虛擬儀器技術(shù)在新工科虛擬仿真實驗平臺中的應(yīng)用

劉萍萍，黃 嵐，趙宏偉

（吉林大學(xué) 計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，吉林 長春 130012）

0 引言

“新工科教育”概念自提出以來，其建設(shè)目標(biāo)被確立為服務(wù)新一輪產(chǎn)業(yè)革命，打造新興工科和傳統(tǒng)工科融合發(fā)展的學(xué)科專業(yè)“新結(jié)構(gòu)”，探索建立工程教育人才培養(yǎng)的“新模式”，逐步完善具有中國特色工程教育的“新體系”。新工科建設(shè)除了要設(shè)置和發(fā)展一批新興工科專業(yè)，更重要的是推動現(xiàn)有工科專業(yè)的教育模式的改革創(chuàng)新。

新工科包含了理論基礎(chǔ)和工程實踐，對于工科學(xué)生而言，他們需要將知識和技能結(jié)合起來，需要將系統(tǒng)性的思維和創(chuàng)新型的理念結(jié)合起來。為深入推進(jìn)信息技術(shù)與工程高等教育實驗教學(xué)的深度融合，不斷加強高等教育實驗教學(xué)優(yōu)質(zhì)資源建設(shè)與應(yīng)用，著力提高新工科教育實驗教學(xué)質(zhì)量和實踐育人水平，虛擬仿真作為一種新的技術(shù)形式逐步得到了各級教育主管領(lǐng)導(dǎo)部門和廣大師生的青睞。

教育部《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011—2020 年）》明確提出，深入推進(jìn)信息技術(shù)與高等教育實驗教學(xué)的深度融合，著力提高高等教育實驗教學(xué)質(zhì)量和實踐育人水平。在2018年6月的新時代全國高等學(xué)校本科教育工作會議，特別強調(diào)了不斷加強高等教育實驗教學(xué)優(yōu)質(zhì)資源建設(shè)、應(yīng)用與共享，打造實驗“金課”，教育部適時在普通本科高等學(xué)校開展示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)工作，也為新工科的實驗教學(xué)改革指明了方向。

1 虛擬仿真平臺建設(shè)的意義與原則

虛擬仿真實驗平臺主要是通過虛擬儀器平臺、多媒體技術(shù)、虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實等技術(shù)，輔助3D打印和平板電腦等設(shè)備，構(gòu)建虛擬實驗室，實現(xiàn)軟件共享、儀器共享和設(shè)備遠(yuǎn)程控制[1]。

新工科人才培養(yǎng)要緊緊圍繞經(jīng)濟社會快速發(fā)展的新要求、現(xiàn)代大學(xué)生成長的新特點、信息化時代教育教學(xué)的新規(guī)律，以提高學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新精神為核心，以現(xiàn)代信息技術(shù)為依托，以相關(guān)專業(yè)急需的實驗教學(xué)信息化內(nèi)容為指向，以完整的實驗教學(xué)項目為基礎(chǔ)，建設(shè)示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項目，形成專業(yè)布局合理、教學(xué)效果優(yōu)良、開放、共享、有效的高等教育信息化實驗教學(xué)項目，支撐教學(xué)質(zhì)量全面提高。

（1）虛擬仿真平臺建設(shè)的意義。通過建設(shè)和使用虛擬仿真實驗教學(xué)項目，可以作為推進(jìn)完善現(xiàn)有實踐教學(xué)體系，提高實驗教學(xué)質(zhì)量的重要舉措，加大對實驗教學(xué)隊伍的培養(yǎng)培訓(xùn)，著力提升信息技術(shù)與實驗教學(xué)深度融合的意識，使用信息技術(shù)改造傳統(tǒng)實驗教學(xué)項目的能力和水平。根據(jù)實驗教學(xué)計劃和實際情況，在堅持“能實不虛”的基礎(chǔ)上加大虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)力度。加強對虛擬仿真實驗教學(xué)項目的應(yīng)用管理，建立健全適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)化學(xué)習(xí)的實驗教學(xué)成績考核評價指標(biāo)體系，促進(jìn)實驗教學(xué)質(zhì)量穩(wěn)步提高。

