基于虚拟仪器技术的实验教学改革探讨

摘 要:实验是教学中的一个重要环节,为了提高实验教学的开放性和灵活性,适应现代实验教学的需要,通过对实验教学现状的分析,提出了将虚拟仪器技术应用于实验教学的思路,并通过实验教学改革实践探讨了将虚拟仪器技术应用于实验教学的优势,分析了实验教学改革的效果。通过分析发现将虚拟仪器技术应用于实验教学,不仅拓展了实验范围和空间,而且能够发挥学生的主动性和创造性,是实验教学的一个重要发展方向。

关键词:探讨 实验教学 改革 虚拟仪器技术

随着科技的进步,社会对高校学生提出了新的要求,不仅要求学生有扎实的理论功底,而且要有较强的动手能力。然而,近几年来随着高校招生规模的不断扩大,在校学生的人数与日俱增,面对如此众多的学生,如何保证教学质量成为各大高校面临的主要问题。学生规模的增加对理论教学的影响不是非常明显,但对实验教学却产生了重要的影响。人数的增加需要实验设备也相应增加和升级,这同落后的、相对数量不足的现有实验设备产生了矛盾,要解决这一矛盾,只有增加实验经费的投资或进行实验教学改革,本文以机械传动效率实验为例探讨将虚拟仪器技术应用于实验教学改革的思路及其优势。

一、实验教学的重要性

知识经济时代对人才提出了新的要求,为了适应社会需求,以培养学生的创新精神和实践能力为重点的素质教育成为各大高校人才培养的主要目标,为了达到这一目标,实验教学担当了重要角色。通过实验教学可以增强学生的动手操作能力和协作精神,培养学生的创新能力。通过实验教学不仅可以加深学生对课堂内容的理解,巩固学到的理论知识,而且能够培养学生理论联系实际的能力和分析问题、解决问题的能力。对于活跃思维、开阔思路、提高创新能力起着积极的作用[1]。因此,加强实验教学是提高教学质量的必然要求,是重要的教学环节。

二、实验教学现状[2～3]

近年来,随着教学改革的不断深入发展以及计算机技术的发展及深入应用,教学条件有了很大的改善,但是由于一些主客观原因,实验教学仍然存在着许多不尽人意的地方,主要表现在以下几个方面:

1.实验教学地位重视不足

现在高校普遍存在的问题是重课堂教学而忽视实验教学,学生大多数时间都在进行理论学习。实验是理论的验证和进一步深化,特别是工科学生,如果没有足够的实验就像是纸上谈兵,学生对所学知识没有一个感性认识,从而不会有创造的灵感和基础。

2.实验设施不能满足实验需求

在实验设施方面的不足主要表现在:一方面,现在实验室大多采用是一些传统的实验仪器与设备,这些仪器与设备功能单一、技术落后、通用性很差,不能适应学科的发展。另一方面,不断扩大的学生数量与现有的实验设备数量之间的矛盾已经非常明显,许多普通院校都没有足够的经费购置大量的实验设备,如何在不降低教学质量的前提下使学校以最少的经费投资达到最优的教学效果,保证每个学生都有机会很好地完成实验教学成了许多高校面临的重要问题。

3.实验环节设计的功能单一、适应面窄,不利于发挥学生的创造性

有许多实验设计不很合理,验证性实验太多,学生只能按照实验指导书上的步骤和内容去做,不利于发挥学生的主观能动性和创造性。如何把学生推到实验主体的位置上,充分挖掘和发挥学生的主动性和创造性,引导他们向自己的未知领域迈进,是至关重要的。另外,有些实验太专,只能针对某一课程而不能兼顾其他课程达到综合训练的效果。

4.实验资源不能有效利用,开放程度较差,管理维护不便

传统的实验设备具有固定的硬件构成,只能进行特定的实验项目和实验操作,当需要增加新的功能时就需要更新硬件或者购买新的实验设备,投资较大,而且系统不便维护。

因此,如何改革实验教学,使学生能够利用最先进的技术去积极主动地学习,培养学生的创造性思维,提高实验教学质量是每个高校都面临的问题,探讨新的实验教学方法和手段是目前教育形式的必然要求,是“全面推进素质教育,以培养学生的创新精神和实践能力为重点”的教学指导思想得以落实的必然途径。

