测控一体化实验教学与科技创新平台研究

费景洲，高 峰，刘 友，费红姿，马修真

（哈尔滨工程大学动力与能源工程学院，黑龙江哈尔滨 150001）

测控一体化实验教学与科技创新平台研究

费景洲，高 峰，刘 友，费红姿，马修真

（哈尔滨工程大学动力与能源工程学院，黑龙江哈尔滨 150001）

为整合实验室资源，优化实验课程体系，建立满足“测试技术实验”与“自动控制原理实验”教学需要和大学生科技创新需求的测控一体化实验教学平台。从教学体系、教学方法2个方面对上述2门课程实验教学进行改革，建立测试与控制实验项目统分结合、实验教学与科技创新紧密结合的教学体系，提出虚拟实验与实际操作相结合、必修实验与开放实验相结合的教学方法。该实验教学平台突出“实验资源优化整合，教学科创紧密结合”特色，促进学科知识交叉融合，推动科教结合和创新教育发展，进一步提高实验教学质量。

实验室资源整合；实验课程优化；科技创新；开放式教学方法

实验室资源优化整合和教学科研相结合是高校实验室建设和实验室开放的重要研究内容，已经成为目前的研究热点［1－4］。《教育部、财政部关于“十二五”期间实施高等学校本科教学质量与教学改革工程的意见》（教高［2011］6号）中明确提出高校实验室建设应突出“实验室资源有效整合，教学科研紧密结合”特色。“测试技术”和“自动控制原理”是国内工科院校热能动力类专业广泛开设的2门实践性较强的专业基础课，实践环节在教学过程中占有重要地位［5－6］。目前国内各高校中普遍的做法是2门课程的实验平台相互独立，实验项目不交叉，实验教学条件分别建设。然而在工程实践中，测试和控制是密不可分的，测试是系统的“眼睛”和“耳朵”，是控制的前提和基础；而控制是系统的“大脑”和“四肢”，是测试的依据和目的。测试技术实验教学和自动控制原理实验教学相互独立的做法，不利于复合型、创新型人才的培养。为解决上述问题，根据哈尔滨工程大学国家级船舶动力技术实验教学示范中心建设需要，建立基于虚拟仪器技术的测试与控制一体化实验教学平台，同时满足测试技术和自动控制原理两门课程实验教学的需要；面向大学生科技创新需求，拓展平台功能，建立测试与控制系统大学生科技创新实验平台；结合理论课程教学，利用该平台开展虚拟与现实互动的开放式教学方法。该实验教学平台通过整合现有实验室资源，构建了功能集约、资源优化、开放充分的专业基础类实验教学平台，为学生自主学习、自主实验创造条件。

1 总体方案设计

在国家级船舶动力技术实验教学示范中心建设过程中将“实验资源优化整合，教学科创紧密结合”作为建设理念，贯穿于测控一体化实验教学平台建设。整合测试技术实验室和自动控制原理实验室的资源，构建测控一体化实验教学平台；将科研实验台架转化为教学实验台架，融合到该教学平台中，拓展平台功能，建立大学生科技创新平台，实现教学科创紧密结合。测控一体化实验教学平台可以满足测试技术实验教学、自动控制原理实验教学和大学生科技创新需求，该平台原理相互关联如图1所示。

图1 测控一体化实验教学平台原理关联图

2 教学体系建设

2.1 测控一体化实验教学平台

建立测控一体化实验教学平台，满足总体设计方案中的多方面要求。同时该平台还要能够适应学科发展及实验教学内容不断更新的需要，能够开发新的实验项目和实验课程，要具有良好的开放性和拓展性。

虚拟仪器（virtual instrument）是近年来发展起来的将仪器技术与计算机技术紧密结合的新概念仪器，通过高性能的硬件和高效的软件来实现各种测试和自动控制功能［7］。虚拟仪器利用软件将微处理器、内存等计算机硬件资源和A/D、D/A、I/O等仪器硬件资源结合起来，通过高效友好的软件（如LabVIEW等图形化编程语言）完成与各种软硬件资源的连接，实现对被测试参数的采集、分析、显示、存储及数据生成。虚拟仪器具有性能高、开放性好、扩展性强等特点［8］。

测控一体化实验教学平台硬件采用NI公司（美国国家仪器公司）开发的基于虚拟仪器技术的ELVIS实验教学套件［9］。该套件提供数据采集分析系统和常用测量仪器，配有硬件拓展接口。使用NI公司的LabVIEW，Multisim等软件作为教学平台的主要开发软件。

