基于虛擬儀器仿真的測控課堂實(shí)驗(yàn)演示教學(xué)方法研究

姚建南　蔣玉強(qiáng)

摘要：課堂實(shí)驗(yàn)演示在高等教育特別是實(shí)驗(yàn)教學(xué)中顯現(xiàn)了越來越顯著的優(yōu)勢，能給予學(xué)生關(guān)于相關(guān)概念實(shí)時(shí)的驗(yàn)證和啟發(fā)。本文探討了一種基于虛擬儀器技術(shù)的模塊化測控實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由模塊化電路、數(shù)據(jù)采集器、PC攝像頭和計(jì)算機(jī)組成，充分發(fā)揮了虛擬儀器技術(shù)的優(yōu)勢，能使教師在授課過程中使用真實(shí)的物理設(shè)備實(shí)時(shí)地解決電路問題，而不是單純地講解理論原理，有效地幫助了學(xué)生理解問題，符合工程專業(yè)學(xué)生傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)模式，對激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新思維起到了積極作用。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真；實(shí)驗(yàn)演示；測控；教學(xué)方法

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）25-0276-03

一、引言

對于工科類大學(xué)生來說，傳統(tǒng)的課堂教學(xué)方法主要是概念理解，比如嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)計(jì)算或數(shù)值模擬。然而對大多數(shù)學(xué)生來說，在日常經(jīng)驗(yàn)和思考中掌握概念是不容易的。這時(shí)，通過課堂實(shí)驗(yàn)來展示效果的教學(xué)策略能幫助他們更深入了解教學(xué)的理論知識。與實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)不同，直觀的課堂演示可以給概念理論及時(shí)地提供驗(yàn)證或啟發(fā)。它不僅有助于學(xué)生對講課題目進(jìn)行直觀的理解和推理，還可以以恰當(dāng)?shù)目茖W(xué)實(shí)驗(yàn)方法和先進(jìn)的儀器技術(shù)來作為更復(fù)雜實(shí)驗(yàn)的背景的實(shí)驗(yàn)技能。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置通常比較復(fù)雜且體積龐大，只適合在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)使用，但是通過虛擬儀器技術(shù)，便可以將儀器展示在課堂演示實(shí)驗(yàn)中。美國國家儀器公司開發(fā)了一種稱為ELVIS（Electronics Laboratory Virtual Instrument Suite）的裝置，該裝置通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器將實(shí)時(shí)電路連接到電腦上，然后電腦上的虛擬儀器就可以實(shí)時(shí)顯示電路的測量結(jié)果。因?yàn)橛布娐房梢酝ㄟ^PCMCIA總線連接到個(gè)人電腦上，所以可以將硬件電路的測量結(jié)果同時(shí)投影到現(xiàn)有的課堂視頻系統(tǒng)。因此，教師能夠?qū)崟r(shí)地使用真實(shí)的物理電路來講解電路問題的解決方法。它已被證明是一種有效的輔助傳統(tǒng)授課為基礎(chǔ)的教學(xué)。同樣利用虛擬儀器技術(shù)，LI Wenlian發(fā)明的一種裝置也已經(jīng)應(yīng)用在實(shí)時(shí)演示物理實(shí)驗(yàn)、電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)、電氣自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)等課程中。

在相對較大的教室中，即使實(shí)驗(yàn)結(jié)果能夠利用虛擬儀器以波形數(shù)據(jù)讀出并利用現(xiàn)有的視頻投影系統(tǒng)進(jìn)行投影，但仍難以確保全班都可以清楚地看到實(shí)驗(yàn)流程、操作步驟和相關(guān)現(xiàn)象。由于顯示距離不足，操作的示范效果難以保證，在設(shè)備中引入照相系統(tǒng)是解決該問題的辦法之一。將相機(jī)嵌入虛擬儀器中可以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)動(dòng)態(tài)操作的形象化。這種方法提供了實(shí)驗(yàn)的全面可見性和有效性，很好地迎合了主流的視覺學(xué)習(xí)方式。

從上面可以看出，虛擬儀器是實(shí)時(shí)實(shí)驗(yàn)演示儀的核心部分。對于每一個(gè)授課主題，實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)和電路是不同的，需要靈活的配置，因此，模塊化的電路概念被引入到設(shè)備中。本文提出了一種具有攝像功能和模塊化電路的新型儀器，用于課堂實(shí)驗(yàn)演示。該原型系統(tǒng)已應(yīng)用于相關(guān)專業(yè)課程的實(shí)時(shí)演示。結(jié)果表明，實(shí)時(shí)演示對大多數(shù)學(xué)生產(chǎn)生了積極的影響，同時(shí)教師對課堂上應(yīng)用該儀器所取得的進(jìn)步感到非常滿意。