（2）虛擬仿真平臺建設(shè)的原則。虛擬仿真實驗平臺的主要建設(shè)原則包括：①以學(xué)生為中心的實驗教學(xué)理念，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和潛能，增強學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)造能力；②準(zhǔn)確適宜的實驗教學(xué)內(nèi)容，研發(fā)原理準(zhǔn)確、內(nèi)容緊湊、時長合理，解決高危、極端環(huán)境、高成本等問題；③創(chuàng)新多樣的教學(xué)方式方法，互動式、研討式教學(xué)與自主式、合作式、探究式學(xué)習(xí)結(jié)合；④先進(jìn)可靠的實驗研發(fā)技術(shù)，運用多種現(xiàn)代化手段，提高實驗教學(xué)項目的吸引力和教學(xué)有效度，但必須兼顧可靠性和安全性；⑤穩(wěn)定安全的開放運行模式，搭建具有開放性、擴展性、兼容性和前瞻性的虛擬仿真實驗教學(xué)項目運行平臺；⑥持續(xù)改進(jìn)的實驗評價體系，將虛擬仿真實驗教學(xué)項目納入相關(guān)專業(yè)培養(yǎng)方案和教學(xué)課程，制訂相關(guān)教學(xué)效果評價辦法。

2 虛擬仿真教學(xué)平臺的國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀

國外高校在虛擬仿真平臺建設(shè)方面的工作開展較早，其工作包含建立內(nèi)容豐富的虛擬仿真教學(xué)資源庫，實現(xiàn)實驗資源網(wǎng)絡(luò)化，學(xué)生遠(yuǎn)程操作，提升學(xué)習(xí)效果，并逐步形成了完備的實驗過程管理的標(biāo)準(zhǔn)和體系。美國、英國和新西蘭等國家的一些大學(xué)先后在電子工程專業(yè)、物理學(xué)專業(yè)等啟動了虛擬仿真實驗室建設(shè)，學(xué)生可以遠(yuǎn)程訪問實驗室里的昂貴的測試設(shè)備來獲取測試數(shù)據(jù)，驗證自己的設(shè)計；也可以利用虛擬實驗手段，完成天體物理、力學(xué)和熱學(xué)的典型實驗和創(chuàng)新實驗；或通過仿真軟件，實現(xiàn)各類物理現(xiàn)象的仿真與分析，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)造性[1-2]。

國內(nèi)的許多大學(xué)也利用各種形式的虛擬仿真實驗室，實現(xiàn)儀器設(shè)備資源共享建立虛擬資源、場景，形成網(wǎng)絡(luò)協(xié)作平臺，服務(wù)于教學(xué)和科研活動。比較具有代表性的是清華大學(xué)數(shù)字化制造系統(tǒng)虛擬仿真平臺、北京航空航天大學(xué)空天電子信息虛擬仿真平臺、北京郵電大學(xué)通信與網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真平臺、吉林大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真實驗平臺和杭州電子科技大學(xué)的電子信息技術(shù)虛擬仿真平臺等。這些大學(xué)采用虛擬儀器、虛擬現(xiàn)實、多媒體技術(shù)等多種技術(shù)手段，探索了將多學(xué)科虛擬仿真成果，形成基礎(chǔ)支撐課程群、專業(yè)實驗課程群與虛擬實驗訓(xùn)練相結(jié)合的教學(xué)新模式，以虛擬仿真平臺的共享服務(wù)，促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新能力的提升[3-7]。

3 虛擬儀器在虛擬仿真實踐教育中的作用

虛擬儀器技術(shù)是當(dāng)今測試仿真領(lǐng)域一種新興技術(shù)，是指利用計算機技術(shù)，將特殊設(shè)計的硬件與專用軟件結(jié)合，可完成傳統(tǒng)儀器的基本功能，又可將傳統(tǒng)儀器的公共部分集中共享，具備便捷化、網(wǎng)絡(luò)化、個性化的特點，因而非常適合建設(shè)虛擬仿真平臺。在國家新工科建設(shè)過程中，在人工智能、智能制造、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和智能網(wǎng)聯(lián)汽車等專業(yè)方向的虛擬仿真平臺中都有著不可替代的作用[8]。

近年來我們一直圍繞工科人才培養(yǎng)的時代要求，不斷優(yōu)化基于虛擬儀器的虛擬仿真平臺建設(shè)，通過平臺的實驗課程學(xué)習(xí)，旨在使學(xué)生形成從系統(tǒng)的角度分析問題和解決問題的思維方法，了解相關(guān)技術(shù)研究領(lǐng)域的發(fā)展方向及新技術(shù)內(nèi)涵。

