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[摘要]在当前高校规模扩张的新形式下,为贯彻科学发展观,需要探索大学实验室建设的新思路。采用虚拟仪器技术创建绿色实验室、优化实验教学方式,以培养创新人才,塑造大学生现代工程素质,建设和谐大学。
[关键词]绿色实验;虚拟仪器;教学;创新体系
[中图分类号]G642.423[文献标识码]A[文章编号]1005-4634(2010)04-0067-04
0引言
营造绿色创新体系是国家大力倡导的科技发展战略,高校教学与科学研究及产业开发必须施以绿色导向,同国家绿色科技发展战略相一致。营造高校绿色教育氛围主要是通过校园文化建设,渗透到教学活动中,形成一种崇尚绿色的教学环境。这要求高校的人才培养必须走出封闭模式,加大与实际生产过程融合的力度,不断孕育高技术人才,为实现国家可持续发展战略提供人才与技术支持[1]。
1绿色工科实验的要求
绿色实验首先在化学实验室中提出,其目的是减少化学实验过程及废弃物所带来的污染,增强学生的环保意识[2]。绿色实验教学的广度和深度在工科学生的培养中还远远不够。在实验室建设中响应国家绿色科技发展战略,是一项从基础建设到后期管理都要贯彻始终的措施。它不仅要求技术含量高,配置最简,维护最省,实验最有效,还要追求环境最怡人,关系最和谐,从而达到实验最舒适,更好地为科研与教学服务。绿色实验室建设应该能够满足以下要求。
1.1技术领先
先进的实验技术是绿色实验室的首要条件,实验室要有先进的实验仪器和实验方法,不仅能够向教师和学生提供基本的工程技能训练条件,还应该紧跟科技发展的前沿,有利于教师开展科研和学生扩大视野、掌握新技术,增强学生就业能力。
科技发展日新月异,当前普通高校课程设置方面理论与实践脱节的课程较多,对学生的动手能力和综合处理问题的能力训练太少。以工科为例,由于扩招,实验仪器严重不足,加之损坏的仪器得不到及时维修,实验项目数、学生动手锻炼的机会等均不能满足教学的需要,冲击最大的是课程实习、毕业实习质量得不到有效保证,导致本应实践为主的工科教学有理论化趋向[3]。
1.2节约降耗
胡锦涛同志在党的十七大上的报告明确指出,要贯彻落实科学发展观,努力构建和谐社会,基本形成节约能源资源和保护生态环境的产业结构、增长方式、消费模式[4]。在高校中推进资源节约意识,也是科教兴国战略的组成部分之一。采用高科技手段节能,大力推广高科技产品,杜绝点滴的能源浪费现象,凸现其重要意义。
1.3动态升级与持续发展
绿色实验室建设,应该能够在原有设备或少量设备更新的条件下满足实验技术的动态升级,增强实验教学师资力量,有利于实验教材、内容、过程及计划等的更新。持续发展是指实验室应能够帮助教师更容易获得科研课题,易于开展实验教学;有利于学生完成教学计划规定的实验项目,走产学研相结合道路,尤其是高年级学生可以在教师指导下,有针对性地就实际生产中存在的有关技术问题开展研究,提高动手能力、工程能力和创新能力。
2虚拟仪器技术的绿色优势
实验室的建设离不开实验仪器的支撑,仪器的先进与否在很大程度上决定了实验室的先进性。当前,仪器仪表技术在向数字化、智能化、网络化、微型化方向迈进。虚拟仪器(VI),实际上是一个按照仪器需求组织的数据采集系统,它是在以通用计算机为核心的硬件平台上,由使用者设计定义,具有虚拟面板,测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。虚拟仪器的综合应用体现出上述仪器仪表技术的发展方向。
2.1技术特点
VI技术可由使用者定义自己的专用仪器系统,且功能灵活,容易构建,所以应用面极为广泛。其功能强大,可实现示波器、逻辑分析仪、频谱仪、信号发生器等多种普通仪器全部功能,配以专用探头和软件还可检测特定系统的参数;操作灵活,完全图形化界面,风格简约,符合传统设备的使用习惯,使用者可迅速掌握操作规程;集成方便,不但可以和高速数据采集设备构成自动测量系统,而且可以和控制设备构成自动控制系统。
