基于虛擬儀器技術的實驗教學改革探討

摘 要:實驗是教學中的一個重要環節,為了提高實驗教學的開放性和靈活性,適應現代實驗教學的需要,通過對實驗教學現狀的分析,提出了將虛擬儀器技術應用于實驗教學的思路,并通過實驗教學改革實踐探討了將虛擬儀器技術應用于實驗教學的優勢,分析了實驗教學改革的效果。通過分析發現將虛擬儀器技術應用于實驗教學,不僅拓展了實驗范圍和空間,而且能夠發揮學生的主動性和創造性,是實驗教學的一個重要發展方向。

關鍵詞:探討 實驗教學 改革 虛擬儀器技術

隨著科技的進步,社會對高校學生提出了新的要求,不僅要求學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模的不斷擴大,在校學生的人數與日俱增,面對如此眾多的學生,如何保證教學質量成為各大高校面臨的主要問題。學生規模的增加對理論教學的影響不是非常明顯,但對實驗教學卻產生了重要的影響。人數的增加需要實驗設備也相應增加和升級,這同落后的、相對數量不足的現有實驗設備產生了矛盾,要解決這一矛盾,只有增加實驗經費的投資或進行實驗教學改革,本文以機械傳動效率實驗為例探討將虛擬儀器技術應用于實驗教學改革的思路及其優勢。

一、實驗教學的重要性

知識經濟時代對人才提出了新的要求,為了適應社會需求,以培養學生的創新精神和實踐能力為重點的素質教育成為各大高校人才培養的主要目標,為了達到這一目標,實驗教學擔當了重要角色。通過實驗教學可以增強學生的動手操作能力和協作精神,培養學生的創新能力。通過實驗教學不僅可以加深學生對課堂內容的理解,鞏固學到的理論知識,而且能夠培養學生理論聯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、提高創新能力起著積極的作用[1]。因此,加強實驗教學是提高教學質量的必然要求,是重要的教學環節。

二、實驗教學現狀[2～3]

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

1.實驗教學地位重視不足

現在高校普遍存在的問題是重課堂教學而忽視實驗教學,學生大多數時間都在進行理論學習。實驗是理論的驗證和進一步深化,特別是工科學生,如果沒有足夠的實驗就像是紙上談兵,學生對所學知識沒有一個感性認識,從而不會有創造的靈感和基礎。

2.實驗設施不能滿足實驗需求

在實驗設施方面的不足主要表現在:一方面,現在實驗室大多采用是一些傳統的實驗儀器與設備,這些儀器與設備功能單一、技術落后、通用性很差,不能適應學科的發展。另一方面,不斷擴大的學生數量與現有的實驗設備數量之間的矛盾已經非常明顯,許多普通院校都沒有足夠的經費購置大量的實驗設備,如何在不降低教學質量的前提下使學校以最少的經費投資達到最優的教學效果,保證每個學生都有機會很好地完成實驗教學成了許多高校面臨的重要問題。

3.實驗環節設計的功能單一、適應面窄,不利于發揮學生的創造性

有許多實驗設計不很合理,驗證性實驗太多,學生只能按照實驗指導書上的步驟和內容去做,不利于發揮學生的主觀能動性和創造性。如何把學生推到實驗主體的位置上,充分挖掘和發揮學生的主動性和創造性,引導他們向自己的未知領域邁進,是至關重要的。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

傳統的實驗設備具有固定的硬件構成,只能進行特定的實驗項目和實驗操作,當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備,投資較大,而且系統不便維護。

因此,如何改革實驗教學,使學生能夠利用最先進的技術去積極主動地學習,培養學生的創造性思維,提高實驗教學質量是每個高校都面臨的問題,探討新的實驗教學方法和手段是目前教育形式的必然要求,是“全面推進素質教育,以培養學生的創新精神和實踐能力為重點”的教學指導思想得以落實的必然途徑。

三、實驗教學改革實踐

1.虛擬儀器技術及其優勢

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的技術軟件化,以便最大限度地降低系統成本,增強系統的功能與靈活性,真正體現了“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,用戶可根據自己的需要通過編制不同的測試軟件來構成各種功能的測試系統,其中許多硬件功能可直接由軟件實現,系統具有極強的通用性和多功能性。虛擬儀器應用軟件集成了儀器的所有采集、控制、數據分析、結果輸出和用戶界面等功能,使傳統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的關鍵,當基本硬件確定以后,就可以通過不同的軟件實現不同的功能。它突破了傳統儀器在數據處理、顯示存儲等方面的限制,實現了部分儀器硬件的軟件化,增加了系統的靈活性。應用虛擬儀器技術不僅能夠降低系統的開發與維護費用,而且能夠節省綜合系統的組建時間。同時,友好的人機交互界面技術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,其方便的網絡功能,能夠實現資源共享。

2.虛擬儀器技術及其應用于實驗教學的實例

下面以我系機械系統創意組合及參數可視化分析實驗臺的實驗教學改革為例,探討虛擬儀器技術在實驗教學中的應用,以期為實驗教學改革提供思路。

(1)現有實驗系統結構及其不足

現有實驗臺整體結構如圖1所示:

本實驗臺主要由驅動裝置、傳動裝置、模擬加載裝置等部分組成。實驗系統提供有各種標準硬件模塊,包括模塊化的傳動部分(聯軸器、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)、驅動源及模擬負載。其布置形式可呈平面和空間兩種形式。在實驗時學生可以根據需要按一定的形式組合成不同的機械傳動系統[4～6]。

