虚拟仪器在培养电类专业应用型本科人才中的应用

张国强，王 斌

虚拟仪器在培养电类专业应用型本科人才中的应用

张国强，王 斌

(西北工业大学 明德学院，陕西 西安 710124)

为提高测控技术与仪器专业理论和实践课程教学质量，提升学生科学素养和科学兴趣，培养学生动手实践能力和科技创新能力，提高学生的综合素质，促进理论和实验教学的现代化，该文结合虚拟仪器技术在测控技术与仪器专业和部分高校电类专业多年的教学应用实践，分别探讨了虚拟仪器技术在电类专业课程理论教学、实践教学和学科竞赛中的应用。实践证明，虚拟仪器技术对培养高素质应用型本科人才提供了一种新的思路和手段。

应用型人才；虚拟仪器；Multisim；LabVIEW；实践教学；学科竞赛

应用型人才是相对理论型人才而言的人才类型。与理论型人才培养注重理论性知识相比较，应用型人才培养更注重应用性知识，强调技术应用，强调理论与实践相结合[1]。根据 《国家中长期教育改革和发展规划纲要2010—2020》以及 “教育部关于进一步深化本科教学改革，全面提高教学质量的若干意见”等文件精神[2-3]，根据西北工业大学明德学院 “发展优质本科教育，培养优秀本科人才”的办学定位和 “重视基础、加强实践、突出能力、提高素质、注重创新”的教育理念，围绕应用型人才培养目标，为进一步深化改革，因材施教，努力提高人才培养质量，经过多年的教学实践，本学院测控专业将虚拟仪器技术引入到了专业教学的各个环节中。

虚拟仪器的概念最早于20世纪90年代由美国国家仪器提出，主要思想是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化应用[4]。虚拟仪器概念的提出引发了传统仪器领域的一场重大变革，使得计算机和网络技术得以长驱直入仪器领域，和仪器技术结合起来，促进了自动化测试测量与控制领域的技术发展[5]。

虚拟仪器技术的核心思想是通过软件去定义硬件的功能，并实现自定义的数据处理与控制等应用，从而通过现成的模块化硬件和灵活的软件实现系统级的设计。许多最新的科研和工业应用中的测控系统都是基于虚拟仪器的思想构建的。正是由于系统级设计方式带来的巨大优势以及虚拟仪器技术与应用的不断发展，越来越多的高校也认识到虚拟仪器技术在培养高素质应用型本科人才中的重要性。

1 在课程理论教学中的应用

经过多年的测控专业教学实践，本学院先后将虚拟仪器技术引入到了电路分析基础、模拟电子技术基础、数字电子技术基础、信号与系统、数字信号处理、自动控制原理等课程的理论教学中，而这些课程几乎是所有电类专业都开设的课程，引入虚拟仪器技术后，使得这类课程的理论教学不再枯燥，学生的学习兴趣也得到了显著提高。

1.1 在电路分析基础课程理论教学中的应用

电路分析基础主要研究电路分析理论的基本概念、基本定律、基本定理与基本方法及其在工程实践中的应用[6]，引入Multisim后，教师可在课堂教学中搭建电路，学生能够直接观察输出结果，许多不易懂的电路理论变得清晰易懂。

例如，在理论教学中，RLC二阶电路的分析是一个教学难点，理论上首先要根据基尔霍夫定律以及元器件伏安关系列出二阶微分方程，然后求解，比较麻烦。利用Multisim可以在计算机上搭建二阶电路，对其过渡过程进行仿真，通过虚拟示波器观察激励和响应的波形；激励为方波信号，可以研究欠阻尼、临界阻尼和过阻尼情况下电路的响应过程[7]，RLC二阶电路及其欠阻尼状态下的电路响应如图2所示。

图2 RLC二阶电路及其欠阻尼状态下的响应

1.2 在电子技术基础课程理论教学中的应用

电子技术基础课程主要研究电子技术的基本理论、基本分析方法及其应用[8-9]。理论教学中三极管是学习模拟电子技术课程的基础，也是设计各种放大电路的核心器件，而晶体管特性分析是教学中的重点和难点。利用Multisim可以在计算机上完成晶体管特性测试仿真，虚拟的IV Analyzer可以直接测出晶体管的输出特性曲线，如图3所示。

图3 晶体管特性测试

Multisim在电子技术基础课程教学中的另外两个应用示例如图4和图5所示。图4是整流后滤波稳压测试电路及输入输出波形。图5是数字电路中的与门测试仿真电路，该电路中使用了虚拟字发生器和逻辑分析仪。通过虚拟仪器平台，学生们对模拟电路中的输入输出波形和数字电路中的各种逻辑运算有了更直观的认识。

