关键词：虚拟技术；仿真；测绘工程；实践教学
1常用虚拟技术
1.1虚拟仪器技术
虚拟仪器是基于计算机强大的数据存储、处理和显示能力，利用软件编程，模拟仪器各项功能，通过友好互动的图形界面让使用者在计算机上操作就像使用仪器操作一样。目前世界上最著名的3个虚拟仪器开发平台是LabWindows/CVI，Labview和HPVEE，也有学者利用3dmax，Unity3D等三维模型软件构建模拟三维虚拟仪器。
1.2虚拟现实技术
虚拟现实技术是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统。它主要是利用计算生成所设定的三维立体虚拟环境或物体，使用人体感知技术将人类的思维、动作、感觉等经过三维交互设备与计算机交互反应，让人有身临其境的真实感觉。虚拟现实技术是现今仿真研究领域的前沿和热门，应用范围遍及各行各业。
1.3虚拟地理环境
虚拟地理环境是一类以地理特征、地理规律为本源，以地理感知、地理分析为目的，利用网络、计算机、虚拟现实等技术构建的开放式地理环境及空间［2］。虚拟地理环境技术涉及计算机、地理学、认知科学、GIS、RS、网络技术和虚拟现实技术，是对现实三维或四维地理环境的认知、抽象和模拟。
2虚拟技术测绘在实践教学中的应用形式
2.1虚拟测绘设备
测绘工程常用的仪器有全站仪、GPS接收机、水准仪、测距仪、平板仪等，种类繁多。不同厂家生产导致同种仪器型号众多。测绘仪器价格昂贵，动辄上千元，甚至上万元、几十万元。高校作为一个教学单位，很难在仪器上经常性地投入大笔资金。因此，采用虚拟仪器技术模拟各类物理仪器，学生可以通过计算机随时学习各类测绘仪器操作。通过虚拟测绘仪器实践教学，学生在接触物理仪器前，已经比较熟悉仪器操作，这样在实际操作物理仪器时就会避免不合理地操作，从而大幅减少仪器的损坏率。虚拟测绘仪器的制作可通过3种方式：（1）利用3dmax，Unity3D等三维建模软件模拟各类实体测绘仪器，生成测绘仪器三维模型，利用开发软件实现仪器模拟操作、语音告知等功能。这种方式最为简单，功能也最弱；（2）利用Labview虚拟仪器开发平台和计算机物理元件等，开发半软件、半物理的虚拟测绘仪器。这种方式较难，功能有所增强；（3）采用虚拟现实技术，利用虚拟设备，完全模拟测绘仪器操作过程。这种方式很难，真实性最强，功能也最多，使用者有最真实的感受。
2.2虚拟实习环境
测绘工程师经常会在野外工作，工作环境复杂，有城市、乡村，有山地、平原；工作任务也多样，有道路、桥梁，有地铁、煤矿等等。学生在大学学习过程中除了在校外实习基地能有简单的野外测绘机会，很难在毕业前经历多样的工作环境和工作任务。利用虚拟地理环境技术、GIS技术等，在计算机中构建各类三维地理环境和三维工作场所，让学生体验在复杂环境下如何进行项目测量，完整、真实地学习测绘项目。
2.3测绘工程虚拟仿真实验室
如果资金、技术和人才能够得到保证，建设测绘工程虚拟仿真实验室能从根本上改变测绘工程专业实践教学模式。测绘工程虚拟仿真实验室是利用虚拟教学技术开发的测绘工程项目实践模拟系统。从系统组成上，这个系统包括测绘工程虚拟现实应用开发平台、高性能图像生产及处理系统、虚拟三维显示系统、虚拟现实交互系统和集成应用控制系统。从内容上，这个系统包括仪器操作、各类工程项目实施、大地测量等。
3虚拟技术对实践教学模式的影响
3.1测绘工程专业传统实践教学模式
测绘工程专业的传统实践教学模式主要是围绕理论学习，以仪器操作为手段，建立起校内和校外实践教学体系。校内实习主要包括课内仪器操作和学期仪器操作，实习地点在高校校园内，其中，课内仪器操作是在教师讲授理论课后，按照课程教学安排仪器使用。校外实习是指在校外实习基地进行较长时间的仪器操作。传统的实践教学模式可以用“课上讲理论，课下将就练”来总结。测绘工程专业传统的实践教学模式是将实践教学环节从属于课堂理论教学，实践教学是为了配合理论教学，基本是属于解释型实践教学，是为了让学生更好地理解理论教学内容。另外，由于传统的实践教学主要是学生操作测绘仪器，但是由于测绘仪器较少，很难做到人手一台，且一个教师面对几十个学生，导致教师很难将实践教学内容传授给每一个学生，学生接触仪器的时间也很短，很难真正掌握实践教学内容。另外，测绘仪器价格较高，类型较多，学生很难接触到新款测绘仪器。学生由于操作不熟练导致仪器损坏，更加剧了仪器数和学生数的差距。这些都导致学生对仪器了解少，操作少，动手能力差。
3.2基于虚拟技术的新实践教学模式
基于虚拟技术的新实践教学模式是以实践为核心，理论教学围绕着实践展开，建立“虚拟实践教学+物理实践教学”教学模式。教师在课堂上利用虚拟技术讲授实践教学内容，并用理论解释，学生在课堂上既可以观看教师采用虚拟技术讲授的实践过程，也可以亲自动手模拟演练。在虚拟实践教学环节完成后，学生就可以操作真正的物理仪器，再一次熟悉实践过程。基于虚拟技术的新实践教学模式可以打破传统的实践教学无法课堂讲授的情况，把实践教学也搬到课堂上，让实践教学课上课下都可以进行，打破时间对实践教学的束缚。新实践教学模式也可以打破地域限制。由于场地和经费的限制，大学生很难接触到多样的工作环境和工作场景，通过虚拟技术，学生就可以在各类工作环境和工作场景中实习锻炼。新实践教学模式可以真正实现课程学习以实践教学为核心，激发学生的学习热情和主动性，提高学生的操作能力和实践能力，尽量避免“高分低能”现象的出现。
4结语
虚拟技术在测绘工程专业实践教学中的应用将会改变传统的测绘工程专业实践教学模式。它具有节省资金、更新快、全天候、全方位的特点，可以在很大程度上克服传统实践教学模式自身的缺陷，利用高新技术补齐高校传统教学模式在实践教学环节上的短板，具有很好的发展前景和利用价值。
参考文献
［1］王志新，张华，黎永明.虚拟技术及其应用［J］.上海理工大学学报，1998（1）：49-54.
