工程教育專業(yè)認(rèn)證背景下基于MyDAQ的口袋實(shí)驗(yàn)室建設(shè)

張貞凱 楊永紅 伍杰 周辰笛

摘 要：工程教育專業(yè)認(rèn)證背景下，口袋實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)和應(yīng)用有利于促進(jìn)教學(xué)改革，進(jìn)一步提升工程人才的培養(yǎng)質(zhì)量。文中分析口袋實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與工程教育專業(yè)認(rèn)證關(guān)系的同時(shí)，基于NI公司的MyDAQ構(gòu)建信號(hào)處理口袋實(shí)驗(yàn)室，設(shè)計(jì)函數(shù)信號(hào)發(fā)生器、示波器、濾波器和頻譜儀等。仿真結(jié)果表明，文中構(gòu)建的口袋實(shí)驗(yàn)室具有較好的工作性能。

關(guān)鍵詞：工程教育專業(yè)認(rèn)證;口袋實(shí)驗(yàn)室;教學(xué)改革;虛擬儀器;工程人才;MyDAQ

中圖分類號(hào)：TP393;C931.6文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2019）04-0-02

0 引 言

在我國(guó)開展工程教育專業(yè)認(rèn)證具有重大意義，不僅能為實(shí)施職業(yè)資格證書制度打下基礎(chǔ)，還有利于我國(guó)學(xué)歷教育在國(guó)際互認(rèn)體系中得到認(rèn)可[1]。因此，我國(guó)申請(qǐng)加入了“華盛頓協(xié)議”預(yù)備成員國(guó)，這對(duì)我國(guó)工程教育改革與發(fā)展具有深遠(yuǎn)的影響[2]。文獻(xiàn)[3]介紹了美國(guó)工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，深入揭示了認(rèn)證的內(nèi)涵和共性特征。目前，圍繞工程教育專業(yè)認(rèn)證開展教學(xué)改革是高校教學(xué)工作的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。

1 口袋實(shí)驗(yàn)室建設(shè)對(duì)工程教育專業(yè)認(rèn)證的意義

口袋實(shí)驗(yàn)室是將體積較小的實(shí)驗(yàn)板卡發(fā)到每個(gè)學(xué)生的手上，裝在口袋里可以隨身攜帶、隨時(shí)操作，不受傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室空間和開放時(shí)間的限制，在鞏固各種基本實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，充分激發(fā)學(xué)生的潛力，提升學(xué)生的創(chuàng)新能力，是一種全新的理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式[4]。目前清華大學(xué)、華中科大等國(guó)內(nèi)重點(diǎn)高校已經(jīng)開始大力推行口袋實(shí)驗(yàn)室的實(shí)踐和創(chuàng)新，國(guó)外很多高校也開始對(duì)口袋實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行探索和實(shí)踐，如英國(guó)德蒙福特大學(xué)，為學(xué)生購(gòu)置了基于微控制器或FPGA的最小系統(tǒng)開發(fā)板作為口袋實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)，學(xué)生在課程實(shí)驗(yàn)及畢業(yè)設(shè)計(jì)階段，都可以在這些口袋實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)上開展理論研究和實(shí)踐設(shè)計(jì)[5-6]。

口袋實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與應(yīng)用將利于推進(jìn)高校的工程教育專業(yè)認(rèn)證工作，能夠支撐的標(biāo)準(zhǔn)畢業(yè)要求如下：

（1）工程知識(shí)。口袋實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)和推廣能夠促進(jìn)學(xué)生將自然科學(xué)、工程基礎(chǔ)和專業(yè)知識(shí)相結(jié)合，有利于進(jìn)一步分析和解決復(fù)雜的工程問題。

（2）問題分析。在不受時(shí)間和空間限制的實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)上，需要學(xué)生應(yīng)用自然科學(xué)和工程科學(xué)的基本原理完成創(chuàng)新實(shí)踐，并合理分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果以獲得有效結(jié)論。

（3）設(shè)計(jì)/開發(fā)解決方案。在口袋實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)過程中，學(xué)生需要提出解決和設(shè)計(jì)方案，并在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中提升創(chuàng)新意識(shí)。

（4）研究。基于口袋實(shí)驗(yàn)室開展課程所需的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與理論研究，需要學(xué)生基于科學(xué)原理并采用科學(xué)方法對(duì)專業(yè)中復(fù)雜的工程問題進(jìn)行研究，包括算法設(shè)計(jì)、理論推導(dǎo)、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等。

（5）使用現(xiàn)代化工具。口袋實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用和推廣需要學(xué)生掌握和使用現(xiàn)代化軟件、硬件工具，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜工程問題的預(yù)測(cè)與模擬。

（6）工程與社會(huì)。基于口袋實(shí)驗(yàn)室的便捷使用，學(xué)生能合理評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)自己專業(yè)的部分工程實(shí)踐、設(shè)計(jì)方案等對(duì)社會(huì)及環(huán)境的影響。

（7）個(gè)人和團(tuán)隊(duì)。在基于口袋實(shí)驗(yàn)室的團(tuán)隊(duì)作品設(shè)計(jì)與開發(fā)過程中，學(xué)生需要在多學(xué)科背景下的團(tuán)隊(duì)中扮演好自己的角色，完成自己的任務(wù)。

（8）溝通。在團(tuán)隊(duì)合作中，學(xué)生需要在團(tuán)隊(duì)間進(jìn)行有效的溝通和交流，包括任務(wù)分工、撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告、方案交流、作品答辯等。