1.3 在信号与系统、数字信号处理和自动控制原理课程理论教学中的应用

信号与系统主要研究确定信号和线性时不变系统的特性，信号经过系统后所产生的响应求解，以及信号与系统分析方法在某些重要工程领域的应用[10]；数字信号处理主要介绍数字信号处理的基本概念、分析和处理方法[11]，这两门课程均特别强调变换的思想，而自动控制原理是研究自动控制系统组成及系统分析设计的一般性理论[12]。

利用LabVIEW可搭建3门课程的理论教学软件，完成诸如典型信号的产生和时域运算、典型信号的卷积和相关分析、周期信号波形的合成与分解、典型信号的频谱分析、频率混叠与采样定理、调制和解调、连续系统的复频域分析、离散信号的产生和时域运算、离散信号与系统的z域分析、频域采样定理、重采样、窗函数、谱分析、FIR滤波器设计、IIR滤波器设计、控制系统的时域分析、频域分析、校正和非线性系统分析等。如图6～图9所示，为LabVIEW在上述3门课程理论教学中的几个应用示例。

图4 整流滤波稳压电路

图5 与门测试仿真电路及逻辑分析

图6 虚拟示波器

图7 混叠现象演示

图8 直流电机位置控制

图9 连续系统转换为离散系统设计

2 在课程实践教学中的应用

目前国内院校很多课程的教学基本分为纯课堂板书式的理论化教学、带课堂演示的理论化教学、理论与软件实验相结合的教学和理论与软硬件实验相结合的教学。在课程理论教学中引入虚拟仪器技术可以增加交互性与实践性，通过软件的交互性界面帮助学生更形象地理解课程理论和概念；而通过便携式或专业级数据采集卡，可以引入真实的物理信号，并对信号进行各种分析和处理，分析和处理过程可以以各种图形的方式直观地显示出来；也可以完成基于项目的课程设计使学生建立起系统设计的概念，同时培养学生的创新能力、独立思考与解决实际问题的能力以及团队合作精神。如图10所示，为本专业学生在教师指导下利用my-DAQ便携式采集卡完成的机械振动测量与分析处理系统。系统由压电式传感器、双臂悬梁、采集卡和计算机组成，能够对机械振动现象进行时频分析和滤波处理，可以直观地观察振动信号的具体表现特性；振动信号频率约为10 Hz，但在测量实际振动信号时混入了50 Hz工频干扰，利用LabVIEW设计了低通滤波器滤除了工频信号。

图10 机械振动测量与分析处理系统

如图11～图14所示，为本学院虚拟仪器实验室所开展的部分实验训练，分别为:1)温度测量实验；2)交通灯控制实验；3)步进电机控制实验；4)直流电机转速检测与控制实验。实验室还可以开展开关量信号检测与控制、直流电压表设计、虚拟示波器设计、波形发生器、数码管显示、LED点阵以及电子秤实验等。

图11 温度测量实验

图12 交通灯控制实验

图13 步进电机控制实验

图14 直流电机转速检测与控制实验

将虚拟仪器技术引入部分课程的实践教学，全面提升了学生的科学素养，培养了学生的实际动手能力。该技术能够突破实验室在元器件、仪器仪表等硬件及功能上的限制，使得课程实验不受时间和空间的限制[13]。目前已有包括清华大学、哈尔滨工业大学、上海交通大学、天津大学和北京邮电大学在内的超过200所国内高校开设了虚拟仪器技术课程，一些高校在虚拟仪器技术的教学中结合各自专业方向和特点，开设了具有专业特色的学生实验；清华大学、天津大学、浙江大学、上海交通大学、东南大学、西安交通大学以及西安电子科技大学等高校在相关课程的教学中也引入了基于myDAQ或myRIO数据采集卡和LabVIEW的学生动手项目，收到了良好的教学效果和学生反馈。为适应高素质应用型本科人才培养的需要，目前有条件的一些高校还与NI合作建立了学生创新实践基地。这些创新实践基地不仅仅为一些课程的实验服务，而且采用开放式的管理方式，真正成为学生的创新实践基地，为学生参加课外科技创新活动和一些科技竞赛提供条件。

3 在学科竞赛中的应用

虚拟仪器技术在培养高校在校生科学兴趣、锻炼综合素质、展现创新能力、推动高校学术课外科技活动向更广和更深层发展中也起到了重要作用。中国仪器仪表学会与教育部高等学校科学与技术教学指导委员会发起的全国虚拟仪器设计大赛每两年举办一次，比赛吸引了来自全国超百所高校近千支队伍参赛，国内仪器与测量学科的许多知名专家教授参与大赛的指导、组织和评审等工作。大赛创办以来的组织和参赛情况如表1所示，历届比赛获特等奖作品如图15和图16所示。

