結(jié)合工程實(shí)際開展虛擬儀器課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)

胡景春, 徐國榮, 趙學(xué)敏, 柏忠山

(1. 江西應(yīng)用科技學(xué)院 信息工程學(xué)院, 江西 南昌 330004；2. 南昌航空大學(xué) 信息工程學(xué)院, 江西 南昌 330063)

結(jié)合工程實(shí)際開展虛擬儀器課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)

胡景春1,2, 徐國榮1, 趙學(xué)敏1, 柏忠山1

(1. 江西應(yīng)用科技學(xué)院 信息工程學(xué)院, 江西 南昌 330004；2. 南昌航空大學(xué) 信息工程學(xué)院, 江西 南昌 330063)

對(duì)虛擬儀器課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行了改革,在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中結(jié)合實(shí)際工程項(xiàng)目的應(yīng)用。以“汽車歧管壓力傳感器自動(dòng)測(cè)量標(biāo)定系統(tǒng)”工程實(shí)際項(xiàng)目為例,在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中通過提出問題、現(xiàn)場(chǎng)參觀、仿真實(shí)驗(yàn)和問題解析的方法,有效地解決了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容只限于初步的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的問題,大大提高了課程教學(xué)的效果。

虛擬儀器課程； 實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革； 教學(xué)-工程結(jié)合

目前,在電子信息、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化等許多專業(yè)的教學(xué)中,都設(shè)有虛擬儀器儀表方面的課程,主要是基于NI公司的虛擬儀器軟件開發(fā)平臺(tái)LabVEIW開展課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

由于NI公司生產(chǎn)的與LabVEIW軟件相配套的虛擬儀器的硬件模塊價(jià)格昂貴,在以往的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中大量采用虛擬儀器比較困難,有些課程的實(shí)驗(yàn)只能采用編寫虛擬儀器人機(jī)交互界面的方法,用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)功能的程序框圖,而學(xué)生對(duì)于虛擬儀器儀表的測(cè)控功能則只能有表面的了解,幾乎沒有親自動(dòng)手實(shí)驗(yàn),更不用說掌握和實(shí)際應(yīng)用了[1]。為此,結(jié)合工程實(shí)際進(jìn)行了虛擬儀器課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革。

1 問題的提出及引發(fā)的思考

過去,在儀器儀表課程的教學(xué)中,學(xué)生會(huì)提出“虛擬儀器儀表如何才能像真正的儀器儀表一樣實(shí)際實(shí)現(xiàn)測(cè)控功能”這樣的問題。這說明課程教學(xué)并沒有達(dá)到對(duì)虛擬儀器真正理解以及掌握其應(yīng)用技術(shù)的效果。

上述學(xué)生提出的問題,反映了課程教學(xué)中實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的不足對(duì)課程教學(xué)有較大的影響?，F(xiàn)階段,在我國應(yīng)用型本科高等教育教學(xué)改革中,通過實(shí)踐環(huán)節(jié)提高學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的應(yīng)用能力,更具有實(shí)際意義。在課程教學(xué)中,要使虛擬儀器儀表實(shí)際實(shí)現(xiàn)測(cè)控功能,實(shí)際上就是立足在知識(shí)的應(yīng)用上。為此,應(yīng)該提供一種實(shí)驗(yàn)環(huán)境,讓學(xué)生能夠通過實(shí)驗(yàn)而感知、印證和深化有關(guān)技術(shù)和知識(shí)。在一時(shí)不能購買硬件模塊的情況下,可以結(jié)合教師承擔(dān)的實(shí)際工程項(xiàng)目進(jìn)行虛擬儀器課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)[2-3]。

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)中工程實(shí)際項(xiàng)目的選擇

由于多年從事儀器儀表方面的教學(xué)和科研工作,進(jìn)行了一些虛擬儀器工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)開發(fā)。把工程實(shí)際成果引入教學(xué),設(shè)計(jì)好實(shí)驗(yàn)教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié),必定會(huì)帶來良好效果。

作為課程實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容,選擇工程實(shí)際項(xiàng)目主要應(yīng)考慮以下方面[4-5]:

(1) 工程項(xiàng)目應(yīng)與課程教學(xué)的實(shí)驗(yàn)有關(guān),比如虛擬儀器、LabVEIW程序設(shè)計(jì)等；

(2) 工程項(xiàng)目涉及內(nèi)容比較多,不能盲目選擇,而是重點(diǎn)選擇硬件接口控制方面的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容；

(3) 注意實(shí)驗(yàn)的可行性,即:實(shí)驗(yàn)條件能實(shí)現(xiàn)、學(xué)生自己能完成、實(shí)驗(yàn)效果能擴(kuò)展,使實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生的深入學(xué)習(xí)和知識(shí)應(yīng)用打下良好基礎(chǔ)。

為此,選擇了為一家企業(yè)設(shè)計(jì)開發(fā)的“汽車歧管壓力傳感器自動(dòng)測(cè)量標(biāo)定系統(tǒng)”的測(cè)量與控制部分作為儀器儀表實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容,進(jìn)行課程實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。

3 實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

“汽車歧管壓力傳感器自動(dòng)測(cè)量標(biāo)定系統(tǒng)”采用虛擬儀器技術(shù)開發(fā),其硬件由工控機(jī)和自行設(shè)計(jì)的微機(jī)PCI總線虛擬儀器插卡(該“插卡”已獲得國家專利)和外部接口驅(qū)動(dòng)板組成；軟件采用LabVEIW和C++開發(fā)。為了使實(shí)驗(yàn)和工程實(shí)際結(jié)合達(dá)到預(yù)期的效果,在完成了基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,結(jié)合工程實(shí)際和課程教學(xué)的要求,按4個(gè)步驟來設(shè)計(jì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn),即提出問題、現(xiàn)場(chǎng)參觀、實(shí)驗(yàn)仿真和問題解析[6-9]。

3.1 提出問題

根據(jù)“汽車歧管壓力傳感器自動(dòng)測(cè)量標(biāo)定系統(tǒng)”工程實(shí)際項(xiàng)目已解決的問題,結(jié)合虛擬儀器的測(cè)量和控制,提出幾個(gè)需要弄清楚的關(guān)鍵問題,讓學(xué)生帶著這些問題進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和學(xué)習(xí),尋找答案。

該工程項(xiàng)目是在圖1所示系統(tǒng)環(huán)境下,用微機(jī)實(shí)現(xiàn)虛擬儀器功能,自動(dòng)對(duì)放在工作容器中的歧管壓力傳感器進(jìn)行檢測(cè)和標(biāo)定[8-9]。為此,需要對(duì)工作容器中的標(biāo)準(zhǔn)壓力和溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量,同時(shí)可以根據(jù)設(shè)置要求,對(duì)容器中的壓力和溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。其中,溫度調(diào)節(jié)是通過控制加熱器和制冷器實(shí)現(xiàn),壓力要通過密封門、正壓閥和真空閥調(diào)節(jié)。

圖1 系統(tǒng)測(cè)控環(huán)境

本課程的實(shí)驗(yàn),并不要求學(xué)生搞清楚項(xiàng)目的所有控制對(duì)象和原理,而主要是了解和掌握虛擬儀器軟件如何直接控制這些對(duì)象。在實(shí)驗(yàn)開始前提出2個(gè)問題,讓學(xué)生帶著這樣的問題去進(jìn)行實(shí)驗(yàn):(1)LabVIEW如何對(duì)硬件接口控制,該虛擬儀器操作界面(前面板)和程序框圖(后面板)設(shè)計(jì)如何處理和實(shí)現(xiàn)；(2)試編寫一個(gè)對(duì)系統(tǒng)控制對(duì)象進(jìn)行控制的自檢程序。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)參觀

帶學(xué)生到企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)觀察系統(tǒng)工作的實(shí)際情況(或者播放系統(tǒng)工作的視頻資料),可以使學(xué)生真實(shí)感受到虛擬儀器儀表的實(shí)際應(yīng)用,提高了對(duì)虛擬儀器課程意義的認(rèn)識(shí)和學(xué)習(xí)興趣。學(xué)生每逢到現(xiàn)場(chǎng)參觀,都反映出非常大的興趣和熱情,對(duì)完成后續(xù)實(shí)驗(yàn)也表現(xiàn)出迫不及待的愿望。