2.2综合应用的价格优势
传统形式实验室建设需要投入大笔资金,期望仪器设备成本的大幅降低是实验室建设首要考虑因素。一套完整的实验测量设备少则几万元,多则几十万元。在同等的性能条件下,相应VI综合应用的价格要低二分之一甚至更多。
2.3仿真优势
虚拟仿真实验也是一种先进实验技术,并且得到广泛应用,特别是对一些难以再现的工业现场实验具有重要意义。在高科技实验领域,虚拟仿真实验具有重要价值;在基础实验领域,仿真实验往往不利于学生实际工程经验的培养。VI综合二者的优点,其将普通仪器的智能部分交给计算机来完成,易于仿真,且增强了仪器的灵活性,可靠性等;VI在工业应用中需要结合一定的硬件来实现,比如配以传感器、数据采集卡、电缆、接线端子等,有效培养学生的工程素质,特别适合高校本科实验教学和研究生科研课题。
3 应用VI技术优化实验室建设和实验教学
VI突破传统电子仪器以硬件为主体的模式,通过软件将计算机硬件资源与仪器有机地融合为一体,从而把计算机处理能力和仪器硬件的测量、控制能力结合在一起,通过软件实现对数据的显示、存储和分析处理。VI与计算机技术同步发展,与网络及其他周边设备互联,只需要改变软件程序就可以不断赋予它或扩展增强它的测量功能,这给传统的实验教学带来深刻的影响。
3.1低成本实验室建设的绿色通道
高校为了提供一定的实验规模,保证每个学生得到实际手动能力的训练,传统的教学实验室一般需购置大量的基础测量仪器,如示波器、万用表、信号源等,一次性投资较大,且技术更新快,维护困难。利用VI技术,可以设计出与实际仪器在原理、功能和操作等方面完全一样的全软件VI。在成本方面,VI价格低,传统仪器价格昂贵。由一台计算机配以相应的数据采集硬件组成的VI,可以方便地实现很多台仪器仪表的功能。可维护性对比方面,VI的开发和维护费用低,传统仪器的开发和维护费用高。VI易于维护必将成为实验室建设的首选。
3.2激发学生实验兴趣,培养大学生创新素质
VI技术为教学双方都提供了很好的舞台,其内容新,反映了当前测量技术的发展方向;应用广泛,几乎适应大部分工科实验,并且已经在电子、电气工程、计算机工程、机械工程、生物工程、物理、化学工程以及其他工程领域的相关实验应用;可以非常灵活的为教学中的原理和概念设计实验,并进行直观的演示,使实验教学更生动,学生更容易接受和理解。它要求学生在理论与实际结合的基础上解决问题,同时为学生的创造性学习提供充分的空间。该实验方式减少学生在编程上所花费的时间,使学生有更多的时间思考实验问题本身,考虑如何确立一个合理的设计方案,进而安排算法,配置参数,确定实验步骤,编程调试,并得到验证,让他们有机会充分发挥自己的才能、想象力的空间,利于培养学生的求知兴趣和创新能力。
3.3绿色化实验设备配置
实验室内各种设备繁多,功能上存在着很多重复。传统高校实验室追求小而全,设备多有重置,其结果是既降低了设备的更新能力,又扩大了实验设备与实践之间的距离。有些项目在设备购置时只为一时所需,只考虑某个项目和课题的需要,没有考虑本校、本地区同类设备的配备情况;有些设备选型不合理,贪大求全、大材小用;贵重仪器的利用率低下已经引起相关部门的关注。这些现象完全可以通过VI技术以及基于VI的网络化实验室来解决,实现绿色配置。传统仪器中硬件是关键,固定、功能单一、操作不便,只可连接有限的设备。VI关键部件是软件,开放灵活与计算机同步,可重复使用和配置。在技术更新频率方面,VI较传统仪器更新周期短得多。这些特点都是绿色实验室所必须具备的。
3.4优化远程实验教学
促进实验教学过程的绿色化,不仅要注重实验的节能、高效,以充分利用实验室有限的资源,而且也指合理有序安排实验教学与开放,实验过程、实验室的充分开放,有利于创新人才的脱颖而出。信息时代,VI实验技术更有利于实验方法、结果发布,非常有利于实现实验教学资源共享。应用网络技术为远程教学和远程实验提供了强大功能,并进一步提高实验室及实验设备的利用率,并为异地实验数据及学术交流提供了高效平台。