一、引言
随着现代计算机和信息技术的不断发展，数字信号处理在当今高科技领域有着极为重要的地位和广泛的用途[1]。然而它的基础课程却处于教难、学更难的境况中，并且，学生即使掌握了理论知识，也很难灵活应用至实践中[2]。调研国内外数字信号处理课程教学，上述问题主要归因于两个方面：一方面是传统的教学形式单一，仅依赖文字帮助理解基本理论[3-5]；数字信号处理课程不同于其他课程，它是基于“高等数学”、“大学物理”等公式和推导较多的学科，理论性强，极具抽象性，有大量的算法和晦涩难懂的基本理论[6]。在课堂教学中教师仅采用Powerpoint软件编制的课件不够直观，许多内容学生很难透彻理解。其次，数字信号处理是适应高速数字集成电路的面市应运而生的，其大量的计算算法适于在计算机上实现，对于人来说则运算量大且烦琐，学生们难以亲手验证，因而经常得不到形象化的结果，使得对理论的理解难以透彻，实际应用中总有一层障碍。另一方面是受限于传统实验室的模式和格局，数字信号处理课程的实验教学环节严重缺失[7-9]；信息类专业课程有很强的实用性，其受众广，且信息量大，然而因实验场地、设备、资金等因素，目前单一的传统实验室已完全不能满足学校完成教学任务，很难开展实验教学，很多院校根本没有配套开设实验教学。然而，实验教学是高等院校培养高素质合格人才的重要实践性环节，在培养学生的实践能力、研究能力、创新能力和综合素质等方面有着其他教学环节所不能替代的独特作用。若学生们缺乏实验教学环节，在实际应用时则会显得有些束手无策，实际动手能力和创新能力也亟待增强。若不能在教学中突破以上两个瓶颈问题――单一的教学形式和传统的实验室建设模式及格局，数字信号处理课程的教学质量和教学效果将大打折扣。
二、虚拟仪器技术在教学应用中的优势
伴随着虚拟仪器技术的发展及其在国内的普及，它可为数字信号处理课程的教学提供新的思路和巨大变化。突破传统教学手段，深入融合虚拟仪器技术，全面创新数字信号处理课程教学方法应运而生[10-11]。虚拟仪器是将现有的计算机技术、软件技术和高性能模块化的硬件结合在一起而建立的功能强大又灵活易变的仪器，其强调硬件是基础，软件是核心，使用者可通过修改软件，方便地修改和增加仪器的功能和规模，性价比高[12]。模块化硬件体积小，便于携带，可“装入”计算机，即能与计算机互联互通。软件开发平台可选择图形化编程语言LabVIEW，它具有功能强大的数据分析函数，可以非常灵活地为教学中的理论知识设计各种虚拟仪器。同时，它也将使用者从复杂的文本编程语言中解脱出来，将重心专注于软件的功能。这使得教师可在很短的时间内开发出虚拟仪器课堂应用，把书本上理论性较强的知识转换成直观性很强的动态图形，加深对理论知识的理解。由于虚拟仪器使用的硬件大多是通用的，各种专业仪器的功能主要依靠软件实现，将虚拟仪器引入至实验教学中，必将大量减少设备经费的支出和节省实验场地的空间，学生们也能感受和应用先进的科学技术和手段，积极主动地学习。因此，根据数字信号处理课程的特点，基于虚拟仪器技术开发虚拟辅助教学软件和构建虚拟实验教学平台，全面创新数字信号处理课程教学方法和体系。这对活跃课堂气氛，增强学生学习兴趣，提升学生基本技能，提高教学质量，巩固教学效果等将具有非常重要的意义。
三、创新课程教学形式，开发虚拟辅助教学软件
虚拟辅助教学软件是基于虚拟仪器技术开发的教学演示子系统。针对数字信号处理课程中许多难以理解的抽象概念与性质，对应每一章的内容相应制作多个精致的演示程序，用丰富而具有动感的彩色图形把课程中疑难之处用生动形象的形式展现出来，使学生加深理解。下面以“窗函数”为例，具体阐述虚拟辅助教学软件如何进行辅助教学。在数字信号处理课程中，为了减少频谱能量泄漏，可采用不同的截取函数对信号进行截短，截断函数称为窗函数，简称为窗。在教学演示子系统中，基于虚拟仪器技术开发出窗函数比较动态演示程序，其前面板和程序框图分别如图1和图2所示。针对同一个信号施加不同的窗函数，让学生观察频域波形的变化，从而体会窗函数的性质和特性。这样动态形象的演示让学生能感性地认识到窗函数之间的不同，加深对窗函数的理解。
从以上应用实例可发现，通过利用虚拟辅助教学软件，不仅能够采用文字和静态图形直观地展示教学内容，还能通过动态图形生动形象地阐述教学内容，更易于学生理解所学内容。采用PPT课件和虚拟辅助教学软件结合授课，教学形式新颖，教学内容生动，教学效果更好。
四、完善课程教学体系，构建虚拟实验教学平台
虚拟仪器使用的硬件大都是通用的，各种专业仪器的差异主要靠软件实现。依托虚拟仪器技术、计算机技术、电子技术和通信技术等，融合多种模块化硬件设备构建高校虚拟实验教学平台，具有无可替代的优势和广阔的发展前景。图3为虚拟实验教学平台架构，由n台计算机及相关硬件如采集卡、信号调理箱、电工实验箱等组成，形成一个局域网，并与校园网连接，方便学生随时随地接入进行实验。
虚拟实验教学平台充分利用虚拟仪器技术和计算机高速计算的优势，给学生提供实用的信号仿真、分析处理、设计等工具，不仅可以快速便捷地得到所需的信号数据或计算结果，而且能把这些结果绘制成图形，给学生以非常形象化的感性认识。数字化的实验结果存储，加上网络传输能力，使实现远程实验教学成为可能，虚拟实验教学平台让实验随时随地进行。整个实验也许只需要一套硬件设备，其他是由软件来实现的，这样可以大大节省实验设备和场地的资金投入，即共享教学设施，节约现实教学资源。虚拟实验教学平台具有灵活、成本低、网络化等特点，在高校的教学乃至科研中将发挥极大的作用。与传统的实验室相比，虚拟实验教学平台的优势主要体现在：（1）传统仪器的功能仅由厂家定义，虚拟仪器在很大程度上功能可由使用者自行定义和设计，便于开展研究性或设计型的实验。（2）各种测量仪器不应当再是彼此相互孤立的，能够与计算机相联，组成一个以一台计算机为中心的测量环境（系统）。（3）计算机进一步组成网络，因而形成一个网络化的仪器与测量环境（系统）。虚拟实验教学平台能够为学生提供高性价比的实验教学条件，让教学环节从课本延伸到实验，加深对理论教学的深入理解，巩固教学成果，培养学生实践动手和创新能力，提高学生技能水平，让学生今后无论是直接就业还是继续深造都更具竞争力。
关键词 机械电子工程专业；虚拟仪器设计；教学改革；
中图分类号：G642.0 文献标识码：B
文章编号：1671-489X（2016）22-0047-02
Teaching Reforms and Practices in Course of Design of Virtual Instrument in Machinery and Electrical Engineering//GENG Qidong， WANG Fuyuan， WANG Jun， LI Chunyan
Abstract The design of virtual instrument is a professional course， because the time of open is too late， the teaching effect is not good. In order to change the status quo， the design of virtual instrument has
been reformed from itself. Respectively from the teaching goal， tea-ching content， teaching methods on the corresponding improvement， finally has obtained a good effect.
