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摘 要 虚拟仪器技术课程是自动化专业（卓越计划）测控技术应用能力培养中的一门重要课程，为符合卓越工程师教育培养计划的要求，对课程进行改革，将课程定位为理实一体化课程，从校企共建实践教学平台、教学项目设计和实施进行建设与实践，形成基于项目的研中学、做中学的教学模式。
关键词 虚拟仪器技术；实践教学平台；教学项目设计
中图分类号：G642.3 文献标识码：B
文章编号：1671-489X（2016）12-0086-03
1 前言
常熟理工学院是一所应用型本科院校，是全国卓越工程师教育培养计划高校和江苏省卓越工程师培养试点单位，自动化专业入选国家卓越工程师教育培养计划试点专业。自动化（卓越计划）专业以学生自主学习能力、创新创业能力、工程实践能力和大学生职业素养培养为核心，采用“校内学习培养 校外学习培养”相结合的方式：校内培养注重核心能力的培养，主要包括PLC编程与自动化系统集成能力、单片机开发能力和测控技术应用能力；校外培养面向企业所属行业领域，以专业方向进行模块化培养。
测控技术应用能力培养要求学生掌握虚拟仪器技术、柔性测试技术、测控电路和工程项目管理等课程的理论知识和实践技能，能进行典型测控电路的设计、调试，具备熟练进行LabVIEW编程的能力，能以虚拟仪器技术为核心，融合多种相关行业技术（如机电一体化、网络通信及软件技术），提供符合用户需要的测试解决方案。虚拟仪器技术课程在测控技术应用能力培养中起着至关重要的作用，为符合卓越工程师培养目标要求，对虚拟仪器技术课程进行改革。在传统的教学方法中，教学安排为理论课和实验课，而且实验课时量偏少，教师在理论课上纯粹地讲授课程内容，对大纲规定的内容做详尽的讲授，再由学生在实验课上完成相应的实验。这样的教学方式不利于学生创新能力、实践应用能力的培养[1]。
针对传统教学存在的弊端，将虚拟仪器技术课程设置为理实一体化课程，课程学时为48（其中，24学时的理论教学，24学时的实践），授课直接安排在实验室进行，采用边讲边练的形式进行教学，突出基于项目的“研中学”“做中学”的教学模式。
2 校企合作共建实践教学平台
从常熟理工学院自动化专业的“卓越工程师教育培养计划”实践需求、课程需求出发，以校地互动、亲近业界为宗旨，与上海泛华测控系统有限公司共建教学实践平台。学校和企业共同设计课程工程实践能力培养要求，形成校企相互衔接的工程实践能力训练平台。平台建设主线如图1所示，自然界中的原始信号可以分为数字信号和模拟信号两类：数字信号包含开关信号和脉冲序列（计数器/定时器），模拟信号包含电平信号、时域信号和频域信号。
虚拟仪器技术课程的主要任务是运用LabVIEW、NI-DAQmx、数据采集卡和传感器，附以必要的信号调理电路实现对信号的采集（生成）、分析和处理。数据采集卡（Nextboard）选用的是NI公司的PCI-6221，传感器包含温度传感器（热敏电阻、热电偶等）、称重传感器、霍尔传感器、驻极体麦克风、扬声器、编程器等，执行器件有直流电机、步进电机及其他附属器件（发光二极管、数码管、芯片等）。传感器、执行器等的选择考虑了能模拟或接近或直接应用于实际工程项目中的器件，从而能更好地培养学生的工程实践能力，为校外学习培养奠定基础。
3 虚拟仪器技术课程教学项目设计
自动化（卓越计划）专业在第6学期开设LabVIEW编程实训（2周），通过编程实训使学生掌握虚拟仪器系统的基本构成及基本设计思想，掌握LabVIEW软件的编程环境、编程方法等方面的内容。第7学期开设虚拟仪器技术课程。虚拟仪器技术课程采用基于项目的教学方法，通过与企业工程师探讨沟通，以“必须、实用、够用”为宗旨来设计每一项目，如表1所示。
