基于虛擬儀器技術(shù)的實驗教學(xué)改革探討

摘 要:實驗是教學(xué)中的一個重要環(huán)節(jié),為了提高實驗教學(xué)的開放性和靈活性,適應(yīng)現(xiàn)代實驗教學(xué)的需要,通過對實驗教學(xué)現(xiàn)狀的分析,提出了將虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用于實驗教學(xué)的思路,并通過實驗教學(xué)改革實踐探討了將虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用于實驗教學(xué)的優(yōu)勢,分析了實驗教學(xué)改革的效果。通過分析發(fā)現(xiàn)將虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用于實驗教學(xué),不僅拓展了實驗范圍和空間,而且能夠發(fā)揮學(xué)生的主動性和創(chuàng)造性,是實驗教學(xué)的一個重要發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞:探討 實驗教學(xué) 改革 虛擬儀器技術(shù)

隨著科技的進步,社會對高校學(xué)生提出了新的要求,不僅要求學(xué)生有扎實的理論功底,而且要有較強的動手能力。然而,近幾年來隨著高校招生規(guī)模的不斷擴大,在校學(xué)生的人數(shù)與日俱增,面對如此眾多的學(xué)生,如何保證教學(xué)質(zhì)量成為各大高校面臨的主要問題。學(xué)生規(guī)模的增加對理論教學(xué)的影響不是非常明顯,但對實驗教學(xué)卻產(chǎn)生了重要的影響。人數(shù)的增加需要實驗設(shè)備也相應(yīng)增加和升級,這同落后的、相對數(shù)量不足的現(xiàn)有實驗設(shè)備產(chǎn)生了矛盾,要解決這一矛盾,只有增加實驗經(jīng)費的投資或進行實驗教學(xué)改革,本文以機械傳動效率實驗為例探討將虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用于實驗教學(xué)改革的思路及其優(yōu)勢。

一、實驗教學(xué)的重要性

知識經(jīng)濟時代對人才提出了新的要求,為了適應(yīng)社會需求,以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實踐能力為重點的素質(zhì)教育成為各大高校人才培養(yǎng)的主要目標(biāo),為了達到這一目標(biāo),實驗教學(xué)擔(dān)當(dāng)了重要角色。通過實驗教學(xué)可以增強學(xué)生的動手操作能力和協(xié)作精神,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。通過實驗教學(xué)不僅可以加深學(xué)生對課堂內(nèi)容的理解,鞏固學(xué)到的理論知識,而且能夠培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實際的能力和分析問題、解決問題的能力。對于活躍思維、開闊思路、提高創(chuàng)新能力起著積極的作用[1]。因此,加強實驗教學(xué)是提高教學(xué)質(zhì)量的必然要求,是重要的教學(xué)環(huán)節(jié)。

二、實驗教學(xué)現(xiàn)狀[2～3]

近年來,隨著教學(xué)改革的不斷深入發(fā)展以及計算機技術(shù)的發(fā)展及深入應(yīng)用,教學(xué)條件有了很大的改善,但是由于一些主客觀原因,實驗教學(xué)仍然存在著許多不盡人意的地方,主要表現(xiàn)在以下幾個方面:

1.實驗教學(xué)地位重視不足

現(xiàn)在高校普遍存在的問題是重課堂教學(xué)而忽視實驗教學(xué),學(xué)生大多數(shù)時間都在進行理論學(xué)習(xí)。實驗是理論的驗證和進一步深化,特別是工科學(xué)生,如果沒有足夠的實驗就像是紙上談兵,學(xué)生對所學(xué)知識沒有一個感性認(rèn)識,從而不會有創(chuàng)造的靈感和基礎(chǔ)。

2.實驗設(shè)施不能滿足實驗需求

在實驗設(shè)施方面的不足主要表現(xiàn)在:一方面,現(xiàn)在實驗室大多采用是一些傳統(tǒng)的實驗儀器與設(shè)備,這些儀器與設(shè)備功能單一、技術(shù)落后、通用性很差,不能適應(yīng)學(xué)科的發(fā)展。另一方面,不斷擴大的學(xué)生數(shù)量與現(xiàn)有的實驗設(shè)備數(shù)量之間的矛盾已經(jīng)非常明顯,許多普通院校都沒有足夠的經(jīng)費購置大量的實驗設(shè)備,如何在不降低教學(xué)質(zhì)量的前提下使學(xué)校以最少的經(jīng)費投資達到最優(yōu)的教學(xué)效果,保證每個學(xué)生都有機會很好地完成實驗教學(xué)成了許多高校面臨的重要問題。

