討

任海霞 李志斌 夏飛

摘要：《虛擬儀器》課程采用NI ELVISⅢ多功能虛擬儀器教學裝置，根據教學內容的連續化、開放化、層次化的特點，不斷改進教學方法，引導學生自主學習，使學生能夠熟練應用LabVIEW開發虛擬儀器產品，并提高實踐應用能力，以滿足現代測量技術發展的需求。

關鍵詞：虛擬儀器;教學內容;教學方法

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）36-0119-02

自20世紀90年代以來，在計算機技術的推動下，以虛擬智能化和網絡化測量儀器及測試系統得到了迅猛發展，使得測量儀器虛擬儀器技術是測試技術和計算機技術相結合的產物，融合了測試技術、儀器原理、計算機接口技術以及圖形化編程技術，在許多領域有取代傳統儀器的趨勢，成為當代儀器發展的一個重要方向。以圖形化軟件編程方法和集成開發環境為標志的虛擬儀器開發環境是虛擬儀器研究的重要內容，也是虛擬儀器技術應用與發展的技術基礎。美國國家儀器公司（NI）的創新產品LabVIEW是目前應用最為廣泛的虛擬儀器軟件開發環境。基于項目制設計的虛擬儀器課程，可以覆蓋各種工程信號（熱力學，機械信號等）數據采集，并利用LabVIEW軟件進行信號的處理和分析，同時進行控制和仿真的建模設計，實現多種信號的測控，總線通訊等，以期在加深學生理論理解的同時，提高學生的創新、動手與工程實踐能力。

1實驗平臺介紹

國內外針對本科高年級學生教學實驗室（尤其是針對現代測試技術或者測控技術這類綜合技術性課程的實驗室）的一個趨勢是綜合性和開放性。具體來說，就是不再追求針對大規模學生同時進行同一內容的實驗，而是允許學生根據興趣選擇感興趣的內容和相應的合適平臺開展實驗。這樣就不需要按照30套的整班規模配備實驗平臺，而是為學生提供幾種平臺選擇，每種平臺的數量可以少一些;或者只是基本平臺按照大量配置滿足訓練需求，而提高性的平臺配備多種不同種類，每種數量相對少一些。這樣做有一個好處是，在技術發展較快的時代，可以避免大量購買的同一平臺過幾年完全淘汰，而是可以用輪轉式逐漸升級的方式，保持實驗室在一部分平臺滿足基本實驗需求的同時，另有一部分平臺可以反映技術的最新發展。另外一個大趨勢是淘汰單純為教學設計的實驗箱或實驗臺，而是在教學實驗中采用與工業應用技術相通的平臺，這樣雖然實驗平臺本身針對教學設計，但是所采用的核心技術與工業界和科研單位的平臺相通，學生將來在工作中使用的平臺型號雖然不同，學習到的技術基礎和系統開發方法卻完全適用。而且通過開放平臺進行創新性實驗，學生可以得到更多實踐能力方面的鍛煉。

在和NI合作的基礎上，采用ELIVIS+LabVIEW的11套打包配置，電機和電力電子作為單項各加一套。NI ELVIS Ⅲ是一個多學科實驗平臺，結合NI LabVIEW以及不同的插板可完成電子電路、控制、通信、信號處理、嵌入式設計等學科實驗，可以使實驗室投入發揮最大效益;同時基于NI ELVIS的硬件資源和LabVIEW軟件的強大功能，在課程設計等教學環節中結合不同學科背景，可以使學生融會貫通，也符合當今寬口徑人才培養的教學改革思路。QNET機電一體化（傳感器）訓練設計;機電類傳感器理論實驗是面向QNET直流電極控制訓練設計;電機控制教學應用于經典和現代控制理論的電機實驗;QNET En-ergy Conversion電力功率電子面向Energy Conversion電力功率電子教學，應用于電力實驗。平衡小車面向科創、研究生課程和畢業設計課題等。

2教學內容的特點

虛擬儀器課程的特點是知識覆蓋面廣、實踐性強，反映當前白動檢測與控制技術的發展方向，是我校測控技術與儀器專業必修的一門專業課程。本課程的教學內容不僅有理論教學，還有實踐教學。僅僅依靠教材、實驗指導書或者固定的實踐項目，不能滿足眾多學生的不同水平、層次的需求。這就需要根據每一班級學生的具體情況，不斷改進教學方法、創新教學模式[1]。

（1）教學內容的連續化

在大學的學習過程中，不能單一針對某門課程學習，學完了考完了通過了就忘完了，要讓學生對其先學課程和后續課程都有所了解，前后貫通，激發學生自主學習。該課程在我校測控技術與儀器專業的學習過程中起著非常重要的作用，它既是前期基礎課：與電子技術、檢測技術、微型計算機原理、測控聯網技術、測控儀器設計與制作技術、計算機測控技術等課程綜合，又是實踐教學環節：畢業設計重要基礎課。

虛擬儀器的教學內容多，理論教學包括基礎的虛擬儀器的概念、組成結構和LabVIEW的基本操作及編程，提高部分是動態程序控制、網絡通信等，實踐部分包括上機操作和實踐項目[2]。內容之間看似離散，但是相互之間都有所關聯，比如溫度采集與報警系統，在理論教學的基礎上實現編程上機仿真通過，在實驗平臺上采用熱敏電阻等電子元件進行實物驗證，最后使用工業生產過程中的Ptl00熱電阻等進行工程應用設計。

