虚拟仪器技术在新工科虚拟仿真实验平台中的应用

刘萍萍，黄 岚，赵宏伟

（吉林大学 计算机科学与技术学院，吉林 长春 130012）

0 引言

“新工科教育”概念自提出以来，其建设目标被确立为服务新一轮产业革命，打造新兴工科和传统工科融合发展的学科专业“新结构”，探索建立工程教育人才培养的“新模式”，逐步完善具有中国特色工程教育的“新体系”。新工科建设除了要设置和发展一批新兴工科专业，更重要的是推动现有工科专业的教育模式的改革创新。

新工科包含了理论基础和工程实践，对于工科学生而言，他们需要将知识和技能结合起来，需要将系统性的思维和创新型的理念结合起来。为深入推进信息技术与工程高等教育实验教学的深度融合，不断加强高等教育实验教学优质资源建设与应用，着力提高新工科教育实验教学质量和实践育人水平，虚拟仿真作为一种新的技术形式逐步得到了各级教育主管领导部门和广大师生的青睐。

教育部《教育信息化十年发展规划（2011—2020 年）》明确提出，深入推进信息技术与高等教育实验教学的深度融合，着力提高高等教育实验教学质量和实践育人水平。在2018年6月的新时代全国高等学校本科教育工作会议，特别强调了不断加强高等教育实验教学优质资源建设、应用与共享，打造实验“金课”，教育部适时在普通本科高等学校开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设工作，也为新工科的实验教学改革指明了方向。

1 虚拟仿真平台建设的意义与原则

虚拟仿真实验平台主要是通过虚拟仪器平台、多媒体技术、虚拟现实和增强现实等技术，辅助3D打印和平板电脑等设备，构建虚拟实验室，实现软件共享、仪器共享和设备远程控制[1]。

新工科人才培养要紧紧围绕经济社会快速发展的新要求、现代大学生成长的新特点、信息化时代教育教学的新规律，以提高学生实践能力和创新精神为核心，以现代信息技术为依托，以相关专业急需的实验教学信息化内容为指向，以完整的实验教学项目为基础，建设示范性虚拟仿真实验教学项目，形成专业布局合理、教学效果优良、开放、共享、有效的高等教育信息化实验教学项目，支撑教学质量全面提高。

（1）虚拟仿真平台建设的意义。通过建设和使用虚拟仿真实验教学项目，可以作为推进完善现有实践教学体系，提高实验教学质量的重要举措，加大对实验教学队伍的培养培训，着力提升信息技术与实验教学深度融合的意识，使用信息技术改造传统实验教学项目的能力和水平。根据实验教学计划和实际情况，在坚持“能实不虚”的基础上加大虚拟仿真实验教学项目建设力度。加强对虚拟仿真实验教学项目的应用管理，建立健全适应网络化学习的实验教学成绩考核评价指标体系，促进实验教学质量稳步提高。

（2）虚拟仿真平台建设的原则。虚拟仿真实验平台的主要建设原则包括：①以学生为中心的实验教学理念，激发学生的学习兴趣和潜能，增强学生创新创造能力；②准确适宜的实验教学内容，研发原理准确、内容紧凑、时长合理，解决高危、极端环境、高成本等问题；③创新多样的教学方式方法，互动式、研讨式教学与自主式、合作式、探究式学习结合；④先进可靠的实验研发技术，运用多种现代化手段，提高实验教学项目的吸引力和教学有效度，但必须兼顾可靠性和安全性；⑤稳定安全的开放运行模式，搭建具有开放性、扩展性、兼容性和前瞻性的虚拟仿真实验教学项目运行平台；⑥持续改进的实验评价体系，将虚拟仿真实验教学项目纳入相关专业培养方案和教学课程，制订相关教学效果评价办法。