三、实验教学改革实践

1.虚拟仪器技术及其优势

虚拟仪器(Virtual Instruments,简称VI)的概念,是美国国家仪器公司于1986年提出的。虚拟仪器技术最核心的思想,就是利用计算机的硬/软件资源,使本来需要硬件实现的技术软件化,以便最大限度地降低系统成本,增强系统的功能与灵活性,真正体现了“软件就是仪器(The software is the instrument)”的口号。虚拟仪器是以通用计算机为核心的硬件平台,用户可根据自己的需要通过编制不同的测试软件来构成各种功能的测试系统,其中许多硬件功能可直接由软件实现,系统具有极强的通用性和多功能性。虚拟仪器应用软件集成了仪器的所有采集、控制、数据分析、结果输出和用户界面等功能,使传统仪器的某些硬件乃至整个仪器都被计算机软件所代替[3]。所以软件是整个系统的关键,当基本硬件确定以后,就可以通过不同的软件实现不同的功能。它突破了传统仪器在数据处理、显示存储等方面的限制,实现了部分仪器硬件的软件化,增加了系统的灵活性。应用虚拟仪器技术不仅能够降低系统的开发与维护费用,而且能够节省综合系统的组建时间。同时,友好的人机交互界面技术使人感觉像操控真实的仪器一样,具有身临其境的感受,另外,其方便的网络功能,能够实现资源共享。

2.虚拟仪器技术及其应用于实验教学的实例

下面以我系机械系统创意组合及参数可视化分析实验台的实验教学改革为例,探讨虚拟仪器技术在实验教学中的应用,以期为实验教学改革提供思路。

(1)现有实验系统结构及其不足

现有实验台整体结构如图1所示:

本实验台主要由驱动装置、传动装置、模拟加载装置等部分组成。实验系统提供有各种标准硬件模块,包括模块化的传动部分(联轴器、轴承、离合器、变载荷以及减速器、带、链、三角带轮、链轮库等组成)、驱动源及模拟负载。其布置形式可呈平面和空间两种形式。在实验时学生可以根据需要按一定的形式组合成不同的机械传动系统[4～6]。

该实验台是以单片机作为数据采集前端,主要完成机械传动效率的测定。实验台由软件和硬件组成,实验功能的扩展不仅包括硬件的改变而且包括软件的功能升级,该实验台的主要不足在于:

①实验台上位机软件采用VB开发而成,而我系学生没有开设该门课程,所以学生只能按该软件现有功能来完成实验任务,不利于学生进行二次开发。

②实验台虽然具有一定的开放性,使学生能够自己完成传动部分的设计和组装,但是开放程度不够,例如数据采集部分采用单片机,驱动采用直流电机等。但实际上,数据采集可以有多种方式,比如采用PC-DAQ方式采集数据,驱动部分还可以用步进电机或其它类型的电机。

③没有实现网络实验,不能达到资源共享。

(2)虚拟仪器技术引入实验教学的改革

通过对实验台的分析,为了改善实验教学,将虚拟仪器技术引入实验教学中,对现有实验教学平台进行了改善,实验系统方案如图2所示。在实验系统软件上设计了如图3所示七大功能模块,使学生能够利用实验系统提供的实验指南及帮助功能模块自己动手设计并组装传动系统,并利用LabVIEW软件对实验功能进行进一步扩展。

本实验系统从以下几个方面改善了实验教学:

①引进了虚拟仪器技术,使学生进行二次开发成为可能。由于虚拟仪器软件目前在各工科院校已普遍开展,学生具备一定的开发能力,特别是LabVIEW是一种图形编程语言,简单易学,形象生动,因此,选择虚拟仪器软件LabVIEW作为上位机开发软件,当实验系统硬件发生改变或者增加新的功能时,只需要修改现在软件功能模块或者增加新的软件功能模块即可,非常方便。

②为学生提供更大的开放空间。学生可以尝试采用不同的驱动源和数据采集方式,负载及执行部分除了以磁粉制动器作为模拟负载外,还可以利用学生的毕业设计或者课程设计作更深入的设计,例如设计由传动装置直接驱动的连杆机构或者其它执行装置,并进一步对连杆机构进行运动和动力分析,从而使实验台不仅能完成机械传动效率的测试,而且能够进行动态负载特性和系统机械特性分析,进一步扩展后还可以完成对其他机构的运动和动力分析,使实验范围和功能得到极大的扩展。