表1所设计的项目涉及工业实际中常用的六类传感器信号的采集及处理：温度、电桥测量、测频、编码器、压电式集成电路和光敏传感器[2-5]。其中序号1、2为运用NI-DAQmx完成工业测控系统项目所必须具备的硬件和软件基础，序号3～8的是基础项目，序号9、10为综合性项目。
通过基础项目的学习和实践，使学生掌握常用传感器的使用、信号调理电路的设计和NI PCI-6221数据采集卡的使用，巩固LabVIEW程序设计基本知识，如数组、簇、表格、程序运行结构和文件存储等，掌握运用LabVIEW和NI-DAQmx进行模拟信号、数字信号采集（生成）、分析和处理的方法，掌握事件结构、使用事件的对话框、状态机设计模式、带事件结构的状态机设计模式。
通过综合性项目的学习和实践，进一步深入运用LabVIEW和NI-DAQmx进行多种信号采集（生成）、分析和处理的方法，掌握工程应用中常用的设计模式：状态机设计模式、双循环结构、生产者/消费者设计模式、主从设计模式等，提升虚拟仪器技术在工程中的应用能力[6]。
4 虚拟仪器技术课程项目教学实施
虚拟仪器技术课程在实验室进行一体化的教学，使学生具备一定的LabVIEW软件编程能力和NI数据采集系统软硬件知识，完成8个项目的硬件、软件设计。任课教师首先对所带的班级进行分组，形成项目团队；继而下达项目及项目所需完成的最低要求及在项目完成中必须使用的知识。项目团队领到项目要求后，对项目进行分析讨论，将项目分成若干个核心任务，在完成任务的过程中掌握项目所涉及的软硬件知识，最终完成项目。
领取项目 要求用霍尔元件、直流电机等模拟电动自行车的行驶原理。使用线性霍尔模拟自行车调速车转把的工作状态，直流电机模拟自行车车轮转动，使用开关型霍尔传感器测量电机转速，以此判定当前车速是高速、中速还是低速。
项目分析 简单地可将项目直接分为硬件设计和软件设计，首先需要完成硬件设计。从领取的项目中得知本项目需要用到霍尔元件（开关型和线性型）、直流电机和数据采集卡PCI-6221，通过查找资料熟悉器件，依照电动自行车的行驶原理对项目进行分解：1）运用LabVIEW控制直流电机转动；2）使用开关型霍尔元件实现对直流电机转速的采集，运用LabVIEW对所采集的信号进行处理；3）使用线性霍尔元件模拟电动车把手的旋转，运用线性霍尔元件的输出量控制直流电机转动[3]。 任务实现 通过查找资料，发现有两种控制直流电机转动的常用方法：控制直流电机两端的供电电压或用PWM波。在实施过程中，学生选择控制电机两端电压的方法，发现用MAX软件控制数据采集卡PCI-6221 AO通道输出直流电机的额定电压时，电机并不转动。通过项目组讨论发现，直流电机的功率比较大，而PCI-6221 AO通道的输出电流较小，提出硬件设计中需考虑驱动电路。当直流电机转动起来时，学生已经认识到器件参数和厂家提供的数据手册的重要性，MAX软件在项目调试设计中的便利性。
在完成直流电机控制电路设计的基础上，运用LabVIEW和NI-DAQmx函数完成模拟量输出信号的程序设计。在程序调试中，当学生关闭程序后直流电机依然在转动，分析发现在程序设计中AO通道输出电平信号后，在任务结束前并未将其置为0。在一项项任务完成的过程中，学生会遇到各种意想不到的问题，在一个个问题的解决过程中完成知识的学习和掌握。
