NI LabVIEW在高職“電類”實(shí)踐課程中課程改革的探討*

彭小平，凌雙明

(長沙航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410124)

1 虛擬儀器技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

1986年，美國國家儀器公司(National Instruments公司,以下簡(jiǎn)稱NI公司)提出了“軟件即儀器的口號(hào)”[1]，推出了NI-LabVIEW直觀的圖形編程語言和運(yùn)行程序平臺(tái)，開啟了虛擬儀器突破傳統(tǒng)儀器的局限大變革的序幕，如今已發(fā)展到其利用高性能的模塊化硬件，結(jié)合高效靈活的軟件來完成各種測(cè)試、測(cè)量和自動(dòng)化應(yīng)用。隨著計(jì)算機(jī)、軟件、以及電子技術(shù)的快速發(fā)展，虛擬儀器技術(shù)的應(yīng)用早已突破最初的儀器控制和數(shù)據(jù)采集的范疇，而向更加縱深的方向發(fā)展，不僅可用于構(gòu)建大型的自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)，還常常用于控制系統(tǒng)、嵌入式設(shè)計(jì)等，應(yīng)用包括電子電氣、射頻與通信、自動(dòng)化裝備、汽車、航空航天、能源電力、生物醫(yī)電、建筑及環(huán)保等多個(gè)領(lǐng)域[2]。虛擬儀器同時(shí)也朝小型化、大眾化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。

2 虛擬儀器技術(shù)在國內(nèi)外高等院校的應(yīng)用

在國外高校，不同的學(xué)科體系的理工大學(xué)基本開設(shè)了虛擬儀器技術(shù)課程，如麻省理工、加州大學(xué)、曼徹斯特大學(xué)、弗吉尼亞理工等頂尖工程院校均將虛擬儀器技術(shù)的教學(xué)引入到學(xué)生培養(yǎng)的全階段、多學(xué)科教學(xué)，同時(shí)在教學(xué)中采用理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)與項(xiàng)目實(shí)踐相結(jié)合的方式，注重理論為項(xiàng)目實(shí)踐服務(wù)，注重學(xué)生不同階段實(shí)踐創(chuàng)新及專業(yè)能力的培養(yǎng)，取得了很好的教學(xué)效果。曼徹斯特大學(xué)針對(duì)電類課程理論性太強(qiáng)，涉及實(shí)際應(yīng)用不緊密。利用NI LabVIEW改造電類實(shí)驗(yàn)室，加強(qiáng)了理論與實(shí)際應(yīng)用的聯(lián)系，讓學(xué)生覺得深?yuàn)W難懂的概念變得容易理解，并能解決實(shí)際問題。僅僅一年的時(shí)間，教學(xué)評(píng)價(jià)的整體滿意度大幅上升至98%，在英國36所大學(xué)中排名第一。在國內(nèi)，已有包括清華大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)在內(nèi)的超過一百多所高校開設(shè)了《虛擬儀器技術(shù)》課程，并建立了近200個(gè)教學(xué)和科研實(shí)驗(yàn)室，Labview已成為創(chuàng)新人才、卓越工程師培養(yǎng)的有效載體及重要課程。高職院校已經(jīng)意識(shí)到LabVIEW在高職教育的重要性，如北京電子科技職業(yè)學(xué)院、天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué)、深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院、常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院等高職院校都組建了NI LabVIEW實(shí)驗(yàn)室，在電工電子技術(shù)、電子測(cè)量技術(shù)等課程實(shí)驗(yàn)實(shí)踐環(huán)節(jié)中利用LabVIEW技術(shù)進(jìn)行項(xiàng)目實(shí)踐。基于虛擬儀器靈活的交互特性和便捷的開發(fā)特性，大大提高了教學(xué)人員的工作效率，并改進(jìn)了學(xué)生的學(xué)習(xí)方式。由于虛擬儀器技術(shù)是基于計(jì)算機(jī)技術(shù)，因此能方便應(yīng)用于遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)教學(xué)、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)中來，虛擬儀器技術(shù)為職業(yè)教育的專業(yè)建設(shè)、課程改革和學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)方面開啟了一個(gè)新的窗口。

