測控一體化實驗教學與科技創(chuàng)新平臺研究

費景洲，高 峰，劉 友，費紅姿，馬修真

（哈爾濱工程大學動力與能源工程學院，黑龍江哈爾濱 150001）

測控一體化實驗教學與科技創(chuàng)新平臺研究

費景洲，高 峰，劉 友，費紅姿，馬修真

（哈爾濱工程大學動力與能源工程學院，黑龍江哈爾濱 150001）

為整合實驗室資源，優(yōu)化實驗課程體系，建立滿足“測試技術實驗”與“自動控制原理實驗”教學需要和大學生科技創(chuàng)新需求的測控一體化實驗教學平臺。從教學體系、教學方法2個方面對上述2門課程實驗教學進行改革，建立測試與控制實驗項目統(tǒng)分結合、實驗教學與科技創(chuàng)新緊密結合的教學體系，提出虛擬實驗與實際操作相結合、必修實驗與開放實驗相結合的教學方法。該實驗教學平臺突出“實驗資源優(yōu)化整合，教學科創(chuàng)緊密結合”特色，促進學科知識交叉融合，推動科教結合和創(chuàng)新教育發(fā)展，進一步提高實驗教學質(zhì)量。

實驗室資源整合；實驗課程優(yōu)化；科技創(chuàng)新；開放式教學方法

實驗室資源優(yōu)化整合和教學科研相結合是高校實驗室建設和實驗室開放的重要研究內(nèi)容，已經(jīng)成為目前的研究熱點［1－4］?！督逃俊⒇斦筷P于“十二五”期間實施高等學校本科教學質(zhì)量與教學改革工程的意見》（教高［2011］6號）中明確提出高校實驗室建設應突出“實驗室資源有效整合，教學科研緊密結合”特色?！皽y試技術”和“自動控制原理”是國內(nèi)工科院校熱能動力類專業(yè)廣泛開設的2門實踐性較強的專業(yè)基礎課，實踐環(huán)節(jié)在教學過程中占有重要地位［5－6］。目前國內(nèi)各高校中普遍的做法是2門課程的實驗平臺相互獨立，實驗項目不交叉，實驗教學條件分別建設。然而在工程實踐中，測試和控制是密不可分的，測試是系統(tǒng)的“眼睛”和“耳朵”，是控制的前提和基礎；而控制是系統(tǒng)的“大腦”和“四肢”，是測試的依據(jù)和目的。測試技術實驗教學和自動控制原理實驗教學相互獨立的做法，不利于復合型、創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)。為解決上述問題，根據(jù)哈爾濱工程大學國家級船舶動力技術實驗教學示范中心建設需要，建立基于虛擬儀器技術的測試與控制一體化實驗教學平臺，同時滿足測試技術和自動控制原理兩門課程實驗教學的需要；面向大學生科技創(chuàng)新需求，拓展平臺功能，建立測試與控制系統(tǒng)大學生科技創(chuàng)新實驗平臺；結合理論課程教學，利用該平臺開展虛擬與現(xiàn)實互動的開放式教學方法。該實驗教學平臺通過整合現(xiàn)有實驗室資源，構建了功能集約、資源優(yōu)化、開放充分的專業(yè)基礎類實驗教學平臺，為學生自主學習、自主實驗創(chuàng)造條件。

1 總體方案設計

在國家級船舶動力技術實驗教學示范中心建設過程中將“實驗資源優(yōu)化整合，教學科創(chuàng)緊密結合”作為建設理念，貫穿于測控一體化實驗教學平臺建設。整合測試技術實驗室和自動控制原理實驗室的資源，構建測控一體化實驗教學平臺；將科研實驗臺架轉(zhuǎn)化為教學實驗臺架，融合到該教學平臺中，拓展平臺功能，建立大學生科技創(chuàng)新平臺，實現(xiàn)教學科創(chuàng)緊密結合。測控一體化實驗教學平臺可以滿足測試技術實驗教學、自動控制原理實驗教學和大學生科技創(chuàng)新需求，該平臺原理相互關聯(lián)如圖1所示。

圖1 測控一體化實驗教學平臺原理關聯(lián)圖

2 教學體系建設

2.1 測控一體化實驗教學平臺

建立測控一體化實驗教學平臺，滿足總體設計方案中的多方面要求。同時該平臺還要能夠適應學科發(fā)展及實驗教學內(nèi)容不斷更新的需要，能夠開發(fā)新的實驗項目和實驗課程，要具有良好的開放性和拓展性。