4教学实验案例——虚拟数字滤波器设计
在教学和工业实践中,经常会要求对所采集信号进行滤波。实际教学中对这一知识点的讲授不够直观及缺乏互动,通过指导学生设计虚拟数字滤波器,有效地克服了这些不足。
滤波是将信号中特定波段频率滤除的操作,是抑制和防止干扰的一项重要措施。它是从含有干扰的接收信号中提取有用信号的一种技术。这类问题在电子技术、航天科学、控制工程及其他科学技术部门中都是大量存在的。数字滤波器的一个重要作用是滤除无用信号,只让信号中需要的频率成分通过,抑制不需要的干扰信号。
对滤波器的设计有多种方法,本文采用LabVIEW来设计虚拟滤波器。在滤波器子模板提供了各种滤波器模块。这些滤波器的参数(滤波器的阶数、截止频率、阻带、通带、脉动量及阻带衰减)都可方便的进行控制。用波形信产生模块模拟一个含有低频噪声的正弦信,然后用高通滤波器将其低频噪声滤除。图1、图2分别是虚拟滤波器的前面板和程序框图。
此例输入信号为一正弦波,并加入一个白噪声以模拟信号传输中的随机干扰信号,在程序中设计了一个低通巴特沃斯滤波器,以滤除信号中的噪声分量,提取10Hz正弦信号。该滤波器使用时只需输入参数滤波器的阶数、截止频率、阻带和通带,其目的是用数字滤波器从含有高频噪声的采样数据中提取正弦信号。
5结束语
虚拟仪器技术方兴未艾,在高校中的应用大都处于探索阶段。虚拟仪器技术有利于培养学生现代工程素质,一定会给在规模扩张的新形式下的普通高校实验室建设及实验教学带来新的思路。
参考文献
[1]马修水,沈徽青,王春知.绿色高校目标设计与对策思考[J].中国大学教学,2004,(9):57-58.
[2]高成庄,申国玉.高校绿色化学实验教学初探[J].教育与职业,2007,(21):159-160.
[3]杨宝生.高校本科生毕业论文存在的问题及对策[J].教学研究,2003,26(4):372-374.
[4]胡锦涛.高举中国特色社会主义伟大旗帜 为夺取全面建设小康社会新胜利而奋斗——在中国共产党第十七次全国代表大会上的报告[R].北京:人民出版社,2007.
[关键词]绿色实验;虚拟仪器;教学;创新体系
[中图分类号]G642.423[文献标识码]A[文章编号]1005-4634(2010)04-0067-04
0引言
营造绿色创新体系是国家大力倡导的科技发展战略,高校教学与科学研究及产业开发必须施以绿色导向,同国家绿色科技发展战略相一致。营造高校绿色教育氛围主要是通过校园文化建设,渗透到教学活动中,形成一种崇尚绿色的教学环境。这要求高校的人才培养必须走出封闭模式,加大与实际生产过程融合的力度,不断孕育高技术人才,为实现国家可持续发展战略提供人才与技术支持[1]。
1绿色工科实验的要求
绿色实验首先在化学实验室中提出,其目的是减少化学实验过程及废弃物所带来的污染,增强学生的环保意识[2]。绿色实验教学的广度和深度在工科学生的培养中还远远不够。在实验室建设中响应国家绿色科技发展战略,是一项从基础建设到后期管理都要贯彻始终的措施。它不仅要求技术含量高,配置最简,维护最省,实验最有效,还要追求环境最怡人,关系最和谐,从而达到实验最舒适,更好地为科研与教学服务。绿色实验室建设应该能够满足以下要求。
1.1技术领先
先进的实验技术是绿色实验室的首要条件,实验室要有先进的实验仪器和实验方法,不仅能够向教师和学生提供基本的工程技能训练条件,还应该紧跟科技发展的前沿,有利于教师开展科研和学生扩大视野、掌握新技术,增强学生就业能力。
科技发展日新月异,当前普通高校课程设置方面理论与实践脱节的课程较多,对学生的动手能力和综合处理问题的能力训练太少。以工科为例,由于扩招,实验仪器严重不足,加之损坏的仪器得不到及时维修,实验项目数、学生动手锻炼的机会等均不能满足教学的需要,冲击最大的是课程实习、毕业实习质量得不到有效保证,导致本应实践为主的工科教学有理论化趋向[3]。