吉林大學(xué)面向電子信息工程、測控技術(shù)與儀器、物聯(lián)網(wǎng)工程、機械工程和汽車工程等工科專業(yè)不斷優(yōu)化基于以虛擬儀器技術(shù)為核心的虛擬仿真平臺，服務(wù)若干課程，形成了一個課程體系，包括若干理論教學(xué)課程、綜合實驗以及課程設(shè)計。“虛擬儀器及測試系統(tǒng)設(shè)計”為該虛擬仿真實驗平臺的核心實驗內(nèi)容，是集理論學(xué)習(xí)與課程實踐為一體的綜合性實驗。通過該平臺學(xué)生能全面系統(tǒng)地了解智能測試技術(shù)的相關(guān)基礎(chǔ)理論、智能測試系統(tǒng)的組成、所用儀器儀表及其實現(xiàn)方法以及基于虛擬儀器的智能檢測及控制技術(shù)、方法及常用算法[9-10]。通過該平臺使學(xué)生將課上所掌握的理論知識與實際相結(jié)合，要求學(xué)生通過分析理論與實踐間存在差異的原因，對各種信號檢測所需的傳感器、信號調(diào)理電路、測量顯示及記錄方法、計算機接口與數(shù)據(jù)采集技術(shù)進(jìn)行實際運用，掌握相關(guān)儀器、設(shè)備的正確使用方法[11]。利用虛擬仿真實驗課程，讓學(xué)生了解實際測試系統(tǒng)的設(shè)計過程、設(shè)計原則和注意事項，培養(yǎng)學(xué)生運用所學(xué)知識解決實際問題的實踐能力，為進(jìn)一步研究處理工程測試技術(shù)問題打下堅實基礎(chǔ)[12-13]。

4 基于虛擬儀器的虛擬仿真平臺設(shè)計理念與功能

為了滿足不同新興專業(yè)的實驗教學(xué)需要，我們建立的虛擬仿真平臺以一套虛擬儀器綜合實驗系統(tǒng)為核心，根據(jù)課程設(shè)置選取工程中常用的溫度、聲音、光、磁、應(yīng)變等多種不同類型傳感器，將其集成于一個實驗平臺之上。采用模塊化設(shè)計，每個傳感器模塊都有單獨的開關(guān)控制，確保各個模塊之間不存在相互影響[14]。

在數(shù)據(jù)采集過程中，系統(tǒng)采用了美國NI公司的USB-6218型數(shù)據(jù)采集卡，通過數(shù)據(jù)采集卡把硬件電路和PC機連接起來，能夠完成模擬信號的輸入/輸出和數(shù)字信號輸入/輸出的功能[15]。系統(tǒng)采用LabVIEW進(jìn)行上位機軟件設(shè)計，其功能主要包括數(shù)據(jù)采集和處理模塊、實驗原理模塊和數(shù)據(jù)結(jié)果的存儲與分析模塊[16]。上位機軟件設(shè)計由兩部分組成：前面板和程序框圖。在前面板，輸入用輸入控件來實現(xiàn)。程序運行的結(jié)果由顯示控件來完成。程序框圖是完成程序功能的圖形化源代碼，通過它對信號數(shù)據(jù)的輸入和輸出進(jìn)行指定，完成對信號采集及分析處理功能的控制[17]。

除傳統(tǒng)的真實實驗環(huán)境之外，虛擬儀器綜合實驗系統(tǒng)探索利用數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)通訊等技術(shù)，構(gòu)建高度仿真的網(wǎng)絡(luò)化實驗環(huán)境和分布式部署結(jié)構(gòu)，能在不受時間和空間限制的條件下完成教學(xué)功能。學(xué)生可以在遠(yuǎn)程登錄到實驗室的服務(wù)器上控制程序及數(shù)據(jù)采集設(shè)備的運行，采集多種傳感器數(shù)據(jù)。該實驗系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計思想，充分利用了數(shù)據(jù)采集卡或NI ELVIS的軟硬件資源，不同專業(yè)的學(xué)生可以選用不同的模塊組合。在現(xiàn)行局域網(wǎng)構(gòu)架之上，采用LabVIEW編程進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和分析計算，并顯示和保存相應(yīng)的采樣處理結(jié)果；將LabVIEW客戶端程序通過軟件本身的Web Server 功能發(fā)布到網(wǎng)頁上，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程訪問和共享，達(dá)到了構(gòu)架虛擬實驗室的目的。