3.實驗環(huán)節(jié)設(shè)計的功能單一、適應(yīng)面窄,不利于發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)造性

有許多實驗設(shè)計不很合理,驗證性實驗太多,學(xué)生只能按照實驗指導(dǎo)書上的步驟和內(nèi)容去做,不利于發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性和創(chuàng)造性。如何把學(xué)生推到實驗主體的位置上,充分挖掘和發(fā)揮學(xué)生的主動性和創(chuàng)造性,引導(dǎo)他們向自己的未知領(lǐng)域邁進,是至關(guān)重要的。另外,有些實驗太專,只能針對某一課程而不能兼顧其他課程達到綜合訓(xùn)練的效果。

4.實驗資源不能有效利用,開放程度較差,管理維護不便

傳統(tǒng)的實驗設(shè)備具有固定的硬件構(gòu)成,只能進行特定的實驗項目和實驗操作,當(dāng)需要增加新的功能時就需要更新硬件或者購買新的實驗設(shè)備,投資較大,而且系統(tǒng)不便維護。

因此,如何改革實驗教學(xué),使學(xué)生能夠利用最先進的技術(shù)去積極主動地學(xué)習(xí),培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維,提高實驗教學(xué)質(zhì)量是每個高校都面臨的問題,探討新的實驗教學(xué)方法和手段是目前教育形式的必然要求,是“全面推進素質(zhì)教育,以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實踐能力為重點”的教學(xué)指導(dǎo)思想得以落實的必然途徑。

三、實驗教學(xué)改革實踐

1.虛擬儀器技術(shù)及其優(yōu)勢

虛擬儀器(Virtual Instruments,簡稱VI)的概念,是美國國家儀器公司于1986年提出的。虛擬儀器技術(shù)最核心的思想,就是利用計算機的硬/軟件資源,使本來需要硬件實現(xiàn)的技術(shù)軟件化,以便最大限度地降低系統(tǒng)成本,增強系統(tǒng)的功能與靈活性,真正體現(xiàn)了“軟件就是儀器(The software is the instrument)”的口號。虛擬儀器是以通用計算機為核心的硬件平臺,用戶可根據(jù)自己的需要通過編制不同的測試軟件來構(gòu)成各種功能的測試系統(tǒng),其中許多硬件功能可直接由軟件實現(xiàn),系統(tǒng)具有極強的通用性和多功能性。虛擬儀器應(yīng)用軟件集成了儀器的所有采集、控制、數(shù)據(jù)分析、結(jié)果輸出和用戶界面等功能,使傳統(tǒng)儀器的某些硬件乃至整個儀器都被計算機軟件所代替[3]。所以軟件是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵,當(dāng)基本硬件確定以后,就可以通過不同的軟件實現(xiàn)不同的功能。它突破了傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)處理、顯示存儲等方面的限制,實現(xiàn)了部分儀器硬件的軟件化,增加了系統(tǒng)的靈活性。應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)不僅能夠降低系統(tǒng)的開發(fā)與維護費用,而且能夠節(jié)省綜合系統(tǒng)的組建時間。同時,友好的人機交互界面技術(shù)使人感覺像操控真實的儀器一樣,具有身臨其境的感受,另外,其方便的網(wǎng)絡(luò)功能,能夠?qū)崿F(xiàn)資源共享。

2.虛擬儀器技術(shù)及其應(yīng)用于實驗教學(xué)的實例

下面以我系機械系統(tǒng)創(chuàng)意組合及參數(shù)可視化分析實驗臺的實驗教學(xué)改革為例,探討虛擬儀器技術(shù)在實驗教學(xué)中的應(yīng)用,以期為實驗教學(xué)改革提供思路。

(1)現(xiàn)有實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其不足

現(xiàn)有實驗臺整體結(jié)構(gòu)如圖1所示:

本實驗臺主要由驅(qū)動裝置、傳動裝置、模擬加載裝置等部分組成。實驗系統(tǒng)提供有各種標(biāo)準(zhǔn)硬件模塊,包括模塊化的傳動部分(聯(lián)軸器、軸承、離合器、變載荷以及減速器、帶、鏈、三角帶輪、鏈輪庫等組成)、驅(qū)動源及模擬負(fù)載。其布置形式可呈平面和空間兩種形式。在實驗時學(xué)生可以根據(jù)需要按一定的形式組合成不同的機械傳動系統(tǒng)[4～6]。

該實驗臺是以單片機作為數(shù)據(jù)采集前端,主要完成機械傳動效率的測定。實驗臺由軟件和硬件組成,實驗功能的擴展不僅包括硬件的改變而且包括軟件的功能升級,該實驗臺的主要不足在于:

①實驗臺上位機軟件采用VB開發(fā)而成,而我系學(xué)生沒有開設(shè)該門課程,所以學(xué)生只能按該軟件現(xiàn)有功能來完成實驗任務(wù),不利于學(xué)生進行二次開發(fā)。

②實驗臺雖然具有一定的開放性,使學(xué)生能夠自己完成傳動部分的設(shè)計和組裝,但是開放程度不夠,例如數(shù)據(jù)采集部分采用單片機,驅(qū)動采用直流電機等。但實際上,數(shù)據(jù)采集可以有多種方式,比如采用PC-DAQ方式采集數(shù)據(jù),驅(qū)動部分還可以用步進電機或其它類型的電機。

③沒有實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)實驗,不能達到資源共享。

(2)虛擬儀器技術(shù)引入實驗教學(xué)的改革

通過對實驗臺的分析,為了改善實驗教學(xué),將虛擬儀器技術(shù)引入實驗教學(xué)中,對現(xiàn)有實驗教學(xué)平臺進行了改善,實驗系統(tǒng)方案如圖2所示。在實驗系統(tǒng)軟件上設(shè)計了如圖3所示七大功能模塊,使學(xué)生能夠利用實驗系統(tǒng)提供的實驗指南及幫助功能模塊自己動手設(shè)計并組裝傳動系統(tǒng),并利用LabVIEW軟件對實驗功能進行進一步擴展。

本實驗系統(tǒng)從以下幾個方面改善了實驗教學(xué):

①引進了虛擬儀器技術(shù),使學(xué)生進行二次開發(fā)成為可能。由于虛擬儀器軟件目前在各工科院校已普遍開展,學(xué)生具備一定的開發(fā)能力,特別是LabVIEW是一種圖形編程語言,簡單易學(xué),形象生動,因此,選擇虛擬儀器軟件LabVIEW作為上位機開發(fā)軟件,當(dāng)實驗系統(tǒng)硬件發(fā)生改變或者增加新的功能時,只需要修改現(xiàn)在軟件功能模塊或者增加新的軟件功能模塊即可,非常方便。

②為學(xué)生提供更大的開放空間。學(xué)生可以嘗試采用不同的驅(qū)動源和數(shù)據(jù)采集方式,負(fù)載及執(zhí)行部分除了以磁粉制動器作為模擬負(fù)載外,還可以利用學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計或者課程設(shè)計作更深入的設(shè)計,例如設(shè)計由傳動裝置直接驅(qū)動的連桿機構(gòu)或者其它執(zhí)行裝置,并進一步對連桿機構(gòu)進行運動和動力分析,從而使實驗臺不僅能完成機械傳動效率的測試,而且能夠進行動態(tài)負(fù)載特性和系統(tǒng)機械特性分析,進一步擴展后還可以完成對其他機構(gòu)的運動和動力分析,使實驗范圍和功能得到極大的擴展。