3.3 實(shí)驗(yàn)仿真

因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)條件有限,實(shí)際的實(shí)驗(yàn)是不可能讓學(xué)生都在企業(yè)完成的。為此,自行設(shè)計(jì)制作了與工程實(shí)際功能相近的虛擬儀器插卡和外部控制對(duì)象仿真板(見圖2)。圖2左邊的插卡直接插入微機(jī)PCI總線,安裝好總線接口驅(qū)動(dòng)程序,插卡通過扁平電纜和微機(jī)外面的控制對(duì)象仿真板連接。仿真板上設(shè)計(jì)了9個(gè)與系統(tǒng)控制對(duì)象對(duì)應(yīng)的LED顯示,分別對(duì)應(yīng)密封門、加熱器、制冷器、增壓閥、減壓閥、真空閥等的控制狀態(tài)顯示,可以通過軟件進(jìn)行控制實(shí)驗(yàn)。這樣,僅用3 000多元就在20臺(tái)套微機(jī)上構(gòu)建了虛擬儀器測(cè)控仿真系統(tǒng),不僅大大降低了構(gòu)建虛擬儀器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的成本,而且和工程實(shí)際相結(jié)合,使學(xué)生在知識(shí)的應(yīng)用上得到一次實(shí)際的鍛煉[7,10-11]。

圖2 虛擬儀器插卡和控制對(duì)象仿真板

有了這樣的實(shí)驗(yàn)平臺(tái),再把原來的虛擬儀器測(cè)控程序交給學(xué)生,讓學(xué)生運(yùn)行和分析程序,體驗(yàn)虛擬儀器的實(shí)際效果。

3.4 問題解析

通過帶著問題學(xué)習(xí)，在實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和解析程序,絕大多數(shù)學(xué)生達(dá)到了較為理想的學(xué)習(xí)效果,深入了解了虛擬儀器的前面板、后面板和儀器測(cè)控對(duì)象三者之間的關(guān)系,較好地理解了以下課程教學(xué)和實(shí)驗(yàn)中的一些重點(diǎn)和難點(diǎn)。

(1) 虛擬儀器的結(jié)構(gòu)和硬、軟件之間的關(guān)系。虛擬儀器依靠計(jì)算機(jī)技術(shù),硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)板卡化,軟件設(shè)計(jì)可以充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)的智能化和滿足應(yīng)用需求的靈活性。

(2) LabVIEW對(duì)實(shí)際硬件的控制方法。首先用高級(jí)語言編寫底層硬件接口的驅(qū)動(dòng)程序,然后形成動(dòng)態(tài)鏈接庫(DLL)文件,而LabVIEW只需要用Call Library Function Node節(jié)點(diǎn)來調(diào)用DLL中的函數(shù)。本系統(tǒng)DLL文件controller.dll是用Visual C++ 6.0來生成的。將這個(gè)DLL文件提供給學(xué)生直接使用,學(xué)生通過LabVIEW的Call Library Function Node節(jié)點(diǎn)調(diào)用,學(xué)習(xí)和掌握LabVIEW控制硬件的過程和方法。

(3) 在虛擬儀器的軟件設(shè)計(jì)中,“數(shù)據(jù)流驅(qū)動(dòng)”和“事件驅(qū)動(dòng)”相結(jié)合的概念及其應(yīng)用。在結(jié)合工程實(shí)際進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時(shí),由于控制對(duì)象多、控制方法較復(fù)雜,學(xué)生在用“探針”對(duì)程序進(jìn)行調(diào)試時(shí),能夠感受到程序中數(shù)據(jù)流的流向,加深了對(duì)結(jié)構(gòu)化程序的理解。又由于要求學(xué)生完成對(duì)系統(tǒng)控制對(duì)象進(jìn)行控制的自檢程序編寫,并對(duì)不同功能按鍵進(jìn)行選擇,使學(xué)生較好地掌握了“事件驅(qū)動(dòng)”的理念和方法。掌握“數(shù)據(jù)流驅(qū)動(dòng)”和“事件驅(qū)動(dòng)”相結(jié)合的虛擬儀器程序設(shè)計(jì),為復(fù)雜的虛擬儀器軟件設(shè)計(jì)打下了基礎(chǔ)。

