摘要：培養(yǎng)學生掌握機械工程領域中各種物理量的測量技術，是機械工程高等教育的一項重要內(nèi)容。虛擬儀器由于其良好的互動性和靈活性，能夠使教學雙方擺脫功能單一、固定的傳統(tǒng)儀器的束縛，充分發(fā)揮師生的創(chuàng)新精神。深入研究虛擬儀器的教學方法和教學中的虛擬儀器系統(tǒng)配置方案，將虛擬儀器技術應用于機械工程教育改革。實踐表明，基于虛擬儀器技術的教學改革不僅培養(yǎng)出了一大批機械工程測試領域的優(yōu)秀人才，同時促進了機械工程中其他各學科的教育技術進步和教學水平提高。

關鍵詞：虛擬儀器；機械工程；教育改革

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）33-0025-03

一、引言

虛擬儀器技術就是利用高性能的模塊化硬件，結合高效靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動化的應用[1]。如同人類科學技術的每一個進步，虛擬儀器技術既對高等工程教育內(nèi)容的更新提出了要求，又為高等工程教育技術的進步創(chuàng)造了條件。但是虛擬儀器對于高等工程教育改革的重要意義，遠非只是簡單地提供了一種諸如音像教材或多媒體課件那樣的教學工具，而是創(chuàng)造了一種全新的教學模式，開拓一個嶄新的教學平臺[2]。在這個更高的層面上，教師和學生不再僅僅使用現(xiàn)成的教學工具去提高教學效率，而是讓自己應用最新的技術手段去主動地、創(chuàng)造性地教育和學習。

二、虛擬儀器教學與傳統(tǒng)儀器教學的比較

各種物理量的測量是工程實踐中一個普遍的問題，傳統(tǒng)上解決的方法是針對某一種測試的要求購置一種儀器，儀器的功能由廠家定義，它一般是單一、固定的[3]。近十幾年以來，隨著計算機技術的飛速發(fā)展，誕生了虛擬儀器這種新的測試技術。應用虛擬儀器技術使一臺普通的計算機成為一個功能完備的個人實驗室。面對工程實踐中可能遇到的各種物理量的測量與分析任務，不需要預先準備許許多多儀器，也不必現(xiàn)去訂購合用的設備，而是簡單地修改一下軟件，就得到一臺新的儀器。虛擬儀器技術的方便靈活和計算機技術的迅速普及，使物理量測量不再需要去請專業(yè)的測試技術人員來完成，每一個工程師和科學家都可以應用虛擬儀器技術完成自己遇到的測試任務，它是目前測試領域的一個技術熱點，也代表了未來儀器技術的發(fā)展方向。在機械工程專業(yè)中，傳統(tǒng)儀器教學主要是學習儀器的功能、原理、使用方法等[4]。虛擬儀器教學重點則是儀器的“制作”，即在一定的編程環(huán)境下，指導學生自己用計算機軟件開發(fā)儀器。這樣更突出了學生在學習中的主體地位。由于虛擬儀器主要是利用計算機軟件來實現(xiàn)儀器的功能，所以儀器的內(nèi)部結構對學生是透明的，學生能夠構造、修改和增加儀器的功能，更容易激發(fā)學生的學習興趣，培養(yǎng)學生的創(chuàng)造性思維和工程實踐能力。我們把虛擬儀器教學與機械工程測試技術教學有機地結合在一起。機械工程測試技術課程是高等學校機械類專業(yè)一門重要的專業(yè)課，主要講授機械工程領域各種常見物理量的測試與分析方法?；谔摂M儀器的機械工程測試技術教學，從整體上對傳統(tǒng)的教學模式進行了改革，課堂教學主要突出測試技術的基礎理論，刪減了某些目前工程中已經(jīng)很少使用的傳統(tǒng)儀器的教學內(nèi)容，增加了虛擬儀器的教學內(nèi)容[5]。使學生能夠了解典型的虛擬儀器結構，掌握虛擬儀器系統(tǒng)的構成以及其中各個環(huán)節(jié)的作用。虛擬儀器的軟件教學是虛擬儀器教學的主要部分。我們選擇美國NI公司的LabVIEW作為虛擬儀器教學平臺。LabVIEW是當前諸多虛擬儀器軟件開發(fā)平臺中最流行的一個。它采用圖形語言，編程界面非常形象直觀，使用圖標、連線來編寫程序，代替?zhèn)鹘y(tǒng)編程語言的文本語句。它提供各種旋鈕、儀表盤、波形圖等控件，用于在計算機屏幕上創(chuàng)建虛擬儀器的軟面板，代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器的硬面板。提供了經(jīng)典的信號處理的幾乎全部功能模塊和大量常用的數(shù)學分析工具。