3 NI LabVIEW在高職“電類”實(shí)踐課程中課程改革的研究內(nèi)容

1) 研究高職院校電類專業(yè)“NI LabVIEW實(shí)驗(yàn)室”建設(shè)方案

廣泛調(diào)研國內(nèi)外的知名的高職院校及應(yīng)用技術(shù)大學(xué)“NI LabVIEW實(shí)驗(yàn)室”的建設(shè)情況，邀請(qǐng)行業(yè)專家對(duì)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)方案的硬件設(shè)計(jì)方案、軟件設(shè)計(jì)方案進(jìn)行嚴(yán)格論證和調(diào)整，使之更加符合高等職業(yè)教育的需要，充分體現(xiàn)出其職業(yè)性、通用性、創(chuàng)新性、開放性、先進(jìn)性的特點(diǎn)，融合低碳環(huán)保、信息化、網(wǎng)絡(luò)化的建設(shè)要求，研究出符合現(xiàn)代卓越高職院校建設(shè)的實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)方案。

2) “以學(xué)習(xí)者為中心”進(jìn)行“NI LabVIEW”課程改革的教學(xué)設(shè)計(jì)研究

研究高職院校電類專業(yè)的重要的專業(yè)基礎(chǔ)課及專業(yè)課程如《電工技術(shù)》、《模擬電子技術(shù)》、《數(shù)字電子技術(shù)》、《傳感器及檢測(cè)技術(shù)》等課程能夠開設(shè)的典型的NI LabVIEW實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目、課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目。實(shí)踐項(xiàng)目要有典型性、實(shí)用性、必要性、可行性，要充分考慮高職學(xué)生的特點(diǎn)和學(xué)習(xí)認(rèn)知規(guī)律，做到“理論實(shí)踐高度融合，貼近生產(chǎn)實(shí)踐的需要”。課程改革的教學(xué)設(shè)計(jì)，一定要體現(xiàn)“學(xué)習(xí)者為中心”原則，要體現(xiàn)項(xiàng)目任務(wù)驅(qū)動(dòng)的教學(xué)模式，為不同的學(xué)生提供個(gè)性化的教學(xué)設(shè)計(jì)。教學(xué)設(shè)計(jì)要注重學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手、創(chuàng)新能力及職業(yè)素養(yǎng)和綜合素質(zhì)培養(yǎng)，項(xiàng)目教學(xué)應(yīng)設(shè)計(jì)大量的實(shí)踐環(huán)節(jié)(任務(wù))，在完成不同項(xiàng)目任務(wù)的同時(shí)，讓學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和自信心得到提升。并按照“過程評(píng)價(jià)、結(jié)果評(píng)價(jià)”有機(jī)結(jié)合來改革學(xué)生的課程成績的評(píng)價(jià)機(jī)制[3]。

4 NI LabVIEW在高職“電類”實(shí)踐課程中應(yīng)用舉例

2003年，美國國家儀器公司提出一種全新的設(shè)計(jì)、測(cè)試及教學(xué)電類課程的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試儀器，即教學(xué)實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器套裝(NI ELVIS)。它尺寸小、靈活性高的特點(diǎn)使其成為電工技術(shù)、模擬、數(shù)字電路、傳感檢測(cè)技術(shù)等課程的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)設(shè)備及課堂演示平臺(tái)。NI ELVIS II與全新驅(qū)動(dòng)軟件NI ELVISmx配合使用。它具有較輕的重量、較好的控制布局、多種接口、集成數(shù)據(jù)采集設(shè)備、及高速USB連接性。計(jì)算機(jī)上裝有NI ELVISmx軟件，就可以在實(shí)驗(yàn)室、家庭電腦、教室中的筆記本，使用NI ELVIS II，并在NI ELVIS環(huán)境下集成了NI Multisim電路模擬仿真軟件[4]。教師可以PPT或黑板上先設(shè)計(jì)電路并在Multisim中仿真，當(dāng)設(shè)計(jì)可行后，即可在NI ELVIS II開發(fā)板上創(chuàng)建真實(shí)電路，并用與設(shè)計(jì)調(diào)試工具進(jìn)行測(cè)試(軟面板[SFP]儀器)。電路可以不斷修改，直至最后完成正確，為課堂教學(xué)、實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)提供了很好的工作平臺(tái)。下面用一個(gè)電工技術(shù)中高職的學(xué)生不容易理解卻又常見的一個(gè)典型RC電路實(shí)驗(yàn)來講解RC瞬態(tài)電路的電壓變化，電容的充放電的過程。

