自动化专业“虚拟仪器技术”教学过程探索

袁明

摘要 以LabVIEW为代表的虚拟仪器作为现代工程教育的优秀平台，适用于不同工科专业的学生选修。“虚拟仪器技术”课程是我校近年来在自动化专业开设的一门跨专业选修课。考虑到自动化专业的学科特点，作者在虚拟仪器教学中围绕如何提高对虚拟仪器的掌握水平，如何增强本课程与自动化专业主干课的联系，以及如何帮助学生在虚拟仪器的帮助下提升控制工程实践能力等方面进行了探索，供开设相关课程的各位同仁参考。

关键词 虚拟仪器技术 教学探索 自动化专业

中图分类号：G424 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2018.02.055

虚拟仪器利用计算机的强大处理能力，通过模块化的硬件设备，即可完成自定义的测试、测量和控制功能，极大降低了专用仪器设备的支出。在虚拟仪器发展中，LabVIEW已经在国内外确立了其主导地位。利用LabVIEW简单易学的图形化的编程模式，优秀的人机交互模式、强大的跨平台支持和海量仪器驱动，工程师和科学家可以把项目开发的主要精力集中到项目本身，实现快速原型。

虚拟仪器的这种优势受到了国内外众多高校的青睐。仅我国国内就已经超过200所高校，每年超50000名学生学习虚拟仪器。开展虚拟仪器的教学工作，有助于提高本科生教学质量。但虚拟仪器涵盖的内容非常广泛，对某一专业的学生进行这方面训练时，应结合专业特点，在教学内容上进行优化，既可帮助学生提高专业知识的理解能力，又能增强学生的兴趣和动力。基于此，作者以在自动化专业开设“虚拟仪器技术”课程为例，进行了相关探索。

1课程概述

作为自动化专业跨专业选修课，课程的设置参照已在我校测控技术与仪器专业开设多年的虚拟仪器技术课程，共48学时，理论38学时，实验教学10学时。采用的教材为张重雄、张思维主编，电子工业出版社出版的《虚拟仪器技术分析与设计（第三版）》。课程主要涵盖LabVIEW图形化语言编程设计、仪器总线与控制、数据采集与信号处理、虚拟仪器通信技术四大模块。

作为授课教师，作者使用虚拟仪器从事项目开发已有十年以上经验，对Windows平台、实时系统和FPGA平台上使用虚拟仪器实现精密测量和快速原型的实时控制都有较深入的认识，见证了虚拟仪器技术不断走向成熟强大的过程。结合多年来使用虚拟仪器完成工程项目的体会和当前工程教育改革背景下对本科生工程素质培养的要求，充分认识到依托虚拟仪器技术，对于提升现代工程教育的重要性。

本课程是跨专业选修课，考虑到本门课程的内容结构和自动化专业的学科特点，以提高学生在自动化学科的专业素质为目标，在教学过程中努力做出了一些探索，以增强本课程与自动化专业主干课程的交叉融合I生，真正使虚拟仪器技术作为学生从事专业认知和项目开发的独立助手，做到理论基础到专业实践的无缝过渡。

2教学内容探索

2.1增强学习本门课程的目的性和向导性

作为选修课，学生在学习这类课程时普遍不够重视，学生仅满足于学分，教学效果不佳。为了避免上述现象，作者在课程开始阶段不仅图文并茂的展示了虚拟仪器的应用，从乐高积木到SpaceX航天器发射，提供学生学习兴趣；适当结合每年NIWeek和NIDays上最新的虚拟仪器技术和实际工程应用案例，增强学生对本课程的宏观认知能力。

2.2在教学中增强“系统”的概念

本门课程在大三上学期开设，此时学生已经学习过电路基础、信号与系统、模拟和数字电子技术等专业基础课，并开始学习自动控制原理，应已具备对物理系统的初步分析能力。但是在教学过程中发现不少学生对“系统”这一概念的理解仍有待加深，而对系统的认知正是自动化专业学生应掌握的一项基本专业素质。为此本门课程在讲述过程中，强调系统的概念，并贯穿到虚拟仪器的教学环节中，通过案例式教学法，加深学生对“系统”的认知。例如在讲述数据采集与信号处理部分时，结合系统中的频响函数、稳态响应和暂态响应等概念，稳定性判断中常用的伯德图和奈奎斯特图等图表，给出如何利用Lab-VIEW控制数据采集硬件，来对真实的物理系统进行激励一响应测试，并进一步利用虚拟仪器对采样得到的数字信号进行处理，获得系统的时域和频域特性。

2.3引入“系统辨识”和‘‘控制设计与仿真”模块的介绍

为了方便工程师实现搭建控制系统，完成从开环性能测试到闭环控制功能验证的完整流程，LabVIEW开发环境中提供了“系统辨识”和“控制设计与仿真”模块。对这两个模块的介绍在教材中并没有涉及，但对自动化专业的学生尤为实用。系统辨识是获得被控对象模型的基本手段，而闭环控制仿真和快速控制原型的建立的加入需要“控制设计与仿真”模块的功能。