Key words machinery and electrical engineering； design of virtual instrument； teaching reforms
1 引言
拟仪器技术是现代计算机技术与仪器技术相结合的产物，它将测量技术、通信技术、信号与数据处理技术、传感器技术等融为一体，在测控领域举足轻重。虚拟仪器技术在教育、交通、通信、工业、农业等各行业也有相应的应用。在短学时、少学时的课程背景条件下，如何提高教学质量及增强学生实践技能，一直是本课程不断改革的方向。
盐城工学院机械工程学院机械电子工程专业从2011年起开设虚拟仪器设计课程，主要讲授虚拟仪器的结构以及LabVIEW软件使用。由于课时较少、硬件设施不全、学生基础薄弱及主动性较差等原因，本门课程的教学效果不佳。从2015年起，虚拟仪器技术教学小组针对本课程的特点，从教学内容、教学方法、教学实验等环节开展教学改革，强化仪器技术的基本概念，增强学生的实践能力。本文将介绍虚拟仪器设计课程教学改革过程及结果。
2 教学目标改革
在以往绝大多数教学中，教学目的以掌握本课程知识为根本。这在很大程度上导致学生学习的目的性不强，为了挣学分而学习、为了拿学分而学习、为了考高分而学习。本门课程的改革首先从教学目的开始，将教学内容引导到学科竞赛及技能认证上。
在教学过程中，将教学内容定位为竞赛服务。从2009级起，本科生教育培养方案中要求学生在校期间完成相应的素质拓展学分。学科竞赛是获得本学分的主要形式，鼓励和引导学生参加虚拟仪器技术的相关竞赛，既可以锻炼能力，也能完成学分要求。
学生在就业过程中，技能认证的证书对于能否成功就业起到非常重要的作用。虚拟仪器设计的学习离不开NI（美国国家仪器公司）开发的相关平台，该公司提供的助理工程师（CLAD）认证是虚拟仪器设计技术水平的一种考量。CLAD认证通过者能够基本熟练地在测试和测量领域应用虚拟仪器设计软件，如LabVIEW、LabWindows/CVI等。CLAD认证的核心是对虚拟仪器开发系统全面和广泛的了解，并能够应用相关知识运行、调试、维护所设计的虚拟仪器模块。拥有此类证书，可以增强学生的就业选择面，提升就业成功率。学生可以在测试及测量等相关领域寻找合适的工作，同时在继续深造方面选择方向也增多。
3 教学内容改革
教学内容在很大程度上决定了学生对本课程的喜爱程度。在实际教学中，往往发现这样的问题，学生总是认为学习本课程没有可用之处。因此，教学改革的重要工作就是对教学内容进行改革。在进行本课程教学前，给学生灌输虚拟仪器技术课程的重要性，同时明确本课程的学习目的。将教学内容定位于学科竞赛及技能认证，在内容上需要进行调整，分为软件学习、软件及硬件结合的项目设计学习和硬件资源学习。
软件方面 LabVIEW是一种程序开发环境，由NI研制开发，类似于C和BASIC开发环境。LabVIEW软件是虚拟仪器设计最为流行的软件，是测试及测量领域的设计核心。在教学中，以学习LabVIEW软件为开始，逐步进入虚拟仪器技术的学习中。首先，熟练安装LabVIEW软件和熟悉软件操作环境；其次，掌握运用基础语言的编程技巧进行初步学习；最后，设计较为综合的虚拟仪器程序。在实际教学中，从虚拟温度计的设计开始，学习VI创建方法、随机数产生方法、输入输出控件使用方法，进一步掌握了VI的创建、数学控件运用、报警、数据记录存储。虚拟温度计设计是一个典型的虚拟仪器设计范例，通过教师课程上演示操作、课程自主学习以及实验中自我体会等形式，最终掌握虚拟仪器设计的基本步骤及原理。
硬件资源 虚拟仪器是由软件和硬件组成的，硬件资源好坏也是虚拟仪器设计成败的关键。现有实验室资源是学生获得的第一手硬件信息，NI提供的硬件资源以各种板卡为主，教学中主要介绍PCI模块、CDIO、SCXI信号调理模块，同时结合NI最新的产品做相关的介绍。NI为各大高校学生参加虚拟仪器设计大赛提供各种设备的租借服务，因此在硬件资源不足的情况下，可以通过此方式尝试使用及掌握相关硬件模块。在实验室中，各个模块的讲解结合实验进行，学生边听讲边实地观察相关设备，有时还进行动手操作，以加强对模块的印象。
综合设计 在软件操作及硬件资源都掌握的基础上进行综合设计。综合设计涉及的知识较多，学生应掌握信号处理技术、传感器技术、控制技术等相关知识。综合设计首先以掌握数据采集卡项目为开始，逐步熟悉虚拟仪器设计步骤及规范，最后以实际项目为考核。
4 教学方法改革
教学方法的优劣决定了教学的效果，改进现有教学方法，增强教学效果，也是教学改革成败的关键。虚拟仪器设计课程教学的重点在于培养学生的实践能力及解决实际问题的能力，引导学生主动学习本门课程比灌输式教学更有效。
采用目标驱动式教学法，首先制定一个合理目标，然后实施教学活动，最后逐步检验目标实现情况并修正目标。整个教学改革分三个阶段。
第一阶段：将现有学时数进行调整，理论课时与实践课时各占一半，主要目的是提高学生动手及实践能力。现阶段的虚拟仪器设计教学内容以理论教学为主，课堂气氛较为沉闷，学生的积极性不高，因此教学效果不好。改变现有学时分配，引导学生主动学习虚拟仪器设计。
第二阶段：要求学生进入虚拟仪器网络论坛初级课程学习，以通过网络初级课程为考核通过标准。在学院资源有限的情况下，充分利用外界资源。利用NI提供的网络平台，组织学生进行学习，从基础课程开始，逐步加深，以通过LabVIEW助理工程师（CLAD）考试为最终目标。同时鼓励学生参加全国虚拟仪器设计大赛，以参赛为目的，锻炼学生的设计能力。
第三阶段：组织考核通过CLAD，目标通过率为5%；组队参加虚拟仪器设计大赛，目标为三等奖。
5 教学改革的意义
长期以来，高等学校的专业教学以应试为目的，注重理论教学而疏忽实践及创新方面的教学。在这样的培养模式下，学生走上工作岗位后，往往存在懂一点儿理论知识，而动手能力弱、毫无创造力的现象。针对这一状况，需要从专业课的教学中做改进。专业课程的教学是学生离开学校前最后接收的知识，这一阶段的教学内容有助于学生认清自身优势。因此，要加强专业课程教学，促进学生理解专业概念，培养创新精神。
