实训与实践探索2019年10月刊Practical Training & Practical Exploration一种基于LabVIEW的传感器与 测量技术实验平台设计与实践王晓燕，胡福年，丁启胜（江苏师范大学电气工程及自动化学院，江苏 徐州 221116）【摘要】 为配合“互联网+教育”的实验教学改革，切实提高“传感器与测量技术”课程实验教学效果，达到国家工程教育专业认证标准要求，充分发挥LabVIEW人机交互友好的图形用户界面设计、虚拟仿真、实时数据采集、数据远程传输等技术优势，设计了集“仿真”“在线”“远程”三种实验于一体的传感器与测量技术实验平台。实践证明，平台适用于线上线下混合式实验教学，有效推动了学生进行自主探究性学习，培养了学生高阶实验思维能力，显著增强了学生的实践创新能力和解决复杂问题的能力。【关键词】传感器；测量技术；虚拟仪器； LabVIEW【中图分类号】G642 【文献标识码】A 【文章编号】2095-5065（2019）10-0059-060 引言交叉融合、理论内容深且广、工程实践性强的特点。为了推动“互联网+教育”的实验教学改“传感器与测量技术”是江苏师范大学电革，提升实验教学效果，进一步增强学生的实践气工程及自动化学院本科专业课程，具有多学科能力与创新能力，达到“新工科”建设和国家工程教育专业认证标准要求[1-3]，笔者设计开发了基于LabVIEW的传感器与测量技术实验平台（以下简称“平台”）[4-6]。平台的架构设计、图形用户收稿日期：2019-4-29作者简介：王晓燕（1976—），女，山东临沂人，硕士，讲界面设计、数据实时采集和远程传输设计，紧密师，研究方向为虚拟仪器技术应用、传感器与测量技术；配合翻转实验课堂教学，适用于线上线下混合式胡福年（1967—），男，甘肃武威人，博士，教授，研究方实验教学。向为智能电网；丁启胜（1972—），男，山东青州人，博士，讲师，研究方向为传感器技术、物联网技术。基金项目：2018年江苏师范大学“十三五”第二批本科教育教学课程建设项目“传感器与测量技术”课程建设（项目编1 平台架构设计号：JYKC201828）；2017年江苏师范大学实验室建设与管理课题项目“传感器与测量技术虚拟实验教学平台的设计与平台主体由LabVIEW实验平台和实验网页资开发”（项目编号：L2017Y06）。源两部分构成，如图1所示。59 工业和信息化教育Industry and Information Technology Education2019年10月刊 传感器与测量技术友好交互设计上。实验平台（1）图形用户界面友好设计。LabVIEW实LabVIEW实验平台实验网页资源验平台对应的图形用户界面，即主程序和各子程序的前面板设计，遵循简约、通用、一致性的原实在实验仿远真线程实验实验则[7]。每项实验程序模块均采用自定义选项卡控原实验实验翻指实理验实验实验课转导验件对应实验原理、虚拟仿真、在线实验、远程实程课程课文微信大堂本课息纲教资验4个选项。案料单臂电桥性能测试实验中的实验原理模块前面板设计如图3所示。图1 传感器与测量技术实验平台图3中，信息包括实验原理必要文字说明、传图1中，LabVIEW实验平台是核心，包括实感器实物图片、结构构成图片、实验原理Flash。验原理、仿真实验、在线实验、远程实验4个VI丰富多样的多媒体教学手段可以有效激发学生的资源模块。实验网页资源的获取通过LabVIEW控学习兴趣，协助学生多渠道、多维度对传感器的制Web Browser实现。应用在线实验与远程实验模电气特性及其测量电路原理进行深入、全面的学块时，需要与自制研发的传感信号检测与转换实习与掌握。验箱配套。实验箱作为下位机，将采集、转换的（2）虚拟仿真实验模块友好交互设计。虚拟传感器信号通过串行通信方式发送给上位机计算仿真实验模块的设计理念是让使用者在虚拟的实机，通过LabVIEW实验平台进行在线数据分析处验环境中，获得尽可能接近真实实验操作的实验理或远程数据监测。体验。虚拟仿真实验模块前面板的VI操作控件设平台资源关联如图2所示。计，接近实际实验器材的操作效果，单臂电桥性能测试实验中的虚拟仿真实验模块前面板设计如图4所示。