張國強，王 斌

虛擬儀器在培養(yǎng)電類專業(yè)應用型本科人才中的應用

張國強，王 斌

(西北工業(yè)大學 明德學院，陜西 西安 710124)

為提高測控技術與儀器專業(yè)理論和實踐課程教學質量，提升學生科學素養(yǎng)和科學興趣，培養(yǎng)學生動手實踐能力和科技創(chuàng)新能力，提高學生的綜合素質，促進理論和實驗教學的現(xiàn)代化，該文結合虛擬儀器技術在測控技術與儀器專業(yè)和部分高校電類專業(yè)多年的教學應用實踐，分別探討了虛擬儀器技術在電類專業(yè)課程理論教學、實踐教學和學科競賽中的應用。實踐證明，虛擬儀器技術對培養(yǎng)高素質應用型本科人才提供了一種新的思路和手段。

應用型人才；虛擬儀器；Multisim；LabVIEW；實踐教學；學科競賽

應用型人才是相對理論型人才而言的人才類型。與理論型人才培養(yǎng)注重理論性知識相比較，應用型人才培養(yǎng)更注重應用性知識，強調技術應用，強調理論與實踐相結合[1]。根據(jù) 《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要2010—2020》以及 “教育部關于進一步深化本科教學改革，全面提高教學質量的若干意見”等文件精神[2-3]，根據(jù)西北工業(yè)大學明德學院 “發(fā)展優(yōu)質本科教育，培養(yǎng)優(yōu)秀本科人才”的辦學定位和 “重視基礎、加強實踐、突出能力、提高素質、注重創(chuàng)新”的教育理念，圍繞應用型人才培養(yǎng)目標，為進一步深化改革，因材施教，努力提高人才培養(yǎng)質量，經(jīng)過多年的教學實踐，本學院測控專業(yè)將虛擬儀器技術引入到了專業(yè)教學的各個環(huán)節(jié)中。

虛擬儀器的概念最早于20世紀90年代由美國國家儀器提出，主要思想是利用高性能的模塊化硬件，結合高效靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動化應用[4]。虛擬儀器概念的提出引發(fā)了傳統(tǒng)儀器領域的一場重大變革，使得計算機和網(wǎng)絡技術得以長驅直入儀器領域，和儀器技術結合起來，促進了自動化測試測量與控制領域的技術發(fā)展[5]。

虛擬儀器技術的核心思想是通過軟件去定義硬件的功能，并實現(xiàn)自定義的數(shù)據(jù)處理與控制等應用，從而通過現(xiàn)成的模塊化硬件和靈活的軟件實現(xiàn)系統(tǒng)級的設計。許多最新的科研和工業(yè)應用中的測控系統(tǒng)都是基于虛擬儀器的思想構建的。正是由于系統(tǒng)級設計方式帶來的巨大優(yōu)勢以及虛擬儀器技術與應用的不斷發(fā)展，越來越多的高校也認識到虛擬儀器技術在培養(yǎng)高素質應用型本科人才中的重要性。

1 在課程理論教學中的應用

經(jīng)過多年的測控專業(yè)教學實踐，本學院先后將虛擬儀器技術引入到了電路分析基礎、模擬電子技術基礎、數(shù)字電子技術基礎、信號與系統(tǒng)、數(shù)字信號處理、自動控制原理等課程的理論教學中，而這些課程幾乎是所有電類專業(yè)都開設的課程，引入虛擬儀器技術后，使得這類課程的理論教學不再枯燥，學生的學習興趣也得到了顯著提高。

1.1 在電路分析基礎課程理論教學中的應用

電路分析基礎主要研究電路分析理論的基本概念、基本定律、基本定理與基本方法及其在工程實踐中的應用[6]，引入Multisim后，教師可在課堂教學中搭建電路，學生能夠直接觀察輸出結果，許多不易懂的電路理論變得清晰易懂。

例如，在理論教學中，RLC二階電路的分析是一個教學難點，理論上首先要根據(jù)基爾霍夫定律以及元器件伏安關系列出二階微分方程，然后求解，比較麻煩。利用Multisim可以在計算機上搭建二階電路，對其過渡過程進行仿真，通過虛擬示波器觀察激勵和響應的波形；激勵為方波信號，可以研究欠阻尼、臨界阻尼和過阻尼情況下電路的響應過程[7]，RLC二階電路及其欠阻尼狀態(tài)下的電路響應如圖2所示。

圖2 RLC二階電路及其欠阻尼狀態(tài)下的響應

1.2 在電子技術基礎課程理論教學中的應用

電子技術基礎課程主要研究電子技術的基本理論、基本分析方法及其應用[8-9]。理論教學中三極管是學習模擬電子技術課程的基礎，也是設計各種放大電路的核心器件，而晶體管特性分析是教學中的重點和難點。利用Multisim可以在計算機上完成晶體管特性測試仿真，虛擬的IV Analyzer可以直接測出晶體管的輸出特性曲線，如圖3所示。

