基于CDIO理念的虚拟仪器技术及应用课程教学改革探讨

2022-10-13 06:15曹丽英王跃李春东汪飞
科技资讯 2022年20期
关键词:虚拟仪器研究生教学模式

曹丽英 王跃 李春东 汪飞

(内蒙古科技大学机械工程学院 内蒙古包头 014010)

虚拟仪器技术的概念由美国NI(National Instruments)公司所独创,明确提出了“软件就是仪器”的设计理念,并在1986 年推出了一款图形化编程软件LabVIEW。NI 开放的图形化软件和模块化硬件,帮助工程师革命性地改变了整个产品的设计周期中的工作方式。随着LabVIEW的日益发达,其使用范畴也早已经涵盖了工业自动化、监测计量、图像处理、嵌入式应用、运动控制技术、计算机模拟仿真等领域,并已经成为众多院校、企业和研究所科学研发的重要手段[1]。

在国外,KANMANI B[2]建议演示LabVIEW 模拟平台的使用,以帮助研究生理解数字通信的概念。邹大鹏等人基于“融合性教学”的思想,探讨机械工程测量与试验技术(本科生教材)、机械工程测试信息、信号分析(研究生教材)等与虚拟仪器技术的有机结合,建立了计算机辅助教学系统,取得了良好的效果[3]。林聪等人在将虚拟仪器技术引入课堂,引导学生基于LabVIEW 软件编写上位机并用于嵌入式课程设计中[4]。目前,已经有越来越多的高校建立了虚拟实验室,采用虚拟仪器作为理工科学生的实验课程。

1 该课程针对硕士研究生教学的目的与意义

《虚拟仪器技术及应用》是该校机械类专业研究生开设的一门涵盖多种学科知识的课程,它不仅包含了机械测控、信号处理等知识的运用,还包含了通信基础、自动化控制、计算机软件开发等技术,是培养当今社会复合型人才的重要课程。

研究生教育使精英教育,教学的目的是为了培养具有一定研发研究能力的人才。这就迫切要求研究生课程进行改革。而虚拟仪器技术及应用的教学内容比较灵活,涵盖范围广,能够开拓学生的视野,开放学生的思维,这对其进行科学研究具有重要意义。

虚拟仪器技术对机械工程专业研究生教学以及实验有着传统教学无法比拟的优势,是对传统课堂的数字化延伸,其具有可视化、直观化,且沉浸感强的独特优点,有助于学生更好地理解掌握基本的概念和原理,提升学生的创新实践能力。

2 课程教学模式

目前,我国研究生教育基本上还是秉承了本科阶段的教学模式,即任课教师将书本知识单向灌输给学生,而学生只能被动接受的传统教学模式[5]。这种教学模式的中心在于课本和课堂,主体在于任课教师,这会削弱学生上课的积极性。研究生课程不同于本科生课程,教师必须训练研究生深度思考的能力、创新意识及沟通表达能力,所以任课教师不再是教学核心,更多的时间应该用于学生自己探索,使学生在有限的时间内完成对理论知识和实验内容的深入理解,而教师在课堂中只充当一个主导者的角色。

为了改变传统教学模式,课程建设小组借鉴CDIO教学理念。CDIO 代表构思(Conceive)、设计(Design0、实现(Implement)和运行(Operate),是由美国麻省理工学院和瑞典几所大学在2004年共同创立,经过十几年的发展更新,已经逐步成熟[6]。这种教学模式能够让学生以自主的、积极的、把课程理论联系到实际运用中的方式学习和培养工程应用能力。鉴于机械类硕士研究生课程教学内容过于理论化,缺乏实践环节[7],课程建设小组借鉴CDIO理念,以课题组实际工程项目组成教学案例,采用虚拟仪器技术、LabVIEW 仿真手段,使学生能够更好地理解和掌握所学的理论知识,通过完成案例,使研究生提升工程应用能力和解决实际困难的能力,增强了自信心。

在原有的课程基础上,课程建设小组融合CDIO教学理念,又增加了时长2 周的课程设计实践环节。在对学生整个实验项目的设计、组织和实践等过程中进行引导,使学生能够自主完成。

3 教学方法

3.1 授课模式

围绕LabVIEW 课程教学进度,从基础的数据类型、程序结构为开始,逐步深入至设备的连接以及模拟和数据量的数据采集、分析、处理和显示等。

采用“主体性教学”授课模式,始终以发挥学生的主体性为出发点和着力点,老师从旁协助,使学生对知识的理解更加深刻,调动学生学习的积极性,提高学习效率。具体教学方式为,老师提前安排该节课学习内容,并安排一名学生作为主讲人,提前预习学习内容,完成课后LabVIEW相关模块的练习。课堂上,由任课教师简单说明该节课程学习内容,然后由主讲人开始讲解该堂学习内容,使用LabVIEW软件进行图形化编程,熟悉控制面板和各模块功能的使用,搭建的虚拟仪器控制系统等,理解并增强同学的动手能力,之后由学生对主讲人所述内容进行提问,增强台下同学的思考能力及台上同学的讲解能力。在学生们相互讨论之后,由授课教师做最后总结并解答比较有争议的问题。

