劉琳++劉童
摘要:在《電子測量技術(shù)》課程中,傳統(tǒng)的教學(xué)方法僅利用多媒體和板書相結(jié)合的方式進行理論講解,而忽略了對學(xué)生動手能力的培養(yǎng),并缺乏實踐環(huán)節(jié)。本文從《電子測量技術(shù)》對實際教學(xué)儀器的要求出發(fā),介紹虛擬儀器給《電子測量技術(shù)》課程帶來的一些新思路,不僅增加了課程的趣味性和生動性,還能為學(xué)生提供實踐機會,讓學(xué)生更好地學(xué)習(xí)和理解這門課程。
關(guān)鍵詞:虛擬儀器,電子測量技術(shù),教學(xué)應(yīng)用
中圖分類號:G632
一引言
《電子測量技術(shù)》是電子工程系與通信工程系的專業(yè)基礎(chǔ)必修課。[1]在生活中處處離不開測量,而《電子測量技術(shù)》主要講解了測量相關(guān)的理論知識,其在通信、電子、自動控制、工業(yè)自動化、儀器儀表及計算機技術(shù)等領(lǐng)域都存在廣泛地應(yīng)用。從電子測量的應(yīng)用和特點可以看出,隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,要測量的內(nèi)容和測量設(shè)備愈來愈多。[2]但是在傳統(tǒng)教學(xué)中主要進行了理論知識的講解,課堂上大部分是ppt和文字講解,缺乏一些形象的表達方式,學(xué)生缺乏實踐操作,并且經(jīng)常使用試驗器材成本太高、無法進行大范圍的普及。然而,虛擬儀器可很好地解決這一問題,老師不僅可以在課堂上使用虛擬儀器進行演示,學(xué)生也可以在課下隨時使用虛擬儀器將理論與實踐結(jié)合,而且虛擬儀器幾乎不需要硬件成本。比如在相位、頻率和周期的測量中,可使用虛擬儀器信號發(fā)生器模擬一個正弦信號,用graph顯示出來,通過改變周期、相位或者頻率觀察信號的變化以及對應(yīng)的輸出參數(shù)變化。
二 虛擬儀器特點
長期以來實驗設(shè)備和教學(xué)方法的落后在很大程度上制約了教學(xué)質(zhì)量的提高。[3]傳統(tǒng)教學(xué)中,老師大部分通過多媒體和板書的方式進行教學(xué),缺乏實踐環(huán)節(jié),內(nèi)容也比較枯燥。造成這種現(xiàn)象主要原因是傳統(tǒng)儀器成本高、體積龐大、不易操作等。虛擬儀器擁有許多優(yōu)點可以有效地解決這些問題,主要優(yōu)點包含以下三個方面:
2.1.不強調(diào)物理實現(xiàn),經(jīng)濟實惠
虛擬儀器通過軟件功能來實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與控制、數(shù)據(jù)處理與分析及數(shù)據(jù)的顯示這3部分的物理功能。它是一種功能意義上而非物理意義上的儀器。[4]使用虛擬儀器幾乎沒有成本投入,這樣不僅老師可以在課堂上使用,學(xué)生自己也可以自己在課下操作。
2.2.硬件資源共享,快捷方便
虛擬儀器的最大特點是將計算機資源與儀器硬件、DSP技術(shù)相結(jié)合,在系統(tǒng)內(nèi)共享軟硬件資源。通過互聯(lián)網(wǎng),老師可以將一些演示的程序分享給同學(xué),學(xué)生之間也能進行資源共享。
2.3.圖形化演示,形象生動
虛擬儀器沒有常規(guī)儀器的控制面板,而是利用計算機強大的圖形環(huán)境,采用可視化的圖形編程語言和平臺,以在計算機屏幕上建立圖形化的軟面板來替代常規(guī)的傳統(tǒng)儀器面板。友好的人機交互界面使儀器的使用操作十分簡便,軟面板上具有與實際儀器相似的旋鈕、開關(guān)、指示燈及其他控制部件,并且軟面板上虛擬的顯示器件和操作控件的種類與形式不受“標(biāo)準(zhǔn)件”和“加工工藝”的限制,具有極大的靈活性。[4]虛擬儀器使用圖形化的表現(xiàn)方式更加形象,在課堂上還能及時地更改參數(shù),通過顯示軟件看到輸出參數(shù)的變化狀況。
三 虛擬儀器在教學(xué)中的應(yīng)用實例