三、基于虛擬儀器的機械工程測試技術實驗教學

虛擬儀器的生命力就體現(xiàn)在使用者可以用軟件隨心所欲地構造出自己需要的儀器，實現(xiàn)豐富與靈活的功能。應用虛擬儀器進行工程測試，是測試技術發(fā)展的必然趨勢，也有益于學生與未來的工程實踐接軌。通過虛擬儀器教學環(huán)節(jié)，學生能夠用自己開發(fā)的虛擬儀器進行機械工程測試實驗，完成編寫軟件、連接硬件，進行實驗的全部過程。實驗內(nèi)容包括國內(nèi)高等院校目前開設比較普遍的各個機械工程測試實驗項目[6]。

1.應變測試實驗。在應變梁上按不同形式粘貼好電阻式應變片，用信號調(diào)理器完成組橋并供激勵電壓和進行信號的放大、濾波，用LabVIEW提供的Convert Strain Gauge Reading函數(shù)將各種組橋方式的應變電壓信號轉換成應變值，根據(jù)Convert Strain Gauge Reading函數(shù)輸出的應變值，描繪出各種形式應變梁的撓曲軸，計算出梁的最大撓度值，構成一臺高效的多功能數(shù)字式應變儀，應變測試系統(tǒng)前面板如圖1所示，通過實驗，學生可以掌握應變的測量方法和電橋特性。

2.頻率響應函數(shù)與數(shù)字濾波實驗。頻率響應函數(shù)是描述測試系統(tǒng)動態(tài)特性的重要參數(shù)。LabVIEW的Transfer Function計算頻率響應函數(shù)并返回兩個參數(shù)，一個數(shù)組是頻率響應函數(shù)的模（Frequency Response Mag），即被測系統(tǒng)的幅頻特性；另一個是頻率響應函數(shù)的幅角（Frequency Response Phase），即被測系統(tǒng)的相頻特性。LabVIEW開發(fā)環(huán)境內(nèi)有大量的數(shù)字濾波函數(shù)和數(shù)字濾波器開發(fā)工具。我們選擇比較有典型意義的巴特沃斯（Butterworth）和切比雪夫（Chebyshev）濾波器作為測試系統(tǒng)，并根據(jù)選頻要求分別將它們設置為低通、高通、帶通和帶阻型濾波器。通過實驗學生既掌握了頻率響應函數(shù)的測試方法，又了解了各種數(shù)字濾波器的頻率響應特性。該實驗內(nèi)容也可以脫離硬件進行，大大降低了實驗成本。

3.位移測試實驗。位移傳感器采用近年來發(fā)展起來的導電塑料電位計，學生根據(jù)傳感器的電阻分壓電路，推導出位移與信號電壓的關系式，編寫位移測試的程序。實驗中用游標卡尺測試位移傳感器的位移量，代替被測量實際值，作為測試裝置的輸入值，對位移傳感器進行靜態(tài)標定。計算系統(tǒng)線性度時，采用LabVIEW的Linear Fit函數(shù)擬合直線，不需要編程時進行復雜的數(shù)學計算，就能取得高精度的結果，實驗系統(tǒng)前面板如圖2所示。endprint

4.基于DataSocket的網(wǎng)絡化振動測試。振動測試實驗系統(tǒng)硬件結構如圖3所示。實驗中教師機產(chǎn)生一個頻率連續(xù)變化的正弦激勵信號，通過數(shù)據(jù)采集卡進行D/A轉換后輸出，經(jīng)功率放大器送到激振器，使被測懸臂梁產(chǎn)生受迫振動。壓電晶體加速度傳感器拾取被測梁的振動信號。為了增加學生參與實驗的機會而不過多增加設備投資，這個實驗設計為基于計算機網(wǎng)絡的實驗，采用LabVIEW的DataSocket技術來實現(xiàn)的。實驗室計算機網(wǎng)絡是校園網(wǎng)的一部分，邏輯上是一種總線型結構，采用廣播網(wǎng)傳輸技術。實驗室中任何一臺計算機發(fā)出的消息都能被所有計算機接收到。這樣，當教師機運行振動測試服務器程序，采集被測對象加速度信號傳輸?shù)接嬎銠C網(wǎng)絡以后，同學只要在自己的振動測試程序中準確填寫教師機的IP地址或網(wǎng)絡標識名，就可以像自己的機器采集數(shù)據(jù)一樣完成振動測試實驗。

