彭小平，凌双明

(长沙航空职业技术学院，湖南 长沙 410124)

1 虚拟仪器技术发展现状

1986年，美国国家仪器公司(National Instruments公司,以下简称NI公司)提出了“软件即仪器的口号”[1]，推出了NI-LabVIEW直观的图形编程语言和运行程序平台，开启了虚拟仪器突破传统仪器的局限大变革的序幕，如今已发展到其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。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、自动化装备、汽车、航空航天、能源电力、生物医电、建筑及环保等多个领域[2]。虚拟仪器同时也朝小型化、大众化、网络化发展。

2 虚拟仪器技术在国内外高等院校的应用

在国外高校，不同的学科体系的理工大学基本开设了虚拟仪器技术课程，如麻省理工、加州大学、曼彻斯特大学、弗吉尼亚理工等顶尖工程院校均将虚拟仪器技术的教学引入到学生培养的全阶段、多学科教学，同时在教学中采用理论教学、实验与项目实践相结合的方式，注重理论为项目实践服务，注重学生不同阶段实践创新及专业能力的培养，取得了很好的教学效果。曼彻斯特大学针对电类课程理论性太强，涉及实际应用不紧密。利用NI LabVIEW改造电类实验室，加强了理论与实际应用的联系，让学生觉得深奥难懂的概念变得容易理解，并能解决实际问题。仅仅一年的时间，教学评价的整体满意度大幅上升至98%，在英国36所大学中排名第一。在国内，已有包括清华大学、哈尔滨工业大学在内的超过一百多所高校开设了《虚拟仪器技术》课程，并建立了近200个教学和科研实验室，Labview已成为创新人才、卓越工程师培养的有效载体及重要课程。高职院校已经意识到LabVIEW在高职教育的重要性，如北京电子科技职业学院、天津中德应用技术大学、深圳职业技术学院、常州信息职业技术学院等高职院校都组建了NI LabVIEW实验室，在电工电子技术、电子测量技术等课程实验实践环节中利用LabVIEW技术进行项目实践。基于虚拟仪器灵活的交互特性和便捷的开发特性，大大提高了教学人员的工作效率，并改进了学生的学习方式。由于虚拟仪器技术是基于计算机技术，因此能方便应用于远程实验教学、虚拟仿真实验室的建设中来，虚拟仪器技术为职业教育的专业建设、课程改革和学生创新能力的培养方面开启了一个新的窗口。

3 NI LabVIEW在高职“电类”实践课程中课程改革的研究内容

1) 研究高职院校电类专业“NI LabVIEW实验室”建设方案

广泛调研国内外的知名的高职院校及应用技术大学“NI LabVIEW实验室”的建设情况，邀请行业专家对实验室的建设方案的硬件设计方案、软件设计方案进行严格论证和调整，使之更加符合高等职业教育的需要，充分体现出其职业性、通用性、创新性、开放性、先进性的特点，融合低碳环保、信息化、网络化的建设要求，研究出符合现代卓越高职院校建设的实验室的建设方案。

2) “以学习者为中心”进行“NI LabVIEW”课程改革的教学设计研究

研究高职院校电类专业的重要的专业基础课及专业课程如《电工技术》、《模拟电子技术》、《数字电子技术》、《传感器及检测技术》等课程能够开设的典型的NI LabVIEW实验实训项目、课程设计项目。实践项目要有典型性、实用性、必要性、可行性，要充分考虑高职学生的特点和学习认知规律，做到“理论实践高度融合，贴近生产实践的需要”。课程改革的教学设计，一定要体现“学习者为中心”原则，要体现项目任务驱动的教学模式，为不同的学生提供个性化的教学设计。教学设计要注重学生实践动手、创新能力及职业素养和综合素质培养，项目教学应设计大量的实践环节(任务)，在完成不同项目任务的同时，让学生的学习兴趣和自信心得到提升。并按照“过程评价、结果评价”有机结合来改革学生的课程成绩的评价机制[3]。

4 NI LabVIEW在高职“电类”实践课程中应用举例

2003年，美国国家仪器公司提出一种全新的设计、测试及教学电类课程的标准测试仪器，即教学实验室虚拟仪器套装(NI ELVIS)。它尺寸小、灵活性高的特点使其成为电工技术、模拟、数字电路、传感检测技术等课程的实验实训设备及课堂演示平台。NI ELVIS II与全新驱动软件NI ELVISmx配合使用。它具有较轻的重量、较好的控制布局、多种接口、集成数据采集设备、及高速USB连接性。计算机上装有NI ELVISmx软件，就可以在实验室、家庭电脑、教室中的笔记本，使用NI ELVIS II，并在NI ELVIS环境下集成了NI Multisim电路模拟仿真软件[4]。教师可以PPT或黑板上先设计电路并在Multisim中仿真，当设计可行后，即可在NI ELVIS II开发板上创建真实电路，并用与设计调试工具进行测试(软面板[SFP]仪器)。电路可以不断修改，直至最后完成正确，为课堂教学、实验实训教学提供了很好的工作平台。下面用一个电工技术中高职的学生不容易理解却又常见的一个典型RC电路实验来讲解RC瞬态电路的电压变化，电容的充放电的过程。

1) 用数字电压表来观察RC瞬态电路的电压变化

图1 RC串联电路

2) 用数字电压表来观察RC瞬态电路的电压变化

移除+5 V电源引线，并采用一根连接到可变电源插口[SUPPLY+]的导线来取代。将输出电VC连接到模拟输入插口[AI 0+]和[AI 0-]，如图2所示。关闭NI ELVIS II并启动LabVIEW。在NI ELVIS II的程序库文件夹中，选择RC Transient.vi。该程序采用LabVIEW API，可变电源的电压调为+5 V并持续5 s，接着将VPS电压重新设置为0 V并持续5 s，同时测量电容两端电压，如图3所示， Labview图表中即能显示瞬态电路的充电和放电波形。

图2 NI ELVIS II原型板上的RC瞬态电路

3) LabVIEW方框图设计分析

在该LabVIEW方框图四个序列的第一个序列中，NI ELVISmx可变电源虚拟仪器(VI)向NI ELVIS II原型板上的RC电路输出+5.00 V电压。第二个序列以1/10秒为间隔、顺序读取50次电容两端的电压值。在for循环中，DAQ助手以1 000 /s的速率读取100个数据，并将这些值传送至一个簇阵列中(粗的蓝/白线)。从该簇中将数据阵列(粗的橘色线)传送至Mean VI中，返回这100平均值。然后，将平均值通过一个本地变量终端 读数的<< RC Charging and Discharging >>传送至LabVIEW图表中。在第三个序列中将VPS+电压设置为0 V，最后一个序列测量放电循环中的另外50个平均采样值。该程序记录了RC路的一个完整的充电和放电周期。如果要重复该周期，可以将上述程序放入到while循环中去。

图3 瞬态电路的充电和放电波形

图4 RC Transient.vi程序的LabVIEW方框图

5 结束语

与传统的实验设备相比，LabVIEW具有图形化、直观易学，数据采集系统搭建方便，NI软硬件无缝连接，强调动手能力，丰富的硬件平台, 构建实际测量与控制系统，紧贴工业生产及各类工程实际应用[5]，虚拟仪器技术打破了高职传统的电类课实验模式，教师可以在理论教学的同时，将理论融入实践，通过设计，仿真，调试让学生更容易掌握电路设计，在条件具备的学校，可以根据学生特点，以学习者为中心，在一体化的教室开展“教学做一体”课程改革，设计出能够激发学生的学习兴趣的实践项目，达到培养学生学习自觉性、创新性及动手能力的目的。