在《電子測量技術(shù)》課程里,相位差測量是其中一個非常重要的內(nèi)容。首先,對信號進行相位差測量可以幫助理解和熟悉信號的特性;再者,信號的相位差是對處理多個信號的重要參數(shù),相位差測量在電力系統(tǒng)、通信等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛,與我們的工作生活息息相關(guān)。以下將以相位差測量為例闡述虛擬儀器在《電子測量技術(shù)》課程教學(xué)中的優(yōu)勢。
3.1傳統(tǒng)教學(xué)
傳統(tǒng)教學(xué)中,在學(xué)習(xí)相位差測量時,教師通過一些靜態(tài)圖片(將兩個信號放在同一圖片里)講解不同測量方法,首先讓學(xué)生觀察圖中兩個信號之間的關(guān)系,然后講解如何通過公式變換算出兩個信號的相位,最后布置課后習(xí)題鞏固以學(xué)知識。這種學(xué)習(xí)方式稍顯枯燥無味,無法調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。學(xué)生們熟悉的也只是公式而已,而且缺乏實踐環(huán)節(jié),學(xué)習(xí)的效果并不理想。
3.2虛擬儀器教學(xué)
針對傳統(tǒng)教學(xué)中存在的問題,在相位差測量學(xué)習(xí)中引入虛擬儀器,充分發(fā)揮虛擬儀器的優(yōu)勢,以致提高教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果。下面基于LabVIEW的虛擬相位差計的設(shè)計,主要介紹如何通過虛擬儀器來學(xué)習(xí)相位差測量,展示李李沙育圖形測量方法。
圖1李沙育圖形法測相位差動態(tài)演示程序前面板
“李沙育圖形”即“李薩如圖形”,將被測頻率的信號和頻率已知的標(biāo)準(zhǔn)信號分別加至示波器的Y軸輸入端和x軸輸入端,在示波器顯示屏上將出現(xiàn)一個合成圖形,這個圖形就是李沙育圖形。李沙育圖形隨兩個輸入信號的頻率、相位、幅度不同,所呈現(xiàn)的波形也不同。將兩個同頻同幅的正弦信號分別加到示波器的X、Y軸,得到如圖1所示的橢圓圖形,則兩正弦信號之間的相位差 ,a為李沙育圖在y軸方向上的最大偏轉(zhuǎn)距離的一半,b為其與y軸截距的一半。
在后面板中,模擬兩個信號分別輸入XY Graph的X端和Y端,其中輸入相位1和輸入相位2是兩個信號的初始相位。在前面板里顯示出李沙育圖形,通過測量a,b的近似相對長度,利用上述公式計算得到相位差。將計算得到的相位差值與真實相位差值進行比較,可得測量誤差,李沙育圖形測量方法一般用于低頻相位差的測量。例如在圖1中,輸入相位1與輸入相位2相差60,而b=17,a=20,相位差∮=arc sin(b/α)=58.2。可以看出通過李沙育圖形法得到的值與實際值相近,測量誤差不大。
教師可以直接在課堂中演示以上程序,改變信號1和信號2的相位,學(xué)生可形象直觀地觀察兩個信號相位的變化情況;其次,教師也可以在課后將程序共享至網(wǎng)絡(luò),方便學(xué)生隨時隨地的學(xué)習(xí),幾乎不需要成本,就讓學(xué)生直接參與到教學(xué)中。使用虛擬儀器學(xué)習(xí)相位差測量,不僅增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,也提高了學(xué)生的實踐能力。另外,使用虛擬儀器仿真相位差的測量不需要搭建物理電路,不存在成本因素。
四 結(jié)論
實踐證明,利用虛擬儀器可設(shè)計出功能強大和操作方便的多功能儀器,與傳統(tǒng)儀器相比,其使用和編程簡單、方便。而將虛擬儀器應(yīng)用于教學(xué),能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,方便學(xué)生課后實踐。讓學(xué)生能夠隨時隨地進行試驗,為學(xué)生提供一定的實踐機會,將理論與實踐充分的結(jié)合起來,更好地運用所學(xué)的知識。
基金項目:重慶郵電大學(xué)教改項目(XJG1415) 、重慶市高等學(xué)校教學(xué)改革研究項目(1203041)
作者簡介:劉琳(1985.10—),女,漢,湖南衡陽人,博士,講師,研究方向:智能車輛與信息融合等。endprint