四、虛擬儀器技術對其他學科教學的促進

經(jīng)過這些實驗教學訓練，學生更好地掌握了機械工程測試的有關內(nèi)容和虛擬儀器編程技術。在這個基礎上可以根據(jù)各種專業(yè)課程上學到的知識，自己選擇實驗內(nèi)容，自行設計實驗方案，在LabVIEW環(huán)境中進行自己感興趣的實驗。這樣生動直觀地展示許多抽象概念的物理實質，使它們更易于理解，達到課堂講授很難得到的效果。由于學生要自己“做”實驗儀器，所以就必須透徹了解實驗原理，合理地設計實驗方案，真正參與到實驗過程當中。學生對這種實驗教學方式表現(xiàn)了極大的興趣，許多學生能夠用多種方法完成同一個實驗。還有些學生為了驗證專業(yè)課學的某些知識，除教師指定的實驗題目之外，還自己設計了一些實驗，在完成教師指定練習內(nèi)容的基礎上有所創(chuàng)新和突破。因此，虛擬儀器技術促進了各學科教學質量的提高。

五、虛擬儀器技術對提高學生工程素質的作用

在LabVIEW平臺上進行機械工程測試技術教學，不僅能夠應用虛擬儀器作為實驗設備對理論教學進行驗證，而且能訓練學生應用虛擬儀器進行實際工程測試的能力。由于我們的實驗環(huán)境軟硬件完全是工業(yè)標準的產(chǎn)品，學生在實驗中開發(fā)的許多虛擬儀器完全可以直接應用到工程實踐中去。在虛擬儀器教學內(nèi)容上，我們安排了大量工程實例。學生學了這門課程以后，就知道所學的知識將來如何應用。幾年來，我們還注意利用畢業(yè)設計這個最后的實踐性教學環(huán)節(jié)，綜合應用虛擬儀器技術和各學科知識，指導學生完成了基于LabVIEW的機器視覺系統(tǒng)、旋轉機械狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷、網(wǎng)絡化機械參數(shù)測試、現(xiàn)代液壓測試技術等課題，其中有些獲得大學生科技創(chuàng)新競賽獎。這些課題來源于生產(chǎn)實踐，可以在工業(yè)現(xiàn)場應用，學生工程素質得到極大地提高。

六、結論

這套教學改革方案在我校試行以來取得了明顯的效果。根據(jù)對教學改革以來第一屆畢業(yè)生跟蹤調(diào)查，學生中有15%目前在工作崗位上或在完成研究生課題時，主要應用虛擬儀器技術，得到用人單位和導師好評。我們的高等工程教育不再僅僅是讓學生掌握今天已有的科學技術，而是培養(yǎng)他們能夠在明天更好地去創(chuàng)造和發(fā)揮，它適應了知識經(jīng)濟時代對于高素質創(chuàng)新人才的呼喚，是工程教育教學必然的發(fā)展方向。

參考文獻：

[1]S.Takayama，K.Kariya. User Interface of Measuring Instruments on Engineering Education[J].Proc.of XVI IMEKO World Congress，2000，（2）：123.

[2]T.Laopoulos.Teaching Instrumentation and Measurement in the Complex-Systems Era，IEEE Instrumentation & Measurement Magazine，1999，（2）：28.

[3]張敏良.基于CDIO工程教育理念探討機械工程教育改革[J].上海工程技術大學教育研究，2009，（3）：26.

[4]鄭光澤，姚英，等.重視工程實踐訓練推動機械工程基礎實驗教學改革[J].重慶工學院學報，2007，（12）：169.

[5]湯小嬌，雷振山.虛擬儀器在測試教學改革中的應用[J].理工高教研究，2004，（1）：107-108.

[6]雷振山.LabVIEW8.2基礎教程[M].北京：中國鐵道出版社，2008：256.

