可重構(gòu)虛擬儀器測試技術(shù)教學(xué)平臺

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；而信號分析理論部分則過于深奧，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驗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，用測量實驗來呈現(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。用實驗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驗室，教師一邊講解理論、一邊操作測試儀器，但這并不現(xiàn)實。為解決課堂上實驗教學(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)課程實驗教學(xué)需要，開發(fā)了一個自主知識產(chǎn)權(quán)的可重構(gòu)虛擬儀器實驗教學(xué)平臺（Dynamic Reconfigurable Virtual Instrument Platform）。并按照教學(xué)知識點，設(shè)計了30多個實驗，形成一個虛擬儀器實驗教學(xué)環(huán)境。教師在課堂上可以借助虛擬儀器演示實驗使知識點可視化和動起來，活躍課堂氣氛；學(xué)生在課后則可以用虛擬儀器實驗驗證所學(xué)理論，加深對知識的理解。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)采用該平臺進(jìn)行測試技術(shù)類課程教學(xué)和實驗教學(xué)，取得了良好的社會效益。

2 針對教學(xué)應(yīng)用的設(shè)計考慮

　　教學(xué)用虛擬儀器實驗平臺和科研、工業(yè)用虛擬儀器平臺在技術(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)和知識點演示等。功能的完善和強(qiáng)大不是設(shè)計時追求的主要目標(biāo)。

2.1 軟件面包板模塊化插接裝配環(huán)境

　　在硬件電路實驗中，教師、學(xué)生常用面包板來連接電子元件和構(gòu)造實驗電路。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簡單的實驗電路，十分方便。借鑒其概念，我們用計算機(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，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驗系統(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)實現(xiàn)上采用構(gòu)件化開發(fā)方式，其優(yōu)點是虛擬儀器實驗開發(fā)過程中不需要編譯、連接環(huán)節(jié)，可以實現(xiàn)軟元件的即插即用和熱插拔，便于教師、學(xué)生動手操作、嘗試；另外，可以將虛擬儀器開發(fā)平臺的體積做的很小。例如，DRVI平臺大小不到5M，同時是綠色免安裝。教師、學(xué)生可以方便的用U盤將其拷貝到教室、宿舍等場所的計算機(jī)上使用。