5 成果應(yīng)用與成效

目前，該虛擬仿真實驗平臺通過十幾年的建設(shè)，在吉林大學(xué)以綜合實驗及開放性實驗的形式，吸引了計算機、測控、自動化、機械和汽車等多個專業(yè)總計727名學(xué)生的參與。學(xué)生被劃分成2～4人的小組，鼓勵跨專業(yè)組隊。課程考核分為基礎(chǔ)實驗和創(chuàng)新交叉實驗，分別占總評成績的40%和60%。通過學(xué)生的反饋，得出以下結(jié)論。

（1）實驗平臺操作簡單，將工程實際應(yīng)用引入實驗教學(xué)，學(xué)生可以看到真實的信號，實踐能力獲得了巨大提升，激發(fā)了學(xué)生對工程實踐研究的興趣。多位學(xué)生表示，加深了對工程實踐的理解。

（2）虛擬仿真平臺的遠(yuǎn)程訪問，使學(xué)生可以隨時隨地參與到實驗中來，極大地方便學(xué)生，使得學(xué)生在理論學(xué)習(xí)中發(fā)現(xiàn)的問題，隨時可以驗證，也通過遠(yuǎn)程交流平臺和交叉學(xué)科的協(xié)作，拓展了學(xué)術(shù)視野，學(xué)生的綜合素質(zhì)大幅提升。

（3）針對各專業(yè)的實際需求，設(shè)計了多層次、分等級的實驗課程，實現(xiàn)循序漸進(jìn)的教學(xué)模式。該系統(tǒng)所支持開設(shè)的實驗項目見表1。從基礎(chǔ)類實驗項目開始，讓學(xué)生掌握數(shù)據(jù)采集的基本操作，并熟悉各種外部資源的配置方法；在此基礎(chǔ)上開展通用性實驗，使學(xué)生逐步掌握實驗平臺各個模塊的用法。對于熟知前兩個階段性實驗的同學(xué)，可以根據(jù)老師提出的實驗要求進(jìn)行創(chuàng)新性實驗。同時，結(jié)合新工科教育強調(diào)學(xué)科交叉互通，可以在大學(xué)生創(chuàng)新項目中，與船舶工程、機械工程、汽車工程、物聯(lián)網(wǎng)工程等學(xué)科融合、面向機器人、智慧養(yǎng)殖、智慧城市、智慧醫(yī)療、智能交通等應(yīng)用領(lǐng)域設(shè)計出更深層次的綜合性交叉性實驗。

6 結(jié)語

新工科建設(shè)過程中，各個新專業(yè)都對建設(shè)虛擬仿真平臺，并在此基礎(chǔ)上開設(shè)開放性實驗、學(xué)科交叉型實驗和綜合性實驗提出了新的要求。本文圍繞著新工科建設(shè)的思考及實踐，基于虛擬儀器系列實驗系統(tǒng)開展了虛擬仿真平臺建設(shè)工作，經(jīng)歷了逐步改進(jìn)和優(yōu)化的開發(fā)歷程。虛擬儀器實驗系統(tǒng)充分發(fā)揮了虛擬儀器技術(shù)在多個新興學(xué)科都廣泛應(yīng)用的特點，緊密結(jié)合了實驗教學(xué)課程內(nèi)容，增加了學(xué)生與實驗課程的互動性，提高了學(xué)生對相關(guān)課程的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生能進(jìn)一步驗證相關(guān)理論，掌握課程中的難點、重點。學(xué)生可以自行控制實驗系統(tǒng)電機轉(zhuǎn)速、光強、壓力等產(chǎn)生不同的物理信號，從而每個實驗小組得到的實驗信號也不盡相同，避免了以往實驗課程中千篇一律的信號圖表。教學(xué)實踐表明，通過實驗課的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握了相關(guān)儀器、設(shè)備的正確使用方法，對相關(guān)學(xué)科有了更加深入的了解，使其具有虛擬儀器、數(shù)據(jù)采集、信號分析、智能處理及測試系統(tǒng)設(shè)計方面的基礎(chǔ)知識和應(yīng)用能力。