虛擬儀器（virtual instrument）是近年來發(fā)展起來的將儀器技術與計算機技術緊密結合的新概念儀器，通過高性能的硬件和高效的軟件來實現(xiàn)各種測試和自動控制功能［7］。虛擬儀器利用軟件將微處理器、內(nèi)存等計算機硬件資源和A/D、D/A、I/O等儀器硬件資源結合起來，通過高效友好的軟件（如LabVIEW等圖形化編程語言）完成與各種軟硬件資源的連接，實現(xiàn)對被測試參數(shù)的采集、分析、顯示、存儲及數(shù)據(jù)生成。虛擬儀器具有性能高、開放性好、擴展性強等特點［8］。

測控一體化實驗教學平臺硬件采用NI公司（美國國家儀器公司）開發(fā)的基于虛擬儀器技術的ELVIS實驗教學套件［9］。該套件提供數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)和常用測量儀器，配有硬件拓展接口。使用NI公司的LabVIEW，Multisim等軟件作為教學平臺的主要開發(fā)軟件。

針對不同的實驗需求，使用該實驗教學平臺可以開發(fā)滿足不同課程需求的實驗項目。目前我們已經(jīng)利用該平臺開發(fā)了“測試技術”和“自動控制原理”2門課程的19個實驗項目。測試技術實驗方面，可以在該平臺上開展溫度綜合測量、壓力綜合測量、轉(zhuǎn)速綜合測量、振動噪聲測量等9個實驗項目；自動控制原理實驗方面，目前可以開展典型系統(tǒng)的時域響應和穩(wěn)定性分析、線性系統(tǒng)的頻率響應分析、線性系統(tǒng)的校正、直流電機的速度控制實驗等10個實驗項目。

利用測控一體化實驗教學平臺，結合不同的實驗項目“插件”，可以實現(xiàn)一門課程乃至多門課程的多個實驗項目的實驗，達到實驗室資源整合與共享，功能集約與優(yōu)化的目的。該平臺已經(jīng)在我院2009級、2010級熱能與動力工程專業(yè)和輪機工程專業(yè)28個本科班的“測試技術”和“自動控制原理”實驗教學中應用。

2.2 統(tǒng)分結合的層次化實驗項目體系

在“測試技術”和“自動控制原理”共用實驗平臺的基礎上，對實驗項目進行優(yōu)化整合，使2門課程的實驗項目有機融合，形成基礎性實驗、綜合性實驗和設計性實驗3個層次的實驗項目體系?；A性實驗2門課程的實驗項目基本獨立；綜合性實驗2門課程的實驗項目相互結合；設計性實驗2門課程的實驗項目深度融合。形成了基礎性實驗相區(qū)別，綜合設計性實驗相統(tǒng)一的統(tǒng)分結合的層次化實驗項目體系，其原理的關聯(lián)如圖2所示。

基礎性實驗與理論課程的重要知識點緊密結合，目的是加深學生對理論知識的理解，培養(yǎng)學生扎實的基本實驗能力?；A性實驗項目劃分為測試技術實驗類和自動控制原理實驗類，在這個階段2門課程的實驗內(nèi)容是相對獨立的，學生可以根據(jù)理論課程選擇相應的實驗項目。測試技術類基礎實驗主要包括傳感器調(diào)理電路設計、溫度測量、壓力測量、流量測量、轉(zhuǎn)速測量等基本測量實驗以及硅光電池特性測量、光敏二極管光電特性測量、駐極體麥克風實驗、熱釋電紅外傳感器測量實驗等實驗項目。自動控制原理類基礎實驗主要包括典型環(huán)節(jié)的時域響應、典型系統(tǒng)的時域響應和穩(wěn)定性分析、線性系統(tǒng)的根軌跡分析、線性系統(tǒng)的頻率響應分析、線性系統(tǒng)的校正、離散系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析、線性系統(tǒng)的狀態(tài)空間分析、典型非線性環(huán)節(jié)靜態(tài)特性測試等實驗項目。

圖2 統(tǒng)分結合的層次化實驗項目體系

綜合性實驗涵蓋測試技術和自動控制原理2門課程的重要知識點，要求學生能夠綜合運用所學知識完成實驗內(nèi)容。實驗項目根據(jù)2門課程的結合程度，劃分為偏測試技術類綜合實驗、偏自動控制原理類綜合實驗和測控結合類綜合實驗。偏測試技術類綜合實驗圍繞測試技術課程中的主要內(nèi)容，包括發(fā)動機振動信號測量實驗、發(fā)動機噪聲與排放測量實驗等實驗項目；偏自動控制原理類綜合實驗包括倒立擺控制實驗、溫度控制實驗等實驗項目。測控結合類綜合實驗包括直流電機速度控制實驗、發(fā)動機示功圖綜合測量實驗等實驗項目。