1.2节约降耗
胡锦涛同志在党的十七大上的报告明确指出,要贯彻落实科学发展观,努力构建和谐社会,基本形成节约能源资源和保护生态环境的产业结构、增长方式、消费模式[4]。在高校中推进资源节约意识,也是科教兴国战略的组成部分之一。采用高科技手段节能,大力推广高科技产品,杜绝点滴的能源浪费现象,凸现其重要意义。
1.3动态升级与持续发展
绿色实验室建设,应该能够在原有设备或少量设备更新的条件下满足实验技术的动态升级,增强实验教学师资力量,有利于实验教材、内容、过程及计划等的更新。持续发展是指实验室应能够帮助教师更容易获得科研课题,易于开展实验教学;有利于学生完成教学计划规定的实验项目,走产学研相结合道路,尤其是高年级学生可以在教师指导下,有针对性地就实际生产中存在的有关技术问题开展研究,提高动手能力、工程能力和创新能力。
2虚拟仪器技术的绿色优势
实验室的建设离不开实验仪器的支撑,仪器的先进与否在很大程度上决定了实验室的先进性。当前,仪器仪表技术在向数字化、智能化、网络化、微型化方向迈进。虚拟仪器(VI),实际上是一个按照仪器需求组织的数据采集系统,它是在以通用计算机为核心的硬件平台上,由使用者设计定义,具有虚拟面板,测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。虚拟仪器的综合应用体现出上述仪器仪表技术的发展方向。
2.1技术特点
VI技术可由使用者定义自己的专用仪器系统,且功能灵活,容易构建,所以应用面极为广泛。其功能强大,可实现示波器、逻辑分析仪、频谱仪、信号发生器等多种普通仪器全部功能,配以专用探头和软件还可检测特定系统的参数;操作灵活,完全图形化界面,风格简约,符合传统设备的使用习惯,使用者可迅速掌握操作规程;集成方便,不但可以和高速数据采集设备构成自动测量系统,而且可以和控制设备构成自动控制系统。
2.2综合应用的价格优势
传统形式实验室建设需要投入大笔资金,期望仪器设备成本的大幅降低是实验室建设首要考虑因素。一套完整的实验测量设备少则几万元,多则几十万元。在同等的性能条件下,相应VI综合应用的价格要低二分之一甚至更多。
2.3仿真优势
虚拟仿真实验也是一种先进实验技术,并且得到广泛应用,特别是对一些难以再现的工业现场实验具有重要意义。在高科技实验领域,虚拟仿真实验具有重要价值;在基础实验领域,仿真实验往往不利于学生实际工程经验的培养。VI综合二者的优点,其将普通仪器的智能部分交给计算机来完成,易于仿真,且增强了仪器的灵活性,可靠性等;VI在工业应用中需要结合一定的硬件来实现,比如配以传感器、数据采集卡、电缆、接线端子等,有效培养学生的工程素质,特别适合高校本科实验教学和研究生科研课题。
3 应用VI技术优化实验室建设和实验教学
VI突破传统电子仪器以硬件为主体的模式,通过软件将计算机硬件资源与仪器有机地融合为一体,从而把计算机处理能力和仪器硬件的测量、控制能力结合在一起,通过软件实现对数据的显示、存储和分析处理。VI与计算机技术同步发展,与网络及其他周边设备互联,只需要改变软件程序就可以不断赋予它或扩展增强它的测量功能,这给传统的实验教学带来深刻的影响。
3.1低成本实验室建设的绿色通道
高校为了提供一定的实验规模,保证每个学生得到实际手动能力的训练,传统的教学实验室一般需购置大量的基础测量仪器,如示波器、万用表、信号源等,一次性投资较大,且技术更新快,维护困难。利用VI技术,可以设计出与实际仪器在原理、功能和操作等方面完全一样的全软件VI。在成本方面,VI价格低,传统仪器价格昂贵。由一台计算机配以相应的数据采集硬件组成的VI,可以方便地实现很多台仪器仪表的功能。可维护性对比方面,VI的开发和维护费用低,传统仪器的开发和维护费用高。VI易于维护必将成为实验室建设的首选。
3.2激发学生实验兴趣,培养大学生创新素质
