基于虚拟仪器的实验平台在高等职业技术教育中的应用

王 桔，邹 稷

(长春大学 电子信息工程学院，长春130022)

1 中国高等职业技术教育现状

职业技术教育作为一种培养人的社会活动，区别于其他类型教育和其他社会活动的根本属性，就是它的职业性、生产性和社会性[1]。 众所周知，中国的高等职业技术起步早，历史悠久[2]。 曾为我国的现代化建设作出了不可磨灭的贡献。 但是随着社会生产力的飞速发展，我国的高等职业技术教育目前也存在着一些问题。 由于本科扩大招生，越来越多的学生宁可选择教育质量不高的本科教育，也不愿意选择进入高等职业技术教育。 因此，目前我国的高等职业技术教育处境非常尴尬。 这种情况完全与高等职业技术教育的初衷背道而驰。

在美国职业技术教育政策鼓励高中学生毕业后进入高等职业技术教育完成高等教育培养水平，通过2年的时间培训可以完成四年本科教育所不能达到的动手操作的水平[3]321。 随着21 世纪的来临，美国的职业技术教育已经有所转变，从过去职业技术教育只是为了找工作提供入口，到现在转移到职业技术教育，除了提供找工作的机会还拓宽了向学术界发展的需求与准备[3]322。 因此，高等职业技术教育具有本科教育所不具备的更多优势：与企业接触紧密，有针对性地培养学生相关素质与能力，动手能力强，更适合不喜欢从事理论研究的专业型人才。 目前我国的高等职业技术教育现状如下：

(1)高等职业技术教育学校虽然数量呈下降趋势，但招生规模有所扩大；

(2)授课内容针对性强；

(3)高等职业技术教育资金紧张，办学能力欠佳；

(4)高等职业技术学校与企业合作紧密，学生实践机会多；

(5)高等职业技术教育重视实践能力培养，学生就业率较高；

综上所述，中国目前的高等职业技术的优势是，教育非常重视动手操作及实践能力的培养，就业率高。而存在的问题是，资金紧张，所以办学条件不太完善，实验室仪器设备陈旧，仪器更新缓慢，极其不利于教学及实验操作。 而基于虚拟仪器的实验平台恰恰可以解决高等职业技术教育经费紧张，条件不完善的问题，将多种电子仪器的功能集中在一个设备，从而实现多种传统仪器的功能。

2 (NI)公司虚拟仪器技术

一直致力于测量控制系统与界面测试技术40 年的美国的国家仪器公司(NI)，所开发设计风靡全球的主打产品即虚拟仪器技术(Labview)，它将先进的软件设计技术应用于硬件平台，模拟及测试多种工程技术问题，从而打开了将虚拟技术应用于真实世界的里程碑[4]。

Nextboard 平台是深圳泛华公司专门为工科院校师生打造的用于工程教学的实验平台。 泛华自主开发的实验平台是在美国NI 公司开发的虚拟仪器技术基础上结合其实验模块而设计的。 Nextboard 平台为使用者提供了多种实验模块，包括各种传感器模块，模拟电子实验、电子通信实验、测量控制实验所需的实验模块。 因此，学生通过泛华Nextboard 实验平台提供的各种实验模块，可以自主搭建各种电路，从而更加清晰深入地理解各个实验的原理及观察实验仿真结果[5-7]。

由于Nextboard 实验平台是在NI 公司的虚拟仪器技术的基础上设计的，因此，在设计实验软件上可以应用NI 公司的Labview 软件编写程序语言，从而修改或设计相应的实验过程[8]。 正是由于Nextboard 实验平台完美的模块性及交互性，Nextboard 实验平台非常适合大多数的工程实验应用[9-10]。

Nextboard 实验平台是由硬件设计及软件设计两部分组成。 在完成各种实验平台提供的实验时，需要对硬件平台及软件同时进行设计。 Nextboard 实验平台硬件平台如图1 所示。 打开Nextboard 实验平台的软件界面，可以看到它具有非常良好的界面设计，如图2 所示。