（9）終身學(xué)習(xí)。口袋實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用中，學(xué)生需要根據(jù)設(shè)計(jì)需求，自主學(xué)習(xí)和研究，有效提升不斷學(xué)習(xí)和適應(yīng)發(fā)展的能力。

由此可以看出，口袋實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)和發(fā)展是實(shí)現(xiàn)工程教育專業(yè)認(rèn)證的重要基礎(chǔ)。本文基于現(xiàn)代信息工具設(shè)計(jì)科學(xué)高效的“口袋實(shí)驗(yàn)室”，在NI（National Instrument）公司的MyDAQ平臺(tái)上，使用LabVIEW設(shè)計(jì)開發(fā)相關(guān)信號(hào)處理軟件，是傳統(tǒng)教學(xué)方法改革的基礎(chǔ)，將有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，提升學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力。

2 基于NI MyDAQ的口袋實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建

MyDAQ是由美國(guó)國(guó)家儀器公司出品，和大學(xué)工程類課程結(jié)合十分緊密的便攜式設(shè)備[7]，即使學(xué)生身處實(shí)驗(yàn)室之外，也可以隨時(shí)隨地進(jìn)行學(xué)習(xí)實(shí)踐和創(chuàng)新設(shè)計(jì)。本文基于MyDAQ設(shè)計(jì)函數(shù)信號(hào)發(fā)生器、示波器和濾波器、頻譜儀等常用的信號(hào)處理虛擬儀器，方便學(xué)生在此基礎(chǔ)上進(jìn)行拓展設(shè)計(jì)，函數(shù)發(fā)生器運(yùn)行結(jié)果如圖1所示，示波器和濾波器如圖2所示，頻譜儀運(yùn)行結(jié)果如圖3所示。

從圖1和圖2可以看出，函數(shù)發(fā)生器首先產(chǎn)生信號(hào)，由數(shù)據(jù)采集卡MyDAQ采集后在設(shè)計(jì)的虛擬示波器上顯示。仿真結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器可以產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的正弦波、方波、三角波和鋸齒波，頻率變化范圍為0～5 kHz，幅值變化范圍為0～10 V。圖2是示波器和濾波器的前面板，示波器不僅能夠?qū)Σㄐ芜M(jìn)行顯示，還可以自適應(yīng)調(diào)節(jié)坐標(biāo)系的橫軸、縱軸和采樣信息等。本文設(shè)計(jì)的濾波器包含低通、帶通、高通、帶阻等常見的濾波模式，可以自適應(yīng)調(diào)節(jié)截止頻率等參數(shù)。示波器和濾波器功能完善，能夠代替實(shí)驗(yàn)室的部分實(shí)體儀器。由圖3可以看出，函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生信號(hào)為100 Hz的正弦波，頻譜儀顯示在100 Hz處有一個(gè)譜峰，準(zhǔn)確地反映出了函數(shù)信號(hào)的頻率成分。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文完成了口袋實(shí)驗(yàn)室對(duì)工程教育認(rèn)證中標(biāo)準(zhǔn)畢業(yè)要求的支撐情況分析，并基于NI MyDAQ構(gòu)建了信號(hào)處理口袋實(shí)驗(yàn)室，設(shè)計(jì)了函數(shù)信號(hào)發(fā)生器、示波器、濾波器、頻譜儀等常見的信號(hào)處理儀器，能夠?yàn)槔碚摵蛯?shí)驗(yàn)教學(xué)方法改革提供基礎(chǔ)，為學(xué)生日常的軟硬件開發(fā)、設(shè)計(jì)和研究提供便捷的平臺(tái)，有利于進(jìn)一步促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力的提高。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]胡順仁，趙紅.電子信息工程專業(yè)的工程教育專業(yè)認(rèn)證實(shí)踐探索[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（理學(xué)版），2012，58（z2）：130-132.

[2]胡文龍.工程專業(yè)認(rèn)證背景下的高校教師教學(xué)發(fā)展[J].高等工程教育研究，2015（1）：73-78.

[3]朱永東，葉玉嘉.美國(guó)工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)研究[J].現(xiàn)代大學(xué)教育，2009（3）：46-50.

[4]劉艷，秦昌明.“口袋”實(shí)驗(yàn)室在物聯(lián)網(wǎng)工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2015，32（8）：212-215.

[5]姜志鵬，陳正宇，史金芬，等.應(yīng)用型功課院校“口袋實(shí)驗(yàn)室”培養(yǎng)模式探索[J].統(tǒng)計(jì)與管理，2015（10）：173-174.

[6]姜志鵬，陳正宇，閻浩.基于“口袋實(shí)驗(yàn)室”的實(shí)踐教學(xué)模式實(shí)施方法[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2015，5（9）：98-99.

[7]伍杰，周辰笛.基于LabVIEW和MyDAQ的虛擬信號(hào)處理儀器設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)試，2017（16）：28-30.

[8]畢家駒.中國(guó)工程專業(yè)認(rèn)證進(jìn)入穩(wěn)步發(fā)展階段[J].高教發(fā)展與評(píng)估，2009（1）：3-5.

[9]羅正祥.工程教育專業(yè)認(rèn)證及其對(duì)高校實(shí)踐教學(xué)的影響[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2008（6）：1-3.

[10]劉寶，任濤，李貞剛.面向工程教育專業(yè)認(rèn)證的自動(dòng)化國(guó)家特色專業(yè)改革與建設(shè)[J].高等工程教育研究，2016（6）：48-52.