③引進了組件技術(shù)和模塊化設(shè)計理念。本實驗系統(tǒng)利用ActiveX控件技術(shù)和LabVIEW提供的測試專用函數(shù)或控件設(shè)計了數(shù)據(jù)處理組件、報表生成與處理組件、數(shù)據(jù)采集組件、儀器面板組件及網(wǎng)絡(luò)組件。數(shù)據(jù)采集組件將各種硬件儀器的驅(qū)動程序模塊封裝在組件中,當(dāng)測試要求改變需要更換新的儀器硬件時,只需更新相應(yīng)的驅(qū)動程序模塊,并且保證它對上層的接口保持不變,那么新的儀器硬件就能在原來的系統(tǒng)中正常運行。數(shù)據(jù)分析與處理組件封裝有常用的數(shù)據(jù)處理方法,儀器面板組件可以將更加形象的面板以組件形式封裝,報表生成與處理組件封裝有不同的報表格式及其生成方式,網(wǎng)絡(luò)組件主要針對不同的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議下的網(wǎng)絡(luò)功能進行封裝。將所有這些組件組成組件庫與典型測試任務(wù)數(shù)據(jù)庫、測試數(shù)據(jù)信息數(shù)據(jù)庫及其他相關(guān)數(shù)據(jù)庫一起放入數(shù)據(jù)庫,在實驗時就可以根據(jù)不同的測試任務(wù)、不同的硬件模塊和不同的功能要求選擇相應(yīng)的組件進行實驗系統(tǒng)的搭建。當(dāng)實驗方案發(fā)生變化,需要完成另外的測試任務(wù)時,只需對典型測試任務(wù)庫和需要擴充的組件進行任務(wù)添加,或者對原來組件庫的組件進行適當(dāng)?shù)男薷?則仍然能夠使用這些組件構(gòu)成新的實驗系統(tǒng)。因此,利用這些組件使學(xué)生可以像堆積木一樣能夠快速地搭建實驗系統(tǒng),進行實驗功能的擴展[7-9]。

④增加了網(wǎng)絡(luò)實驗功能。LabVIEW在網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用方面具有強大的優(yōu)勢,LabVIEW5.1及以后的版本集成了各種通信協(xié)議,提供了豐富的網(wǎng)絡(luò)化組件,通過LabVIEW可以不需要了解任何網(wǎng)絡(luò)協(xié)議就能編寫復(fù)雜的分子式應(yīng)用程序,它提供了多種網(wǎng)絡(luò)通信方式供用戶靈活選擇。例如可以通過讀寫遠(yuǎn)程計算機的文件實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享,也可以通過VI服務(wù)器來調(diào)用或控制遠(yuǎn)程VI[10]。本實驗室通過Remote Panel技術(shù)對網(wǎng)絡(luò)實驗進行了初步改革(如圖4所示),為學(xué)生在遠(yuǎn)程客戶端利用瀏覽器打開的實驗臺界面,利用LabVIEW的Remote Panels不僅可以觀看,而且可以在LabVIEW的環(huán)境中或瀏覽器上加以控制。打破了學(xué)生必須在實驗室做實驗的實驗?zāi)Ｊ?只要有網(wǎng)絡(luò)就能實驗,從而達到了資源共享,有效利用了實驗室的現(xiàn)有設(shè)備。

3.實驗教學(xué)改革的效果

(1)強化了不同的理論知識間的聯(lián)系,鍛煉了學(xué)生的綜合實踐能力

將虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用于上述實驗教學(xué)中,使學(xué)生不僅鍛煉了學(xué)生應(yīng)用虛擬儀器軟件進行編程的能力,而且該實驗有到了傳感器技術(shù)、機械設(shè)計及機械原理等眾多課程的內(nèi)容,通過對該實驗臺的改革,達到了綜合運用學(xué)生所學(xué)專業(yè)知識進行綜合實踐能力訓(xùn)練的目的。

(2)充分發(fā)揮了學(xué)生的主觀能動性

實驗臺所采用的開放式結(jié)構(gòu),使實驗靈活多樣,給學(xué)生留下很大的創(chuàng)造空間,學(xué)生可以按照自己的思路進行發(fā)揮,從而激發(fā)了學(xué)生的求知欲,提高了學(xué)習(xí)興趣,發(fā)揮了學(xué)生的主觀能動性。

(3)實現(xiàn)了資源共享,提高了實驗設(shè)備的利用率。

四、結(jié)束語

實驗教學(xué)改革是一項長期的工作,它需要與時俱進,需要不斷地探索。虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用于實驗教學(xué)是現(xiàn)在各大高校都在研究的焦點,是實驗教學(xué)發(fā)展的趨勢。

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