虚拟仪器技术课程与实验开设指导（美国NI公司）_19页.pdf

虚拟仪器技术 课程与实验开设指导 美国国家仪器(National Instruments)领先的教学理念 创新的教学实践 National Instruments 3 适用课程适用课程 该开课指导适用于本科或研究生阶段虚拟仪器技术及相关课程（可用于仪器、电子、电气、自动化、机械、汽车、医电等学科的专业课，亦可用于面向全部工程专业的选修课）目录目录 背景:虚拟仪器技术的发展与开课情况.5 建议教学方式与内容安排.6 理论教学.8 实验教学.9 结合真实硬件的课后练习与作业.12 基于项目的动手实践.13 课程教学的进一步延伸.16 LabVIEW 高校俱乐部.16 虚拟仪器设计大赛与其他竞赛.17 网络资源.19 联系方式.19 5 背景背景:虚拟仪器技术的发展与开课情况虚拟仪器技术的发展与开课情况 虚拟仪器的概念最早于上世纪 90 年代由 NI 提出，主要思想是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化应用。由此可见，虚拟仪器技术包括硬件、软件、系统设计等要素，所应讲授的内容也不仅仅是 LabVIEW 软件程序设计。虚拟仪器概念的提出引发了传统仪器领域的一场重大变革，使得计算机和网络技术得以长驱直入仪器领域，和仪器技术结合起来，促进了自动化测试测量与控制领域的技术发展。随着计算机、软件、以及电子技术的快速发展，虚拟仪器技术的应用早已突破最初的仪器控制和数据采集的范畴，而向更加纵深的方向发展，不仅可用于构建大型的自动化测试系统，还常常用于控制系统、嵌入式设计等，应用包括电子电气、射频与通信、装备自动化、汽车、国防、航空航天、能源电力、生物医电、土木工程、环境工程等多个领域。虚拟仪器技术的核心思想是通过软件去定义硬件的功能，并实现自定义的数据处理与控制等应用，从而通过现成的模块化硬件和灵活的软件实现一种系统级的设计方式。许多最新的科研与工业应用中的测控系统都是基于虚拟仪器的思想构建的，NI 为这些应用的实现提供可靠的模块化硬件平台（如 NI 数据采集系列硬件、NI PXI 模块化仪器平台等）以及高效的软件工具（如 NI LabVIEW），加速这些应用的实现。正是由于系统级设计方式带来的巨大优势以及虚拟仪器技术与应用的不断发展，越来越多的高校认识到所有工程专业学生都应该对虚拟仪器技术的基本概念和方法有所了解和掌握，相关专业学生还应具备利用虚拟仪器技术解决实际工程问题的动手能力。在国外高校，取决于不同高校的课程体系设置，或设置独立的虚拟仪器技术课程，或以概念讲授与实践练习相结合的方式将虚拟仪器的教学贯穿于其他工程课程中。在麻省理工、加州大学伯克利分校、加州大学洛杉矶分校、伊利诺伊大学、卡内基梅隆大学、弗吉尼亚理工、德州大学奥斯汀分校等美国顶尖工程院校均将虚拟仪器技术的教学引入学生培养的全阶段，并且将其概念和方法渗透至其他多学科教学（如机械、电气、通信、环境、自动化、土木、生物医学等），同时在教学中采用理论教学、教学实验与项目实践相结合的方式，贯穿于整个高等教育阶段（例如下图显示了加州大学洛杉矶分校在不同阶段虚拟仪器技术教学中所侧重的学生能力培养，形成”Engineering Pipeline”）。在国内，已有包括清华大学、哈尔滨工业大学、天津大学在内的超过 200 所高校开设了虚拟仪器技术课程，并建立了近 200 个教学和科研实验室，每年新增超过 50,000 名学生学习 LabVIEW 程序与系统设计。并且涌现了一批优秀的教材以及创新的学生实验作品。虚拟仪器技术课程及实验为学生提供了理论学习与创新实践的重要载体，可以充分发挥学生的创造力，全面提升学生的各方面能力与素质。这与我们教学改革以及创新型人才培养的目标完全一致，也是众多高校越来越重视虚拟仪器技术教学的原因所在。