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摘要：测控技术与仪器专业设置的专业综合实验课是本专业理论教学的一个重要辅助环节。为了提高专业综合实验教学的综合性、开放性和灵活性，适应现代实验教学的需要，通过对测控专业培养方案的分析，提出了将虚拟仪器技术应用于实验教学的思路，并通过专业综合实验教学改革实践，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。通过两届学生的实践发现融入虚拟仪器技术的专业综合实验更拓宽了实验范围，使实验体系层次化、实验内容灵活化，能全面训练学生的综合能力，达到了良好的实验效果。
关键词：虚拟仪器；综合实验；实验教学；教学改革
一、专业综合实验改革的重要性
作为测量和仪器科学领域唯一的本科专业，测控技术与仪器专业的课程包括传感器技术、信号检测、信号分析与处理、测试技术、自动控制技术等，几乎包含了从信号的获取、放大、传输、处理、应用和控制的全过程。目前测控技术与仪器专业已经发展成为当今信息科学技术学科领域的重要分支，是研究信息的获取和预处理，以及对相关要素进行控制的理论与技术；是集机、光、电、自动控制技术、计算机技术与信息技术多学科相互融合和渗透而形成的一门高新技术密集型综合学科。专业综合实验课程是测控技术与仪器专业的一门独立设课的必修课，它集计算机技术、传感器技术、光电检测技术、信息处理技术与控制技术等于一身，通过相应的综合实践环节，使学生的计算机能力、设计能力、创新能力、工程实践能力等综合能力和素质得到强化和全面发展。可以说，专业综合实验是对本专业学生专业课程的一次串联，因此，专业综合实验课程教学改革的重要目标之一就是将传统的“验证性实验教学模式”改为“结合实际应用的设计、综合性实验模式”，重点培养学生的学习兴趣和综合设计能力，提高学生的应用水平，培养适应社会需求的人才。为了加强实验的实践效果，本文提出了将虚拟仪器技术应用于专业综合实验教学，不仅拓宽了实验范围，更丰富了实验教学内容，使实验内容灵活化、层次化，解决了传统实验中存在的各种问题，为培养教育工作者为学生的综合素质和综合能力创造了有利条件。
二、传统专业综合实验存在的主要问题
1.实验内容单一，验证性实验学时多，测控专业的专业综合实验教学的目标是培养本专业学生对大学所学专业知识的应用能力、动手能力及综合设计能力。教师预先设计好实验内容，甚至预先编写好程序，学生只要按照实验指导书的步骤进行操作，按部就班完成相关实验内容，其实验环节设计简单，实验内容缺乏综合性和设计性，各实验之间缺乏系统性和相关性，远远不能很好地把所学的专业课程进行有效的串联，无法让学生获得系统完整的实践综合设计技能训练，束缚了学生的创造力，学生不能够得到综合的实践训练。
2.实验内容与就业需求联系不紧密。专业综合实验，旧的培养方案设定的实验项目主要注重光机等几何量的测量，基本停留在计算机模拟仿真上。很多学生在学校时成绩很好，理论知识掌握得很系统，可到了工作中却发挥不了作用，主要是因为学生没有更多的机会和自由进行综合性、设计性实验，实验内容与学生就业需求联系不紧密，使得学生动手能力和实践能力得不到很好的锻炼，严重影响学生的工程实践能力。
3.实验设备陈旧，设备数量少。原先专业综合实验的设备主要是基于80年代建校时设置的精密仪器专业需求购进的光学仪器，设备台套数少，开设计的实验仅限于几何量的检测，与目前本专业的培养方案的测、控等要求相差甚远。另一部分虚拟仪器设计只能在装有LabVIEW软件的计算机上照着试验指导书作一下验证，学生实验的内容远远与社会需求脱节。由于设备的原因，实验内容严重受到硬件条件限制，这严重影响到实践效果。