該實驗臺是以單片機作為數據采集前端,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開發而成,而我系學生沒有開設該門課程,所以學生只能按該軟件現有功能來完成實驗任務,不利于學生進行二次開發。

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

③沒有實現網絡實驗,不能達到資源共享。

(2)虛擬儀器技術引入實驗教學的改革

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

本實驗系統從以下幾個方面改善了實驗教學:

①引進了虛擬儀器技術,使學生進行二次開發成為可能。由于虛擬儀器軟件目前在各工科院校已普遍開展,學生具備一定的開發能力,特別是LabVIEW是一種圖形編程語言,簡單易學,形象生動,因此,選擇虛擬儀器軟件LabVIEW作為上位機開發軟件,當實驗系統硬件發生改變或者增加新的功能時,只需要修改現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為學生提供更大的開放空間。學生可以嘗試采用不同的驅動源和數據采集方式,負載及執行部分除了以磁粉制動器作為模擬負載外,還可以利用學生的畢業設計或者課程設計作更深入的設計,例如設計由傳動裝置直接驅動的連桿機構或者其它執行裝置,并進一步對連桿機構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,而且能夠進行動態負載特性和系統機械特性分析,進一步擴展后還可以完成對其他機構的運動和動力分析,使實驗范圍和功能得到極大的擴展。

③引進了組件技術和模塊化設計理念。本實驗系統利用ActiveX控件技術和LabVIEW提供的測試專用函數或控件設計了數據處理組件、報表生成與處理組件、數據采集組件、儀器面板組件及網絡組件。數據采集組件將各種硬件儀器的驅動程序模塊封裝在組件中,當測試要求改變需要更換新的儀器硬件時,只需更新相應的驅動程序模塊,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中正常運行。數據分析與處理組件封裝有常用的數據處理方法,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,網絡組件主要針對不同的網絡協議下的網絡功能進行封裝。將所有這些組件組成組件庫與典型測試任務數據庫、測試數據信息數據庫及其他相關數據庫一起放入數據庫,在實驗時就可以根據不同的測試任務、不同的硬件模塊和不同的功能要求選擇相應的組件進行實驗系統的搭建。當實驗方案發生變化,需要完成另外的測試任務時,只需對典型測試任務庫和需要擴充的組件進行任務添加,或者對原來組件庫的組件進行適當的修改,則仍然能夠使用這些組件構成新的實驗系統。因此,利用這些組件使學生可以像堆積木一樣能夠快速地搭建實驗系統,進行實驗功能的擴展[7-9]。

④增加了網絡實驗功能。LabVIEW在網絡應用方面具有強大的優勢,LabVIEW5.1及以后的版本集成了各種通信協議,提供了豐富的網絡化組件,通過LabVIEW可以不需要了解任何網絡協議就能編寫復雜的分子式應用程序,它提供了多種網絡通信方式供用戶靈活選擇。例如可以通過讀寫遠程計算機的文件實現數據共享,也可以通過VI服務器來調用或控制遠程VI[10]。本實驗室通過Remote Panel技術對網絡實驗進行了初步改革(如圖4所示),為學生在遠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的環境中或瀏覽器上加以控制。打破了學生必須在實驗室做實驗的實驗模式,只要有網絡就能實驗,從而達到了資源共享,有效利用了實驗室的現有設備。

3.實驗教學改革的效果

(1)強化了不同的理論知識間的聯系,鍛煉了學生的綜合實踐能力

將虛擬儀器技術應用于上述實驗教學中,使學生不僅鍛煉了學生應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、機械設計及機械原理等眾多課程的內容,通過對該實驗臺的改革,達到了綜合運用學生所學專業知識進行綜合實踐能力訓練的目的。

(2)充分發揮了學生的主觀能動性

實驗臺所采用的開放式結構,使實驗靈活多樣,給學生留下很大的創造空間,學生可以按照自己的思路進行發揮,從而激發了學生的求知欲,提高了學習興趣,發揮了學生的主觀能動性。

(3)實現了資源共享,提高了實驗設備的利用率。

四、結束語

實驗教學改革是一項長期的工作,它需要與時俱進,需要不斷地探索。虛擬儀器技術應用于實驗教學是現在各大高校都在研究的焦點,是實驗教學發展的趨勢。

參考文獻

[1]李耀剛,石國英,王宏志.改革實驗教學 培養創新能力[J].實驗室研究與探索,2007(11):92-94

[2]曾秋菊.試論高校實驗教學的問題與對策[J].中國現代教育裝備,2005(9):48-49

[3]魏宏波.基于虛擬儀器技術的測控教學實驗室的構建[J].儀器儀表用戶,2008(1):108-109

[4] JZCS-III型機械系統創意組合及參數可視化分析實驗臺使用說明書[M].湖南:長沙嘉銳科技發展有限公司.2000

[5]周又平,梅長彤.虛擬儀器教學實驗平臺在電子技術類課程的應用[J].實驗技術與管理2006(3)73-75.

[6]鄧曉紅.虛擬儀器在實驗教學中的運用[J].機床與液壓,2004(8)148-149.

[7]施壽生,黨裕民.虛擬儀器技術與實驗教學應用探究[J].樂山師范學院學報,2004(12):43-46

[8]魏宏波.組件化虛擬儀器技術在實驗教學中的應用研究[J].中國現代教育裝備,2008(5):115-117

[9]萬相奎,秦樹人.組件技術與虛擬儀器的開發[J].中國機械工程,2004(2):143-145

[10]陳錫輝,張銀鴻. LabVIEW 8.20程序設計從入門到精通[M].北京:清華大學出版社,2007(9)