基于CDIO理念的虛擬儀器技術(shù)及應(yīng)用課程教學(xué)改革探討

曹麗英 王躍 李春東 汪飛

(內(nèi)蒙古科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 內(nèi)蒙古包頭 014010)

虛擬儀器技術(shù)的概念由美國(guó)NI（National Instruments）公司所獨(dú)創(chuàng)，明確提出了“軟件就是儀器”的設(shè)計(jì)理念，并在1986 年推出了一款圖形化編程軟件LabVIEW。NI 開放的圖形化軟件和模塊化硬件，幫助工程師革命性地改變了整個(gè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期中的工作方式。隨著LabVIEW的日益發(fā)達(dá)，其使用范疇也早已經(jīng)涵蓋了工業(yè)自動(dòng)化、監(jiān)測(cè)計(jì)量、圖像處理、嵌入式應(yīng)用、運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)模擬仿真等領(lǐng)域，并已經(jīng)成為眾多院校、企業(yè)和研究所科學(xué)研發(fā)的重要手段[1]。

在國(guó)外，KANMANI B[2]建議演示LabVIEW 模擬平臺(tái)的使用，以幫助研究生理解數(shù)字通信的概念。鄒大鵬等人基于“融合性教學(xué)”的思想，探討機(jī)械工程測(cè)量與試驗(yàn)技術(shù)（本科生教材）、機(jī)械工程測(cè)試信息、信號(hào)分析（研究生教材）等與虛擬儀器技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，建立了計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)，取得了良好的效果[3]。林聰?shù)热嗽趯⑻摂M儀器技術(shù)引入課堂，引導(dǎo)學(xué)生基于LabVIEW 軟件編寫上位機(jī)并用于嵌入式課程設(shè)計(jì)中[4]。目前，已經(jīng)有越來越多的高校建立了虛擬實(shí)驗(yàn)室，采用虛擬儀器作為理工科學(xué)生的實(shí)驗(yàn)課程。

1 該課程針對(duì)碩士研究生教學(xué)的目的與意義

《虛擬儀器技術(shù)及應(yīng)用》是該校機(jī)械類專業(yè)研究生開設(shè)的一門涵蓋多種學(xué)科知識(shí)的課程，它不僅包含了機(jī)械測(cè)控、信號(hào)處理等知識(shí)的運(yùn)用，還包含了通信基礎(chǔ)、自動(dòng)化控制、計(jì)算機(jī)軟件開發(fā)等技術(shù)，是培養(yǎng)當(dāng)今社會(huì)復(fù)合型人才的重要課程。

研究生教育使精英教育，教學(xué)的目的是為了培養(yǎng)具有一定研發(fā)研究能力的人才。這就迫切要求研究生課程進(jìn)行改革。而虛擬儀器技術(shù)及應(yīng)用的教學(xué)內(nèi)容比較靈活，涵蓋范圍廣，能夠開拓學(xué)生的視野，開放學(xué)生的思維，這對(duì)其進(jìn)行科學(xué)研究具有重要意義。

虛擬儀器技術(shù)對(duì)機(jī)械工程專業(yè)研究生教學(xué)以及實(shí)驗(yàn)有著傳統(tǒng)教學(xué)無法比擬的優(yōu)勢(shì)，是對(duì)傳統(tǒng)課堂的數(shù)字化延伸，其具有可視化、直觀化，且沉浸感強(qiáng)的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，有助于學(xué)生更好地理解掌握基本的概念和原理，提升學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力。

2 課程教學(xué)模式

目前，我國(guó)研究生教育基本上還是秉承了本科階段的教學(xué)模式，即任課教師將書本知識(shí)單向灌輸給學(xué)生，而學(xué)生只能被動(dòng)接受的傳統(tǒng)教學(xué)模式[5]。這種教學(xué)模式的中心在于課本和課堂，主體在于任課教師，這會(huì)削弱學(xué)生上課的積極性。研究生課程不同于本科生課程，教師必須訓(xùn)練研究生深度思考的能力、創(chuàng)新意識(shí)及溝通表達(dá)能力，所以任課教師不再是教學(xué)核心，更多的時(shí)間應(yīng)該用于學(xué)生自己探索，使學(xué)生在有限的時(shí)間內(nèi)完成對(duì)理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的深入理解，而教師在課堂中只充當(dāng)一個(gè)主導(dǎo)者的角色。

為了改變傳統(tǒng)教學(xué)模式，課程建設(shè)小組借鑒CDIO教學(xué)理念。CDIO 代表構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計(jì)（Design0、實(shí)現(xiàn)（Implement）和運(yùn)行（Operate），是由美國(guó)麻省理工學(xué)院和瑞典幾所大學(xué)在2004年共同創(chuàng)立，經(jīng)過十幾年的發(fā)展更新，已經(jīng)逐步成熟[6]。這種教學(xué)模式能夠讓學(xué)生以自主的、積極的、把課程理論聯(lián)系到實(shí)際運(yùn)用中的方式學(xué)習(xí)和培養(yǎng)工程應(yīng)用能力。鑒于機(jī)械類碩士研究生課程教學(xué)內(nèi)容過于理論化，缺乏實(shí)踐環(huán)節(jié)[7]，課程建設(shè)小組借鑒CDIO理念，以課題組實(shí)際工程項(xiàng)目組成教學(xué)案例，采用虛擬儀器技術(shù)、LabVIEW 仿真手段，使學(xué)生能夠更好地理解和掌握所學(xué)的理論知識(shí)，通過完成案例，使研究生提升工程應(yīng)用能力和解決實(shí)際困難的能力，增強(qiáng)了自信心。