图1 Nextboard 实验平台

图2 Nextboard 软面板

3 热敏电阻实验模块

热敏电阻是一种电阻值随温度变化而变化的传感器，它属于热电阻的一种，对温度敏感，因此在不同的温度下，阻值也会不尽相同。

3.1 热敏电阻工作原理

热敏电阻的特点是阻值随温度变化而变化。 热敏电阻的曲线是伏安特性曲线，曲线呈非线性。 若电子和空穴的浓度分别为n、p，迁移率分别为μn、μp，则半导体的电导为：

因为n、p、μn、μp都是温度T 的函数，所以电导是温度的函数，因此可由测量电导而推算出温度的高低，并能做出电阻—温度特性曲线。 这就是热敏电阻的工作原理。

假设，电阻和温度之间的关系是线性的，则：R = kT

R = 电阻变化；

T = 温度变化；

k= 一阶的电阻温度系数。

3.2 热敏电阻实验

3.2.1 热敏电阻实验硬件设计

Nextboard 实验平台提供了热敏电阻模块，可供使用者应用测试热敏电阻实验，图3 为热敏电阻实验模块。 热敏电阻实验由两个部分组成，分别为硬件部分设计与软件部分设计。实验模块电路板有三种不同的电阻值可供选择连接，而模块上用虚线描绘的电阻表示需要外接备选电阻，因此当连接虚线的R 阻值不同，恒流源的电流也会不同。 恒流源法演示部分给出了恒流源电路图。 供电电流i=Vcc/Ri，Rt代表热敏电阻，Vt 代表热敏电阻两端电压，在实验模拟中，为了更清楚地了解电路测量原理，Vcc 和Vt 可以任意修改。 实际测量中，Vcc 为固定值，Vt 值通过数据采集卡采集，其数值由电流以及热敏电阻阻值共同决定。 在实验模拟完成后，手动实测Nextsense02 上的Vcc 值，并将其填入定值测量部分。

在硬件部分设计中首先将热电偶实验模块插入Nextboard 实验平台面板上，如图4 所示。 分压法演示部分显示了分压法电路图，分压电阻Ri 和Rt 串联。 当Rt 改变时，Ri 两端电压VRi 以及Rt 两端电压Vt 都改变。 电流值为i=VRi/Ri=(Vcc-Vt)/Ri，再通过计算Rt=Vt/i 计电流i=Vcc/Ri，当将虚线Ri 连接到备选电阻20 KΩ 时，Vcc=2.5 V，则电流i=2.5 V/20 KΩ=0.12 5mA。 热敏电阻实验硬件连线如图4 所示。

图3 热敏电阻实验模块

3.2.2 热敏电阻实验软件设计

由于Nextboard 是由NI 公司的Matlab 软件设计开发的，因此也为使用者提供了良好的实验交互界面及丰富的实验内容。 打开Nextboard 实验平台提供的热敏电阻实验界面，如图5 所示。 从热敏电阻实验界面中可以看到该实验主要由六个部分组成，传感器的介绍、特征曲线、实验内容、实验模拟等。 丰富的内容为使用者提供了诸多热敏电阻实验的相关理论及相关介绍。 若需要查看热敏电阻实验的传感器介绍及热敏电阻的工作原理，可以点击传感器的介绍进入，如图6 如示。

图4 RTD 热电阻硬件接线

图5 热敏电阻实验界面

图6 热敏电阻实验内容

在实验模拟中，Vcc 和Vt 可以任意调节。 实际测量中，Vcc 为固定值，Vt 值通过数据采集卡采集，其数值由电流以及热敏电阻阻值共同决定。 在硬件连线中，已经将备选电阻R=20 KΩ 连接到恒流源电路中Ri 位置。 将Ri 其修改为实际连接值20 KΩ。 左上角显示的Vcc 值为模拟实验面板填入的实测值。 右上角的Vt值为数据采集卡采集到的电压值，如图7 所示。

点击开始采集按钮，实测面板将给出测量到的Vt 值以及根据该值计算出来的电流、电阻和温度值。 如图8 所示，显示了温度变化曲线(T)以及阻值在特性曲线(R)上的对应位置。 可以得出结论，热敏电阻特性曲线为反时特性曲线，随着时间的增长，阻值越小。

图7 热敏电阻实验数值

图8 热敏电阻R-T 特性曲线

4 基于虚拟仪器Nextpad 实验平台应用

中国目前的高等职业技术存在的问题是，资金紧张，实验办学条件不太完善，实验室仪器设备陈旧，仪器更新缓慢，极其不利于教学及实验操作。 因此将基于虚拟仪器技术的Nextpad 实验平台引入高等职业技术教育中去，不仅可以解决资金的问题，还可以将教学条件提高与国际水平接轨，开拓学生的思维，提高学生的动手能力，将职业技术教育重视实践操作的优势继续发扬光大。 因此，基于虚拟仪器的实验平台应用于高等职业技术教育中，完全可行并具有未来前景。