作者簡介：湯小嬌（1971-），女，河北唐山人，唐山學院副教授，碩士，主要從事先進測控技術的教學與研究工作。endprint

4.基于DataSocket的網(wǎng)絡化振動測試。振動測試實驗系統(tǒng)硬件結構如圖3所示。實驗中教師機產(chǎn)生一個頻率連續(xù)變化的正弦激勵信號，通過數(shù)據(jù)采集卡進行D/A轉換后輸出，經(jīng)功率放大器送到激振器，使被測懸臂梁產(chǎn)生受迫振動。壓電晶體加速度傳感器拾取被測梁的振動信號。為了增加學生參與實驗的機會而不過多增加設備投資，這個實驗設計為基于計算機網(wǎng)絡的實驗，采用LabVIEW的DataSocket技術來實現(xiàn)的。實驗室計算機網(wǎng)絡是校園網(wǎng)的一部分，邏輯上是一種總線型結構，采用廣播網(wǎng)傳輸技術。實驗室中任何一臺計算機發(fā)出的消息都能被所有計算機接收到。這樣，當教師機運行振動測試服務器程序，采集被測對象加速度信號傳輸?shù)接嬎銠C網(wǎng)絡以后，同學只要在自己的振動測試程序中準確填寫教師機的IP地址或網(wǎng)絡標識名，就可以像自己的機器采集數(shù)據(jù)一樣完成振動測試實驗。

四、虛擬儀器技術對其他學科教學的促進

經(jīng)過這些實驗教學訓練，學生更好地掌握了機械工程測試的有關內(nèi)容和虛擬儀器編程技術。在這個基礎上可以根據(jù)各種專業(yè)課程上學到的知識，自己選擇實驗內(nèi)容，自行設計實驗方案，在LabVIEW環(huán)境中進行自己感興趣的實驗。這樣生動直觀地展示許多抽象概念的物理實質，使它們更易于理解，達到課堂講授很難得到的效果。由于學生要自己“做”實驗儀器，所以就必須透徹了解實驗原理，合理地設計實驗方案，真正參與到實驗過程當中。學生對這種實驗教學方式表現(xiàn)了極大的興趣，許多學生能夠用多種方法完成同一個實驗。還有些學生為了驗證專業(yè)課學的某些知識，除教師指定的實驗題目之外，還自己設計了一些實驗，在完成教師指定練習內(nèi)容的基礎上有所創(chuàng)新和突破。因此，虛擬儀器技術促進了各學科教學質量的提高。

五、虛擬儀器技術對提高學生工程素質的作用

在LabVIEW平臺上進行機械工程測試技術教學，不僅能夠應用虛擬儀器作為實驗設備對理論教學進行驗證，而且能訓練學生應用虛擬儀器進行實際工程測試的能力。由于我們的實驗環(huán)境軟硬件完全是工業(yè)標準的產(chǎn)品，學生在實驗中開發(fā)的許多虛擬儀器完全可以直接應用到工程實踐中去。在虛擬儀器教學內(nèi)容上，我們安排了大量工程實例。學生學了這門課程以后，就知道所學的知識將來如何應用。幾年來，我們還注意利用畢業(yè)設計這個最后的實踐性教學環(huán)節(jié)，綜合應用虛擬儀器技術和各學科知識，指導學生完成了基于LabVIEW的機器視覺系統(tǒng)、旋轉機械狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷、網(wǎng)絡化機械參數(shù)測試、現(xiàn)代液壓測試技術等課題，其中有些獲得大學生科技創(chuàng)新競賽獎。這些課題來源于生產(chǎn)實踐，可以在工業(yè)現(xiàn)場應用，學生工程素質得到極大地提高。

六、結論

這套教學改革方案在我校試行以來取得了明顯的效果。根據(jù)對教學改革以來第一屆畢業(yè)生跟蹤調(diào)查，學生中有15%目前在工作崗位上或在完成研究生課題時，主要應用虛擬儀器技術，得到用人單位和導師好評。我們的高等工程教育不再僅僅是讓學生掌握今天已有的科學技術，而是培養(yǎng)他們能夠在明天更好地去創(chuàng)造和發(fā)揮，它適應了知識經(jīng)濟時代對于高素質創(chuàng)新人才的呼喚，是工程教育教學必然的發(fā)展方向。

參考文獻：

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[5]湯小嬌，雷振山.虛擬儀器在測試教學改革中的應用[J].理工高教研究，2004，（1）：107-108.

[6]雷振山.LabVIEW8.2基礎教程[M].北京：中國鐵道出版社，2008：256.