在原有的課程基礎(chǔ)上，課程建設(shè)小組融合CDIO教學(xué)理念，又增加了時(shí)長(zhǎng)2 周的課程設(shè)計(jì)實(shí)踐環(huán)節(jié)。在對(duì)學(xué)生整個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、組織和實(shí)踐等過程中進(jìn)行引導(dǎo)，使學(xué)生能夠自主完成。

3 教學(xué)方法

3.1 授課模式

圍繞LabVIEW 課程教學(xué)進(jìn)度，從基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)類型、程序結(jié)構(gòu)為開始，逐步深入至設(shè)備的連接以及模擬和數(shù)據(jù)量的數(shù)據(jù)采集、分析、處理和顯示等。

采用“主體性教學(xué)”授課模式，始終以發(fā)揮學(xué)生的主體性為出發(fā)點(diǎn)和著力點(diǎn)，老師從旁協(xié)助，使學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解更加深刻，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，提高學(xué)習(xí)效率。具體教學(xué)方式為，老師提前安排該節(jié)課學(xué)習(xí)內(nèi)容，并安排一名學(xué)生作為主講人，提前預(yù)習(xí)學(xué)習(xí)內(nèi)容，完成課后LabVIEW相關(guān)模塊的練習(xí)。課堂上，由任課教師簡(jiǎn)單說明該節(jié)課程學(xué)習(xí)內(nèi)容，然后由主講人開始講解該堂學(xué)習(xí)內(nèi)容，使用LabVIEW軟件進(jìn)行圖形化編程，熟悉控制面板和各模塊功能的使用，搭建的虛擬儀器控制系統(tǒng)等，理解并增強(qiáng)同學(xué)的動(dòng)手能力，之后由學(xué)生對(duì)主講人所述內(nèi)容進(jìn)行提問，增強(qiáng)臺(tái)下同學(xué)的思考能力及臺(tái)上同學(xué)的講解能力。在學(xué)生們相互討論之后，由授課教師做最后總結(jié)并解答比較有爭(zhēng)議的問題。

3.2 結(jié)合項(xiàng)目教學(xué)

從構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和運(yùn)作這4 個(gè)方面完成實(shí)踐任務(wù)。

給學(xué)生一個(gè)項(xiàng)目名稱以及要求，讓學(xué)生以3～5 人為一個(gè)小組，每組由他們自己推選組長(zhǎng)，組長(zhǎng)進(jìn)行任務(wù)分配，充分動(dòng)員每個(gè)組員的積極性，發(fā)散思維，構(gòu)思出一個(gè)的可行性方案。授課教師根據(jù)方案給出合理的意見和建議。比如：“空調(diào)恒溫控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)”，需要小組成員分工完成虛擬儀器控制面板的設(shè)計(jì)，溫度采集電路的設(shè)計(jì)，單片機(jī)的程序編寫，LabVIEW 與單片機(jī)的通信連接等工作。接下來就是實(shí)現(xiàn)，學(xué)生可以用LabVIEW 和Proteus 仿真軟件來模擬，實(shí)現(xiàn)利用LabVIEW 的控制面板進(jìn)行溫度的設(shè)計(jì)和采集等功能。在實(shí)現(xiàn)之后每個(gè)小組都要做一個(gè)PPT，推選一位成員進(jìn)行講解，同其他小組進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)交流分享。通過項(xiàng)目式的學(xué)習(xí)方法，可以真正地培養(yǎng)一個(gè)研究生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、溝通表達(dá)能力、在工程實(shí)踐中遇到問題解決問題的能力。

3.3 大作業(yè)考核

針對(duì)各研究生課題組項(xiàng)目背景差異大，學(xué)習(xí)目的性強(qiáng)，我們摒棄了傳統(tǒng)的試卷考查形式，采用大作業(yè)考核?？己藘?nèi)容有兩個(gè)方向：一是根據(jù)學(xué)生課題研究方向，自己選擇一個(gè)小項(xiàng)目，通過虛擬儀器技術(shù)Labview，基本完成這個(gè)項(xiàng)目；二是理論應(yīng)與實(shí)踐并重。在經(jīng)過第一學(xué)期學(xué)習(xí)其他研究生學(xué)位課程（如機(jī)械振動(dòng)學(xué)、現(xiàn)代控制理論、現(xiàn)代監(jiān)測(cè)理論與技術(shù)）之后，學(xué)生可選取課堂上講解的理論要點(diǎn)、數(shù)學(xué)模型等，在LabVIEW 環(huán)境中實(shí)現(xiàn)模擬。