为此，在本课程开设进程的后半阶段，对该模块进行了介绍。以柔性机械臂控制为例，鼓励学生以LabVIEW为设计环境，完成从系统辨识到被控对象的稳定性、时域响应和频域响应的分析，搭建PID闭环控制实现仿真和物理实现，获得解决实际工程问题流程的完整训练。

通过以LabVIEW作为工具，连接数据采集硬件，使学生领悟快速原型建立对项目开发的重要性。在教学过程中，Lab—VIEW的循环定时结构、采样速率、实时系统和程序的抖动性等概念能够与控制系统中的实时性和鲁棒性等概念建立密切关联。通过补充这部分内容，使学生既巩固了虚拟仪器技术课程的基本知识，也加深自动化专业学生的专业素养，为其设计更复杂的控制装置打下基础。

2.4部分教材知识点的调整与补充

针对自动化专业的学科特点，并结合当前虚拟仪器技术的发展现状，在“仪器总线与控制”模块课程讲述过程中，適度降低GPIB和VXI这两种总线的教学难度，缩减部分教学内容。考虑到PXI总线近年来的快速发展，在PXI总线基础上增加了对PXI-E高性能总线介绍和性能比较等教学内容。

在仪器控制中，删除测控专业中对利用c++作为编程环境实现仪器程控的要求，仅要求使用LabVIEW作为编程语言来实现，提高了课程的适用度。

在“虚拟仪器通信技术”教学模块，补充“网络流”这种最新无损传输技术，并将其与TCP/IP技术、UDP技术、DataSocket技术，共享变量技术进行比较，以流程树的模式帮助学生快速梳理不同数据传输技术的适用场合，帮助学生快速掌握基于虚拟仪器实现网络化测控的强大功能。

3严抓训练环节

虚拟仪器技术这门课程具有较强的实践性，作为授课教师，结合实验室现有条件和自动化专业本科生培养方案，为学生设计了由易到难的四级训练过程，切实加强学生对知识点的掌握程度，并通过训练提升其解决实际工程问题能力。

3.1课堂动手实践环节

为了有效提高课堂的教学效果，作者在讲授LabVIEW程序设计环节时，采取问题式教学模式，增强师生互动程度。在基本编程方法介绍结束后，提出相关问题，让学生来多媒体讲台上解决编程和调试工作。通过这种方法，可以更有效地找出学生在学习中碰到的问题并解决。

在利用虚拟仪器进行数据采集讲授阶段，作者购买了NI公司的USB-6009和USB-4431数据采集卡，结合压电加速度传感器、麦克风传感器，在课堂上向学生展示如何结合应用需求，进行数据采集，并以此为基础讲述利用虚拟仪器完成物理信号的处理，让学生体会到虚拟仪器的功能，并对知识点进行掌握。

3.2增强实验环节和作业训练

在10学时的实验教学中，将理论教学的大班模式打散，即采用小班化教学模式。纯软件类实验做到一人一组，软硬结合类实验做到2-3人一组，实验中配备了示波器、GPIB通信卡、NIELVIS等设备，保证学生通过自主实践，完成大纲要求的实验内容。

在作业布置上实现多样化设计，除对课本习题外，还布置了开放式的题目，如查找虚拟仪器相关应用案例、利用虚拟仪器编写基于声卡的应用程序、设计自动售货机程序等，这类题目并无标准答案，能充分调动学生的主动性，去思考和实践。

3.3通过开放实验和大学生创新训练项目实践

作者所在的学院每年都为学生提供基于虚拟仪器的开放实验项目和大学生创新训练项目，学生可以以团队的形式加入这类工程训练项目，利用虚拟仪器完成相关的软硬件设计和报告撰写。项目最后阶段需要通过委员会答辩，验收后可给予自主化学分。该训练环节学生主要通过课余时间来完成，具有很好的灵活性。学生可通过指导教师、网络、小组讨论来提高其自我学习能力和对知识的综合应用能力。

3.4通过虚拟仪器竞赛训练

通过前三阶段的训练，学生已经基本具备使用虚拟仪器独立开发应用项目的能力。在此基础上，掌握程度较好的学生可以进一步参加江苏省和全国的虚拟仪器竞赛，完成测试、控制、自动化或其他创新性的应用开发，进一步提升其工程应用综合能力。“

4结语

虚拟仪器是大学生进行工程训练非常优秀的实践平台，在大学中开设此课程能帮助学生快速掌握这项工具。考虑到课程性质和专业的不同，作为教师，讲述虚拟仪器技术的相关知识应努力适应被讲述的对象的专业领域，这样更有利于提高学生学习的目的性和兴趣性，更好地帮助其提高工程应用能力。

本门课程在我校自动化专业开设三年来，选课人数在75-100人之间波动，教学满意率达90%。笔者和部分已毕业的学生交流，大家普遍认为通过虛拟仪器技术这门课的学习，对他们的本科毕业设计、硕士课题研究和走上工作岗位后相关项目的开展都有较大的帮助。