二、硬件組成

模塊化測控實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由以下四個(gè)硬件組成：

（1）USB總線形式的數(shù)據(jù)采集卡。（2）PC相機(jī)。（3）帶固定和可變電源的實(shí)驗(yàn)板，小線路板和插板孔。（4）模塊化電路板。

數(shù)據(jù)采集卡和攝像頭安裝在實(shí)驗(yàn)板上?？刹鹦兜哪K化電路板可離線填充，并通過與錐形塞孔配合的自鎖插頭插入底座單元進(jìn)行測量。它有電氣外部連接器，實(shí)現(xiàn)接收或發(fā)送信號到外部設(shè)備，可被教師用于更具有靈活性主題的電路實(shí)驗(yàn)。為考慮便攜性，將整個(gè)裝置的平面尺寸設(shè)計(jì)為A4紙大小。

1.數(shù)據(jù)采集。ADC卡的封裝為系統(tǒng)提供了可靠的數(shù)據(jù)流模式。當(dāng)然，最高采樣頻率受ADC卡的配置。該卡包括以下I/O信號和內(nèi)部能力：8個(gè)模擬輸入通道、2個(gè)模擬輸出通道、8個(gè)數(shù)字輸入輸出線路、1個(gè)計(jì)數(shù)器/定時(shí)器。

2.模擬電路。易于安裝的模塊化電路板可分為兩種類型。一種是常用的信號調(diào)理模塊電路，可實(shí)現(xiàn)放大、濾波、電流/電壓轉(zhuǎn)換、信號產(chǎn)生等功能。另一種是特定傳感器的專用電路或者傳感器，如全橋應(yīng)變計(jì)，可用于以應(yīng)變儀的測試原理和電橋電路特性為主題的授課中。

三、虛擬儀器

虛擬儀器（VI）技術(shù)充分利用了先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)和儀器技術(shù)，取代了傳統(tǒng)的測量技術(shù)。靈活的功能和配置，使用方便，數(shù)據(jù)采集能力強(qiáng)，是課堂教學(xué)演示中教師指導(dǎo)的理想輔助工具。該系統(tǒng)在圖形化編輯環(huán)境下采用Labview平臺開發(fā)虛擬儀器做示范。由于Labview應(yīng)用軟件能為數(shù)據(jù)采集、信號處理和硬件驅(qū)動(dòng)等提供了豐富的函數(shù)庫和工具箱，使虛擬儀器技術(shù)盡可能被容易使用。演示系統(tǒng)的軟件包包括大約10個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的虛擬儀器工具箱，能提供全面的測試、測量和數(shù)據(jù)保存能力，包括：任意波形發(fā)生器、數(shù)字萬用表、示波器、動(dòng)態(tài)信號分析儀。該儀器系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是，它結(jié)合了一些主要的測量儀器到一個(gè)設(shè)備，減少了運(yùn)輸設(shè)備到課堂的困難。為了給實(shí)驗(yàn)的動(dòng)態(tài)行為提供可視化，可以將攝像機(jī)嵌入到標(biāo)準(zhǔn)的虛擬儀器中。結(jié)合系統(tǒng)模塊電路，軟件包還配備了各種課程很多事先寫好的實(shí)驗(yàn)。這些實(shí)驗(yàn)是精心設(shè)計(jì)的旨在讓學(xué)生了解某些與實(shí)際工業(yè)應(yīng)用類似的具有友好、集成的用戶界面的測量和測試系統(tǒng)的配置和功能。

四、應(yīng)用

在南通大學(xué)的測試類課程中，該系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)行了學(xué)生課堂的實(shí)時(shí)演示。該課程一共進(jìn)行了四次課堂演示，應(yīng)變片測量是其中一個(gè)典型應(yīng)用。

1.演示主題。粘貼式應(yīng)變片是最常用的應(yīng)變測量傳感器，通常情況下，當(dāng)它被規(guī)范地安裝到測量物體上后，測量物體上應(yīng)變與其電阻變化成正相關(guān)關(guān)系。為了測量電阻的微小變化，應(yīng)變片常用于帶有電壓源的電橋電路中。如圖1所示，一個(gè)應(yīng)變片安裝在電橋受拉的一側(cè)（R0+ΔR），另一個(gè)安裝在受壓一側(cè)（R0-ΔR）。圖1所示的這種半橋結(jié)構(gòu)，其輸出電壓與應(yīng)變成正比。

對于電阻和電橋電路電壓的微小變化，需要對信號進(jìn)行適當(dāng)?shù)男盘栒{(diào)理，例如放大、濾波、偏移和校準(zhǔn)。

2.教學(xué)目標(biāo)。正式的教學(xué)目標(biāo)：在這堂課結(jié)束時(shí)，學(xué)生將能夠了解粘接式金屬應(yīng)變計(jì)的基本原理和基本特點(diǎn)。使用運(yùn)算放大器來設(shè)計(jì)和分析電路，以確保精確的應(yīng)變測量。學(xué)習(xí)應(yīng)變測量的基本方法和結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用。