三、虚拟仪器在专业综合实验中实施的优势（基于虚拟仪器技术的实验教学改革探讨）
1.虚拟仪器技术。虚拟仪器是美国国家仪器公司于1986年提出的一种新型仪器，它将传统的测量仪器硬件软件化，利用计算机系统强大的数据处理能力，在基本硬件的支持下，软件平台可以完成传统仪器需要硬件完成的部分功能，利用软件可以完成数据的采集、控制、数据分析和处理以及测试结果的显示等，通过软、硬件的配合可以实现传统仪器的各种功能。虚拟仪器系统能够最大降低系统成本，增加系统功能及灵活性，用户可以根据自己的需求在计算机平台上任意定义和设计系统功能，其核心技术是虚拟仪器软件。LabVIEW（Lab virtual Instrument Engineering Workbench）是NI公司自1986年开始推出的实验室虚拟仪器工程平台，它是具有图形化编程的开发平台和运行平台，集成了大量的生成图形界面模板，并有丰富的数值分析、数字信号处理功能，以及多种硬件设备驱动功能，广泛应用于理论教学、原理研究、工程设计等领域。利用LabVIEW可以方便地建立自己的虚拟仪器，使用图形编程的方式可以节省大约80%的程序开发时间，其图形化的界面使得编程及使用过程都生动有趣。
2.虚拟仪器技术应用于专业综合实验。专业综合实验教学改革旨在从被控对象到传感器信号获取、信号采集、信号分析和处理、反馈控制的一体化整体解决方案，为学生提供丰富的工程测控对象和各种可供选择的实验方案，同时还必须有良好的扩展功能以适应学生不同的需求，通过对多门专业知识的串联，加强学生对所学知识的综合运用能力。2009年以前，由于受较陈旧的传统实验设备的限制，为期两周的专业综合实验分两部分，一部分以基于机、光、电进行的几何量测量各类实验为主，另一部分只局限LabVIEW纯软件仿真性、验证性实验项目，这远远不能很好地把所学的专业课程进行有效的串联，学生也不能够得到综合的实践训练。2009年以后，依托共建实验室购买的新设备，借助测控专业实践教学环节的教学改革，以虚拟仪器为主，利用多功能转子实验台、位移工作台、直线距离和位移运动实验台、环形输送线实验台上的各类传感器，进行基于机、光、电、计算机的测量、检测实验。实验改革完善的过程，如图1所示。
改革后的试验项目如图2所示。首先设置一部分少学时，让学生熟悉LabVIEW软件，并设计一些综合性的应用程序，能够借助数据采集卡完成数据采集任务。在这个基础上，大部分学时是综合设计性的实验。学生可以根据自己的系统设计要求，依据被控对象自行选择传感器，对所有来自传感器检测到的信号或者直接由信号发生器产生的各种信号，经过预处理，都可以由NI数据采集卡的输入通道完成数据采集，虚拟仪器软件LabVIEW进行程序设计，对所采集到的数据进行数据处理，可以实现信号的存储、显示等功能，再通过NI数据采集卡的输出通道对被控对象进行控制。这样改革后使学生能够从信号的发生、采集、处理、显示及控制整体的系统设计得到训练，真正使学生的计算机能力、设计能力、创新能力、工程实践能力等综合能力和素质得到强化和全面发展，适应目前社会岗位的需求。
以其中一个实验项目——超声波测距实验为例说明改革后的实验过程。借助位移工作台上的超声波传感器，其输出信号通过PCI-6221数据采集板卡送入装有虚拟仪器软件的上位机平台，通过软件编程，实现对距离信号的测量、处理、存储和显示。超声波测距LabVIEW程序前后面板设计如图3所示。
图3?摇超声波测距LabVIEW程序前后面板
利用运动控制台使障碍物移动一段距离，点击“运行”，出现距离监测界面窗口，点击“停止”，测得距离为118.974mm，如图4所示。
图4?摇距离监测界面