圖3 晶體管特性測試

Multisim在電子技術基礎課程教學中的另外兩個應用示例如圖4和圖5所示。圖4是整流后濾波穩(wěn)壓測試電路及輸入輸出波形。圖5是數(shù)字電路中的與門測試仿真電路，該電路中使用了虛擬字發(fā)生器和邏輯分析儀。通過虛擬儀器平臺，學生們對模擬電路中的輸入輸出波形和數(shù)字電路中的各種邏輯運算有了更直觀的認識。

1.3 在信號與系統(tǒng)、數(shù)字信號處理和自動控制原理課程理論教學中的應用

信號與系統(tǒng)主要研究確定信號和線性時不變系統(tǒng)的特性，信號經(jīng)過系統(tǒng)后所產生的響應求解，以及信號與系統(tǒng)分析方法在某些重要工程領域的應用[10]；數(shù)字信號處理主要介紹數(shù)字信號處理的基本概念、分析和處理方法[11]，這兩門課程均特別強調變換的思想，而自動控制原理是研究自動控制系統(tǒng)組成及系統(tǒng)分析設計的一般性理論[12]。

利用LabVIEW可搭建3門課程的理論教學軟件，完成諸如典型信號的產生和時域運算、典型信號的卷積和相關分析、周期信號波形的合成與分解、典型信號的頻譜分析、頻率混疊與采樣定理、調制和解調、連續(xù)系統(tǒng)的復頻域分析、離散信號的產生和時域運算、離散信號與系統(tǒng)的z域分析、頻域采樣定理、重采樣、窗函數(shù)、譜分析、FIR濾波器設計、IIR濾波器設計、控制系統(tǒng)的時域分析、頻域分析、校正和非線性系統(tǒng)分析等。如圖6～圖9所示，為LabVIEW在上述3門課程理論教學中的幾個應用示例。

圖4 整流濾波穩(wěn)壓電路

圖5 與門測試仿真電路及邏輯分析

圖6 虛擬示波器

圖7 混疊現(xiàn)象演示

圖8 直流電機位置控制

圖9 連續(xù)系統(tǒng)轉換為離散系統(tǒng)設計

2 在課程實踐教學中的應用

目前國內院校很多課程的教學基本分為純課堂板書式的理論化教學、帶課堂演示的理論化教學、理論與軟件實驗相結合的教學和理論與軟硬件實驗相結合的教學。在課程理論教學中引入虛擬儀器技術可以增加交互性與實踐性，通過軟件的交互性界面幫助學生更形象地理解課程理論和概念；而通過便攜式或專業(yè)級數(shù)據(jù)采集卡，可以引入真實的物理信號，并對信號進行各種分析和處理，分析和處理過程可以以各種圖形的方式直觀地顯示出來；也可以完成基于項目的課程設計使學生建立起系統(tǒng)設計的概念，同時培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力、獨立思考與解決實際問題的能力以及團隊合作精神。如圖10所示，為本專業(yè)學生在教師指導下利用my-DAQ便攜式采集卡完成的機械振動測量與分析處理系統(tǒng)。系統(tǒng)由壓電式傳感器、雙臂懸梁、采集卡和計算機組成，能夠對機械振動現(xiàn)象進行時頻分析和濾波處理，可以直觀地觀察振動信號的具體表現(xiàn)特性；振動信號頻率約為10 Hz，但在測量實際振動信號時混入了50 Hz工頻干擾，利用LabVIEW設計了低通濾波器濾除了工頻信號。

圖10 機械振動測量與分析處理系統(tǒng)

如圖11～圖14所示，為本學院虛擬儀器實驗室所開展的部分實驗訓練，分別為:1)溫度測量實驗；2)交通燈控制實驗；3)步進電機控制實驗；4)直流電機轉速檢測與控制實驗。實驗室還可以開展開關量信號檢測與控制、直流電壓表設計、虛擬示波器設計、波形發(fā)生器、數(shù)碼管顯示、LED點陣以及電子秤實驗等。