虚拟仪器设计课程有一定的特殊性，在实际教学中存在硬件资源不足、软件资源较陈旧的情况。面向学科竞赛和技能认证的目标，旨在改革教学内容、教学方法，使学生能够主动投入该课程的学习之中，利用现有资源，发挥自身的想象力和创造力。在网络时代“人人为我，我为人人”的思想影响下，充分利用现有的网络资源，可以参与各大论坛的学习及交流，参与网络公开课程的学习，参与研讨会的讨论等。
虚拟仪器技术是仪器技术、网络技术、信息技术、传感器技术、控制技术等相融合产生的。该技术一直处于发展之中，虚拟仪器设计课程的教学需要跟随时展的脚步，通过对教学内容、方法、目标进行改革，采用目标推进的方法，逐步实现改革目的。参考文献
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网络教学视频题虚拟仿真实验电子测量仪器一、《电子测量与仪器》网络课程资源建设的特点
1.电类课程的特点
从电子技术的发展来看，电类课程有着自身的一些特点。首先，电类课程的专业知识具有实验性和探索性，甚至是随着科学技术的发展，可能会被新的知识替代。这种技术和知识的更新，在行业中的电子产品上会首先得到体现。实际中，电子产品更新的速度很快。其次，电类课程具有很强的实践性。
2.《电子测量与仪器》网络课程资源建设的特点
结合电类课程专业知识的实验性和探索性，在进行《电子测量与仪器》课程网络资源建设时，宜引入行业中最新的电子测量仪器介绍及其技术讲座，添加相关网络链接、视频和反映技术前沿的文献。结合电类课程很强的实践性，并考虑到网络与电类课程之间的共同点：计算机化，在网络资源应用中，适当地引入虚拟仿真实验。特别是《电子测量与仪器》课程中基于计算机的虚拟仪器技术作为先进的测量技术，使得应用虚拟仪器进行虚拟仿真实验成为可能，电子设计仿真软件NI Multisim很好地做到了这一点。与其它电类课程相比较而言，这是《电子测量与仪器》课程网络资源建设和应用中独有的一个特点。这样，通过最新电子测量仪器、前沿技术和虚拟仿真实验内容的资源建设和应用，以充分发挥网络作为课堂延伸的作用。
二、《电子测量与仪器》网络课程的资源建设
本文基于4A网络教学平台，进行了《电子测量与仪器》网络课程的资源建设。资源建设的基本模块包括课程资源、作业、讨论区、学习活动等。课程资源中包括课程内容、实验内容、常用仪器简介、以及设计常见仪器的芯片资料等，扩展的模块有虚拟仪器、毕业设计等，主要课程资源组织图如图1所示。其中，课程答疑安排在讨论区进行。课程资源呈现的方式有文字、图片、PPT、视频等。根据前述《电子测量与仪器》网络课程资源建设的特点，在网络课程资源建设中还引入了最新的电子测量仪器类产品介绍与讲座类的视频，提供了虚拟仪器前沿技术的参考文献，并设计了选择、应用电子测量仪器的综合性学习活动，即给定测量任务，让学生在NI Multisim软件中加载虚拟仪器进行虚拟仿真实验。为了使学生在课外对课程内容有一个更好的理解，还专门设计了视频题和思考题。
三、仪器产品讲座类视频的合理应用与引导
网络课程作为课堂的延伸，应尽量促进学生自主学习。一方面，学生通过网络课程能对课内的教学内容有更好地理解；另一方面，学生能学到与课内教学内容紧密相关的知识，对课内教学内容进行扩展。结合电类课程专业知识的实验性和探索性，《电子测量与仪器》网络课程引入了仪器产品讲座类视频，其视频内容与课程内容紧密相关，其中包括最新的数字示波器和数字万用表等视频。
下面以数字示波器视频的引入为例。受课内学时数的限制，“数字示波器”的课内教学内容重点讲解数字示波器的原理和测量方法，包括探头的基本应用。而更详细的探头应用及注意事项，则在网络教学平台上通过引入探头视频专题来学习。这拓展了学生学习知识的范围。因为是学生自主学习，在教师不在现场的情况下，仍然应该引导学生学习，所以就视频设计了视频题，让学生观看视频后回答问题，以帮助学生在观看视频的同时思考问题，使学生的自主学习更有效。
“数字示波器”视频有关问题的设计要达到的教学目标是：使学生掌握探头的基本应用和示波器的原理，理解探头使用的注意事项和示波器的功能，并促进学生思考，帮助学生主动建构知识。教学设计遵循循序渐进、由浅入深的原则。首先，将一Flash作为引子。它通过展示一个电子工程师在使用示波器检验产品的过程中遇到的一些困惑，来引出数字示波器产品中使用的新技术。其次，在其视频下方显示相应的提问，学生可带着问题去观看视频。最后，提示回答某个问题后续所需要学习的视频。如设计的问题有：探头的作用有哪些，如何选择、使用探头（详见后续视频：探头专题）。并在作业模块下给出视频题和答案。
四、虚拟仿真实验学习活动
目前，实践性很强的课程的教学安排大多采用课内实验或课程设计来达到培养学生对知识的应用和实践的目的。《电子测量与仪器》课程的内容在强调技术知识的同时，对知识的应用也很重视。基于能应用虚拟仪器进行虚拟仿真实验的课程特点，在《电子测量与仪器》网络课程资源建设中应用NI Multisim软件引入虚拟仿真实验，有利于学生的知识建构和学习迁移。NI Multisim软件中加载虚拟仪器的方式有三种：自带的虚拟仪器、基于LabVIEW的虚拟仪器和NI ELVISmx虚拟仪器。
在学生学习了多种电子测量仪器之后，利用4A网络教学平台的学习活动模块设计基于虚拟仿真实验的综合性学习活动，使学生通过本门课程的学习，能正确地选择测量方案和仪器，达到完成给定测量任务的教学目标。依据教学目标，虚拟仿真实验的学习活动内容为：给学生一个测量任务，让学生在NI Multisim软件中加载虚拟仪器完成仿真实验。具体的任务包括观察滤波前后的时域波形、分析滤波后的信号频率分量和测量滤波器的带宽。考虑到滤波器带宽测量的方法有多种，所以设计了投票环节，给出其中三种测量方案，让学生从中推选出最佳的测量方案。这三种方案有用正弦信号源和示波器的观察法测量、用波特图仪（或频率特性测试仪）的自动扫描法测量、用正弦信号源和电压表的点频法测量。附件作业中提供了NI Multisim设计的语音滤波器电路原理图，以方便学生课外进行仿真实验。共享资源环节要求学生在活动中提供相关资源与同学共享，同时它也是支撑测量结果的依据。