VI技术为教学双方都提供了很好的舞台,其内容新,反映了当前测量技术的发展方向;应用广泛,几乎适应大部分工科实验,并且已经在电子、电气工程、计算机工程、机械工程、生物工程、物理、化学工程以及其他工程领域的相关实验应用;可以非常灵活的为教学中的原理和概念设计实验,并进行直观的演示,使实验教学更生动,学生更容易接受和理解。它要求学生在理论与实际结合的基础上解决问题,同时为学生的创造性学习提供充分的空间。该实验方式减少学生在编程上所花费的时间,使学生有更多的时间思考实验问题本身,考虑如何确立一个合理的设计方案,进而安排算法,配置参数,确定实验步骤,编程调试,并得到验证,让他们有机会充分发挥自己的才能、想象力的空间,利于培养学生的求知兴趣和创新能力。
3.3绿色化实验设备配置
实验室内各种设备繁多,功能上存在着很多重复。传统高校实验室追求小而全,设备多有重置,其结果是既降低了设备的更新能力,又扩大了实验设备与实践之间的距离。有些项目在设备购置时只为一时所需,只考虑某个项目和课题的需要,没有考虑本校、本地区同类设备的配备情况;有些设备选型不合理,贪大求全、大材小用;贵重仪器的利用率低下已经引起相关部门的关注。这些现象完全可以通过VI技术以及基于VI的网络化实验室来解决,实现绿色配置。传统仪器中硬件是关键,固定、功能单一、操作不便,只可连接有限的设备。VI关键部件是软件,开放灵活与计算机同步,可重复使用和配置。在技术更新频率方面,VI较传统仪器更新周期短得多。这些特点都是绿色实验室所必须具备的。
3.4优化远程实验教学
促进实验教学过程的绿色化,不仅要注重实验的节能、高效,以充分利用实验室有限的资源,而且也指合理有序安排实验教学与开放,实验过程、实验室的充分开放,有利于创新人才的脱颖而出。信息时代,VI实验技术更有利于实验方法、结果发布,非常有利于实现实验教学资源共享。应用网络技术为远程教学和远程实验提供了强大功能,并进一步提高实验室及实验设备的利用率,并为异地实验数据及学术交流提供了高效平台。
4教学实验案例——虚拟数字滤波器设计
在教学和工业实践中,经常会要求对所采集信号进行滤波。实际教学中对这一知识点的讲授不够直观及缺乏互动,通过指导学生设计虚拟数字滤波器,有效地克服了这些不足。
滤波是将信号中特定波段频率滤除的操作,是抑制和防止干扰的一项重要措施。它是从含有干扰的接收信号中提取有用信号的一种技术。这类问题在电子技术、航天科学、控制工程及其他科学技术部门中都是大量存在的。数字滤波器的一个重要作用是滤除无用信号,只让信号中需要的频率成分通过,抑制不需要的干扰信号。
对滤波器的设计有多种方法,本文采用LabVIEW来设计虚拟滤波器。在滤波器子模板提供了各种滤波器模块。这些滤波器的参数(滤波器的阶数、截止频率、阻带、通带、脉动量及阻带衰减)都可方便的进行控制。用波形信产生模块模拟一个含有低频噪声的正弦信,然后用高通滤波器将其低频噪声滤除。图1、图2分别是虚拟滤波器的前面板和程序框图。
此例输入信号为一正弦波,并加入一个白噪声以模拟信号传输中的随机干扰信号,在程序中设计了一个低通巴特沃斯滤波器,以滤除信号中的噪声分量,提取10Hz正弦信号。该滤波器使用时只需输入参数滤波器的阶数、截止频率、阻带和通带,其目的是用数字滤波器从含有高频噪声的采样数据中提取正弦信号。
5结束语
虚拟仪器技术方兴未艾,在高校中的应用大都处于探索阶段。虚拟仪器技术有利于培养学生现代工程素质,一定会给在规模扩张的新形式下的普通高校实验室建设及实验教学带来新的思路。
参考文献
[1]马修水,沈徽青,王春知.绿色高校目标设计与对策思考[J].中国大学教学,2004,(9):57-58.
[2]高成庄,申国玉.高校绿色化学实验教学初探[J].教育与职业,2007,(21):159-160.
[3]杨宝生.高校本科生毕业论文存在的问题及对策[J].教学研究,2003,26(4):372-374.
[4]胡锦涛.高举中国特色社会主义伟大旗帜 为夺取全面建设小康社会新胜利而奋斗——在中国共产党第十七次全国代表大会上的报告[R].北京:人民出版社,2007.