工程教育專業認證背景下基于MyDAQ的口袋實驗室建設

張貞凱 楊永紅 伍杰 周辰笛

摘 要：工程教育專業認證背景下，口袋實驗室的建設和應用有利于促進教學改革，進一步提升工程人才的培養質量。文中分析口袋實驗室建設與工程教育專業認證關系的同時，基于NI公司的MyDAQ構建信號處理口袋實驗室，設計函數信號發生器、示波器、濾波器和頻譜儀等。仿真結果表明，文中構建的口袋實驗室具有較好的工作性能。

關鍵詞：工程教育專業認證;口袋實驗室;教學改革;虛擬儀器;工程人才;MyDAQ

中圖分類號：TP393;C931.6文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）04-0-02

0 引 言

在我國開展工程教育專業認證具有重大意義，不僅能為實施職業資格證書制度打下基礎，還有利于我國學歷教育在國際互認體系中得到認可[1]。因此，我國申請加入了“華盛頓協議”預備成員國，這對我國工程教育改革與發展具有深遠的影響[2]。文獻[3]介紹了美國工程教育專業認證標準，深入揭示了認證的內涵和共性特征。目前，圍繞工程教育專業認證開展教學改革是高校教學工作的重點和熱點。

1 口袋實驗室建設對工程教育專業認證的意義

口袋實驗室是將體積較小的實驗板卡發到每個學生的手上，裝在口袋里可以隨身攜帶、隨時操作，不受傳統實驗室空間和開放時間的限制，在鞏固各種基本實驗的基礎上，充分激發學生的潛力，提升學生的創新能力，是一種全新的理論和實驗教學模式[4]。目前清華大學、華中科大等國內重點高校已經開始大力推行口袋實驗室的實踐和創新，國外很多高校也開始對口袋實驗室進行探索和實踐，如英國德蒙福特大學，為學生購置了基于微控制器或FPGA的最小系統開發板作為口袋實驗室平臺，學生在課程實驗及畢業設計階段，都可以在這些口袋實驗室平臺上開展理論研究和實踐設計[5-6]。

口袋實驗室建設與應用將利于推進高校的工程教育專業認證工作，能夠支撐的標準畢業要求如下：

（1）工程知識?？诖鼘嶒炇业慕ㄔO和推廣能夠促進學生將自然科學、工程基礎和專業知識相結合，有利于進一步分析和解決復雜的工程問題。

（2）問題分析。在不受時間和空間限制的實驗室平臺上，需要學生應用自然科學和工程科學的基本原理完成創新實踐，并合理分析實驗結果以獲得有效結論。

（3）設計/開發解決方案。在口袋實驗室的設計過程中，學生需要提出解決和設計方案，并在設計環節中提升創新意識。

（4）研究?；诳诖鼘嶒炇议_展課程所需的實驗設計與理論研究，需要學生基于科學原理并采用科學方法對專業中復雜的工程問題進行研究，包括算法設計、理論推導、實驗驗證等。

（5）使用現代化工具?？诖鼘嶒炇业膽煤屯茝V需要學生掌握和使用現代化軟件、硬件工具，實現對復雜工程問題的預測與模擬。

（6）工程與社會?；诳诖鼘嶒炇业谋憬菔褂?，學生能合理評價和預測自己專業的部分工程實踐、設計方案等對社會及環境的影響。

（7）個人和團隊。在基于口袋實驗室的團隊作品設計與開發過程中，學生需要在多學科背景下的團隊中扮演好自己的角色，完成自己的任務。

（8）溝通。在團隊合作中，學生需要在團隊間進行有效的溝通和交流，包括任務分工、撰寫設計報告、方案交流、作品答辯等。

（9）終身學習?？诖鼘嶒炇覒弥?，學生需要根據設計需求，自主學習和研究，有效提升不斷學習和適應發展的能力。

由此可以看出，口袋實驗室的建設和發展是實現工程教育專業認證的重要基礎。本文基于現代信息工具設計科學高效的“口袋實驗室”，在NI（National Instrument）公司的MyDAQ平臺上，使用LabVIEW設計開發相關信號處理軟件，是傳統教學方法改革的基礎，將有利于激發學生的學習興趣，培養學生的創新意識，提升學生的動手實踐能力。

2 基于NI MyDAQ的口袋實驗室構建

MyDAQ是由美國國家儀器公司出品，和大學工程類課程結合十分緊密的便攜式設備[7]，即使學生身處實驗室之外，也可以隨時隨地進行學習實踐和創新設計。本文基于MyDAQ設計函數信號發生器、示波器和濾波器、頻譜儀等常用的信號處理虛擬儀器，方便學生在此基礎上進行拓展設計，函數發生器運行結果如圖1所示，示波器和濾波器如圖2所示，頻譜儀運行結果如圖3所示。

從圖1和圖2可以看出，函數發生器首先產生信號，由數據采集卡MyDAQ采集后在設計的虛擬示波器上顯示。仿真結果表明，本文設計的函數信號發生器可以產生標準的正弦波、方波、三角波和鋸齒波，頻率變化范圍為0～5 kHz，幅值變化范圍為0～10 V。圖2是示波器和濾波器的前面板，示波器不僅能夠對波形進行顯示，還可以自適應調節坐標系的橫軸、縱軸和采樣信息等。本文設計的濾波器包含低通、帶通、高通、帶阻等常見的濾波模式，可以自適應調節截止頻率等參數。示波器和濾波器功能完善，能夠代替實驗室的部分實體儀器。由圖3可以看出，函數發生器產生信號為100 Hz的正弦波，頻譜儀顯示在100 Hz處有一個譜峰，準確地反映出了函數信號的頻率成分。

3 結 語

本文完成了口袋實驗室對工程教育認證中標準畢業要求的支撐情況分析，并基于NI MyDAQ構建了信號處理口袋實驗室，設計了函數信號發生器、示波器、濾波器、頻譜儀等常見的信號處理儀器，能夠為理論和實驗教學方法改革提供基礎，為學生日常的軟硬件開發、設計和研究提供便捷的平臺，有利于進一步促進學生創新實踐能力的提高。

參 考 文 獻

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[3]朱永東，葉玉嘉.美國工程教育專業認證標準研究[J].現代大學教育，2009（3）：46-50.

[4]劉艷，秦昌明.“口袋”實驗室在物聯網工程實驗教學中的應用[J].實驗技術與管理，2015，32（8）：212-215.

[5]姜志鵬，陳正宇，史金芬，等.應用型功課院?！翱诖鼘嶒炇摇迸囵B模式探索[J].統計與管理，2015（10）：173-174.

[6]姜志鵬，陳正宇，閻浩.基于“口袋實驗室”的實踐教學模式實施方法[J].物聯網技術，2015，5（9）：98-99.

[7]伍杰，周辰笛.基于LabVIEW和MyDAQ的虛擬信號處理儀器設計[J].電子測試，2017（16）：28-30.

[8]畢家駒.中國工程專業認證進入穩步發展階段[J].高教發展與評估，2009（1）：3-5.

[9]羅正祥.工程教育專業認證及其對高校實踐教學的影響[J].實驗室研究與探索，2008（6）：1-3.

[10]劉寶，任濤，李貞剛.面向工程教育專業認證的自動化國家特色專業改革與建設[J].高等工程教育研究，2016（6）：48-52.