建议建议教学教学方式方式与内容安排与内容安排 国内外高校十几年的教学实践证明，虚拟仪器技术课程非常适合将理论学习、课程实验、以及基于项目的动手实践三者相结合，全面培养学生的各方面能力，达到创新型人才培养的目标。NI 在这些方面都可以为教师提供合适的参考资料和硬件平台，并通过统一的LabVIEW 软件将理论与实现无缝连接起来。值得一提的是，借助于 NI 提供的一些非常适合学生使用的硬件平台（如 myDAQ），可以使学生充分利用课外时间，完成课后作业、项目实践或其他科技创新活动，从而将传统的实验室概念扩展为“大实验室”的概念，可以使学生随时随地“Do Engineering”，扭转中国传统教育模式中“重理论 轻实践”的偏向。7 在条件许可的情况下，在虚拟仪器技术相关课程的教学中，应考虑采取课程讲授、软硬件课程实验与基于项目的动手实践三者相结合的教学方式：1.通过课堂理论教学使学生熟悉虚拟仪器技术的基本概念、工作原理、关键技术和实际应用，使学生全面了解测控技术领域前沿的技术发展与应用；2.通过 LabVIEW 软件编程练习和结合硬件的课程实验，是学生掌握虚拟仪器平台的操作使用，培养学生的实际动手能力；3.通过基于项目的课程设计(Project)使学生建立起系统设计的概念，同时培养学生的创新能力、独立思考与解决实际问题的能力、以及团队合作精神。以下是针对一学期的课程所设计的一个教学计划时间安排，教师在实际实施时可根据专业背景与实际条件做相应调整，因此该计划仅供参考。理论教学理论教学 虽然目前虚拟仪器技术的教学越来越强调动手实践，但其立足点仍是教师通过课堂授课所传授的理论知识。这些理论知识包括虚拟仪器技术的基本概念与理论、LabVIEW 程序设计思想、虚拟仪器技术的应用及最新发展等，此外，教师还可结合本院系的专业背景介绍虚拟仪器技术在本专业领域内的应用，引导学生学以致用。NI 可以为各高校从事虚拟仪器技术课程教学或拟开设该课程的教师提供技术理论及最新发展和应用方面的最新资料，以及部分多媒体课件内容和演示程序（如有相关需要，请咨询各区域的 NI 高校市场工程师）。此外，随着虚拟仪器技术的快速发展及其教学的全面展开，已有一些从事该领域教学或科研的教师编写了诸多相关教材，其中不乏优秀之作，可作为重要的教学参考资料。此外，NI 中国网站 以及全球最大的图形化系统设计专业网站 GSD 提供丰富的资源下载，包括国外知名高校的虚拟仪器课程教学课件以及非常丰富的 LabVIEW 范例代码等。具体链接参见后续章节。9 实验实验教学教学 尽管通过纯软件程序设计以及仿真硬件，学生可以掌握 LabVIEW 的基本程序设计方法与技巧，但结合真实硬件 I/O 的实验才可以使学生真正体会到一个“采集-分析-显示”的完整系统如何构成。对于虚拟仪器技术课程实验，NI 推荐采用基于 NI ELVIS 的数据采集硬件平台加 NI LabVIEW 软件的实验室配置方案。NI ELVIS 集成 8 路差分输入（或 16 路单端输入）模拟数据采集通道、24 路数字 I/O 通道，以及 12 款最为常用的仪器（包括示波器、数字万用表、函数发生器等）。支持连接多种传感器及执行机构 学生可基于标准配置中的面包板实现自定义的信号调理电路或其他电路模块功能 也可选择第三方提供的现成电路板实现针对不同传感器的信号调理功能 教师也可自行开发实验电路板 通过 USB 连接 PC，连接简单，便于调试；具有很好的健壮性，降低实验室资产损耗 提供现成软面板软件实现不同的仪器功能 教师或学生也可以通过 LabVIEW 编程实现自定义的数据处理、显示、存储等功能 NI ELVIS 是虚拟仪器技术课程实验的理想平台(详情请访问 ELVIS 子板 清华大学开发的传感器实验板 NI ELVIS 同时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电路、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；同时虚拟仪器技术本身就是一门多学科知识交叉的学科，在课程实验中结合不同学科背景，可以使学生融会贯通，这也符合当今宽口径人才培养的教学改革思路。