（2）教學內容的開放化

單純依靠課堂的上課教授、上機調試和實驗操作，是無法學好本課程，甚至連Labview都不能熟練使用，學生必須課外自學。教師會在每一節課上都留有至少一道作業題，作為過程化考核的一個環節，要求學生必須完成。教師在布置作業時會根據學生的反饋進行修改;上機操作時，學生可以采取不同的方法實現;實驗時，可以自行設計實驗方案;實踐項目可以根據自己的興趣在教師的指導下確定題目并執行等。注重發揮學生個人的思維能力和創造能力，讓學生結合自己的興趣自己設計題目。

除此以外，鼓勵學生利用課余時間參與教師相關項目科研研究工作，從而培養學生的自學能力和創造力。一方面是教師們的科研課題，讓學生更多地參與進來，看自身能力和特長能夠完成哪一階段的任務，可以和畢業設計結合起來，有充足的時間進行更深入的研究;另一方面是與校外專家合作，比如上海華依科技集團股份有限公司，可針對汽車進行各種參數測試。這樣所進行的實踐與現實聯系，有應用背景，也有一定先進性，而不是閉門造車，既可鍛煉提高學生的實踐能力，又可使學生了解科研工作和工程應用的主要環節或過程。

（3）教學內容的層次化

分為基礎訓練、應用訓練和綜合訓練三個層面。

學生在完成基本訓練——上機熟練使用Labview編程的基礎上，可以利用NI ELVIS Ⅲ進行應用訓練。讓學生不僅僅是連線、加電、讀取實驗數據，還要結合電子電路知識，親自動手構建基本的檢測系統，加大學生自由發揮的空間，提高實際動手能力。在綜合訓練中，測控對象或參數均為工業現場常用的設備和參數或者是對他們進行小型化和簡化處理而得到，再加上與之配套的工業用傳感器。通過這些實驗設備，使學生能夠認知生產實際、感知生產實際，真正了解工程控制系統的基本構成情況，有效地達到實驗教學的目的。

3教學方法的改進

為了學好這門課程，僅僅采用講課——實驗——大作業的教學方法，無法提高學生學習的積極性與主動性。但本課程如果缺少學生的深度參與，必將無法達到理想的教學效果，所以有必要對《虛擬儀器》課程的教學方法進行討論。

基于LabVIEW設計的虛擬實驗平臺是通過以“軟”代“硬”的方式，充分利用LabVIEW豐富的軟件資源和計算機的硬件資源，利用LabVIEW編程效率高，易于修改的特性進行設計。減少了對硬件儀器的依賴，節省了教學經費，同時可直接應用于多媒體教學中，把對學生獨立思考能力、動手能力和創新能力的培養融合到課堂教學中。針對測控綜合實踐，智能儀器儀表，自動控制原理，運動控制，圖像處理，測控設計與制作技術，測控聯網與儀器總線等課程，全面鋪開，擴展ELVIS的不同課程實驗板卡，構建多學科交叉的新工科教學實驗室，加強設備共享和利用;引入NI的學生科創平臺如機器人套件TetrixmyRIO套件等，促進學生創新項目和科技實踐比賽等需求。

采取項目驅動方法：該方法是本課程教學的總體方法，在授課之前提出于課程內容相關工程項目，以實際演示的方式，首先讓學生直觀感受虛擬儀器的應用，然后通過對項目進行分解獲得相關知識和技能模塊。通過這樣的方法可以引起學生的學習興趣，避免從課本到課本的教授方法。

目前的時代是一個快速發展的時代，為了跟上時代的發展，使課程和實際結合更加緊密，課程組教師將不斷加強自身和課程相關的能力培養，積極參加和課程相關的研討活動，提高教學和實踐素養，同時也請校外專家講座介紹工程實踐經驗以及技術進展，讓學生能夠接觸到最新的信息和資訊。

在互聯網+的年代，教育也需要和互聯網相結合，本課程通過將部分教學內容和實踐中經常遇到的問題錄制視頻的方式，提供更加靈活多樣的學習方式。

4結束語

基于NI ELVIS Ⅲ的實驗平臺不僅可完成虛擬儀器課程實驗，而且能提供面向設計、原型、發布應用的統一平臺，可以完成從原型設計到系統部署之間的所有工作，從而將教學與科研、理論知識與實際工業應用無縫銜接。《虛擬儀器》課程通過不同教學方法和教學內容的嘗試，培養學生動手操作和實踐創新能力，解決理論教學與實踐相互脫節的問題，避免出現學生只會讀書而實踐能力缺乏的高分低能情況。

參考文獻：

[1]錢聲強，李晴.“虛擬儀器應用技術”課程教學改革探討[J].職教通訊，2013（33）：17-18.

[2]周小鳳，肖俊生.虛擬儀器課程教學方法探索與實踐[J].中國電力教育，2013（22）：150-151.

【通聯編輯：代影】

收稿日期：2019-07 -25

基金項目：該文系上海電力大學重點核心課程建設-20183135 -虛擬儀器的研究成果

作者簡介：任海霞（1974-），女，浙江寧波人，上海電力大學自動化工程學院，副教授，博士，主要研究方向為自動化裝置、光通信等。