3.专业综合实验教学改革的效果。（1）能够做到所有实践环节串联进行，使学生实践能力能够进行循序渐进、全面综合的锻炼和提高。通过对测控专业培养方案的分析，改善了实验教学，在有限的教学资源下将虚拟仪器技术的强大功能应用于专业综合实验教学中，进行立体化实验，变抽象思维为形象思维，不仅锻炼了学生应用虚拟仪器软件进行编程的能力，而且对传感器技术、虚拟仪器、工程测试技术、信号采集与处理、传感器的原理与自动控制原理等多门课程的知识点综合到一起，把所学知识串联起来，通过对现有实验教学平台的改革，重新对实验内容和教学方法进行设置，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）紧密结合实际应用，提高学生学习兴趣，采用实验对象、传感器和测控手段结合计算机技术构建专业综合实验平台，能够让学生可以接触实际应用中的测控对象，自己动手搭建测控系统并进行综合组合，提高其学习兴趣和认知、动手能力，给学生一个充分发挥自己想象力、创造力和展现才能的空间，有利于提高学生的综合素质。并且借助LabVIEW开发工具良好的人机界面和强大的仿真功能，对于理论性强、概念抽象、难于理解的环节，采用虚拟案例设计及仿真，能够取得事半功倍的效果。
虚拟仪器是现代计算机技术与仪器技术相结合的产物，基于虚拟仪器的专业综合实验满足了测控专业各个实验环节的衔接，能够满足从信号采集到信号调理、数据处理、显示、传送、存储、通讯及控制等各个方面的需求，能够根据学生自己的设计目的随时变换自己的设计方案，将抽象的概念变得清晰明了，增强了学生学习的积极性、主动性和创造性，是学生实验教学的一个方向。
参考文献：
[1]邬华芝，周祥才.测控技术与仪器专业应用型人才培养研究与实践[J].常州工学院学报，2004，（8）：74-77.
[2]魏宏波.基于虚拟仪器技术的实验教学改革探讨[J].中国现代教育装备，2009，（11）：92-94.
[3]何成平.虚拟仪器技术在辅助教学中的应用.常州轻工职业技术学院学报，2009，（3）：23-29.
课题项目：校级教改项目：加强实践教学，提高学生综合能力——关于测控专业实践教学环节改革的探讨（YB09-15）
关键词：虚拟仪器；综合实验；实验教学；教学改革
一、专业综合实验改革的重要性
作为测量和仪器科学领域唯一的本科专业，测控技术与仪器专业的课程包括传感器技术、信号检测、信号分析与处理、测试技术、自动控制技术等，几乎包含了从信号的获取、放大、传输、处理、应用和控制的全过程。目前测控技术与仪器专业已经发展成为当今信息科学技术学科领域的重要分支，是研究信息的获取和预处理，以及对相关要素进行控制的理论与技术；是集机、光、电、自动控制技术、计算机技术与信息技术多学科相互融合和渗透而形成的一门高新技术密集型综合学科。专业综合实验课程是测控技术与仪器专业的一门独立设课的必修课，它集计算机技术、传感器技术、光电检测技术、信息处理技术与控制技术等于一身，通过相应的综合实践环节，使学生的计算机能力、设计能力、创新能力、工程实践能力等综合能力和素质得到强化和全面发展。可以说，专业综合实验是对本专业学生专业课程的一次串联，因此，专业综合实验课程教学改革的重要目标之一就是将传统的“验证性实验教学模式”改为“结合实际应用的设计、综合性实验模式”，重点培养学生的学习兴趣和综合设计能力，提高学生的应用水平，培养适应社会需求的人才。为了加强实验的实践效果，本文提出了将虚拟仪器技术应用于专业综合实验教学，不仅拓宽了实验范围，更丰富了实验教学内容，使实验内容灵活化、层次化，解决了传统实验中存在的各种问题，为培养教育工作者为学生的综合素质和综合能力创造了有利条件。