针对不同的实验需求，使用该实验教学平台可以开发满足不同课程需求的实验项目。目前我们已经利用该平台开发了“测试技术”和“自动控制原理”2门课程的19个实验项目。测试技术实验方面，可以在该平台上开展温度综合测量、压力综合测量、转速综合测量、振动噪声测量等9个实验项目；自动控制原理实验方面，目前可以开展典型系统的时域响应和稳定性分析、线性系统的频率响应分析、线性系统的校正、直流电机的速度控制实验等10个实验项目。

利用测控一体化实验教学平台，结合不同的实验项目“插件”，可以实现一门课程乃至多门课程的多个实验项目的实验，达到实验室资源整合与共享，功能集约与优化的目的。该平台已经在我院2009级、2010级热能与动力工程专业和轮机工程专业28个本科班的“测试技术”和“自动控制原理”实验教学中应用。

2.2 统分结合的层次化实验项目体系

在“测试技术”和“自动控制原理”共用实验平台的基础上，对实验项目进行优化整合，使2门课程的实验项目有机融合，形成基础性实验、综合性实验和设计性实验3个层次的实验项目体系。基础性实验2门课程的实验项目基本独立；综合性实验2门课程的实验项目相互结合；设计性实验2门课程的实验项目深度融合。形成了基础性实验相区别，综合设计性实验相统一的统分结合的层次化实验项目体系，其原理的关联如图2所示。

基础性实验与理论课程的重要知识点紧密结合，目的是加深学生对理论知识的理解，培养学生扎实的基本实验能力。基础性实验项目划分为测试技术实验类和自动控制原理实验类，在这个阶段2门课程的实验内容是相对独立的，学生可以根据理论课程选择相应的实验项目。测试技术类基础实验主要包括传感器调理电路设计、温度测量、压力测量、流量测量、转速测量等基本测量实验以及硅光电池特性测量、光敏二极管光电特性测量、驻极体麦克风实验、热释电红外传感器测量实验等实验项目。自动控制原理类基础实验主要包括典型环节的时域响应、典型系统的时域响应和稳定性分析、线性系统的根轨迹分析、线性系统的频率响应分析、线性系统的校正、离散系统的稳定性分析、线性系统的状态空间分析、典型非线性环节静态特性测试等实验项目。

图2 统分结合的层次化实验项目体系

综合性实验涵盖测试技术和自动控制原理2门课程的重要知识点，要求学生能够综合运用所学知识完成实验内容。实验项目根据2门课程的结合程度，划分为偏测试技术类综合实验、偏自动控制原理类综合实验和测控结合类综合实验。偏测试技术类综合实验围绕测试技术课程中的主要内容，包括发动机振动信号测量实验、发动机噪声与排放测量实验等实验项目；偏自动控制原理类综合实验包括倒立摆控制实验、温度控制实验等实验项目。测控结合类综合实验包括直流电机速度控制实验、发动机示功图综合测量实验等实验项目。

设计性实验要求学生能够综合运用所学知识，在一定时间内设计并完成具有一定测控功能的实验项目。实验项目选题、实验设备选型、实验内容确定、实验步骤安排以及实验项目总结都由学生完成。实验的目的主要是培养学生自行组织实验的能力，对实验难度和创新程度不做硬性要求。实验内容要求将测试技术课程内容和自动控制原理课程内容相结合。实验教学平台为实验设计提供相应的软硬件条件，包括电源、万用表、信号发生器、示波器等各种仪表、常用电子元器件、硬件开发面包板和相应的开发软件等。

2.3 大学生科技创新实验平台

拓展测控一体化实验教学平台功能，构建大学生科技创新实验平台。平台硬件拓展后可提供多种功能性仪器设备，如电源、数字万用表、信号发生器、示波器、信号分析仪等，结合平台自身的数据采集、信号处理和输出功能，可形成具有多种基础功能的大学生科技创新实验平台；平台提供开发面包板，可搭建测试及控制实时系统；该平台与NI公司的CompactDAQ、CompactRIO无缝连接，可实现高精度工业级的系统测试与控制功能。软件方面，该平台与LabVIEW， Multisim等软件紧密集成，支持VC＋＋、Matlab等常用软件，能够满足大学生科技创新需求。同时将内燃机综合测控管理系统等科研项目转化为大学生科技创新项目，进一步拓展平台功能，为大学生科技创新提供优质资源。