設計性實驗要求學生能夠綜合運用所學知識，在一定時間內(nèi)設計并完成具有一定測控功能的實驗項目。實驗項目選題、實驗設備選型、實驗內(nèi)容確定、實驗步驟安排以及實驗項目總結都由學生完成。實驗的目的主要是培養(yǎng)學生自行組織實驗的能力，對實驗難度和創(chuàng)新程度不做硬性要求。實驗內(nèi)容要求將測試技術課程內(nèi)容和自動控制原理課程內(nèi)容相結合。實驗教學平臺為實驗設計提供相應的軟硬件條件，包括電源、萬用表、信號發(fā)生器、示波器等各種儀表、常用電子元器件、硬件開發(fā)面包板和相應的開發(fā)軟件等。

2.3 大學生科技創(chuàng)新實驗平臺

拓展測控一體化實驗教學平臺功能，構建大學生科技創(chuàng)新實驗平臺。平臺硬件拓展后可提供多種功能性儀器設備，如電源、數(shù)字萬用表、信號發(fā)生器、示波器、信號分析儀等，結合平臺自身的數(shù)據(jù)采集、信號處理和輸出功能，可形成具有多種基礎功能的大學生科技創(chuàng)新實驗平臺；平臺提供開發(fā)面包板，可搭建測試及控制實時系統(tǒng)；該平臺與NI公司的CompactDAQ、CompactRIO無縫連接，可實現(xiàn)高精度工業(yè)級的系統(tǒng)測試與控制功能。軟件方面，該平臺與LabVIEW， Multisim等軟件緊密集成，支持VC＋＋、Matlab等常用軟件，能夠滿足大學生科技創(chuàng)新需求。同時將內(nèi)燃機綜合測控管理系統(tǒng)等科研項目轉(zhuǎn)化為大學生科技創(chuàng)新項目，進一步拓展平臺功能，為大學生科技創(chuàng)新提供優(yōu)質(zhì)資源。

科技創(chuàng)新平臺面向全校本科生和研究生開放，通過學校和學院科技創(chuàng)新立項的學生可按照學院實驗室開放管理的有關規(guī)定使用該平臺。近2年來多位學生在“全國大學生節(jié)能減排社會實踐與科技競賽”、“挑戰(zhàn)杯”等多個國家級科技創(chuàng)新競賽中獲得重要獎項?？萍紕?chuàng)新平臺為學有余力的學生提供科研實踐條件，有利于選拔具有科研潛質(zhì)的學生，有利于精英人才的發(fā)現(xiàn)和培養(yǎng)，有利于培養(yǎng)學生的工程實踐能力和科技創(chuàng)新能力［10－11］。

3 教學方法研究

3.1 虛擬實驗與實際操作相結合的實驗方法

虛擬實驗是指利用虛擬技術在計算機上建立能夠模擬實際實驗各操作環(huán)節(jié)的虛擬環(huán)境，可輔助、部分替代甚至全部替代傳統(tǒng)實驗。虛擬實驗在實驗場地、實驗消耗和實驗時間等方面具有明顯優(yōu)勢，可對實驗教學改革產(chǎn)生變革性的影響。將虛擬實驗與現(xiàn)實操作相結合，將其應用于測試技術與自動控制原理實驗課程教學，使二者優(yōu)勢互補，可明顯提高實際教學效果。

虛擬實驗主要通過在線虛擬實驗系統(tǒng)實現(xiàn)。測試技術虛擬實驗方面，利用LabVIEW、MultiSim等軟件，制作各種常用傳感器的虛擬元器件，封裝各虛擬元器件形成虛擬元件庫；結合各種常用信號調(diào)理電路的虛擬電路，建立虛擬測試模塊庫，包括溫度測量、壓力測量、轉(zhuǎn)速測量、流體測量、振動信號測量、噪聲與排放測量等常用測量模塊；利用各器件、模塊，結合工程案例，構建內(nèi)燃機綜合測量系統(tǒng)等虛擬測量系統(tǒng)。自動控制原理方面，同樣構建“器件→模塊→系統(tǒng)”的進階式虛擬實驗系統(tǒng)。

現(xiàn)實操作在測控一體化實驗教學平臺上進行，實驗項目內(nèi)容如前所述。學生在課下通過在線虛擬實驗系統(tǒng)進行實驗預習，課上進行實際實驗操作?！罢n前虛擬預習，課上現(xiàn)實操作”的教學方法使用2年來，學生普遍反映實驗興趣高、預習效果好、實驗收獲大。