3.2 结合项目教学

从构思、设计、实现和运作这4 个方面完成实践任务。

给学生一个项目名称以及要求,让学生以3~5 人为一个小组,每组由他们自己推选组长,组长进行任务分配,充分动员每个组员的积极性,发散思维,构思出一个的可行性方案。授课教师根据方案给出合理的意见和建议。比如:“空调恒温控制系统的设计与实现”,需要小组成员分工完成虚拟仪器控制面板的设计,温度采集电路的设计,单片机的程序编写,LabVIEW 与单片机的通信连接等工作。接下来就是实现,学生可以用LabVIEW 和Proteus 仿真软件来模拟,实现利用LabVIEW 的控制面板进行温度的设计和采集等功能。在实现之后每个小组都要做一个PPT,推选一位成员进行讲解,同其他小组进行经验交流分享。通过项目式的学习方法,可以真正地培养一个研究生的团队协作能力、沟通表达能力、在工程实践中遇到问题解决问题的能力。

3.3 大作业考核

针对各研究生课题组项目背景差异大,学习目的性强,我们摒弃了传统的试卷考查形式,采用大作业考核。考核内容有两个方向:一是根据学生课题研究方向,自己选择一个小项目,通过虚拟仪器技术Labview,基本完成这个项目;二是理论应与实践并重。在经过第一学期学习其他研究生学位课程(如机械振动学、现代控制理论、现代监测理论与技术)之后,学生可选取课堂上讲解的理论要点、数学模型等,在LabVIEW 环境中实现模拟。

在学期的最后的两个课时内,每位同学以“PPT演讲+LabVIEW 软件操作”的形式,完成期末作业。老师根据学生语言表达、项目难度、完成度等进行期末成绩打分。

4 教学案例设计

4.1 饲料加工自动化生产线远程监测控制系统

在LabVIEW 中,设计人机交互界面(HMI)是很方便的。它可以代替自动化生产线中常用的触摸屏、现场控制器、报警指示灯等设备,大大降低了成本,并使操作者远离现场嘈杂的环境,仅用一台计算机就可实现远程在线控制[8]。

该系统主要以西门子200 SMART PLC 控制器为核心,LabVIEW 做上位机,具体如图1、图2 所示,实现螺旋给料机的自动喂料,粉碎机状态的实时监测及打包装置的自动控制,具有现场监测和报警的功能。系统分为三层网络架构,分别为计算机、PLC和变频器与驱动器。LabVIEW 主要负责编写监测控制程序,通过内置NI OPC SERVES 附加软件与PLC 通信,进行数据交换。PLC 作为执行机构,向安川V1000 变频器和雷赛CL86步进电机驱动器发送级调速控制命令,具体见图3,控制喂料机和粉碎机电机的实时转速,以达到最佳工作匹配状态。其中PLC 和变频器采用Modbus RTU通信协议。

图1 虚拟实验控制系统前面板

图2 数据采集与存储程序截图

图3 PLC通信调试程序截图

该案例可以使学生掌握LabVIEW 基本的编程方法、计算机使用技巧、基本的通信概念,使学生了解常用的工业控制器[9]。

4.2 多传感器的数据采集及融合算法仿真

在饲料加工过程中,粉碎机的负荷控制十分重要。对于一台粉碎机,存在着一个最佳的喂料量,此喂料量主要决定于物料的性质。如果喂料量超过最佳设定值,会出现物料粉碎不均,粉碎周期长;若小于最佳设定值,粉碎机产量就不高。为解决这一问题,需要对粉碎机粉碎室内的负荷进行实时监测,调控喂料量。

利用NI公司的数据采集卡USB-6212采集粉碎机的重要参数,比如电机电流I、电机转速N、出料口瞬时流量等,能够反映电机负荷大小的物理参数,通过多传感器数据融合方法,得到一个较为精确的电机载荷信号F。这些方法有卡尔曼滤波、自适应加权数据融合、Bayes估计、概率论方法、模糊逻辑、神经网络等。学生可以找一种与自己课题相关的方法进行探究,然后用LabVIEW 得到仿真结果。该案例可以将课程运用到日常科研项目和科研活动中。

5 教学效果总结与分析

虚拟仪器技术及应用作为机械类专业的课程,对于拓展学生视野,培养学生研究能力具有重要的作用。通过把CDIO 理念引入课堂,以课题案例为主线,采用“老师辅助引导,学生作为主体”的授课形式,打破了传统“灌输式”的教学模式。在授课课时不变并增加实践环节的情况下,通过实际工程项目,激发了学生自主学习的兴趣。通过小组分工,提升了学生沟通表达、团队协作以及动手实践的能力。开放式的考核形式也培养了学生独立思考、创新实践能力。

以上实践结果表明,基于CDIO理念的虚拟仪器及技术教学改革取得了良好的效果。

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