项目实现 项目的实现并非是任务的简单完成，任务的完成仅是帮助学生完成项目的硬件电路的设计和部分功能的实现。项目实现还包含前面板和程序框图的设计。前面板设计是完成项目的最前期需要考虑的，需要摆放哪些控件，需要有什么样的信息提示，需要用户填写什么信息，需要什么样的信息反馈，等等。程序框图设计中若程序相对较复杂，可考虑工程实践中使用较多的状态机架构、生产者与消费者架构等，为增强程序的可读性功能相对独立的可生成子VI进行调用，同时对程序加必要的注释。
通过课程学习，学生不仅能将软件学习与硬件设计紧密结合起来，同时在项目的实施过程中锻炼了工程设计中应具备的团队合作、查阅专业文献资料等一系列的综合应用能力。
5 结束语
按照“卓越计划”人才培养目标及特点确定自动化（卓越计划）专业学生采用校内 校外培养的模式。校内培养注重核心能力（PLC编程与自动化系统集成能力、单片机开发能力和测控技术应用能力）的培养，其中虚拟仪器技术课程是测控技术应用能力培养中所涉及的一门重要的、实践性强、应用性强的课程。从课程的定位、能力培养目标的确定，到与课程相配套的实验平台的建设，教学内容、教学体系的设计，到教学实施，这是一项系统工程。采用基于项目的教学方法，培养学生的自学能力、发现和分析问题的能力、动手能力、协作和互助能力、交际和交流能力。在课程建设和实践中有效地实现学校与企业的深度合作，打破传统教育的自我封闭模式，使学生具备虚拟仪器技术工程实践的基本能力与素质，为企业阶段的培养打下基础。
参考文献
[1]汪弦.《虚拟测试技术》课程的教学定位与教学改革[J].教育教学论坛，2014（2）：50-51.
[2]白云，高育鹏，胡小江.基于LabVIEW的数据采集与处理技术[M].西安：西安电子科技大学出版社，2009.
[3]姚金明，杨俊杰.自行车转速里程表的设计[J].上海电力学院学报，2013（3）：249-252.
[4]张春林.自动门系统的设计与应用[J].数字技术与应用，2014（1）：165-166.
[5]杨敏.一种基于nextboard的声音采集系统设计[J].科技创新导报，2013（23）：30.
[6]常峰.通过虚拟仪器技术课程教学改革促进学生专业综合能力提高[J].考试周刊，2014（82）：8-9.
关键词 虚拟仪器技术；实践教学平台；教学项目设计
中图分类号：G642.3 文献标识码：B
文章编号：1671-489X（2016）12-0086-03
1 前言
常熟理工学院是一所应用型本科院校，是全国卓越工程师教育培养计划高校和江苏省卓越工程师培养试点单位，自动化专业入选国家卓越工程师教育培养计划试点专业。自动化（卓越计划）专业以学生自主学习能力、创新创业能力、工程实践能力和大学生职业素养培养为核心，采用“校内学习培养 校外学习培养”相结合的方式：校内培养注重核心能力的培养，主要包括PLC编程与自动化系统集成能力、单片机开发能力和测控技术应用能力；校外培养面向企业所属行业领域，以专业方向进行模块化培养。
测控技术应用能力培养要求学生掌握虚拟仪器技术、柔性测试技术、测控电路和工程项目管理等课程的理论知识和实践技能，能进行典型测控电路的设计、调试，具备熟练进行LabVIEW编程的能力，能以虚拟仪器技术为核心，融合多种相关行业技术（如机电一体化、网络通信及软件技术），提供符合用户需要的测试解决方案。虚拟仪器技术课程在测控技术应用能力培养中起着至关重要的作用，为符合卓越工程师培养目标要求，对虚拟仪器技术课程进行改革。在传统的教学方法中，教学安排为理论课和实验课，而且实验课时量偏少，教师在理论课上纯粹地讲授课程内容，对大纲规定的内容做详尽的讲授，再由学生在实验课上完成相应的实验。这样的教学方式不利于学生创新能力、实践应用能力的培养[1]。