二、传统专业综合实验存在的主要问题
1.实验内容单一，验证性实验学时多，测控专业的专业综合实验教学的目标是培养本专业学生对大学所学专业知识的应用能力、动手能力及综合设计能力。教师预先设计好实验内容，甚至预先编写好程序，学生只要按照实验指导书的步骤进行操作，按部就班完成相关实验内容，其实验环节设计简单，实验内容缺乏综合性和设计性，各实验之间缺乏系统性和相关性，远远不能很好地把所学的专业课程进行有效的串联，无法让学生获得系统完整的实践综合设计技能训练，束缚了学生的创造力，学生不能够得到综合的实践训练。
2.实验内容与就业需求联系不紧密。专业综合实验，旧的培养方案设定的实验项目主要注重光机等几何量的测量，基本停留在计算机模拟仿真上。很多学生在学校时成绩很好，理论知识掌握得很系统，可到了工作中却发挥不了作用，主要是因为学生没有更多的机会和自由进行综合性、设计性实验，实验内容与学生就业需求联系不紧密，使得学生动手能力和实践能力得不到很好的锻炼，严重影响学生的工程实践能力。
3.实验设备陈旧，设备数量少。原先专业综合实验的设备主要是基于80年代建校时设置的精密仪器专业需求购进的光学仪器，设备台套数少，开设计的实验仅限于几何量的检测，与目前本专业的培养方案的测、控等要求相差甚远。另一部分虚拟仪器设计只能在装有LabVIEW软件的计算机上照着试验指导书作一下验证，学生实验的内容远远与社会需求脱节。由于设备的原因，实验内容严重受到硬件条件限制，这严重影响到实践效果。
三、虚拟仪器在专业综合实验中实施的优势（基于虚拟仪器技术的实验教学改革探讨）
1.虚拟仪器技术。虚拟仪器是美国国家仪器公司于1986年提出的一种新型仪器，它将传统的测量仪器硬件软件化，利用计算机系统强大的数据处理能力，在基本硬件的支持下，软件平台可以完成传统仪器需要硬件完成的部分功能，利用软件可以完成数据的采集、控制、数据分析和处理以及测试结果的显示等，通过软、硬件的配合可以实现传统仪器的各种功能。虚拟仪器系统能够最大降低系统成本，增加系统功能及灵活性，用户可以根据自己的需求在计算机平台上任意定义和设计系统功能，其核心技术是虚拟仪器软件。LabVIEW（Lab virtual Instrument Engineering Workbench）是NI公司自1986年开始推出的实验室虚拟仪器工程平台，它是具有图形化编程的开发平台和运行平台，集成了大量的生成图形界面模板，并有丰富的数值分析、数字信号处理功能，以及多种硬件设备驱动功能，广泛应用于理论教学、原理研究、工程设计等领域。利用LabVIEW可以方便地建立自己的虚拟仪器，使用图形编程的方式可以节省大约80%的程序开发时间，其图形化的界面使得编程及使用过程都生动有趣。
2.虚拟仪器技术应用于专业综合实验。专业综合实验教学改革旨在从被控对象到传感器信号获取、信号采集、信号分析和处理、反馈控制的一体化整体解决方案，为学生提供丰富的工程测控对象和各种可供选择的实验方案，同时还必须有良好的扩展功能以适应学生不同的需求，通过对多门专业知识的串联，加强学生对所学知识的综合运用能力。2009年以前，由于受较陈旧的传统实验设备的限制，为期两周的专业综合实验分两部分，一部分以基于机、光、电进行的几何量测量各类实验为主，另一部分只局限LabVIEW纯软件仿真性、验证性实验项目，这远远不能很好地把所学的专业课程进行有效的串联，学生也不能够得到综合的实践训练。2009年以后，依托共建实验室购买的新设备，借助测控专业实践教学环节的教学改革，以虚拟仪器为主，利用多功能转子实验台、位移工作台、直线距离和位移运动实验台、环形输送线实验台上的各类传感器，进行基于机、光、电、计算机的测量、检测实验。实验改革完善的过程，如图1所示。