11 此外，不同院校不同院系结合其自身学科建设特点，可以选择其他 NI 硬件平台开设虚拟仪器技术相关实验。所有这些硬件平台都可通过 LabVIEW 进行编程，因此，只要学生掌握了其中一种硬件平台的使用，很容易举一反三，融会贯通。为了适应创新型人才培养与卓越工程师培养的需要，清华大学精密仪器与机械学系以及哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院分别与 NI 创建了创新实践基地，在虚拟仪器实验室中为学生提供良好的硬件条件，使他们可以在本科阶段接触到多种在工业界广泛使用的硬件平台，并在学习过程中结合自己的专业背景完成相应创新项目。哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院创新实践基地配备了各种在工业界广泛采用的 NI 硬件，为创新型人才培养提供了良好的硬件环境 结合真实硬件的课后练习与作业结合真实硬件的课后练习与作业 除了传统意义的实验室，在虚拟仪器技术课程的教学实践中，有越来越多的学校开始尝试构建“大实验室”，即让学生利用课外时间在实验室之外完成相关练习作业或创新项目，作为实验室集中实验的有益补充。过去，受制于硬件设备的限制，学生在课外所能完成的主要是一些基于纯软件的 LabVIEW 编程练习；现在，借助 NI 最新推出的 myDAQ 数据采集模块可以使学生在任何地点完成结合硬件的练习。外观小巧、操作方便的 myDAQ 可以提升学生的学习热情，使他们充分利用课外时间进行动手练习和创新实践。由于 myDAQ 数据采集模块的设计小巧，便于携带，通过 USB 供电也不需要其他附件，而且 I/O 部分电路采用特别设计，即使连线错误也不会损坏数据采集硬件，因此教师可以放心地借用给学生短期使用，也利于提高实验室资源利用效率。除了数据采集，myDAQ 还可用于信号处理、电路设计以及控制设计的创新实验。针对具体的应用，教师可以引导学生设计外围电路，也可以选择第三方做好的现成子板，或结合具体实验自行开发相应的连接子板。13 北京大学生物医学工程专业的学生利用 myDAQ 完成的虚拟仪器设计作业数码听诊器设计 基于项目的动手实践基于项目的动手实践 进一步地，可以在虚拟仪器技术课程中引入基于项目实践的教学方式，作为课堂教学与实验的有机补充。通过引入基于项目实践的教学方式，教师引导学生自主发现问题、解决问题，培养学生的创新能力、动手能力与团队合作精神。学生还可以综合运用多门课程知识实现完整应用，建立系统的概念，并可以通过亲自动手熟悉掌握工业界标准的软硬件平台。虚拟仪器技术本身就为系统构建提供了创新的方式，而且它是一门面向应用的技术，因此在相关课程中引入基于项目的学习方式不但非常适合，也是很有必要的。NI LabVIEW 与 myDAQ 相结合，是学生创新项目实现的良好软硬件平台，使学生可以随时随地将创新想法付诸实现。例如天津大学精密仪器与光电子工程学院在虚拟仪器的教学过程中借助 myDAQ 引入基于项目的教学方式，将 120 名学生分为 20 组，自拟题目，用两周时间，利用 myDAQ 的硬件资源，加上学生的创意做一些有意义的东西。在这个过程中，可以充分激发学生的创作热情，使学生更加具体知道虚拟仪器技术课程能带给他们什么，同时可以使学生加深对课堂所学知识的理解，让学生在课后能自觉复习、练习所学知识，并且融会贯通，加强虚拟仪器课程与其他知识的融合，也为今后从事实际工作或进一步参与实际科研项目打下一定的基础。