3.演示過程。在實(shí)驗(yàn)演示前，教師應(yīng)對實(shí)驗(yàn)原理、示意圖和接線圖進(jìn)行分析。通過虛擬儀器面板的視屏顯示，展示給學(xué)生看模塊電路的電氣連接過程。應(yīng)變測量的結(jié)果如圖2和3所示。當(dāng)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)件放在傳感器束方形盤中時(shí)，測量結(jié)果如圖2所示，圖3為空盤的測量結(jié)果。實(shí)驗(yàn)操作過程可通過虛擬儀器面板中顯示。

學(xué)生們通過在虛擬儀器面板的電壓指示可以看出真實(shí)物理測量設(shè)備的測量結(jié)果的顯示具有不確定性，比如電壓偏移和波動(dòng)。這與最初平衡電橋在沒有施加應(yīng)變或者輸出電壓保持恒定值時(shí)產(chǎn)生的零輸出的數(shù)學(xué)方程有很大的不同。這些不確定性能給學(xué)生提出質(zhì)疑和思考的機(jī)會(huì)，在提出問題的原因時(shí)，還提出了解決這些問題的方法。例如，測量電壓波動(dòng)來自于噪聲環(huán)境、勵(lì)磁電源波動(dòng)或者高電壓引起的金屬應(yīng)變儀自發(fā)熱。從圖4中可以看出，將低通濾波模塊電路用于放大模塊電路連接，電壓波動(dòng)會(huì)相應(yīng)減少。

失調(diào)電壓通常由實(shí)際過程中電阻容差和放大過程產(chǎn)生。處理這種偏移電壓通常有兩種方法，一種是用特殊的調(diào)零偏置電路來調(diào)整電阻橋平衡橋零輸出，另一種是軟件補(bǔ)償。后者簡單、快速，不需要手動(dòng)調(diào)整，但是不能消除電橋偏移量，一旦偏移量足夠大，測量的動(dòng)態(tài)范圍就會(huì)受限。圖5給出了軟件補(bǔ)償和校準(zhǔn)函數(shù)的綜合實(shí)驗(yàn)界面。

在實(shí)踐中，結(jié)合理論講解對學(xué)生進(jìn)行實(shí)時(shí)可視化演示的教學(xué)模式，更適合他們的學(xué)習(xí)過程和模式。因此，演示并不是一個(gè)孤立的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，是從實(shí)際出發(fā)的，而不只是概念性的，是授課過程中一個(gè)重要的組成部分。它有助于學(xué)生主動(dòng)思考，成為自主的學(xué)習(xí)者。

4.演示評估。課程結(jié)束，學(xué)生被要求填寫一份調(diào)查問卷。這份問卷包括一些人口統(tǒng)計(jì)學(xué)和開放式的問題。這些問題主要是評估使用課堂實(shí)驗(yàn)和演示裝置對學(xué)生掌握學(xué)習(xí)內(nèi)容的程度和興趣的影響。幾乎所有的學(xué)生都對課堂實(shí)驗(yàn)演示的引入給予了積極的評價(jià)。與傳統(tǒng)的講課形式相比，動(dòng)手演示能創(chuàng)造出一種使講師成為“同學(xué)”的情境，使學(xué)習(xí)變得更有趣。95%的學(xué)生認(rèn)為通過攝像機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)過程的視覺獲取是演示裝置中不可缺少的一部分，而另一些學(xué)生認(rèn)為攝像機(jī)的圖片應(yīng)該顯示在虛擬儀器外。90%的學(xué)生對演示器的模塊電路結(jié)構(gòu)很滿意，因?yàn)檫@使得連接工作省時(shí)、方便。

五、結(jié)論

最后，該演示裝置已被證明是對本科生課堂授課的有效輔助裝置，具有實(shí)時(shí)可視化的效果。由于所有的組成部分都是具有物理意義的，伴隨著不確定性，而不是理想化的。學(xué)生和教師都對將這種設(shè)備添加到教室中所實(shí)現(xiàn)的改進(jìn)感到非常滿意。通過在虛擬儀器界面中使用攝像頭，學(xué)生可以看到演示過程，創(chuàng)造了一個(gè)實(shí)時(shí)思考和學(xué)習(xí)的環(huán)境。此外，對于不同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和授課主題，模塊化電路配置使得演示轉(zhuǎn)置具有更好的靈活性。然而，在教室里使用演示儀器也有一些缺點(diǎn)。首先，從上面圖片的失真情況可以看出，虛擬儀器的失真效果取決于PC相機(jī)的質(zhì)量。其次，由于一些實(shí)驗(yàn)電路需要安裝在電路板上，導(dǎo)致該系統(tǒng)的功率和靈活性受到數(shù)據(jù)采集卡和模塊化電路的限制，所以測量范圍和精度受到限制。

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