改革后的试验项目如图2所示。首先设置一部分少学时，让学生熟悉LabVIEW软件，并设计一些综合性的应用程序，能够借助数据采集卡完成数据采集任务。在这个基础上，大部分学时是综合设计性的实验。学生可以根据自己的系统设计要求，依据被控对象自行选择传感器，对所有来自传感器检测到的信号或者直接由信号发生器产生的各种信号，经过预处理，都可以由NI数据采集卡的输入通道完成数据采集，虚拟仪器软件LabVIEW进行程序设计，对所采集到的数据进行数据处理，可以实现信号的存储、显示等功能，再通过NI数据采集卡的输出通道对被控对象进行控制。这样改革后使学生能够从信号的发生、采集、处理、显示及控制整体的系统设计得到训练，真正使学生的计算机能力、设计能力、创新能力、工程实践能力等综合能力和素质得到强化和全面发展，适应目前社会岗位的需求。
以其中一个实验项目——超声波测距实验为例说明改革后的实验过程。借助位移工作台上的超声波传感器，其输出信号通过PCI-6221数据采集板卡送入装有虚拟仪器软件的上位机平台，通过软件编程，实现对距离信号的测量、处理、存储和显示。超声波测距LabVIEW程序前后面板设计如图3所示。
图3?摇超声波测距LabVIEW程序前后面板
利用运动控制台使障碍物移动一段距离，点击“运行”，出现距离监测界面窗口，点击“停止”，测得距离为118.974mm，如图4所示。
图4?摇距离监测界面
3.专业综合实验教学改革的效果。（1）能够做到所有实践环节串联进行，使学生实践能力能够进行循序渐进、全面综合的锻炼和提高。通过对测控专业培养方案的分析，改善了实验教学，在有限的教学资源下将虚拟仪器技术的强大功能应用于专业综合实验教学中，进行立体化实验，变抽象思维为形象思维，不仅锻炼了学生应用虚拟仪器软件进行编程的能力，而且对传感器技术、虚拟仪器、工程测试技术、信号采集与处理、传感器的原理与自动控制原理等多门课程的知识点综合到一起，把所学知识串联起来，通过对现有实验教学平台的改革，重新对实验内容和教学方法进行设置，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）紧密结合实际应用，提高学生学习兴趣，采用实验对象、传感器和测控手段结合计算机技术构建专业综合实验平台，能够让学生可以接触实际应用中的测控对象，自己动手搭建测控系统并进行综合组合，提高其学习兴趣和认知、动手能力，给学生一个充分发挥自己想象力、创造力和展现才能的空间，有利于提高学生的综合素质。并且借助LabVIEW开发工具良好的人机界面和强大的仿真功能，对于理论性强、概念抽象、难于理解的环节，采用虚拟案例设计及仿真，能够取得事半功倍的效果。
虚拟仪器是现代计算机技术与仪器技术相结合的产物，基于虚拟仪器的专业综合实验满足了测控专业各个实验环节的衔接，能够满足从信号采集到信号调理、数据处理、显示、传送、存储、通讯及控制等各个方面的需求，能够根据学生自己的设计目的随时变换自己的设计方案，将抽象的概念变得清晰明了，增强了学生学习的积极性、主动性和创造性，是学生实验教学的一个方向。
参考文献：
[1]邬华芝，周祥才.测控技术与仪器专业应用型人才培养研究与实践[J].常州工学院学报，2004，（8）：74-77.
[2]魏宏波.基于虚拟仪器技术的实验教学改革探讨[J].中国现代教育装备，2009，（11）：92-94.
[3]何成平.虚拟仪器技术在辅助教学中的应用.常州轻工职业技术学院学报，2009，（3）：23-29.
课题项目：校级教改项目：加强实践教学，提高学生综合能力——关于测控专业实践教学环节改革的探讨（YB09-15）