2 虚拟仿真教学平台的国内外应用现状

国外高校在虚拟仿真平台建设方面的工作开展较早，其工作包含建立内容丰富的虚拟仿真教学资源库，实现实验资源网络化，学生远程操作，提升学习效果，并逐步形成了完备的实验过程管理的标准和体系。美国、英国和新西兰等国家的一些大学先后在电子工程专业、物理学专业等启动了虚拟仿真实验室建设，学生可以远程访问实验室里的昂贵的测试设备来获取测试数据，验证自己的设计；也可以利用虚拟实验手段，完成天体物理、力学和热学的典型实验和创新实验；或通过仿真软件，实现各类物理现象的仿真与分析，激发学习兴趣和创造性[1-2]。

国内的许多大学也利用各种形式的虚拟仿真实验室，实现仪器设备资源共享建立虚拟资源、场景，形成网络协作平台，服务于教学和科研活动。比较具有代表性的是清华大学数字化制造系统虚拟仿真平台、北京航空航天大学空天电子信息虚拟仿真平台、北京邮电大学通信与网络虚拟仿真平台、吉林大学物联网虚拟仿真实验平台和杭州电子科技大学的电子信息技术虚拟仿真平台等。这些大学采用虚拟仪器、虚拟现实、多媒体技术等多种技术手段，探索了将多学科虚拟仿真成果，形成基础支撑课程群、专业实验课程群与虚拟实验训练相结合的教学新模式，以虚拟仿真平台的共享服务，促进学生创新能力的提升[3-7]。

3 虚拟仪器在虚拟仿真实践教育中的作用

虚拟仪器技术是当今测试仿真领域一种新兴技术，是指利用计算机技术，将特殊设计的硬件与专用软件结合，可完成传统仪器的基本功能，又可将传统仪器的公共部分集中共享，具备便捷化、网络化、个性化的特点，因而非常适合建设虚拟仿真平台。在国家新工科建设过程中，在人工智能、智能制造、工业物联网和智能网联汽车等专业方向的虚拟仿真平台中都有着不可替代的作用[8]。

近年来我们一直围绕工科人才培养的时代要求，不断优化基于虚拟仪器的虚拟仿真平台建设，通过平台的实验课程学习，旨在使学生形成从系统的角度分析问题和解决问题的思维方法，了解相关技术研究领域的发展方向及新技术内涵。

吉林大学面向电子信息工程、测控技术与仪器、物联网工程、机械工程和汽车工程等工科专业不断优化基于以虚拟仪器技术为核心的虚拟仿真平台，服务若干课程，形成了一个课程体系，包括若干理论教学课程、综合实验以及课程设计。“虚拟仪器及测试系统设计”为该虚拟仿真实验平台的核心实验内容，是集理论学习与课程实践为一体的综合性实验。通过该平台学生能全面系统地了解智能测试技术的相关基础理论、智能测试系统的组成、所用仪器仪表及其实现方法以及基于虚拟仪器的智能检测及控制技术、方法及常用算法[9-10]。通过该平台使学生将课上所掌握的理论知识与实际相结合，要求学生通过分析理论与实践间存在差异的原因，对各种信号检测所需的传感器、信号调理电路、测量显示及记录方法、计算机接口与数据采集技术进行实际运用，掌握相关仪器、设备的正确使用方法[11]。利用虚拟仿真实验课程，让学生了解实际测试系统的设计过程、设计原则和注意事项，培养学生运用所学知识解决实际问题的实践能力，为进一步研究处理工程测试技术问题打下坚实基础[12-13]。

4 基于虚拟仪器的虚拟仿真平台设计理念与功能

为了满足不同新兴专业的实验教学需要，我们建立的虚拟仿真平台以一套虚拟仪器综合实验系统为核心，根据课程设置选取工程中常用的温度、声音、光、磁、应变等多种不同类型传感器，将其集成于一个实验平台之上。采用模块化设计，每个传感器模块都有单独的开关控制，确保各个模块之间不存在相互影响[14]。