五、结语
根据《电子测量与仪器》课程知识具有实验性和探索性、设计计算机化等特点，且能使用虚拟仪器进行虚拟仿真实验的独有特点，利用4A网络教学平台对课程进行了网络资源建设和应用。通过设计仪器产品讲座类视频题和NI Multisim仿真实验学习活动来引导学生自主学习，从而达到促进学生主动建构知识和学习迁移的目的。实践表明，网络教学是促进学生自主学习的一个有效途径。如何提升大学生网络自主学习的能力还有待研究。
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Control Experiments Teaching Research Based on Virtual *
LI Xiaoru， LIU Jianguo
（School of Mechanical Engineering， University of Shanghai for Science and Technology， Shanghai 200093）
Abstract Single curriculum for the relevant status quo， plug-in， verify and control experiment Experiment-based monitoring and control and other experimental teaching Currently， in order to improve student interest in learning， in close connection with practical application， better achieve the objectives of experimental teaching in the experimental teaching process， according to the characteristics of the students the basics， arrange appropriate experiments， individualized. Around the "multidisciplinary， in close connection with the practical application" principle， this paper presents the experimental and control based on LabVIEW virtual instrument teaching methods， the sensor technology and motion control combined on a single platform.
Key words sensor; virtual instruments; teaching methods; multidisciplinary
0 前言
测试测量与控制技术，简称测控，简短的两个字包含了从信号的获取、放大、传输、处理、应用和控制的全过程。测控技术涉及多个学科领域，如计算机技术、电子技术、自动控制技术、传感器技术、信号分析与处理、工程测试技术等。测控技术系列课程教学改革的重要目标之一就是将传统的“老师为主体的验证性实验教学模式”改为“学生为主体的结合实际应用的设计、分析实验模式”，重点培养提出问题、研究问题、解决问题的能力，提高学生的学习兴趣和创新能力，培养适应社会需求的人才。整个实验包括从基础的计算机系统、传感器信号获取、信号分析和处理，到反馈控制的一体化整体解决方案。虚拟仪器（virtual instrumention）是一种图形化编程语言，被视为一个标准的数据采集和仪器控制软件，以通用的计算机硬件及操作系统为依托，在测量和自动化领域得到广泛应用，而且对传统的实验教学方法产生了很大影响，虚拟仪器的应用越来越广泛，将虚拟仪器技术应用于教育教学是虚拟仪器应用的不断拓展和教育教学发展的必然要求，本文以虚拟仪器为开发环境，构建了基于运动控制的传感器实验教学平台。
1 基于LabVIEW的测控实验建设思路
由于微电子、计算机、软件和网络技术的发展，使新的测试理论、测试方法以及仪器结构不断发展成熟，基于LabVIEW虚拟仪器的测控技术创新实验教学逐步形成新的发展趋势，以计算机为核心，由强大的测试应用软件支持，具有模块化、互换性、资源复用性，同时可方便、经济地组建自动测试系统，测控技术实验具有以下特点：
（1）个性化的功能仪器：本实验系统采用虚拟仪器将各种不同的仪器硬件连接到计算机上，运用计算机高速的软硬件资源，将计算机硬件和测量仪器等硬件资源与计算机软件资源有机结合起来完成特定的功能，利用该技术，可替代传统测量仪器，如频谱仪、示波器等。
（2）多学科技术交叉融合：测控技术是多学科技术交叉融合的典型技术，信息论、控制论、系统论是测控专业的理论基础，信息技术、测控技术、系统网络技术是测控专业的基本技术，多学科交叉与多系统集成是测控专业的显著特点。
（3）紧密联系实际，提高学生兴趣，随着生产技术的发展需要，测控技术从最初的控制单个设备到控制整个过程及系统，特别是在当今现代科技领域的尖端技术中，测控技术起着至关重要的作用。
（4）内容上由简到难、循序渐进：按照“基础原理验证性实验、设计性实验、综合性实验、创新性实验”的思路来逐步提高学生学习动手能力，让学生从原理到实际应用来逐步学习和认识，最后有机会进行创造性的综合实验。