针对传统教学存在的弊端，将虚拟仪器技术课程设置为理实一体化课程，课程学时为48（其中，24学时的理论教学，24学时的实践），授课直接安排在实验室进行，采用边讲边练的形式进行教学，突出基于项目的“研中学”“做中学”的教学模式。
2 校企合作共建实践教学平台
从常熟理工学院自动化专业的“卓越工程师教育培养计划”实践需求、课程需求出发，以校地互动、亲近业界为宗旨，与上海泛华测控系统有限公司共建教学实践平台。学校和企业共同设计课程工程实践能力培养要求，形成校企相互衔接的工程实践能力训练平台。平台建设主线如图1所示，自然界中的原始信号可以分为数字信号和模拟信号两类：数字信号包含开关信号和脉冲序列（计数器/定时器），模拟信号包含电平信号、时域信号和频域信号。
虚拟仪器技术课程的主要任务是运用LabVIEW、NI-DAQmx、数据采集卡和传感器，附以必要的信号调理电路实现对信号的采集（生成）、分析和处理。数据采集卡（Nextboard）选用的是NI公司的PCI-6221，传感器包含温度传感器（热敏电阻、热电偶等）、称重传感器、霍尔传感器、驻极体麦克风、扬声器、编程器等，执行器件有直流电机、步进电机及其他附属器件（发光二极管、数码管、芯片等）。传感器、执行器等的选择考虑了能模拟或接近或直接应用于实际工程项目中的器件，从而能更好地培养学生的工程实践能力，为校外学习培养奠定基础。
3 虚拟仪器技术课程教学项目设计
自动化（卓越计划）专业在第6学期开设LabVIEW编程实训（2周），通过编程实训使学生掌握虚拟仪器系统的基本构成及基本设计思想，掌握LabVIEW软件的编程环境、编程方法等方面的内容。第7学期开设虚拟仪器技术课程。虚拟仪器技术课程采用基于项目的教学方法，通过与企业工程师探讨沟通，以“必须、实用、够用”为宗旨来设计每一项目，如表1所示。
表1所设计的项目涉及工业实际中常用的六类传感器信号的采集及处理：温度、电桥测量、测频、编码器、压电式集成电路和光敏传感器[2-5]。其中序号1、2为运用NI-DAQmx完成工业测控系统项目所必须具备的硬件和软件基础，序号3～8的是基础项目，序号9、10为综合性项目。
通过基础项目的学习和实践，使学生掌握常用传感器的使用、信号调理电路的设计和NI PCI-6221数据采集卡的使用，巩固LabVIEW程序设计基本知识，如数组、簇、表格、程序运行结构和文件存储等，掌握运用LabVIEW和NI-DAQmx进行模拟信号、数字信号采集（生成）、分析和处理的方法，掌握事件结构、使用事件的对话框、状态机设计模式、带事件结构的状态机设计模式。
通过综合性项目的学习和实践，进一步深入运用LabVIEW和NI-DAQmx进行多种信号采集（生成）、分析和处理的方法，掌握工程应用中常用的设计模式：状态机设计模式、双循环结构、生产者/消费者设计模式、主从设计模式等，提升虚拟仪器技术在工程中的应用能力[6]。
4 虚拟仪器技术课程项目教学实施
虚拟仪器技术课程在实验室进行一体化的教学，使学生具备一定的LabVIEW软件编程能力和NI数据采集系统软硬件知识，完成8个项目的硬件、软件设计。任课教师首先对所带的班级进行分组，形成项目团队；继而下达项目及项目所需完成的最低要求及在项目完成中必须使用的知识。项目团队领到项目要求后，对项目进行分析讨论，将项目分成若干个核心任务，在完成任务的过程中掌握项目所涉及的软硬件知识，最终完成项目。
领取项目 要求用霍尔元件、直流电机等模拟电动自行车的行驶原理。使用线性霍尔模拟自行车调速车转把的工作状态，直流电机模拟自行车车轮转动，使用开关型霍尔传感器测量电机转速，以此判定当前车速是高速、中速还是低速。