作者簡介：湯小嬌（1971-），女，河北唐山人，唐山學院副教授，碩士，主要從事先進測控技術的教學與研究工作。endprint

4.基于DataSocket的網(wǎng)絡化振動測試。振動測試實驗系統(tǒng)硬件結構如圖3所示。實驗中教師機產(chǎn)生一個頻率連續(xù)變化的正弦激勵信號，通過數(shù)據(jù)采集卡進行D/A轉換后輸出，經(jīng)功率放大器送到激振器，使被測懸臂梁產(chǎn)生受迫振動。壓電晶體加速度傳感器拾取被測梁的振動信號。為了增加學生參與實驗的機會而不過多增加設備投資，這個實驗設計為基于計算機網(wǎng)絡的實驗，采用LabVIEW的DataSocket技術來實現(xiàn)的。實驗室計算機網(wǎng)絡是校園網(wǎng)的一部分，邏輯上是一種總線型結構，采用廣播網(wǎng)傳輸技術。實驗室中任何一臺計算機發(fā)出的消息都能被所有計算機接收到。這樣，當教師機運行振動測試服務器程序，采集被測對象加速度信號傳輸?shù)接嬎銠C網(wǎng)絡以后，同學只要在自己的振動測試程序中準確填寫教師機的IP地址或網(wǎng)絡標識名，就可以像自己的機器采集數(shù)據(jù)一樣完成振動測試實驗。

四、虛擬儀器技術對其他學科教學的促進

經(jīng)過這些實驗教學訓練，學生更好地掌握了機械工程測試的有關內(nèi)容和虛擬儀器編程技術。在這個基礎上可以根據(jù)各種專業(yè)課程上學到的知識，自己選擇實驗內(nèi)容，自行設計實驗方案，在LabVIEW環(huán)境中進行自己感興趣的實驗。這樣生動直觀地展示許多抽象概念的物理實質，使它們更易于理解，達到課堂講授很難得到的效果。由于學生要自己“做”實驗儀器，所以就必須透徹了解實驗原理，合理地設計實驗方案，真正參與到實驗過程當中。學生對這種實驗教學方式表現(xiàn)了極大的興趣，許多學生能夠用多種方法完成同一個實驗。還有些學生為了驗證專業(yè)課學的某些知識，除教師指定的實驗題目之外，還自己設計了一些實驗，在完成教師指定練習內(nèi)容的基礎上有所創(chuàng)新和突破。因此，虛擬儀器技術促進了各學科教學質量的提高。

五、虛擬儀器技術對提高學生工程素質的作用

在LabVIEW平臺上進行機械工程測試技術教學，不僅能夠應用虛擬儀器作為實驗設備對理論教學進行驗證，而且能訓練學生應用虛擬儀器進行實際工程測試的能力。由于我們的實驗環(huán)境軟硬件完全是工業(yè)標準的產(chǎn)品，學生在實驗中開發(fā)的許多虛擬儀器完全可以直接應用到工程實踐中去。在虛擬儀器教學內(nèi)容上，我們安排了大量工程實例。學生學了這門課程以后，就知道所學的知識將來如何應用。幾年來，我們還注意利用畢業(yè)設計這個最后的實踐性教學環(huán)節(jié)，綜合應用虛擬儀器技術和各學科知識，指導學生完成了基于LabVIEW的機器視覺系統(tǒng)、旋轉機械狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷、網(wǎng)絡化機械參數(shù)測試、現(xiàn)代液壓測試技術等課題，其中有些獲得大學生科技創(chuàng)新競賽獎。這些課題來源于生產(chǎn)實踐，可以在工業(yè)現(xiàn)場應用，學生工程素質得到極大地提高。

六、結論

這套教學改革方案在我校試行以來取得了明顯的效果。根據(jù)對教學改革以來第一屆畢業(yè)生跟蹤調(diào)查，學生中有15%目前在工作崗位上或在完成研究生課題時，主要應用虛擬儀器技術，得到用人單位和導師好評。我們的高等工程教育不再僅僅是讓學生掌握今天已有的科學技術，而是培養(yǎng)他們能夠在明天更好地去創(chuàng)造和發(fā)揮，它適應了知識經(jīng)濟時代對于高素質創(chuàng)新人才的呼喚，是工程教育教學必然的發(fā)展方向。

參考文獻：

[1]S.Takayama，K.Kariya. User Interface of Measuring Instruments on Engineering Education[J].Proc.of XVI IMEKO World Congress，2000，（2）：123.

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[5]湯小嬌，雷振山.虛擬儀器在測試教學改革中的應用[J].理工高教研究，2004，（1）：107-108.

[6]雷振山.LabVIEW8.2基礎教程[M].北京：中國鐵道出版社，2008：256.

作者簡介：湯小嬌（1971-），女，河北唐山人，唐山學院副教授，碩士，主要從事先進測控技術的教學與研究工作。endprint