基于虚拟仪器仿真的测控课堂实验演示教学方法研究

姚建南　蒋玉强

摘要：课堂实验演示在高等教育特别是实验教学中显现了越来越显著的优势，能给予学生关于相关概念实时的验证和启发。本文探讨了一种基于虚拟仪器技术的模块化测控实验系统的开发与应用。该实验系统主要由模块化电路、数据采集器、PC摄像头和计算机组成，充分发挥了虚拟仪器技术的优势，能使教师在授课过程中使用真实的物理设备实时地解决电路问题，而不是单纯地讲解理论原理，有效地帮助了学生理解问题，符合工程专业学生传统的学习模式，对激发学生学习兴趣和创新思维起到了积极作用。

关键词：虚拟仿真；实验演示；测控；教学方法

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）25-0276-03

一、引言

对于工科类大学生来说，传统的课堂教学方法主要是概念理解，比如严谨的数学计算或数值模拟。然而对大多数学生来说，在日常经验和思考中掌握概念是不容易的。这时，通过课堂实验来展示效果的教学策略能帮助他们更深入了解教学的理论知识。与实验室实验不同，直观的课堂演示可以给概念理论及时地提供验证或启发。它不仅有助于学生对讲课题目进行直观的理解和推理，还可以以恰当的科学实验方法和先进的仪器技术来作为更复杂实验的背景的实验技能。传统的实验装置通常比较复杂且体积庞大，只适合在实验室内使用，但是通过虚拟仪器技术，便可以将仪器展示在课堂演示实验中。美国国家仪器公司开发了一种称为ELVIS（Electronics Laboratory Virtual Instrument Suite）的装置，该装置通过模数转换器将实时电路连接到电脑上，然后电脑上的虚拟仪器就可以实时显示电路的测量结果。因为硬件电路可以通过PCMCIA总线连接到个人电脑上，所以可以将硬件电路的测量结果同时投影到现有的课堂视频系统。因此，教师能够实时地使用真实的物理电路来讲解电路问题的解决方法。它已被证明是一种有效的辅助传统授课为基础的教学。同样利用虚拟仪器技术，LI Wenlian发明的一种装置也已经应用在实时演示物理实验、电子技术实验、电气自动控制原理实验等课程中。

在相对较大的教室中，即使实验结果能够利用虚拟仪器以波形数据读出并利用现有的视频投影系统进行投影，但仍难以确保全班都可以清楚地看到实验流程、操作步骤和相关现象。由于显示距离不足，操作的示范效果难以保证，在设备中引入照相系统是解决该问题的办法之一。将相机嵌入虚拟仪器中可以实现实验动态操作的形象化。这种方法提供了实验的全面可见性和有效性，很好地迎合了主流的视觉学习方式。

从上面可以看出，虚拟仪器是实时实验演示仪的核心部分。对于每一个授课主题，实验结构和电路是不同的，需要灵活的配置，因此，模块化的电路概念被引入到设备中。本文提出了一种具有摄像功能和模块化电路的新型仪器，用于课堂实验演示。该原型系统已应用于相关专业课程的实时演示。结果表明，实时演示对大多数学生产生了积极的影响，同时教师对课堂上应用该仪器所取得的进步感到非常满意。

二、硬件组成

模块化测控实验系统由以下四个硬件组成：

（1）USB总线形式的数据采集卡。（2）PC相机。（3）带固定和可变电源的实验板，小线路板和插板孔。（4）模块化电路板。

数据采集卡和摄像头安装在实验板上。可拆卸的模块化电路板可离线填充，并通过与锥形塞孔配合的自锁插头插入底座单元进行测量。它有电气外部连接器，实现接收或发送信号到外部设备，可被教师用于更具有灵活性主题的电路实验。为考虑便携性，将整个装置的平面尺寸设计为A4纸大小。

1.数据采集。ADC卡的封装为系统提供了可靠的数据流模式。当然，最高采样频率受ADC卡的配置。该卡包括以下I/O信号和内部能力：8个模拟输入通道、2个模拟输出通道、8个数字输入输出线路、1个计数器/定时器。

2.模拟电路。易于安装的模块化电路板可分为两种类型。一种是常用的信号调理模块电路，可实现放大、滤波、电流/电压转换、信号产生等功能。另一种是特定传感器的专用电路或者传感器，如全桥应变计，可用于以应变仪的测试原理和电桥电路特性为主题的授课中。

三、虚拟仪器

虚拟仪器（VI）技术充分利用了先进的计算机技术和仪器技术，取代了传统的测量技术。灵活的功能和配置，使用方便，数据采集能力强，是课堂教学演示中教师指导的理想辅助工具。该系统在图形化编辑环境下采用Labview平台开发虚拟仪器做示范。由于Labview应用软件能为数据采集、信号处理和硬件驱动等提供了丰富的函数库和工具箱，使虚拟仪器技术尽可能被容易使用。演示系统的软件包包括大约10个标准的虚拟仪器工具箱，能提供全面的测试、测量和数据保存能力，包括：任意波形发生器、数字万用表、示波器、动态信号分析仪。该仪器系统的主要优点是，它结合了一些主要的测量仪器到一个设备，减少了运输设备到课堂的困难。为了给实验的动态行为提供可视化，可以将摄像机嵌入到标准的虚拟仪器中。结合系统模块电路，软件包还配备了各种课程很多事先写好的实验。这些实验是精心设计的旨在让学生了解某些与实际工业应用类似的具有友好、集成的用户界面的测量和测试系统的配置和功能。