2 人机友好交互设计前面板中A、B两点间和C、D两点间的线路连接，以及施力杆施力大小的动态调节，均采用平台选用LabVIEW虚拟仪器技术进行设计动态控件显示效果，学生可以获得形象、直观的搭建，主要目的是实现良好的人机交互，充分调人机交互体验。进行虚拟仿真实验时，学生调节动、激发学生自主学习的积极性与主动性。良好施力杆的位置，等同于改变电阻应变片黏附的弹的人机交互性设计重点体现在实验平台图形用户性材料受力大小，使其发生弹性形变，进而导致界面的友好设计和虚拟仿真实验模块实验操作的电阻应变片的阻值发生改变。 课程信息实验指导文本资料仿真实验课程大纲实验微课翻转课堂教案在线实验远程实验实验原理VI传感信号检测转换实验箱图2 平台资源关联60 实训与实践探索2019年10月刊Practical Training & Practical Exploration实验原理虚拟仿真在线实验远程实验覆盖层金属丝被测试元件或弹性元件受力拉伸引线黏合剂受力压缩传感器实物图片传感器结构构成传感信号检测转换动图演示图3 实验原理模块前面板设计虚拟仿真实验模块要求学生严格遵循工科的状态参数及其测量转换电路的关键性能参数，实验技术操作规范，正确启动运行。操作规范与以获得不同电路状态下的实验测试数据，体现出步骤包括：① 断电进行电路连接。② 线路连接人机交互友好的灵活性、鲁棒性。无误，根据电路测试要求，设置关键控件参数，上电。③ 当电路运行状况显示信息为“电路运行正常”（见图4）仿真电路中呈现信息状态，可以进行实验数据的观察与记录；反之，如果没3 高阶实验技能拓展设计有严格遵循上述实验操作规范，则虚拟仿真电路不能运行，电路运行状况显示信息为“电路连平台具有友好的人机交互性设计，可辅助实接错误”，提醒学生进行仿真电路故障排查与现翻转课堂教学的自主学习引导、激励，且相比纠错。于传统的实体实验，平台在实验内容、实验方式在虚拟实验仿真测试过程中，学生可以根据上进行了深挖和拓展。实验电路特性测试需要，灵活方便地调整传感器将传统实体实验中的传感信号检测与转换图4 虚拟仿真实验模块前面板设计61 工业和信息化教育Industry and Information Technology Education2019年10月刊实验箱与实验系统的在线实验模块相配合，将学（1）课前，学生线上进行自主实验。实验生的思维由传统的只对传感器检测转换电路工作前，学生根据指导教师提前布置的实验任务，利原理进行简单验证，转移到对实验测试数据进行用课余碎片时间，通过手机、电脑等网络通信终去除误差分析处理、存储、实验数据线性度分析端，登录平台预习实验原理、自主观看实验微等高阶思维的实验数据分析处理上。平台的远程课，在LabVIEW实验平台完成仿真实验测试等。实验模块的功能设计是将在线实验的实验数据进学生对传感器的结构构成、基本电特性、传感器行远程传输，将传统的传感器与测量技术实验以测量电路的工作原理、主要电路特性有初步的理LabVIEW为技术桥梁，构建“互联网+教育”的解与掌握；掌握正确的实验内容和操作步骤。若实验资源应用模式。有疑问，通过雨课堂或微信平台，及时与指导教学生通过LabVIEW实验平台提供的多元化的师进行沟通。指导教师的主要任务是通过网络解实验方式，熟悉和掌握现代传感测试技术方式，答学生自主学习阶段的问题，并将问题归纳整紧跟技术发展的步伐，在潜移默化中培养学生深理，为实体实验阶段的教学组织储备资料；对学度分析、思考、解决复杂问题的能力（如高阶思生的学习表现进行阶段性考核评定。维能力等）。（2）课中，学生进行线下深化实验。学生进入实体实验室，在指导教师的组织引导下，首先对前期网络学习阶段出现的典型问题进行面对面4 实 验教学模式设计与实践的集中讨论，然后对实际传感器、电路器件、仪器设备进行实验电路连接与测试操作。不同于传平台应用在实际 的实验教学过程中，并配合统的简单验证实验原理，学生通过课前的线上学翻转课堂教学理念，采用线上线下混 合式实验教习，对相关传感器的性能及其测量转换电路的工学模式，具体实施流程如图5所示。作原理具备了一定的思考与认知能力，通过传感信号检测 与转换实验箱和LabVIEW实验平台的在线实验模块的配合使用，重点对测得的实验数据全程考核评分实验报告编写进行去误差、线性化拟合、图形化显示、存储等阶段考核网络交流远程实验数据的预处理和后处理，比传统实验课堂对学生实验技能的要求和实验测试数据的处理提出了更远程实验配合课后网络实验高要求。