天津大学学生两周时间基于 NI myDAQ 和 LabVIEW 完成的部分项目成果 (左上:打地鼠小游戏，左下:基于 myDAQ 的音频播放器，右:感知温度的塑料杯)无独有偶，上海交通大学密西根联合学院也在本科生教学中引入了基于项目的学习方式。该学院是上海交通大学创新人才培养模式的一个重要试点，学院在学生培养、教师交流等各方面与美国密歇根大学展开全面合作；并尝试在本科生培养的各阶段引入不同的教学方式教授虚拟仪器的相关知识，并培养学生的相应能力，取得很好的效果。这与加州大学洛杉矶分校的 Engineering Pipeline 思想不谋而合。在该学院大二或大三的实验课程 Laboratory 1 和 Laboratory 2 中，学生通过实验与课后练习掌握 myDAQ 的基本使用及必要的 LabVIEW 程序设计知识，打下牢固基础为日后的Capstone 项目实践做好充分准备。15 上海交通大学密歇根联合学院 Lab1 的练习指导书中关于 myDAQ 的部分 继而，在大四的 Capstone(毕业设计)中，以四名学生为一组，利用一学期时间完成各种有实际意义的创意作品，并通过题目选定、方案论证、中期检查、成果展示、结题答辩等各环节锻炼学生的综合素质，培养学生的科研能力。有多组学生基于 NI myDAQ 完成Capstone 项目。NI 工程师在这个过程中也对老师和学生提供全方位的支持，包括选题和方案论证阶段的咨询、LabVIEW 和 myDAQ 培训与技术支持、通过 myDAQ loaning program 提供硬件租借等等。上海交通大学密西根联合学院的学生 基于 myDAQ 完成 Capstone Project 之后的成果展示和答辩 除了 myDAQ 之外，有条件的学校还可以为学生提供其他广泛用于工业界的 NI 硬件平台（如 CompactDAQ，PXI，CompactRIO，智能相机、无线传感器网络等），完成相应的创新项目。无论是基于 myDAQ/ELVIS 这样的教学平台，还是基于其他的主流工业测控平台，基本的操作与编程开发方式都是类似的。因此，通过基于项目的动手实践就可以将学生的课程学习与将来的科研工作或实际工程项目工作无缝衔接起来。例如哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院创新实践基地为学生提供丰富的 NI 硬件平台用于学生创新项目，并且教师为学生提供一些指导性的选题参考。哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院学生创新项目参考选题哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院学生创新项目参考选题 硬件平台 参考选题 CompactRIO 基于嵌入式分布式数据采集的结构健康监测 WSN 基于无线传感器网络的智能楼宇环境监测 PXI 基于 PXI 的大型数据采集与记录系统架构 电子产品自动检测系统 Smart Camera 基于机器视觉的零件自动分类与检测 myDAQ 按键钢琴 在线音效处理 钢琴调音 许多其他有条件的国内高校也在相关课程的教学中鼓励并引导学生采用业界标准的平台在课堂学习之余完成一些具有实用背景的科创项目。从左至右:清华大学学生基于 NI PXI 和 SmartCamera 完成的 3D 幻影显示系统 上海交通大学学生基于 NI CompactDAQ 数据采集平台完成的空调监测与控制系统 上海交通大学学生基于 NI WSN 无线传感器网络平台实现的智能能耗管理系统 吉林大学学生基于 NI 机器人起步平台完成的车联网概念演示系统 课程教学的进一步延伸课程教学的进一步延伸 除了虚拟仪器技术及相关课程的教学，NI 还支持在高校内建立 LabVIEW 高校俱乐部，并开展虚拟仪器设计大赛，从而为有兴趣深入学习 LabVIEW 与虚拟仪器技术的学生提供更多的学习途径和资源，NI 也非常希望相关教师能够引导这些活动的开展，并由此进一步促进课程教学。