四、应用

在南通大学的测试类课程中，该系统已经进行了学生课堂的实时演示。该课程一共进行了四次课堂演示，应变片测量是其中一个典型应用。

1.演示主题。粘贴式应變片是最常用的应变测量传感器，通常情况下，当它被规范地安装到测量物体上后，测量物体上应变与其电阻变化成正相关关系。为了测量电阻的微小变化，应变片常用于带有电压源的电桥电路中。如图1所示，一个应变片安装在电桥受拉的一侧（R0+ΔR），另一个安装在受压一侧（R0-ΔR）。图1所示的这种半桥结构，其输出电压与应变成正比。

对于电阻和电桥电路电压的微小变化，需要对信号进行适当的信号调理，例如放大、滤波、偏移和校准。

2.教学目标。正式的教学目标：在这堂课结束时，学生将能够了解粘接式金属应变计的基本原理和基本特点。使用运算放大器来设计和分析电路，以确保精确的应变测量。学习应变测量的基本方法和结构及其应用。

3.演示过程。在实验演示前，教师应对实验原理、示意图和接线图进行分析。通过虚拟仪器面板的视屏显示，展示给学生看模块电路的电气连接过程。应变测量的结果如图2和3所示。当一个标准件放在傳感器束方形盘中时，测量结果如图2所示，图3为空盘的测量结果。实验操作过程可通过虚拟仪器面板中显示。

学生们通过在虚拟仪器面板的电压指示可以看出真实物理测量设备的测量结果的显示具有不确定性，比如电压偏移和波动。这与最初平衡电桥在没有施加应变或者输出电压保持恒定值时产生的零输出的数学方程有很大的不同。这些不确定性能给学生提出质疑和思考的机会，在提出问题的原因时，还提出了解决这些问题的方法。例如，测量电压波动来自于噪声环境、励磁电源波动或者高电压引起的金属应变仪自发热。从图4中可以看出，将低通滤波模块电路用于放大模块电路连接，电压波动会相应减少。

失调电压通常由实际过程中电阻容差和放大过程产生。处理这种偏移电压通常有两种方法，一种是用特殊的调零偏置电路来调整电阻桥平衡桥零输出，另一种是软件补偿。后者简单、快速，不需要手动调整，但是不能消除电桥偏移量，一旦偏移量足够大，测量的动态范围就会受限。图5给出了软件补偿和校准函数的综合实验界面。

在实践中，结合理论讲解对学生进行实时可视化演示的教学模式，更适合他们的学习过程和模式。因此，演示并不是一个孤立的验证实验，是从实际出发的，而不只是概念性的，是授课过程中一个重要的组成部分。它有助于学生主动思考，成为自主的学习者。

4.演示评估。课程结束，学生被要求填写一份调查问卷。这份问卷包括一些人口统计学和开放式的问题。这些问题主要是评估使用课堂实验和演示装置对学生掌握学习内容的程度和兴趣的影响。几乎所有的学生都对课堂实验演示的引入给予了积极的评价。与传统的讲课形式相比，动手演示能创造出一种使讲师成为“同学”的情境，使学习变得更有趣。95%的学生认为通过摄像机进行实验过程的视觉获取是演示装置中不可缺少的一部分，而另一些学生认为摄像机的图片应该显示在虚拟仪器外。90%的学生对演示器的模块电路结构很满意，因为这使得连接工作省时、方便。

五、结论

最后，该演示装置已被证明是对本科生课堂授课的有效辅助装置，具有实时可视化的效果。由于所有的组成部分都是具有物理意义的，伴随着不确定性，而不是理想化的。学生和教师都对将这种设备添加到教室中所实现的改进感到非常满意。通过在虚拟仪器界面中使用摄像头，学生可以看到演示过程，创造了一个实时思考和学习的环境。此外，对于不同系统结构和授课主题，模块化电路配置使得演示转置具有更好的灵活性。然而，在教室里使用演示仪器也有一些缺点。首先，从上面图片的失真情况可以看出，虚拟仪器的失真效果取决于PC相机的质量。其次，由于一些实验电路需要安装在电路板上，导致该系统的功率和灵活性受到数据采集卡和模块化电路的限制，所以测量范围和精度受到限制。

参考文献：

[1]D.Tougaw，NationalInstruments Records a Hit with ELVIS，Computingin Science and Engineering，2003：10-12.

[2]Li Wenlian，An Experiment Study on the Inquiry-based Teaching of the Transient Process of R C Circuit，Physics experiments，2003：23-25.

[3]Felder，R.M，Woods，D.R，Stice，J.E，The Future of Engineering Education：Teaching Methods That Work，Chemical Engineering Education，vol 34，2000：26-39.