基于NI ELVIS Ⅲ的虚拟仪器课程教学探讨

任海霞 李志斌 夏飞

摘要：《虚拟仪器》课程采用NI ELVISⅢ多功能虚拟仪器教学装置，根据教学内容的连续化、开放化、层次化的特点，不断改进教学方法，引导学生自主学习，使学生能够熟练应用LabVIEW开发虚拟仪器产品，并提高实践应用能力，以满足现代测量技术发展的需求。

关键词：虚拟仪器;教学内容;教学方法

中图分类号：G642 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）36-0119-02

自20世纪90年代以来，在计算机技术的推动下，以虚拟智能化和网络化测量仪器及测试系统得到了迅猛发展，使得测量仪器虚拟仪器技术是测试技术和计算机技术相结合的产物，融合了测试技术、仪器原理、计算机接口技术以及图形化编程技术，在许多领域有取代传统仪器的趋势，成为当代仪器发展的一个重要方向。以图形化软件编程方法和集成开发环境为标志的虚拟仪器开发环境是虚拟仪器研究的重要内容，也是虚拟仪器技术应用与发展的技术基础。美国国家仪器公司（NI）的创新产品LabVIEW是目前应用最为广泛的虚拟仪器软件开发环境。基于项目制设计的虚拟仪器课程，可以覆盖各种工程信号（热力学，机械信号等）数据采集，并利用LabVIEW软件进行信号的处理和分析，同时进行控制和仿真的建模设计，实现多种信号的测控，总线通讯等，以期在加深学生理论理解的同时，提高学生的创新、动手与工程实践能力。

1实验平台介绍

国内外针对本科高年级学生教学实验室（尤其是针对现代测试技术或者测控技术这类综合技术性课程的实验室）的一个趋势是综合性和开放性。具体来说，就是不再追求针对大规模学生同时进行同一内容的实验，而是允许学生根据兴趣选择感兴趣的内容和相应的合适平台开展实验。这样就不需要按照30套的整班规模配备实验平台，而是为学生提供几种平台选择，每种平台的数量可以少一些;或者只是基本平台按照大量配置满足训练需求，而提高性的平台配备多种不同种类，每种数量相对少一些。这样做有一个好处是，在技术发展较快的时代，可以避免大量购买的同一平台过几年完全淘汰，而是可以用轮转式逐渐升级的方式，保持实验室在一部分平台满足基本实验需求的同时，另有一部分平台可以反映技术的最新发展。另外一个大趋势是淘汰单纯为教学设计的实验箱或实验台，而是在教学实验中采用与工业应用技术相通的平台，这样虽然实验平台本身针对教学设计，但是所采用的核心技术与工业界和科研单位的平台相通，学生将来在工作中使用的平台型号虽然不同，学习到的技术基础和系统开发方法却完全适用。而且通过开放平台进行创新性实验，学生可以得到更多实践能力方面的锻炼。

在和NI合作的基础上，采用ELIVIS+LabVIEW的11套打包配置，电机和电力电子作为单项各加一套。NI ELVIS Ⅲ是一个多学科实验平台，结合NI LabVIEW以及不同的插板可完成电子電路、控制、通信、信号处理、嵌入式设计等学科实验，可以使实验室投入发挥最大效益;同时基于NI ELVIS的硬件资源和LabVIEW软件的强大功能，在课程设计等教学环节中结合不同学科背景，可以使学生融会贯通，也符合当今宽口径人才培养的教学改革思路。QNET机电一体化（传感器）训练设计;机电类传感器理论实验是面向QNET直流电极控制训练设计;电机控制教学应用于经典和现代控制理论的电机实验;QNET En-ergy Conversion电力功率电子面向Energy Conversion电力功率电子教学，应用于电力实验。平衡小车面向科创、研究生课程和毕业设计课题等。

2教学内容的特点

虚拟仪器课程的特点是知识覆盖面广、实践性强，反映当前白动检测与控制技术的发展方向，是我校测控技术与仪器专业必修的一门专业课程。本课程的教学内容不仅有理论教学，还有实践教学。仅仅依靠教材、实验指导书或者固定的实践项目，不能满足众多学生的不同水平、层次的需求。这就需要根据每一班级学生的具体情况，不断改进教学方法、创新教学模式[1]。

（1）教学内容的连续化

在大学的学习过程中，不能单一针对某门课程学习，学完了考完了通过了就忘完了，要让学生对其先学课程和后续课程都有所了解，前后贯通，激发学生自主学习。该课程在我校测控技术与仪器专业的学习过程中起着非常重要的作用，它既是前期基础课：与电子技术、检测技术、微型计算机原理、测控联网技术、测控仪器设计与制作技术、计算机测控技术等课程综合，又是实践教学环节：毕业设计重要基础课。

虚拟仪器的教学内容多，理论教学包括基础的虚拟仪器的概念、组成结构和LabVIEW的基本操作及编程，提高部分是动态程序控制、网络通信等，实践部分包括上机操作和实践项目[2]。内容之间看似离散，但是相互之间都有所关联，比如温度采集与报警系统，在理论教学的基础上实现编程上机仿真通过，在实验平台上采用热敏电阻等电子元件进行实物验证，最后使用工业生产过程中的Ptl00热电阻等进行工程应用设计。