圖11 溫度測量實驗

圖12 交通燈控制實驗

圖13 步進電機控制實驗

圖14 直流電機轉速檢測與控制實驗

將虛擬儀器技術引入部分課程的實踐教學，全面提升了學生的科學素養(yǎng)，培養(yǎng)了學生的實際動手能力。該技術能夠突破實驗室在元器件、儀器儀表等硬件及功能上的限制，使得課程實驗不受時間和空間的限制[13]。目前已有包括清華大學、哈爾濱工業(yè)大學、上海交通大學、天津大學和北京郵電大學在內的超過200所國內高校開設了虛擬儀器技術課程，一些高校在虛擬儀器技術的教學中結合各自專業(yè)方向和特點，開設了具有專業(yè)特色的學生實驗；清華大學、天津大學、浙江大學、上海交通大學、東南大學、西安交通大學以及西安電子科技大學等高校在相關課程的教學中也引入了基于myDAQ或myRIO數(shù)據(jù)采集卡和LabVIEW的學生動手項目，收到了良好的教學效果和學生反饋。為適應高素質應用型本科人才培養(yǎng)的需要，目前有條件的一些高校還與NI合作建立了學生創(chuàng)新實踐基地。這些創(chuàng)新實踐基地不僅僅為一些課程的實驗服務，而且采用開放式的管理方式，真正成為學生的創(chuàng)新實踐基地，為學生參加課外科技創(chuàng)新活動和一些科技競賽提供條件。

3 在學科競賽中的應用

虛擬儀器技術在培養(yǎng)高校在校生科學興趣、鍛煉綜合素質、展現(xiàn)創(chuàng)新能力、推動高校學術課外科技活動向更廣和更深層發(fā)展中也起到了重要作用。中國儀器儀表學會與教育部高等學?？茖W與技術教學指導委員會發(fā)起的全國虛擬儀器設計大賽每兩年舉辦一次，比賽吸引了來自全國超百所高校近千支隊伍參賽，國內儀器與測量學科的許多知名專家教授參與大賽的指導、組織和評審等工作。大賽創(chuàng)辦以來的組織和參賽情況如表1所示，歷屆比賽獲特等獎作品如圖15和圖16所示。

表1 歷屆大賽組織情況

圖15 2011年和2013年全國虛擬儀器大賽特等獎作品

圖15 (a)為2011年清華大學參賽作品幻影顯示系統(tǒng)；圖15(b)為2013年哈爾濱工業(yè)大學參賽作品EBuilder結構化環(huán)境探測機器。圖16為2015年全國虛擬儀器大賽特等獎作品——清華大學參賽作品自平衡無人駕駛自行車。

圖16 自平衡無人駕駛自行車

除虛擬儀器設計大賽外，挑戰(zhàn)杯、FSAE賽車挑戰(zhàn)賽、中國機器人大賽等科技競賽中也有虛擬儀器技術的廣泛應用，圖17為清華大學為飛思卡爾智能車大賽所做的智能車仿真系統(tǒng)。

通過各類學科競賽，可以培養(yǎng)高校在校生的科學興趣、綜合素質和創(chuàng)新能力，推動高校學生課外科技活動向更廣和更深的層次發(fā)展，構建高校、行業(yè)協(xié)會和企業(yè)共同支持的拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)的有效載體和卓越工程師培養(yǎng)平臺。

圖17 飛思卡爾智能車大賽智能車仿真系統(tǒng)

4 結束語

本文探討了虛擬儀器技術在培養(yǎng)電類專業(yè)高素質應用型本科人才中的應用，經(jīng)本學院和其他高校相關專業(yè)教學與應用實踐，證明了虛擬儀器技術對提高理論和實驗教學質量，培養(yǎng)學生動手實踐和科技創(chuàng)新能力，促進多學科課程和實驗教學的現(xiàn)代化都起到了重要的作用，能夠契合學院 “發(fā)展優(yōu)質本科教育，培養(yǎng)優(yōu)秀本科人才”的辦學定位和學院 “重視基礎、加強實踐、突出能力、提高素質、注重創(chuàng)新”教育理念，對培養(yǎng)高素質應用型本科人才提供了一種新的思路和手段。

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Application of Virtual Instrument in Cultivating Applied Undergraduate Talents of Electrical Major

ZHANG Guoqiang，WANG Bin
(Mingde College， Northwestern Polytechnical University， Xi'an 710124， China)

In order to improve the Measuring＆Control Technology and Instrumentations specialty's specialty theory and practice teaching quality， improve the students'scientific literacy and scientific interest， cultivate the students'practice ability and innovation ability and comprehensive quality，promote the modernization of theory and experiment.Combined with many years application practices of virtual instrument technology in the Measuring＆Control Technology and Instrumentations specialty and some universities'electrical specialty， this paper respectively discusses the application of virtual instrument technology in the course of theory teaching， practice teaching and subject competition.Practice has proved that the virtual instrument technology to cultivate high-quality applied undergraduate talent to provide a new way on thinking and means.

applied talents；virtual instrument；Multisim； LabVIEW；practice teaching；subject competition

TP391.9；G642.4

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2017.05.028

2016-12-28；修改日期:2017-05-04

陜西省教育廳專項科研計劃項目(16JK2215)

張國強(1980-)，男，碩士，講師，主要從事信號處理和虛擬儀器方面的研究工作。