基于CDIO理念的虛擬儀器技術及應用課程教學改革探討

曹麗英 王躍 李春東 汪飛

(內蒙古科技大學機械工程學院 內蒙古包頭 014010)

虛擬儀器技術的概念由美國NI（National Instruments）公司所獨創，明確提出了“軟件就是儀器”的設計理念，并在1986 年推出了一款圖形化編程軟件LabVIEW。NI 開放的圖形化軟件和模塊化硬件，幫助工程師革命性地改變了整個產品的設計周期中的工作方式。隨著LabVIEW的日益發達，其使用范疇也早已經涵蓋了工業自動化、監測計量、圖像處理、嵌入式應用、運動控制技術、計算機模擬仿真等領域，并已經成為眾多院校、企業和研究所科學研發的重要手段[1]。

在國外，KANMANI B[2]建議演示LabVIEW 模擬平臺的使用，以幫助研究生理解數字通信的概念。鄒大鵬等人基于“融合性教學”的思想，探討機械工程測量與試驗技術（本科生教材）、機械工程測試信息、信號分析（研究生教材）等與虛擬儀器技術的有機結合，建立了計算機輔助教學系統，取得了良好的效果[3]。林聰等人在將虛擬儀器技術引入課堂，引導學生基于LabVIEW 軟件編寫上位機并用于嵌入式課程設計中[4]。目前，已經有越來越多的高校建立了虛擬實驗室，采用虛擬儀器作為理工科學生的實驗課程。

1 該課程針對碩士研究生教學的目的與意義

《虛擬儀器技術及應用》是該校機械類專業研究生開設的一門涵蓋多種學科知識的課程，它不僅包含了機械測控、信號處理等知識的運用，還包含了通信基礎、自動化控制、計算機軟件開發等技術，是培養當今社會復合型人才的重要課程。

研究生教育使精英教育，教學的目的是為了培養具有一定研發研究能力的人才。這就迫切要求研究生課程進行改革。而虛擬儀器技術及應用的教學內容比較靈活，涵蓋范圍廣，能夠開拓學生的視野，開放學生的思維，這對其進行科學研究具有重要意義。

虛擬儀器技術對機械工程專業研究生教學以及實驗有著傳統教學無法比擬的優勢，是對傳統課堂的數字化延伸，其具有可視化、直觀化，且沉浸感強的獨特優點，有助于學生更好地理解掌握基本的概念和原理，提升學生的創新實踐能力。

2 課程教學模式

目前，我國研究生教育基本上還是秉承了本科階段的教學模式，即任課教師將書本知識單向灌輸給學生，而學生只能被動接受的傳統教學模式[5]。這種教學模式的中心在于課本和課堂，主體在于任課教師，這會削弱學生上課的積極性。研究生課程不同于本科生課程，教師必須訓練研究生深度思考的能力、創新意識及溝通表達能力，所以任課教師不再是教學核心，更多的時間應該用于學生自己探索，使學生在有限的時間內完成對理論知識和實驗內容的深入理解，而教師在課堂中只充當一個主導者的角色。

為了改變傳統教學模式，課程建設小組借鑒CDIO教學理念。CDIO 代表構思（Conceive）、設計（Design0、實現（Implement）和運行（Operate），是由美國麻省理工學院和瑞典幾所大學在2004年共同創立，經過十幾年的發展更新，已經逐步成熟[6]。這種教學模式能夠讓學生以自主的、積極的、把課程理論聯系到實際運用中的方式學習和培養工程應用能力。鑒于機械類碩士研究生課程教學內容過于理論化，缺乏實踐環節[7]，課程建設小組借鑒CDIO理念，以課題組實際工程項目組成教學案例，采用虛擬儀器技術、LabVIEW 仿真手段，使學生能夠更好地理解和掌握所學的理論知識，通過完成案例，使研究生提升工程應用能力和解決實際困難的能力，增強了自信心。

在原有的課程基礎上，課程建設小組融合CDIO教學理念，又增加了時長2 周的課程設計實踐環節。在對學生整個實驗項目的設計、組織和實踐等過程中進行引導，使學生能夠自主完成。

3 教學方法

3.1 授課模式

圍繞LabVIEW 課程教學進度，從基礎的數據類型、程序結構為開始，逐步深入至設備的連接以及模擬和數據量的數據采集、分析、處理和顯示等。

采用“主體性教學”授課模式，始終以發揮學生的主體性為出發點和著力點，老師從旁協助，使學生對知識的理解更加深刻，調動學生學習的積極性，提高學習效率。具體教學方式為，老師提前安排該節課學習內容，并安排一名學生作為主講人，提前預習學習內容，完成課后LabVIEW相關模塊的練習。課堂上，由任課教師簡單說明該節課程學習內容，然后由主講人開始講解該堂學習內容，使用LabVIEW軟件進行圖形化編程，熟悉控制面板和各模塊功能的使用，搭建的虛擬儀器控制系統等，理解并增強同學的動手能力，之后由學生對主講人所述內容進行提問，增強臺下同學的思考能力及臺上同學的講解能力。在學生們相互討論之后，由授課教師做最后總結并解答比較有爭議的問題。