1) 用數(shù)字電壓表來觀察RC瞬態(tài)電路的電壓變化

圖1 RC串聯(lián)電路

2) 用數(shù)字電壓表來觀察RC瞬態(tài)電路的電壓變化

移除+5 V電源引線，并采用一根連接到可變電源插口[SUPPLY+]的導(dǎo)線來取代。將輸出電VC連接到模擬輸入插口[AI 0+]和[AI 0-]，如圖2所示。關(guān)閉NI ELVIS II并啟動(dòng)LabVIEW。在NI ELVIS II的程序庫文件夾中，選擇RC Transient.vi。該程序采用LabVIEW API，可變電源的電壓調(diào)為+5 V并持續(xù)5 s，接著將VPS電壓重新設(shè)置為0 V并持續(xù)5 s，同時(shí)測(cè)量電容兩端電壓，如圖3所示， Labview圖表中即能顯示瞬態(tài)電路的充電和放電波形。

圖2 NI ELVIS II原型板上的RC瞬態(tài)電路

3) LabVIEW方框圖設(shè)計(jì)分析

在該LabVIEW方框圖四個(gè)序列的第一個(gè)序列中，NI ELVISmx可變電源虛擬儀器(VI)向NI ELVIS II原型板上的RC電路輸出+5.00 V電壓。第二個(gè)序列以1/10秒為間隔、順序讀取50次電容兩端的電壓值。在for循環(huán)中，DAQ助手以1 000 /s的速率讀取100個(gè)數(shù)據(jù)，并將這些值傳送至一個(gè)簇陣列中(粗的藍(lán)/白線)。從該簇中將數(shù)據(jù)陣列(粗的橘色線)傳送至Mean VI中，返回這100平均值。然后，將平均值通過一個(gè)本地變量終端 讀數(shù)的<< RC Charging and Discharging >>傳送至LabVIEW圖表中。在第三個(gè)序列中將VPS+電壓設(shè)置為0 V，最后一個(gè)序列測(cè)量放電循環(huán)中的另外50個(gè)平均采樣值。該程序記錄了RC路的一個(gè)完整的充電和放電周期。如果要重復(fù)該周期，可以將上述程序放入到while循環(huán)中去。

圖3 瞬態(tài)電路的充電和放電波形

圖4 RC Transient.vi程序的LabVIEW方框圖

5 結(jié)束語

與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備相比，LabVIEW具有圖形化、直觀易學(xué)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)搭建方便，NI軟硬件無縫連接，強(qiáng)調(diào)動(dòng)手能力，豐富的硬件平臺(tái), 構(gòu)建實(shí)際測(cè)量與控制系統(tǒng)，緊貼工業(yè)生產(chǎn)及各類工程實(shí)際應(yīng)用[5]，虛擬儀器技術(shù)打破了高職傳統(tǒng)的電類課實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑處熆梢栽诶碚摻虒W(xué)的同時(shí)，將理論融入實(shí)踐，通過設(shè)計(jì)，仿真，調(diào)試讓學(xué)生更容易掌握電路設(shè)計(jì)，在條件具備的學(xué)校，可以根據(jù)學(xué)生特點(diǎn)，以學(xué)習(xí)者為中心，在一體化的教室開展“教學(xué)做一體”課程改革，設(shè)計(jì)出能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣的實(shí)踐項(xiàng)目，達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)自覺性、創(chuàng)新性及動(dòng)手能力的目的。