在数据采集过程中，系统采用了美国NI公司的USB-6218型数据采集卡，通过数据采集卡把硬件电路和PC机连接起来，能够完成模拟信号的输入/输出和数字信号输入/输出的功能[15]。系统采用LabVIEW进行上位机软件设计，其功能主要包括数据采集和处理模块、实验原理模块和数据结果的存储与分析模块[16]。上位机软件设计由两部分组成：前面板和程序框图。在前面板，输入用输入控件来实现。程序运行的结果由显示控件来完成。程序框图是完成程序功能的图形化源代码，通过它对信号数据的输入和输出进行指定，完成对信号采集及分析处理功能的控制[17]。

除传统的真实实验环境之外，虚拟仪器综合实验系统探索利用数据库和网络通讯等技术，构建高度仿真的网络化实验环境和分布式部署结构，能在不受时间和空间限制的条件下完成教学功能。学生可以在远程登录到实验室的服务器上控制程序及数据采集设备的运行，采集多种传感器数据。该实验系统采用模块化的设计思想，充分利用了数据采集卡或NI ELVIS的软硬件资源，不同专业的学生可以选用不同的模块组合。在现行局域网构架之上，采用LabVIEW编程进行数据的采集和分析计算，并显示和保存相应的采样处理结果；将LabVIEW客户端程序通过软件本身的Web Server 功能发布到网页上，实现了数据的远程访问和共享，达到了构架虚拟实验室的目的。

5 成果应用与成效

目前，该虚拟仿真实验平台通过十几年的建设，在吉林大学以综合实验及开放性实验的形式，吸引了计算机、测控、自动化、机械和汽车等多个专业总计727名学生的参与。学生被划分成2～4人的小组，鼓励跨专业组队。课程考核分为基础实验和创新交叉实验，分别占总评成绩的40%和60%。通过学生的反馈，得出以下结论。

（1）实验平台操作简单，将工程实际应用引入实验教学，学生可以看到真实的信号，实践能力获得了巨大提升，激发了学生对工程实践研究的兴趣。多位学生表示，加深了对工程实践的理解。

（2）虚拟仿真平台的远程访问，使学生可以随时随地参与到实验中来，极大地方便学生，使得学生在理论学习中发现的问题，随时可以验证，也通过远程交流平台和交叉学科的协作，拓展了学术视野，学生的综合素质大幅提升。

（3）针对各专业的实际需求，设计了多层次、分等级的实验课程，实现循序渐进的教学模式。该系统所支持开设的实验项目见表1。从基础类实验项目开始，让学生掌握数据采集的基本操作，并熟悉各种外部资源的配置方法；在此基础上开展通用性实验，使学生逐步掌握实验平台各个模块的用法。对于熟知前两个阶段性实验的同学，可以根据老师提出的实验要求进行创新性实验。同时，结合新工科教育强调学科交叉互通，可以在大学生创新项目中，与船舶工程、机械工程、汽车工程、物联网工程等学科融合、面向机器人、智慧养殖、智慧城市、智慧医疗、智能交通等应用领域设计出更深层次的综合性交叉性实验。

6 结语

新工科建设过程中，各个新专业都对建设虚拟仿真平台，并在此基础上开设开放性实验、学科交叉型实验和综合性实验提出了新的要求。本文围绕着新工科建设的思考及实践，基于虚拟仪器系列实验系统开展了虚拟仿真平台建设工作，经历了逐步改进和优化的开发历程。虚拟仪器实验系统充分发挥了虚拟仪器技术在多个新兴学科都广泛应用的特点，紧密结合了实验教学课程内容，增加了学生与实验课程的互动性，提高了学生对相关课程的学习兴趣，使学生能进一步验证相关理论，掌握课程中的难点、重点。学生可以自行控制实验系统电机转速、光强、压力等产生不同的物理信号，从而每个实验小组得到的实验信号也不尽相同，避免了以往实验课程中千篇一律的信号图表。教学实践表明，通过实验课的学习，使学生掌握了相关仪器、设备的正确使用方法，对相关学科有了更加深入的了解，使其具有虚拟仪器、数据采集、信号分析、智能处理及测试系统设计方面的基础知识和应用能力。