科技创新平台面向全校本科生和研究生开放，通过学校和学院科技创新立项的学生可按照学院实验室开放管理的有关规定使用该平台。近2年来多位学生在“全国大学生节能减排社会实践与科技竞赛”、“挑战杯”等多个国家级科技创新竞赛中获得重要奖项。科技创新平台为学有余力的学生提供科研实践条件，有利于选拔具有科研潜质的学生，有利于精英人才的发现和培养，有利于培养学生的工程实践能力和科技创新能力［10－11］。

3 教学方法研究

3.1 虚拟实验与实际操作相结合的实验方法

虚拟实验是指利用虚拟技术在计算机上建立能够模拟实际实验各操作环节的虚拟环境，可辅助、部分替代甚至全部替代传统实验。虚拟实验在实验场地、实验消耗和实验时间等方面具有明显优势，可对实验教学改革产生变革性的影响。将虚拟实验与现实操作相结合，将其应用于测试技术与自动控制原理实验课程教学，使二者优势互补，可明显提高实际教学效果。

虚拟实验主要通过在线虚拟实验系统实现。测试技术虚拟实验方面，利用LabVIEW、MultiSim等软件，制作各种常用传感器的虚拟元器件，封装各虚拟元器件形成虚拟元件库；结合各种常用信号调理电路的虚拟电路，建立虚拟测试模块库，包括温度测量、压力测量、转速测量、流体测量、振动信号测量、噪声与排放测量等常用测量模块；利用各器件、模块，结合工程案例，构建内燃机综合测量系统等虚拟测量系统。自动控制原理方面，同样构建“器件→模块→系统”的进阶式虚拟实验系统。

现实操作在测控一体化实验教学平台上进行，实验项目内容如前所述。学生在课下通过在线虚拟实验系统进行实验预习，课上进行实际实验操作。“课前虚拟预习，课上现实操作”的教学方法使用2年来，学生普遍反映实验兴趣高、预习效果好、实验收获大。

3.2 必修实验与开放实验相结合的教学方法

传统的测试与控制类实验教学通常采用示波器、信号发生器、直流稳压电源及模拟电路实验板等硬件设备。这些设备的开放性和拓展性较差，部分设备因价格昂贵和更新换代速度慢，设备功能难以满足实验教学发展变化需要。受实验设备硬件条件制约，实验教学环节通常采用固定的模式，实验项目难以针对学生的专业特色开展，实验课程不能满足不同工程专业需要。近年来随着研究型教学模式的逐步深入，开放式教学方法因其在学生实践创新能力和个性化培养等方面具有突出优势，应用日益广泛［12－13］。

测控一体化实验教学平台采用基于虚拟仪器技术的NI－ELVIS系统和LabVIEW作为硬件和软件开发平台，可根据不同实验需要配置实验仪器设备，还可根据特定的实验需求自行设计相应的仪器。平台软硬件所具有的良好开放性和拓展性为实施开放式教学方法提供便利条件。

开放式教学方法主要体现在实验内容的开放性上。教师根据学科专业要求，在现有验证性实验项目基础上，结合工程实践需求，设定实验项目的主要测试参数和控制精度要求。实验设备、实验方法、实验程序等均不做要求，由学生自行设计实验方案，确定相应的实验设备、测量方法和控制算法。学生在实验平台的开发面包板上搭建测试及控制系统硬件电路，利用平台提供的各种仪表对系统进行测试。实验平台提供完备的数据采集和控制通道，实验的软件设计，如数据采集设置、状态参数监视、控制参数修改等，利用NI公司的LabVIEW软件在该平台上都可以方便地实现。

开放式实验教学方法将传统的验证性实验转化为创新性实验，给学生一定的自由发挥空间，使学生可以按照自己的想法对实验内容进行改进和创新，其综合实践能力和创新能力得到提升。实验平台在数据采集、测试仪器、软件集成等方面提供的优质资源，大大降低学生自行设计测控实验项目的难度，确保学生能够在一定的时间内完成相应的实验内容。开放性实验项目定位为任意选修实验，相比于一般的验证性实验，要占用较多时间。为鼓励学生选择开放性实验项目，选择开放性实验项目的学生可以免做相应的基础性实验项目。必修实验与开放实验相结合的教学方法在我院2009级、2010级16个本科班中应用，学生的实验热情和综合实践能力得到大幅度提升。