③引进了组件技术和模块化设计理念。本实验系统利用ActiveX控件技术和LabVIEW提供的测试专用函数或控件设计了数据处理组件、报表生成与处理组件、数据采集组件、仪器面板组件及网络组件。数据采集组件将各种硬件仪器的驱动程序模块封装在组件中,当测试要求改变需要更换新的仪器硬件时,只需更新相应的驱动程序模块,并且保证它对上层的接口保持不变,那么新的仪器硬件就能在原来的系统中正常运行。数据分析与处理组件封装有常用的数据处理方法,仪器面板组件可以将更加形象的面板以组件形式封装,报表生成与处理组件封装有不同的报表格式及其生成方式,网络组件主要针对不同的网络协议下的网络功能进行封装。将所有这些组件组成组件库与典型测试任务数据库、测试数据信息数据库及其他相关数据库一起放入数据库,在实验时就可以根据不同的测试任务、不同的硬件模块和不同的功能要求选择相应的组件进行实验系统的搭建。当实验方案发生变化,需要完成另外的测试任务时,只需对典型测试任务库和需要扩充的组件进行任务添加,或者对原来组件库的组件进行适当的修改,则仍然能够使用这些组件构成新的实验系统。因此,利用这些组件使学生可以像堆积木一样能够快速地搭建实验系统,进行实验功能的扩展[7-9]。

④增加了网络实验功能。LabVIEW在网络应用方面具有强大的优势,LabVIEW5.1及以后的版本集成了各种通信协议,提供了丰富的网络化组件,通过LabVIEW可以不需要了解任何网络协议就能编写复杂的分子式应用程序,它提供了多种网络通信方式供用户灵活选择。例如可以通过读写远程计算机的文件实现数据共享,也可以通过VI服务器来调用或控制远程VI[10]。本实验室通过Remote Panel技术对网络实验进行了初步改革(如图4所示),为学生在远程客户端利用浏览器打开的实验台界面,利用LabVIEW的Remote Panels不仅可以观看,而且可以在LabVIEW的环境中或浏览器上加以控制。打破了学生必须在实验室做实验的实验模式,只要有网络就能实验,从而达到了资源共享,有效利用了实验室的现有设备。

3.实验教学改革的效果

(1)强化了不同的理论知识间的联系,锻炼了学生的综合实践能力

将虚拟仪器技术应用于上述实验教学中,使学生不仅锻炼了学生应用虚拟仪器软件进行编程的能力,而且该实验有到了传感器技术、机械设计及机械原理等众多课程的内容,通过对该实验台的改革,达到了综合运用学生所学专业知识进行综合实践能力训练的目的。

(2)充分发挥了学生的主观能动性

实验台所采用的开放式结构,使实验灵活多样,给学生留下很大的创造空间,学生可以按照自己的思路进行发挥,从而激发了学生的求知欲,提高了学习兴趣,发挥了学生的主观能动性。

(3)实现了资源共享,提高了实验设备的利用率。

四、结束语

实验教学改革是一项长期的工作,它需要与时俱进,需要不断地探索。虚拟仪器技术应用于实验教学是现在各大高校都在研究的焦点,是实验教学发展的趋势。

参考文献

[1]李耀刚,石国英,王宏志.改革实验教学 培养创新能力[J].实验室研究与探索,2007(11):92-94

[2]曾秋菊.试论高校实验教学的问题与对策[J].中国现代教育装备,2005(9):48-49

[3]魏宏波.基于虚拟仪器技术的测控教学实验室的构建[J].仪器仪表用户,2008(1):108-109

[4] JZCS-III型机械系统创意组合及参数可视化分析实验台使用说明书[M].湖南:长沙嘉锐科技发展有限公司.2000

[5]周又平,梅长彤.虚拟仪器教学实验平台在电子技术类课程的应用[J].实验技术与管理2006(3)73-75.

[6]邓晓红.虚拟仪器在实验教学中的运用[J].机床与液压,2004(8)148-149.

[7]施寿生,党裕民.虚拟仪器技术与实验教学应用探究[J].乐山师范学院学报,2004(12):43-46

[8]魏宏波.组件化虚拟仪器技术在实验教学中的应用研究[J].中国现代教育装备,2008(5):115-117

[9]万相奎,秦树人.组件技术与虚拟仪器的开发[J].中国机械工程,2004(2):143-145

[10]陈锡辉,张银鸿. LabVIEW 8.20程序设计从入门到精通[M].北京:清华大学出版社,2007(9)