在學(xué)期的最后的兩個(gè)課時(shí)內(nèi)，每位同學(xué)以“PPT演講+LabVIEW 軟件操作”的形式，完成期末作業(yè)。老師根據(jù)學(xué)生語言表達(dá)、項(xiàng)目難度、完成度等進(jìn)行期末成績(jī)打分。

4 教學(xué)案例設(shè)計(jì)

4.1 飼料加工自動(dòng)化生產(chǎn)線遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)

在LabVIEW 中，設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面（HMI）是很方便的。它可以代替自動(dòng)化生產(chǎn)線中常用的觸摸屏、現(xiàn)場(chǎng)控制器、報(bào)警指示燈等設(shè)備，大大降低了成本，并使操作者遠(yuǎn)離現(xiàn)場(chǎng)嘈雜的環(huán)境，僅用一臺(tái)計(jì)算機(jī)就可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程在線控制[8]。

該系統(tǒng)主要以西門子200 SMART PLC 控制器為核心，LabVIEW 做上位機(jī)，具體如圖1、圖2 所示，實(shí)現(xiàn)螺旋給料機(jī)的自動(dòng)喂料，粉碎機(jī)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及打包裝置的自動(dòng)控制，具有現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和報(bào)警的功能。系統(tǒng)分為三層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，分別為計(jì)算機(jī)、PLC和變頻器與驅(qū)動(dòng)器。LabVIEW 主要負(fù)責(zé)編寫監(jiān)測(cè)控制程序，通過內(nèi)置NI OPC SERVES 附加軟件與PLC 通信，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。PLC 作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，向安川V1000 變頻器和雷賽CL86步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)送級(jí)調(diào)速控制命令，具體見圖3，控制喂料機(jī)和粉碎機(jī)電機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速，以達(dá)到最佳工作匹配狀態(tài)。其中PLC 和變頻器采用Modbus RTU通信協(xié)議。

圖1 虛擬實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)前面板

圖2 數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)程序截圖

圖3 PLC通信調(diào)試程序截圖

該案例可以使學(xué)生掌握LabVIEW 基本的編程方法、計(jì)算機(jī)使用技巧、基本的通信概念，使學(xué)生了解常用的工業(yè)控制器[9]。

4.2 多傳感器的數(shù)據(jù)采集及融合算法仿真

在飼料加工過程中，粉碎機(jī)的負(fù)荷控制十分重要。對(duì)于一臺(tái)粉碎機(jī)，存在著一個(gè)最佳的喂料量，此喂料量主要決定于物料的性質(zhì)。如果喂料量超過最佳設(shè)定值，會(huì)出現(xiàn)物料粉碎不均，粉碎周期長(zhǎng)；若小于最佳設(shè)定值，粉碎機(jī)產(chǎn)量就不高。為解決這一問題，需要對(duì)粉碎機(jī)粉碎室內(nèi)的負(fù)荷進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，調(diào)控喂料量。

利用NI公司的數(shù)據(jù)采集卡USB-6212采集粉碎機(jī)的重要參數(shù)，比如電機(jī)電流I、電機(jī)轉(zhuǎn)速N、出料口瞬時(shí)流量等，能夠反映電機(jī)負(fù)荷大小的物理參數(shù)，通過多傳感器數(shù)據(jù)融合方法，得到一個(gè)較為精確的電機(jī)載荷信號(hào)F。這些方法有卡爾曼濾波、自適應(yīng)加權(quán)數(shù)據(jù)融合、Bayes估計(jì)、概率論方法、模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。學(xué)生可以找一種與自己課題相關(guān)的方法進(jìn)行探究，然后用LabVIEW 得到仿真結(jié)果。該案例可以將課程運(yùn)用到日?？蒲许?xiàng)目和科研活動(dòng)中。

5 教學(xué)效果總結(jié)與分析

虛擬儀器技術(shù)及應(yīng)用作為機(jī)械類專業(yè)的課程，對(duì)于拓展學(xué)生視野，培養(yǎng)學(xué)生研究能力具有重要的作用。通過把CDIO 理念引入課堂，以課題案例為主線，采用“老師輔助引導(dǎo)，學(xué)生作為主體”的授課形式，打破了傳統(tǒng)“灌輸式”的教學(xué)模式。在授課課時(shí)不變并增加實(shí)踐環(huán)節(jié)的情況下，通過實(shí)際工程項(xiàng)目，激發(fā)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的興趣。通過小組分工，提升了學(xué)生溝通表達(dá)、團(tuán)隊(duì)協(xié)作以及動(dòng)手實(shí)踐的能力。開放式的考核形式也培養(yǎng)了學(xué)生獨(dú)立思考、創(chuàng)新實(shí)踐能力。

以上實(shí)踐結(jié)果表明，基于CDIO理念的虛擬儀器及技術(shù)教學(xué)改革取得了良好的效果。