可重構(gòu)虛擬儀器測試技術(shù)教學(xué)平臺(tái)

1 引言

測試技術(shù)是我國高校工科專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，隨專業(yè)不同課程內(nèi)容和名稱略有變化，如測試技術(shù)、機(jī)械工程測試技術(shù)、熱能與動(dòng)力工程測試技術(shù)等。除應(yīng)用背景不同外，這些課程的教學(xué)內(nèi)容基本相同，主要介紹溫度、力、噪聲等常見物理量的測量原理和測試信號(hào)的分析方法。目前，測試技術(shù)課程教學(xué)中存在的主要問題是傳感器部分在課堂上教學(xué)沒有實(shí)物對象，各種不同的傳感器在學(xué)生看來都是一樣的，相似的原理介紹讓他們覺得枯燥、乏味；而信號(hào)分析理論部分則過于深?yuàn)W，學(xué)生很難理解。 針對這些問題，我們，提出以虛擬儀器演示實(shí)驗(yàn)和工程案例為主線的測試技術(shù)課程可視化教學(xué)法；具體做法是選擇若干傳感器，用測量實(shí)驗(yàn)來呈現(xiàn)傳感器工作原理；選擇若干測量儀器分析功能，用虛擬儀器技術(shù)來展現(xiàn)信號(hào)分析的作用；選擇若干工程案例，結(jié)合案例來介紹測試技術(shù)在工業(yè)中的應(yīng)用情況。用實(shí)驗(yàn)和工程案例給枯燥的內(nèi)容以活力、給抽象的理論以形象，改變單一的書本式教學(xué)模式，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和積極性，提高教學(xué)質(zhì)量。

　　對測試技術(shù)課程教學(xué)來說，最理想的方式是將課堂放在實(shí)驗(yàn)室，教師一邊講解理論、一邊操作測試儀器，但這并不現(xiàn)實(shí)。為解決課堂上實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境的營造問題，我們利用承擔(dān)的國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“面向制造業(yè)的可重構(gòu)測量理論”中研制的可重構(gòu)虛擬儀器技術(shù)，針對測試技術(shù)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要，開發(fā)了一個(gè)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的可重構(gòu)虛擬儀器實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)（Dynamic Reconfigurable Virtual Instrument Platform）。并按照教學(xué)知識(shí)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了30多個(gè)實(shí)驗(yàn)，形成一個(gè)虛擬儀器實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境。教師在課堂上可以借助虛擬儀器演示實(shí)驗(yàn)使知識(shí)點(diǎn)可視化和動(dòng)起來，活躍課堂氣氛；學(xué)生在課后則可以用虛擬儀器實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證所學(xué)理論，加深對知識(shí)的理解。DRVI已在我們承擔(dān)的本科生《工程測試技術(shù)基礎(chǔ)》國家精品課程和《工程測試與信息處理》國家精品課程(網(wǎng)絡(luò))中使用多年，教學(xué)效果良好。目前，國內(nèi)已有約150多所大學(xué)采用該平臺(tái)進(jìn)行測試技術(shù)類課程教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)，取得了良好的社會(huì)效益。

2 針對教學(xué)應(yīng)用的設(shè)計(jì)考慮

　　教學(xué)用虛擬儀器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和科研、工業(yè)用虛擬儀器平臺(tái)在技術(shù)上有其共性，但也有其特殊需求。例如，必須易學(xué)、易用；應(yīng)當(dāng)便于安裝、攜帶；便于組織教學(xué)和知識(shí)點(diǎn)演示等。功能的完善和強(qiáng)大不是設(shè)計(jì)時(shí)追求的主要目標(biāo)。

2.1 軟件面包板模塊化插接裝配環(huán)境

　　在硬件電路實(shí)驗(yàn)中，教師、學(xué)生常用面包板來連接電子元件和構(gòu)造實(shí)驗(yàn)電路。在面包板上有許多插接電子元件的小孔，將元件的管腳插接在小孔中就可以利用面包板快速搭建出一個(gè)簡單的實(shí)驗(yàn)電路，十分方便。借鑒其概念，我們用計(jì)算機(jī)進(jìn)程間通信的管道來模擬軟導(dǎo)線，再用含一組軟導(dǎo)線的容器構(gòu)件來構(gòu)造軟件面包板；然后用管道構(gòu)件將虛擬儀器功能封裝為便于插接的軟元件，從而構(gòu)造出一個(gè)類似硬件面包板的適合于教學(xué)應(yīng)用的虛擬儀器插接裝配開發(fā)環(huán)境。應(yīng)用時(shí)，教師和學(xué)生可以象搭積木一樣在軟件面包板上快速拼裝出虛擬儀器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。圖1是虛擬儀器軟件面包板的結(jié)構(gòu)。
　
　　系統(tǒng)在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上采用構(gòu)件化開發(fā)方式，其優(yōu)點(diǎn)是虛擬儀器實(shí)驗(yàn)開發(fā)過程中不需要編譯、連接環(huán)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)軟元件的即插即用和熱插拔，便于教師、學(xué)生動(dòng)手操作、嘗試；另外，可以將虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)的體積做的很小。例如，DRVI平臺(tái)大小不到5M，同時(shí)是綠色免安裝。教師、學(xué)生可以方便的用U盤將其拷貝到教室、宿舍等場所的計(jì)算機(jī)上使用。