3.2 結合項目教學

從構思、設計、實現和運作這4 個方面完成實踐任務。

給學生一個項目名稱以及要求，讓學生以3～5 人為一個小組，每組由他們自己推選組長，組長進行任務分配，充分動員每個組員的積極性，發散思維，構思出一個的可行性方案。授課教師根據方案給出合理的意見和建議。比如：“空調恒溫控制系統的設計與實現”，需要小組成員分工完成虛擬儀器控制面板的設計，溫度采集電路的設計，單片機的程序編寫，LabVIEW 與單片機的通信連接等工作。接下來就是實現，學生可以用LabVIEW 和Proteus 仿真軟件來模擬，實現利用LabVIEW 的控制面板進行溫度的設計和采集等功能。在實現之后每個小組都要做一個PPT，推選一位成員進行講解，同其他小組進行經驗交流分享。通過項目式的學習方法，可以真正地培養一個研究生的團隊協作能力、溝通表達能力、在工程實踐中遇到問題解決問題的能力。

3.3 大作業考核

針對各研究生課題組項目背景差異大，學習目的性強，我們摒棄了傳統的試卷考查形式，采用大作業考核。考核內容有兩個方向：一是根據學生課題研究方向，自己選擇一個小項目，通過虛擬儀器技術Labview，基本完成這個項目；二是理論應與實踐并重。在經過第一學期學習其他研究生學位課程（如機械振動學、現代控制理論、現代監測理論與技術）之后，學生可選取課堂上講解的理論要點、數學模型等，在LabVIEW 環境中實現模擬。

在學期的最后的兩個課時內，每位同學以“PPT演講+LabVIEW 軟件操作”的形式，完成期末作業。老師根據學生語言表達、項目難度、完成度等進行期末成績打分。

4 教學案例設計

4.1 飼料加工自動化生產線遠程監測控制系統

在LabVIEW 中，設計人機交互界面（HMI）是很方便的。它可以代替自動化生產線中常用的觸摸屏、現場控制器、報警指示燈等設備，大大降低了成本，并使操作者遠離現場嘈雜的環境，僅用一臺計算機就可實現遠程在線控制[8]。

該系統主要以西門子200 SMART PLC 控制器為核心，LabVIEW 做上位機，具體如圖1、圖2 所示，實現螺旋給料機的自動喂料，粉碎機狀態的實時監測及打包裝置的自動控制，具有現場監測和報警的功能。系統分為三層網絡架構，分別為計算機、PLC和變頻器與驅動器。LabVIEW 主要負責編寫監測控制程序，通過內置NI OPC SERVES 附加軟件與PLC 通信，進行數據交換。PLC 作為執行機構，向安川V1000 變頻器和雷賽CL86步進電機驅動器發送級調速控制命令，具體見圖3，控制喂料機和粉碎機電機的實時轉速，以達到最佳工作匹配狀態。其中PLC 和變頻器采用Modbus RTU通信協議。

圖1 虛擬實驗控制系統前面板

圖2 數據采集與存儲程序截圖

圖3 PLC通信調試程序截圖

該案例可以使學生掌握LabVIEW 基本的編程方法、計算機使用技巧、基本的通信概念，使學生了解常用的工業控制器[9]。

4.2 多傳感器的數據采集及融合算法仿真

在飼料加工過程中，粉碎機的負荷控制十分重要。對于一臺粉碎機，存在著一個最佳的喂料量，此喂料量主要決定于物料的性質。如果喂料量超過最佳設定值，會出現物料粉碎不均，粉碎周期長；若小于最佳設定值，粉碎機產量就不高。為解決這一問題，需要對粉碎機粉碎室內的負荷進行實時監測，調控喂料量。

利用NI公司的數據采集卡USB-6212采集粉碎機的重要參數，比如電機電流I、電機轉速N、出料口瞬時流量等，能夠反映電機負荷大小的物理參數，通過多傳感器數據融合方法，得到一個較為精確的電機載荷信號F。這些方法有卡爾曼濾波、自適應加權數據融合、Bayes估計、概率論方法、模糊邏輯、神經網絡等。學生可以找一種與自己課題相關的方法進行探究，然后用LabVIEW 得到仿真結果。該案例可以將課程運用到日常科研項目和科研活動中。

5 教學效果總結與分析

虛擬儀器技術及應用作為機械類專業的課程，對于拓展學生視野，培養學生研究能力具有重要的作用。通過把CDIO 理念引入課堂，以課題案例為主線，采用“老師輔助引導，學生作為主體”的授課形式，打破了傳統“灌輸式”的教學模式。在授課課時不變并增加實踐環節的情況下，通過實際工程項目，激發了學生自主學習的興趣。通過小組分工，提升了學生溝通表達、團隊協作以及動手實踐的能力。開放式的考核形式也培養了學生獨立思考、創新實踐能力。

以上實踐結果表明，基于CDIO理念的虛擬儀器及技術教學改革取得了良好的效果。