3.2 必修實驗與開放實驗相結合的教學方法

傳統(tǒng)的測試與控制類實驗教學通常采用示波器、信號發(fā)生器、直流穩(wěn)壓電源及模擬電路實驗板等硬件設備。這些設備的開放性和拓展性較差，部分設備因價格昂貴和更新?lián)Q代速度慢，設備功能難以滿足實驗教學發(fā)展變化需要。受實驗設備硬件條件制約，實驗教學環(huán)節(jié)通常采用固定的模式，實驗項目難以針對學生的專業(yè)特色開展，實驗課程不能滿足不同工程專業(yè)需要。近年來隨著研究型教學模式的逐步深入，開放式教學方法因其在學生實踐創(chuàng)新能力和個性化培養(yǎng)等方面具有突出優(yōu)勢，應用日益廣泛［12－13］。

測控一體化實驗教學平臺采用基于虛擬儀器技術的NI－ELVIS系統(tǒng)和LabVIEW作為硬件和軟件開發(fā)平臺，可根據(jù)不同實驗需要配置實驗儀器設備，還可根據(jù)特定的實驗需求自行設計相應的儀器。平臺軟硬件所具有的良好開放性和拓展性為實施開放式教學方法提供便利條件。

開放式教學方法主要體現(xiàn)在實驗內(nèi)容的開放性上。教師根據(jù)學科專業(yè)要求，在現(xiàn)有驗證性實驗項目基礎上，結合工程實踐需求，設定實驗項目的主要測試參數(shù)和控制精度要求。實驗設備、實驗方法、實驗程序等均不做要求，由學生自行設計實驗方案，確定相應的實驗設備、測量方法和控制算法。學生在實驗平臺的開發(fā)面包板上搭建測試及控制系統(tǒng)硬件電路，利用平臺提供的各種儀表對系統(tǒng)進行測試。實驗平臺提供完備的數(shù)據(jù)采集和控制通道，實驗的軟件設計，如數(shù)據(jù)采集設置、狀態(tài)參數(shù)監(jiān)視、控制參數(shù)修改等，利用NI公司的LabVIEW軟件在該平臺上都可以方便地實現(xiàn)。

開放式實驗教學方法將傳統(tǒng)的驗證性實驗轉(zhuǎn)化為創(chuàng)新性實驗，給學生一定的自由發(fā)揮空間，使學生可以按照自己的想法對實驗內(nèi)容進行改進和創(chuàng)新，其綜合實踐能力和創(chuàng)新能力得到提升。實驗平臺在數(shù)據(jù)采集、測試儀器、軟件集成等方面提供的優(yōu)質(zhì)資源，大大降低學生自行設計測控實驗項目的難度，確保學生能夠在一定的時間內(nèi)完成相應的實驗內(nèi)容。開放性實驗項目定位為任意選修實驗，相比于一般的驗證性實驗，要占用較多時間。為鼓勵學生選擇開放性實驗項目，選擇開放性實驗項目的學生可以免做相應的基礎性實驗項目。必修實驗與開放實驗相結合的教學方法在我院2009級、2010級16個本科班中應用，學生的實驗熱情和綜合實踐能力得到大幅度提升。

4 結束語

測控一體化實驗教學與科技創(chuàng)新平臺在實驗室資源整合、實驗課程體系優(yōu)化、實驗教學方法改革等方面進行探索，形成了“實驗資源優(yōu)化整合，教學科創(chuàng)緊密結合”特色。該一體化實驗教學平臺功能高度集約，能滿足2門課程的實驗教學和大學生科技創(chuàng)新需求，實現(xiàn)教學科研的緊密結合。基于該平臺建立的統(tǒng)分結合的層次化實驗項目體系，促進了學生學科知識的交叉融合；利用該平臺開展的虛擬實驗與實際操作相結合、必修實驗與開放實驗相結合的教學方法，有利于培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識的綜合型人才。

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虛擬仿真實驗教學是高等教育信息化建設和實驗教學示范中心建設的重要內(nèi)容，是學科專業(yè)與信息技術深度融合的產(chǎn)物。虛擬仿真實驗教學中心建設工作堅持“科學規(guī)劃、共享資源、突出重點、提高效益、持續(xù)發(fā)展”的指導思想，以全面提高高校學生創(chuàng)新精神和實踐能力為宗旨，以共享優(yōu)質(zhì)實驗教學資源為核心，以建設信息化實驗教學資源為重點，分年度建設一批具有示范、引領作用的虛擬仿真實驗教學中心，持續(xù)推進實驗教學信息化建設，推動高等學校實驗教學改革與創(chuàng)新。

摘自教高司函［2013］94號《關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知》

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

Fei Jingzhou，Gao Feng，Liu You，F(xiàn)ei 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

黑龍江省高等教育科學研究“十二五”規(guī)劃課題（HGJXHB2110355）；哈爾濱工程大學實驗教改項目（SYJG20130301）

費景洲（1976—），男，黑龍江訥河，博士，講師，研究方向為動力裝置測試及控制.

E－mail：feijingzhou＠hrbeu.edu.cn

實驗技術與方法