（5）便于扩展：虚拟仪器的软硬件系统可以方便进行重新组合和设计，灵活运用。就能以最少的硬件投资和极少的、甚至无需软件升级即可改进整个系统。在利用最新技术的时候，把它们集成到现有的测量设备中，最终以极少的成本改进现有的实验设施。
3 虚拟测控实验系统整体内容
整个实验系统包括虚拟仪器软件和测控系统硬件。虚拟仪器采用LabVIEW图形化开发环境，具有界面友好、易于掌握、编程灵活、设计效率高等优点，硬件平台包括数据采集卡、各类实验用传感器、信号调理电路及各种相关实验器材。传感器的输出信号由数据采集卡采集，经由信号调理电路对信号进行放大和滤波，使其与数据采集卡中的A/D转换器相匹配并提供足够的驱动。另外，还包含驱动控制模块、电机，工业对象等，根据不同的实验内容，采用不同的工业模组，仿真工业测试环境，培养学生掌握测试测量和电机控制的实验技能，让学生在自由创新的空间形成正确的、科学的思想，测控系统总体框图如图1所示。
图1中的测控对象可以是运动机械对象，如伺服电机、步进电机等，可以是运动对象的位移、速度、加速度等参量，也可以是过程参数，传感器是检测装置，能感受被测量的信息，是自动检测和控制的首要环节，将待测参数值按一定规律变换成为电信号或其他信号输出;调理电路就是信息处理电路，将待测信号转化为标准电信号，以便数据采集卡或控制器接收，这部分既可作为传感器原理的一部分，也可作为信号处理的一部分;分析主要指采用LabVIEW提供的丰富的函数库，将数据采集到的标准数字信号，对其进行分析、处理;显示采用虚拟仪器图形化的软件面板替代常规的传统仪器面板，同样具有实际仪器相似的旋钮、开关、指示灯及其他控制部件。
4 实验模块设计
4.1 运动控制实验模块设计
本实验采用TS-ICD-5A智能控制器，被控对象为1000线的伺服电机。开始实验之前，学生必须仔细阅读智能控制与驱动模块软硬件说明书，掌握电机控制线和电源线与控制器的连接方式，模拟量、数字量怎么接入控制器，驱动器的设置、运动编程、实际物理单位和以编码器表示的内部编程的计算机单位的转换、存储器映射等相关知识点，工程文件配置包含电机参数、编码器线数、控制模式以及相应控制参数信息，然后使用LabVIEW调用智能控制与数字伺服驱动模块动态链接库，可以检测各类电机参数，发送电机运动控制指令，读取编码器、I/O通道、AD通道的反馈，轻松实现电机的开环、半闭环、全闭环控制以及相关信号检测，编制LabVIEW程序，图2所示的运动控制虚拟面板为简单的电机控制实验前面板。
4.2 传感器实验模块设计
以测控电路原理实验和虚拟仪器仿真实验为主，结合理论知识，让学生自己动手搭建相对应的仪器与电路，使其扎实地掌握测控系统中涉及的基础知识点，以模块化工业对象为载体，设计了光电开关传感器、电涡流传感器、振动加速度传感器、振动速度传感器、磁电传感器等各种工业标准传感器实验。图3显示了本实验模块提供的一种磁电转速传感器测量原理。传感器实验模块以验证性实验为主，将工程测试与传感器、信号与系统、虚拟仪器等课程的教学与实验紧密结合，理论联系实际。
4.3 综合实验模块设计
在掌握以上的知识后，教师对现有对象提出新的设计思路或要求，让学生重新设计或改装实验对象，得到期望的实验结果。例如，学生可以整合运动控制实验和传感器实验的对象开发综合测控对象。锻炼三个方面的能力。（1）学习运动控制原理，伺服电机的调速特性，运动控制卡的接线，电机的各种参数设置，运动模式。（2）学习各种传感器的基本原理，实用范围，以及在各种测试条件下不同传感器的选型方法。（3）学习数据采集的相关知识，包含硬件连线和软件采集。
关键词：虚拟仪器，动态切削力，测量，应用
引言
切削力是切削过程中的一个最基本的作用和现象，它不仅是描述切削过程的基本参数，而且也是设计和使用机床、夹具、刀具，制定工艺规程以及评定切削加工性不可缺少的数据。动态切削力的变化规律是研究切削机理和机床动刚度的重要依据。硕士论文，应用。在现代制造工程中(包括柔性制造系统、计算机集成制造系统，无人化工厂等)，切削力是状态监测的重要参数。在机械加工领域的基础和应用研究中，常常需要能够对切削力进行测试的装置，即各种类型的测力系统.它不但是进行相关试验研究的重要工具，而且已逐步发展成为切削加工工艺系统的一个组成环节。
虚拟仪器(VI: Virtual Instrument)的概念由美国国家仪器公司(NI: National Instrument)于20世纪80年代末期提出。虚拟仪器是计算机、测量和微电子等技术高速发展的产物，由计算机应用软件和仪器硬件组成。通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件有机地融合为一体，从而把计算机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量、控制能力结合在一起，大大缩小了仪器硬件的成本和体积，并通过软件实现对数据的显示、存储以及分析处理。
本文主要研究利用虚拟仪器实现测力仪数据采集与处理，与虚拟仪器技术相结合，开发出可以测量X,Y, Z三个方向的力。硕士论文，应用。
1 硬件组成
由虚拟仪器构建的测力系统与传统电子仪器一样，其功能由图1所示的三大模块成:信号采集与控制、信号分析与处理、信号显示与输出。
图1 虚拟仪器构建的测力系统功能结构图
利用虚拟仪器实现测力仪数据采集与处理，它主要由以下几部分组成：测力仪、应变仪、数据采集卡、计算机和系统软件（如图2）。
图2 测力仪数据采集与处理系的功能图
基于数据采集的虚拟仪器系统，通过A/D变换将模拟、数字信号采集入计算机进行分析处理显示等，并可通过A/D变换实现反馈控制。根据需要还可加入信号调理和实时DSP等硬件模块。利用仪器实现虚拟仪器系统，VXI总线为新型计算机查卡式仪器提供了标准。硕士论文，应用。计算机完成对采集到的数据进行显示、存储、打印、分析和处理等功能，提供给用户一个简洁直观的动态切削力测量过程。