4 實(shí)驗(yàn)效果的評(píng)估

結(jié)合工程實(shí)際,對(duì)江西應(yīng)用科技學(xué)院2屆學(xué)生的虛擬儀器課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行了改革,取得了較好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

(1) 促進(jìn)了課程教學(xué)和工程實(shí)際結(jié)合,培養(yǎng)了學(xué)生學(xué)用結(jié)合的理念,避免了虛擬儀器“虛講虛做”的教學(xué),而實(shí)現(xiàn)虛擬儀器實(shí)講實(shí)做、學(xué)用結(jié)合[12]。

(2) 工程項(xiàng)目具有很強(qiáng)的實(shí)踐性,對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)的要求明確,大大提高了學(xué)生一試身手的熱情和探求未知的興趣。

(3) 發(fā)揮了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性和提高實(shí)踐能力的主動(dòng)性。雖然對(duì)學(xué)生提出的有關(guān)實(shí)驗(yàn)問題不多,但實(shí)際上它涉及到課程學(xué)習(xí)中許多重要知識(shí)點(diǎn)的貫穿和運(yùn)用,要完成好這樣的綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)并不容易。學(xué)生需要自學(xué)和分析系統(tǒng)中原來的部分程序,在此基礎(chǔ)上編寫多個(gè)控制對(duì)象的“自檢”程序。圖3是學(xué)生設(shè)計(jì)的系統(tǒng)自檢程序示例,其中圖3(a)是虛擬儀器的操作界面,通過對(duì)按鈕或旋鈕的操作,實(shí)現(xiàn)對(duì)控制對(duì)象仿真板的控制,通過板上不同LED的顯示、微機(jī)屏幕信號(hào)燈和信號(hào)圖形的顯示,達(dá)到對(duì)系統(tǒng)自檢的目的。圖3(b)是虛擬儀器的程序框圖,“數(shù)據(jù)流驅(qū)動(dòng)”和“事件驅(qū)動(dòng)”相結(jié)合,用“按鍵”啟動(dòng)事件,實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。程序結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔直觀,功能明確,也給人們一種“美”的感受,達(dá)到較好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

(4)為了支持學(xué)生做好實(shí)驗(yàn),彌補(bǔ)部分學(xué)生實(shí)驗(yàn)課時(shí)的不足或強(qiáng)化實(shí)踐的愿望,實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了課外開放,這對(duì)結(jié)合工程實(shí)際開展實(shí)驗(yàn)是很有意義的[13]。

圖3 學(xué)生結(jié)合工程實(shí)際完成的系統(tǒng)自檢程序參考文獻(xiàn)(References)

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A method of experimental teaching by combining Virtual Instrument course with engineering practice

Hu Jingchun1,2, Xu Guorong1, Zhao Xuemin1, Bai Zhongshan1

(1. School of Information Engineering, Jiangxi Applied Science and Technology College,Nanchang 330004, China; 2. School of Information Engineering,Nanchang Hangkong University, Nanchang 330063, China)

The reformation of experimental teaching and learning in the course of Virtual Instrument is introduced. Combination of practical engineering project with teaching and learning is applied. In the experimental teaching and learning, the automatic measurement and calibration system for automobile manifold pressure sensor is taken as an actual project application example, through raising questions, site visits, laboratory simulation and analytical method, the experimental content only for preliminary validation experiment problems can be solved effectively, and it can greatly improve the teaching and learning effect.

Virtual Instrument course; experimental teaching reform; combination of teaching and learning with engineering

10.16791/j.cnki.sjg.2016.12.029

2016-06-15

江西科技廳項(xiàng)目(20143BBM26122)；江西教育廳科技項(xiàng)目(151311)

胡景春(1951—),男,遼寧寬甸,碩士,教授,主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)控制系統(tǒng).

E-mail：cyhj5102@qq.com

G423. 07

: A

: 1002-4956(2016)12-0118-03