项目分析 简单地可将项目直接分为硬件设计和软件设计，首先需要完成硬件设计。从领取的项目中得知本项目需要用到霍尔元件（开关型和线性型）、直流电机和数据采集卡PCI-6221，通过查找资料熟悉器件，依照电动自行车的行驶原理对项目进行分解：1）运用LabVIEW控制直流电机转动；2）使用开关型霍尔元件实现对直流电机转速的采集，运用LabVIEW对所采集的信号进行处理；3）使用线性霍尔元件模拟电动车把手的旋转，运用线性霍尔元件的输出量控制直流电机转动[3]。 任务实现 通过查找资料，发现有两种控制直流电机转动的常用方法：控制直流电机两端的供电电压或用PWM波。在实施过程中，学生选择控制电机两端电压的方法，发现用MAX软件控制数据采集卡PCI-6221 AO通道输出直流电机的额定电压时，电机并不转动。通过项目组讨论发现，直流电机的功率比较大，而PCI-6221 AO通道的输出电流较小，提出硬件设计中需考虑驱动电路。当直流电机转动起来时，学生已经认识到器件参数和厂家提供的数据手册的重要性，MAX软件在项目调试设计中的便利性。
在完成直流电机控制电路设计的基础上，运用LabVIEW和NI-DAQmx函数完成模拟量输出信号的程序设计。在程序调试中，当学生关闭程序后直流电机依然在转动，分析发现在程序设计中AO通道输出电平信号后，在任务结束前并未将其置为0。在一项项任务完成的过程中，学生会遇到各种意想不到的问题，在一个个问题的解决过程中完成知识的学习和掌握。
项目实现 项目的实现并非是任务的简单完成，任务的完成仅是帮助学生完成项目的硬件电路的设计和部分功能的实现。项目实现还包含前面板和程序框图的设计。前面板设计是完成项目的最前期需要考虑的，需要摆放哪些控件，需要有什么样的信息提示，需要用户填写什么信息，需要什么样的信息反馈，等等。程序框图设计中若程序相对较复杂，可考虑工程实践中使用较多的状态机架构、生产者与消费者架构等，为增强程序的可读性功能相对独立的可生成子VI进行调用，同时对程序加必要的注释。
通过课程学习，学生不仅能将软件学习与硬件设计紧密结合起来，同时在项目的实施过程中锻炼了工程设计中应具备的团队合作、查阅专业文献资料等一系列的综合应用能力。
5 结束语
按照“卓越计划”人才培养目标及特点确定自动化（卓越计划）专业学生采用校内 校外培养的模式。校内培养注重核心能力（PLC编程与自动化系统集成能力、单片机开发能力和测控技术应用能力）的培养，其中虚拟仪器技术课程是测控技术应用能力培养中所涉及的一门重要的、实践性强、应用性强的课程。从课程的定位、能力培养目标的确定，到与课程相配套的实验平台的建设，教学内容、教学体系的设计，到教学实施，这是一项系统工程。采用基于项目的教学方法，培养学生的自学能力、发现和分析问题的能力、动手能力、协作和互助能力、交际和交流能力。在课程建设和实践中有效地实现学校与企业的深度合作，打破传统教育的自我封闭模式，使学生具备虚拟仪器技术工程实践的基本能力与素质，为企业阶段的培养打下基础。
参考文献
[1]汪弦.《虚拟测试技术》课程的教学定位与教学改革[J].教育教学论坛，2014（2）：50-51.
[2]白云，高育鹏，胡小江.基于LabVIEW的数据采集与处理技术[M].西安：西安电子科技大学出版社，2009.
[3]姚金明，杨俊杰.自行车转速里程表的设计[J].上海电力学院学报，2013（3）：249-252.
[4]张春林.自动门系统的设计与应用[J].数字技术与应用，2014（1）：165-166.
[5]杨敏.一种基于nextboard的声音采集系统设计[J].科技创新导报，2013（23）：30.
[6]常峰.通过虚拟仪器技术课程教学改革促进学生专业综合能力提高[J].考试周刊，2014（82）：8-9.