（2）教学内容的开放化

单纯依靠课堂的上课教授、上机调试和实验操作，是无法学好本课程，甚至连Labview都不能熟练使用，学生必须课外自学。教师会在每一节课上都留有至少一道作业题，作为过程化考核的一个环节，要求学生必须完成。教师在布置作业时会根据学生的反馈进行修改;上机操作时，学生可以采取不同的方法实现;实验时，可以自行设计实验方案;实践项目可以根据自己的兴趣在教师的指导下确定题目并执行等。注重发挥学生个人的思维能力和创造能力，让学生结合自己的兴趣自己设计题目。

除此以外，鼓励学生利用课余时间参与教师相关项目科研研究工作，从而培养学生的自学能力和创造力。一方面是教师们的科研课题，让学生更多地参与进来，看自身能力和特长能够完成哪一阶段的任务，可以和毕业设计结合起来，有充足的时间进行更深入的研究;另一方面是与校外专家合作，比如上海华依科技集团股份有限公司，可针对汽车进行各种参数测试。这样所进行的实践与现实联系，有应用背景，也有一定先进性，而不是闭门造车，既可锻炼提高学生的实践能力，又可使学生了解科研工作和工程应用的主要环节或过程。

（3）教学内容的层次化

分为基础训练、应用训练和综合训练三个层面。

学生在完成基本训练——上机熟练使用Labview编程的基础上，可以利用NI ELVIS Ⅲ进行应用训练。让学生不仅仅是连线、加电、读取实验数据，还要结合电子电路知识，亲自动手构建基本的检测系统，加大学生自由发挥的空间，提高实际动手能力。在综合训练中，测控对象或参数均为工业现场常用的设备和参数或者是对他们进行小型化和简化处理而得到，再加上与之配套的工业用传感器。通过这些实验设备，使学生能够认知生产实际、感知生产实际，真正了解工程控制系统的基本构成情况，有效地达到实验教学的目的。

3教学方法的改进

为了学好这门课程，仅仅采用讲课——实验——大作业的教学方法，无法提高学生学习的积极性与主动性。但本课程如果缺少学生的深度参与，必将无法达到理想的教学效果，所以有必要对《虚拟仪器》课程的教学方法进行讨论。

基于LabVIEW设计的虚拟实验平台是通过以“软”代“硬”的方式，充分利用LabVIEW丰富的软件资源和计算机的硬件资源，利用LabVIEW编程效率高，易于修改的特性进行设计。减少了对硬件仪器的依赖，节省了教学经费，同时可直接应用于多媒体教学中，把对学生独立思考能力、动手能力和创新能力的培养融合到课堂教学中。针对测控综合实践，智能仪器仪表，自动控制原理，运动控制，图像处理，测控设计与制作技术，测控联网与仪器总线等课程，全面铺开，扩展ELVIS的不同课程实验板卡，构建多学科交叉的新工科教学实验室，加强设备共享和利用;引入NI的学生科创平台如机器人套件TetrixmyRIO套件等，促进学生创新项目和科技实践比赛等需求。

采取項目驱动方法：该方法是本课程教学的总体方法，在授课之前提出于课程内容相关工程项目，以实际演示的方式，首先让学生直观感受虚拟仪器的应用，然后通过对项目进行分解获得相关知识和技能模块。通过这样的方法可以引起学生的学习兴趣，避免从课本到课本的教授方法。

目前的时代是一个快速发展的时代，为了跟上时代的发展，使课程和实际结合更加紧密，课程组教师将不断加强自身和课程相关的能力培养，积极参加和课程相关的研讨活动，提高教学和实践素养，同时也请校外专家讲座介绍工程实践经验以及技术进展，让学生能够接触到最新的信息和资讯。

在互联网+的年代，教育也需要和互联网相结合，本课程通过将部分教学内容和实践中经常遇到的问题录制视频的方式，提供更加灵活多样的学习方式。

4结束语

基于NI ELVIS Ⅲ的实验平台不仅可完成虚拟仪器课程实验，而且能提供面向设计、原型、发布应用的统一平台，可以完成从原型设计到系统部署之间的所有工作，从而将教学与科研、理论知识与实际工业应用无缝衔接。《虚拟仪器》课程通过不同教学方法和教学内容的尝试，培养学生动手操作和实践创新能力，解决理论教学与实践相互脱节的问题，避免出现学生只会读书而实践能力缺乏的高分低能情况。

参考文献：

[1]钱声强，李晴.“虚拟仪器应用技术”课程教学改革探讨[J].职教通讯，2013（33）：17-18.

[2]周小凤，肖俊生.虚拟仪器课程教学方法探索与实践[J].中国电力教育，2013（22）：150-151.

【通联编辑：代影】

收稿日期：2019-07 -25

基金项目：该文系上海电力大学重点核心课程建设-20183135 -虚拟仪器的研究成果

作者简介：任海霞（1974-），女，浙江宁波人，上海电力大学自动化工程学院，副教授，博士，主要研究方向为自动化装置、光通信等。