4 结束语

测控一体化实验教学与科技创新平台在实验室资源整合、实验课程体系优化、实验教学方法改革等方面进行探索，形成了“实验资源优化整合，教学科创紧密结合”特色。该一体化实验教学平台功能高度集约，能满足2门课程的实验教学和大学生科技创新需求，实现教学科研的紧密结合。基于该平台建立的统分结合的层次化实验项目体系，促进了学生学科知识的交叉融合；利用该平台开展的虚拟实验与实际操作相结合、必修实验与开放实验相结合的教学方法，有利于培养具有创新意识的综合型人才。

（References）

［1］詹福建，许可，张东方，等.整合资源，优化资源共享，促进实验室全面开放［J］.实验技术与管理，2011，28（11）：343－345.

［2］侯震，张洁.挖掘整合实验室资源，开发综合型设计性实验［J］.实验技术与管理，2010，27（3）：162－164.

［3］杨宏，李雪华，杨湘东.实验室开放模式改革与实践［J］.中国现代教育装备，2011（9）：52－53.

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［6］胡寿松.自动控制原理［M］.北京：科学出版社，2007.

［7］郑对元.精通LabVIEW虚拟仪器程序设计［M］.北京：清华大学出版社，2012.

［8］陈锡辉，张银鸿.LabVIEW 8.20程序设计从入门到精通［M］.北京：清华大学出版社，2007.

［9］美国国家仪器（NI）有限公司.EVLISⅡ中文产品说明书［M］.北京：美国国家仪器（NI）有限公司，2011.

［10］孙岩，刁鸣，江凌.研究型大学的学生科技创新实践平台建设［J］.实验室研究与探索，2010，29（11）：116－118.

［11］虞世鸣，杨彦，杨莹，等.大学生科技创新活动可持续发展指导策略和方法的探讨［J］.实验室研究与探索，2012，31（7）：98－102.

［12］夏蔡娟，刘汉臣，张英堂，等.工科院校开放式实验教学模式的探索［J］.西安邮电学院学报，2011，16（12）：136－138.

［13］宋国利，盖功琪，苏冬妹.开放式实验教学模式的研究与实践［J］.实验室研究与探索，2012，29（2）：91－93.

虚拟仿真实验教学是高等教育信息化建设和实验教学示范中心建设的重要内容，是学科专业与信息技术深度融合的产物。虚拟仿真实验教学中心建设工作坚持“科学规划、共享资源、突出重点、提高效益、持续发展”的指导思想，以全面提高高校学生创新精神和实践能力为宗旨，以共享优质实验教学资源为核心，以建设信息化实验教学资源为重点，分年度建设一批具有示范、引领作用的虚拟仿真实验教学中心，持续推进实验教学信息化建设，推动高等学校实验教学改革与创新。

摘自教高司函［2013］94号《关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知》

Research on monitoring and control integration platform of experimental teaching and scientific and technological innovation

Fei Jingzhou，Gao Feng，Liu You，Fei Hongzi，Ma Xiuzhen
（College of Power ＆Energy Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China）

The monitoring ＆control integration platform of experimental teaching is established for the integration of laboratory resource and the optimization of experimental course system，which can meet the needs of experimental teaching courses of both Test Technology Experiment and Principle of Automatic Control.The experimental teaching reforms of the two courses are carried out from two aspects of the teaching system and teaching methods.A new teaching system is established，in which the experimental teaching is in close connection with technological innovation，and pilot projects of the two courses are organically combined.The methods are proposed，in which virtual experiments are combined with actual operation，and compulsory experiments versus open experiments.This platform highlights the characteristics of integration of experimental resource and relationship in teaching and scientific and technological innovation.The teaching quality is improved because of close combination of teaching and research，deep cross－fusion of subject knowledge and effective development of innovation education.

laboratory resource integration；experimental course optimization；scientific and technological innovation；open teaching method

TK39

A

1002－4956（2014）1－0025－04

2013－05－22

黑龙江省高等教育科学研究“十二五”规划课题（HGJXHB2110355）；哈尔滨工程大学实验教改项目（SYJG20130301）

费景洲（1976—），男，黑龙江讷河，博士，讲师，研究方向为动力装置测试及控制.

E－mail：feijingzhou＠hrbeu.edu.cn

实验技术与方法