LabVIEW 高校高校俱乐部俱乐部 LabVIEW 高校俱乐部由各大高校的老师和同学自发组织、面向校园内的 LabVIEW 爱好者、使用者，旨在为同学们提供一个 LabVIEW 学习、交流和分享的平台，为大家更好的学习和使用 LabVIEW 提供帮助。NI 工程师及院校市场部积极支持各 LabVIEW 高校俱乐部组织形式多样、内容丰富的活动。17 部分 LabVIEW 高校俱乐部列表(截至 2011 年 7 月不完全统计)天津大学 精仪学院/测控专业 清华大学 精密仪器与机械学系 浙江大学 生仪学院 上海交通大学 机械电子工程 哈尔滨工业大学 自动化测试与控制研究所 东南大学 仪器科学与工程学院 华中科技大学 能源与动力工程学院/动力机械及工程 西安交通大学 测控技术与仪器 西安电子科技大学 信号与信息处理 华南理工大学 机械工程及自动化 武汉大学 电气工程学院电力系统及其自动化 石家庄铁道大学 机械工程学院/机械电子工程 首都师范大学 物理系 山东大学 物理学院微电子专业 中国地质大学 地球物理与信息技术/电子信息工程 重庆邮电大学 光电工程学院光信息科学与技术专业 太原理工大学 信息工程学院自动化系 虚拟仪器虚拟仪器设计设计大赛大赛与其他竞赛与其他竞赛 NI 积极支持开展各层次级别的虚拟仪器设计大赛，学生通过组成小组参加比赛从而完成具有实际应用背景的创新项目，进一步巩固课堂所学知识，培养解决实际问题的能力。相关教师可以在虚拟仪器设计大赛中担任指导教师或评委，对学生起到引导的作用。目前，清华大学、天津大学、东南大学、华中科技大学等高校均已开展校级虚拟仪器设计大赛。2011 年上半年，中国仪器仪表学会与教育部高等学校仪器科学与技术教学指导委员会共同主办了全国虚拟仪器设计大赛。大赛由清华大学等单位共同承办，NI 公司协办并积极提供参赛队伍培训、技术支持与硬件临时租借等帮助。国内仪器与测量学科的许多知名专家与教授参与了大赛的指导、组织、评审等工作。本次大赛一共吸引来自全国 184 所高校的 915 支队伍参与，为培养高校在校生的科学兴趣、锻炼综合素质、展现创新能力、推动高校学生课外科技活动向更广和更深层次发展提供了一个新平台。全国虚拟仪器设计大赛今后将成为定期活动，两年举办一次，从而成为高校、行业协会、企业共同支持的拔尖创新人才培养的有效载体和卓越工程师培养平台。来自清华大学的学生作品 3D 欢迎显示系统获得首届全国虚拟仪器大赛特等奖，同时获得全球图形化系统设计大赛第一名。图为参赛学生携作品参加在美国举行的 NIWeek，吸引世界各地的高校教师驻足观看 除了虚拟仪器大赛之外，NI 也积极鼓励与支持高校学生基于虚拟仪器技术完成作品，参加挑战杯、机器人世界杯等科技竞赛。19 网络资源网络资源 NI 院校资源中心 http:/ http:/ NI ELVIS 资源中心 http:/ myDAQ 资源中心 http:/ http:/ 如有任何问题，请与我联系:徐征 NI 高校市场工程师（负责仪器科学与技术学科）Email: 电话:[phone] NI 免费咨询电话:800-820-3622 电子电路课程与实验开课指导 信号处理课程与实验开课指导 控制理论课程与实验开课指导 虚拟仪器技术课程与实验开课指导 通信课程与实验开课指导 该虚拟仪器技术课程与实验开课指导书与电子电路、信号处理、控制理论、以及通信开课指导书构成了完整的工程教育创新教学开课指导系列。如有需要，欢迎跟我们取得联系。