2 软件组成
软件结构由三部分组成：I/O接口软件、仪器驱动程序和测力系统环境。硕士论文，应用。
I/O接口软件存在于仪器与仪器驱动程序之间，是一个完成对仪器内部寄存器单元进行直接存取数据并为仪器与仪器驱动程序提供信息传递的底层软件层，是实现开放的、统一的虚拟仪器系统的基础和核心。
仪器驱动程序：主要是用于完成仪器硬件的通信及控制功能。硕士论文，应用。当设备驱动后，由软件进行数据的分析整理而实现测量功能，并求去测量结果。硕士论文，应用。
测力系统环境：基于语言平台，如C、Visual C＋＋、VB等；基于图形化工程环境平台，如LabVIEW等。
测力开始时先必须对测力仪加载以标定（以X方向加载力为例）。作为一个非理想的多向测力系统，当在X方向加载力时，Y方向、Z方向也会有不同程度的干扰输出，本试验所得数据如表1：
表1 X方向加载时数据表
关键词：虚拟仪器；实验室；建设；管理
0 引言
在信息时代，计算机技术与仪器技术相结合，形成了一种新概念仪器——虚拟仪器，它从根本上更新了仪器的概念，具有传统仪器无法比拟的优势。实验室反映时代的特征，时代的发展又推动实验室的发展，数字时代的到来使实验室走形变得虚拟化，促使其全方位的发生变化，呈现出虚拟仪器实验室。基于虚拟仪器的实验室，学生既可以在虚拟仪器上动手操作，又可自主设计实验，且不担心仪器的损坏，有利于培养学生的操作能力、分析诊断能力、设计能力和创新意识。在采用虚拟仪器构建的实验室中，学生更易获得相关的知识，科学的指导和敏捷的反馈。虚拟仪器实验室的到来将改变传统的实践教学模式，虚拟实验室是未来实验室建设的发展方向，也带来前所未有的发展空间。人们开始认识到虚拟实验室在教育领域的应用价值，它除了可以辅助高校的科研工作，在实验教学方面也具有如利用率高、易维护等等优点。
1 基于虚拟仪器实验室的相关概念及优点
在配有虚拟仪器的实验室可谓虚拟仪器实验室。而虚拟仪器是指具有虚拟仪器面板的PC机仪器。它由通用个人计算机、模块化功能硬件和相关控制软件组成。借助于数据采集卡，将实验数据采集到计算机内，利用虚拟仪器进行分析、测量，操作者通过友好的图形用户界面和图形化编程语言来对仪器的运行进行控制，从而实现对被测量信息的采集、分析、判断、显示、存储以及最后数据生成。
优点：虚拟仪器是根据测量原理采用适当的信号分析和处理技术编制某种测量功能的软件来实现测试的仪器，与传统的实验教学相比，利用虚拟仪器教学更好地融合了理论与实践相结合，使学生的软硬件技能同步提高；虚拟仪器软硬件上模块化的设计使学生在学习的方式上更加灵活，也较容易掌握。
2 虚拟仪器实验室的建设
2.1 虚拟仪器实验室的组成
虚拟仪器实验室由硬件和软件部件组成。从使用上讲：操作者可十分精准且快速的完成对被测量数据信息的采集、分析、判断、显示、存储及数据生成，而不需耗费大量时间去手动调整和计算。从构成上讲：虚拟仪器是计算机，加上相应硬件和相关专用软件，实现既有普通仪器所具备的基本功能，又有普通仪器做不到的更多特殊功能的高档低价现代化仪器，其功能多样，测量准确且易于实现。
2.2 虚拟仪器实验室的配置
以电子技术实验教学中的应用为例来配置电子类虚拟仪器实验室。该实验室不仅能实现普通仪器的全部功能且能实现在普通仪器上无法实现的一些特殊功能。
（1）普通计算机。
（2）虚拟仪器应用中的开发平台。该平台能提供图形化界面，使用图形化编程方式，提供大量的控件和仪器驱动程序，可直接使用。
（3）五合一虚拟仪器，虚拟电子仪器及其配套应用软件。该仪器可实现任意波形发生器、示波器、电压表、瞬态波形记录仪、频谱分析仪等五种仪器的功能。
（4）电子类实验室常用的万用表和直流稳压电源等等常用设备。
通过上面这些基本配置，教师可以将先进技术带入课堂，能对学生进行基础性的实验教学，也可进行设计性、综合性和开发性实验教学。老师和学生通过对各虚拟面板的操作即可完成所有的电子技术类实验。学生在动手操作过程中，也不会因一时误操作而损坏仪器，从而使学生大胆实验，大胆创新，也增强了学生自主学习的兴趣，促进学生动手能力和创新意识，还可减少实验数据测量中的造成人为误差，提高实际测量的精准度，增加单位时间内完成的实验项目，不但实验效率高且实验教学质量好。目前虚拟仪器的出现不但给仪器仪表和测试领域带来了深刻的变革，也给高职院校的工科类实验室建设注入了新活力。通过实践证明，进入虚拟仪器实验室教学比普通实验室教学效果要好很多。
2.3 建设虚拟仪器实验室的优势
与传统的实验室相比，虚拟仪器实验室优势很多，现从教学方面来考虑只说以下两大优势：
（1）大量减少建设实验室的资金投入。
计算机技术迅速发展的今天，数字信号处理技术进步很快，实现各种信号处理功能的软件算法精度变得越来越高，速度也是越来越快，而采用虚拟仪器建设的实验室能在一台计算机上就可以实现诸如示波器、函数发生器、电压表、频谱分析仪等仪器的功能，在实际操作中用软件算法替代传统的电子线路、实现传统仪器的各种信号处理功能乃至更多的特殊功能，而传统仪器购置费用高，维护费用也高，还需要耗费大量的人力物力，建设虚拟仪器实验室可大大节约购买各种设备的费用，故减少了建设实验室的资金投入。
（2）良好的人机界面，可操作性强，教学效果好。
对于利用计算机来管理仪器的虚拟仪器，根据实践项目的需要能重新定义各种常用设备，如需进行测量温度时虚拟仪器就是温度计，如需进行测量万用表实现的功能时，它可转变成万用表。在实际使用中不仅具有良好的人机界面，且操作性很强。学生在实验过程中可以随时对采集到的数据进行分析、处理、观察和分析实验结果，对操作不当之处能立马改正，同学们也愿意去动手动脑操作，从而提高了学生的实验兴趣，达到了实验教学的效果。
虚拟仪器实验室的开发具有众多优势，作为走在时代最前沿的教育工作者，应积极地把虚拟化技术运用到实验室开发中，把握时代脉搏，发挥虚拟仪器实验室在新时代教学和科研中的巨大作用。