表1 历届大赛组织情况

图15 2011年和2013年全国虚拟仪器大赛特等奖作品

图15 (a)为2011年清华大学参赛作品幻影显示系统；图15(b)为2013年哈尔滨工业大学参赛作品EBuilder结构化环境探测机器。图16为2015年全国虚拟仪器大赛特等奖作品——清华大学参赛作品自平衡无人驾驶自行车。

图16 自平衡无人驾驶自行车

除虚拟仪器设计大赛外，挑战杯、FSAE赛车挑战赛、中国机器人大赛等科技竞赛中也有虚拟仪器技术的广泛应用，图17为清华大学为飞思卡尔智能车大赛所做的智能车仿真系统。

通过各类学科竞赛，可以培养高校在校生的科学兴趣、综合素质和创新能力，推动高校学生课外科技活动向更广和更深的层次发展，构建高校、行业协会和企业共同支持的拔尖创新人才培养的有效载体和卓越工程师培养平台。

图17 飞思卡尔智能车大赛智能车仿真系统

4 结束语

本文探讨了虚拟仪器技术在培养电类专业高素质应用型本科人才中的应用，经本学院和其他高校相关专业教学与应用实践，证明了虚拟仪器技术对提高理论和实验教学质量，培养学生动手实践和科技创新能力，促进多学科课程和实验教学的现代化都起到了重要的作用，能够契合学院 “发展优质本科教育，培养优秀本科人才”的办学定位和学院 “重视基础、加强实践、突出能力、提高素质、注重创新”教育理念，对培养高素质应用型本科人才提供了一种新的思路和手段。

[1]陈益飞，王慧.应用型创新人才培养课程体系的构建[J].新课程研究:职业教育，2008(7):97-97.

[2]佚名.国家中长期教育改革和发展规划纲要 (2010—2020年)[J].中国民族教育，2010(3):1-17.

[3]教育部.教育部关于进一步深化本科教学改革全面提高教学质量的若干意见[J].中国大学教学，2007(3):9-11.

[4]郑能方，郑宾.基于LABWINDOWS/CVI的直流电机控制系统的研究[J].电子世界，2014(18):159-160.

[5]赵国忠.虚拟仪器技术与学生科技实践创新能力培养[J].现代科学仪器，2012(6):183-186.

[6]邱关源，罗先觉.电路[M].5版.北京:高等教育出版社，2006.

[7]冯维婷.Multisim在二阶电路教学中的应用[J].西安邮电大学学报，2011(s1):97-99.

[8]杨素行.模拟电子技术基础简明教程[M].3版.北京:高等教育出版社，2006.

[9]余孟尝.数字电子技术基础简明教程[M].3版.北京:高等教育出版社，2006.

[10]张国强.信号与系统[M].北京:电子工业出版社，2016.

[11]高西全，丁玉美.数字信号处理[M].3版.西安:西安电子科技大学出版社，2008.

[12]卢京潮.自动控制原理[M].2版.西安:西北工业大学出版社，2009.

[13]余金华.基于虚拟仪器技术的实验教学研究[J].安徽工业大学学报(社会科学版)，2009，26(6):123-124.

Application of Virtual Instrument in Cultivating Applied Undergraduate Talents of Electrical Major

ZHANG Guoqiang，WANG Bin
(Mingde College， Northwestern Polytechnical University， Xi'an 710124， China)

In order to improve the Measuring＆Control Technology and Instrumentations specialty's specialty theory and practice teaching quality， improve the students'scientific literacy and scientific interest， cultivate the students'practice ability and innovation ability and comprehensive quality，promote the modernization of theory and experiment.Combined with many years application practices of virtual instrument technology in the Measuring＆Control Technology and Instrumentations specialty and some universities'electrical specialty， this paper respectively discusses the application of virtual instrument technology in the course of theory teaching， practice teaching and subject competition.Practice has proved that the virtual instrument technology to cultivate high-quality applied undergraduate talent to provide a new way on thinking and means.

applied talents；virtual instrument；Multisim； LabVIEW；practice teaching；subject competition

TP391.9；G642.4

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2017.05.028

2016-12-28；修改日期:2017-05-04

陕西省教育厅专项科研计划项目(16JK2215)

张国强(1980-)，男，硕士，讲师，主要从事信号处理和虚拟仪器方面的研究工作。