3 虚拟仪器实验室的管理
3.1 定期对实验室进行维护和升级。
虚拟仪器是采用应用程序将PC机与相关硬件模块结合起来的一种新型的仪器系统，通过软、硬件的配合实现传统仪器的各种功能。它充分利用具有强大数据处理能力计算机系统，以特定的软件算法代替相应的电子线路。若市场出现新的教学仪器，而虚拟仪器当前不能实现其功能，则需操作者对现有仪器进行维护、扩展和升级，从而达到不需购置新设备却能满足教学所需。
3.2 开放式管理，扩大教学规模。
虚拟仪器实验室完全能实行开放式的管理，学生通过业余可进虚拟仪器实验室进行实验操作，指导老师通过计算机监控学生的实验过程。这种开放室管理方式既能使实验室资源充分利用，也能满足学生求知欲望；既大量节省了的购置设备费，也缓解了实验室的不足问题，无形中提高了实验室的利用率，也扩大了实践教学规模。从学校资财投入方面、教师管理方面、实验室的利用方面和学生学习方面来说都是完全有利的。
3.3 网络化的管理，用技术提升管理服务。
随着科技的发展，虚拟仪器可以通过计算机网络构成分布式测试系统，也能构建比较复杂的测试系统，还能进行过程监控及故障诊断。将虚拟仪器技术与Internet技术结合在远程教育中的运用，这种管理方式深受管理者和师生满意。
虚拟仪器技术结合多媒体、数字化校园网等计算机技术，实现现代化的教学手段。使用虚拟仪器技术进行实验教学能提高同学们实践动手的兴趣、勇于大胆创新能力、降低建设实验室成本且能达到很好的教学效果等颇多益处。伴着虚拟仪器的产生和发展，虚拟仪器实验室的使用价值不可估量。
参考文献：
[1] 朱磊，朱佳丹.浅谈职业院校虚拟仪器实验室的建设[J].硅谷.2010，（154）
[2] 秦树人，尹爱军，刘小峰.现代虚拟仪器[M].北京：机械工业出版社，2011.
关键词： 应变片式传感器； Multisim；LabVIEW； 电子称
中图分类号： TN919?34； TP393 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2013）10?0119?03
电阻应变片是广泛应用的传感元件之一，其量程宽、体积小、携带方便和准确度高[1]，在电子衡器中被广泛应用，因此在传感器的教学中占有非常重要的位置，其实验也是传感器课程诸多实验中必做的内容，对学生深入理解和掌握相关理论知识、培养实践能力和综合素质具有不可忽视的作用。在该课程的实验教学中，传统的实验方法仅停留在验证性的基本原理阶段，与实际联系不多[2]，传统的实验电路通常又采用模块化设计，实验方法和手段因实验设备的定型而很难改动，缺乏直观性，严重束缚了学生的创造力，对实践能力的提高作用有限。随着新的测试技术的发展，电路仿真软件和虚拟仪器软件的不断涌现，为解决上述问题提供了良好的平台。学生可以在电脑上采用Multisim软件设计应变片的测量电路，进而在LabVIEW虚拟仪器软件平台上，完成对实验数据的处理和标定，从而实现电子称功能，在一定程度代替了实验室的硬件传统仪器设备和元器件。
1 应变式称重传感器
应变式称重传感器主要由弹性体、电阻应变片和测量电路组成。其工作原理是：弹性体在外力作用下产生弹性形变，使粘贴在它表面的电阻应变片也随之产生形变，从而引起电阻应变片的阻值发生变化，通过相应的测量电路，把电阻变化转换为电信号输出，从而完成将重力转换为电信号的过程[3]。
1.1 应变片的工作原理
2 Multisim仿真
Multisim是美国国家仪器（NI）公司推出的以Windows为基础的仿真工具。可提供4 000～17 000个电路元器件，除虚拟元件外基本采用实际参数模型，所实现的仿真具有较强的真实性[5]。该仿真软件还提供了丰富的测试仪器和强大的电路分析手段，为正确验证电路功能和分析电路参数提供了有力保证。因此笔者尝试在Multisim平台上设计全桥电路将应变电阻变化转换为电路输出电压。
2.1 模型的建立
2.2 放大电路设计
差动电桥输出的电压信号极其微弱，采用三运放高共模抑制比放大电路将电桥输出电压放大。它由两级放大器组成两个对称同相放大器构成第一级，由集成运放OP07，R6，R7和Rw2组成同相输入式并联差分放大器，具有非常高的输入阻抗。第二级由OP07，R8，R9，R10和R11组成反向比例放大器。为方便调节，再加一级比例放大电路，并在电路的输出级接万用表。放大电路如图2所示。
2.3 综合电路仿真
3 LabVIEW的虚拟电子称
LabVIEW是美国NI公司推出的虚拟仪器软件开发平台，在测控领域已得到迅速而广泛的应用。将虚拟仪器技术引入实验教学是高校进行实验室建设、改革实验教学的一个新的发展方向。在虚拟仪器软件系统中做各种传感器实验，在一定程度代替了实验室的硬件传统仪器设备[6]，真正体现了虚拟仪器技术“软件即仪器”的独特魅力，有助于学生深刻理解传感器的测试功能，提高学生的实验兴趣和实验效率。
3.1 前面板设计
4 结 语
基于Multisim对应变测量电路进行仿真设计，获得仿真结果，继而在LabVIEW虚拟仪器平台上实现了简易电子称。使学生加深对理论内容的理解和掌握，使得原本枯燥的理论教学和验证性实验转化为贴近工业生产实际的一体化教学。大大拓展了学生的知识面， 增加学生动手机会和创新能力的同时， 其直观有趣的交互界面更激发了学生的学习兴趣和探索精神。
参考文献
[1] 陈秋顺，仲梁维.应变式称重传感器弹性体线性度的有限元分析[J].现代制造工程，2010（10）：97?100.
[2] 简家文，朱双东，谢建军.虚拟仪器技术在传感器检测技术实验教学中的应用[J].合肥工业大学学报：社会科学版，2009，23（5）：15?18.
[3] 刘迎春，叶湘滨.传感器原理、设计与应用[M].4版.长沙：国防科技大学出版社，2004.
[4] 何道清，张禾，谌海云.传感器与传感器技术[M].2版.北京：科学出版社，2008.