指导教师的主要职责是对学生经深入思阶段考核在线实验考后提出的问题进行面对面的答惑解疑，并对学生的实验表现进行阶段性考核评定。总结/课后任务布置面对面交流+实际电路搭建实体课实验指导（3）课后，学生进行线上拓展实验。在完成课中实体实验环节后，学生课后利用LabVIEW实验平讨论引导课前学习问题探讨台的远程实验模块，将实验室在线实验时测试存阶段考核实验虚拟仿真储的数据进行网络化接收、分析与处理，或者直准备实体课堂实验网络交流实验微课接与实验室正在进行实验测试的设备进行实时数收集学生学习问题实验原理据的远程网络接收与处理。学生还可以与指导教布置实验任务课前网络学习/实践师就相关实验问题进行线上沟通，此阶段的实验教师活动学生活动能够很好地训练学生完成复杂任务的心理素质，图5 实验教学模式实施流程培养学生高阶思维能力。实验项目按照上述3个阶段执行完毕后，教62 实训与实践探索2019年10月刊Practical Training & Practical Exploration师结合3个阶段的考核结果，对学生实验项目的完的评价原则，通过分析平台，采用线上线下混合成情况进行综合考核。每个实验项目均由指导教式实验教学模式收集学生的反馈意见[8]。与传 统师和学生协同合作完成，历经课前、课中、课后3实验教学模式相比，在实验知识与技能掌握、理个阶段，线上线下实验交叉进行。指导教师能够论课程成绩等方面进行多维度分析对比，结果表有针对性地根据每名学生实验实际情况，分阶段明，平台配合线上线下混合的实验教学模式，能够布置任务、对学生进行引导、指导与考核。学生有效地激发学生对实验课程、理论课程的学习兴在递进式学习操作过程中，对实验课程的学习态趣，显著增强学生的自主探究学习意识，同步培度，由以往的“要我做”转变为“我要做”，完养锻炼了学生的实践创新能力。由学生问卷调查成实验的主观能动性提高了。反馈意见（见图6）可知，平台和实验教学组织模在此过程中充分体现了任务驱动教学法的主式受到绝大多数学生的认可和欢迎。旨。学生在分解的需要分阶段完成的实验任务驱动下，积极主动地利用相关学习资源完成阶段性实验任务。在阶段性任务的驱动下，学生积极探究，勤于思考，主动沟通，乐于合作。学生在完5 结语成阶段性实验任务过程中，会不断获得成就感，激发学生对知识和实验技能的探究欲望与创新意通过对基于LabVIEW的三位一体的平台进行识，形成良性循环的学习习惯，体现了学生主动实践应用，证明平台能够 支持实验翻转课堂教学建构知识经验的过程，以及现代教学改革中“以法的应用，为“互联网+教育”新型实验教学模学为主”的教学模式。式提供切实有效的技术平台。平台体现了线上实对传感器与测量技术实验教学改革的效果验课程的生动性，拓展了线下实验课程的深度，评价采用产出导向评价机制，遵循“以学论教”展示了多元化的实验方式，能够有效地引导学5045454240353025人数比20（例%）15109 54 0适应且喜欢适应基本适应不适应且不喜欢学生对平台的适应程度图6 学生意见反馈 （下接第68页）63 工业和信息化教育Industry and Information Technology Education2019年10月刊3 结语践课程教学效果。虚拟仿真作为新型电子测量技术，克服了【参考文献】传统仪器资源不足，硬件维护、维修不及时等负[1] 张学军，回文静.基于虚拟仪器的实验教学研究[J].仪面影响，其测量精度、稳定性和可靠性都要优于器仪表用户，2011（1）：57-59.传统仪器。基于“电子测量与仪器”课程内容的[2] 董杰.仿真软件在电子技术教学中的实例分析[J].中国实践性和探索性，在具体教学过程中引入虚拟仿教育技术装备，2012（24）：44-46.真实验，结合LabVIEW、Multisim、MATLAB软[3] 冯其红，胡伟，王增宝.改革实验教学模式培养大件，不仅丰富了实践教学手段，而且大大地激发学生的工程实践能力[J].实验室研究与探索，2013了学生的兴趣和主动性。在整个教学过程中，学（32）：130-132.生作为实践的直接参与者，深化了对仪器工作原[4] 刘玉秋，曹生现.“虚拟仪器技术”课程教学实践研理的理解。通过综合项目设计进一步培养学生的究[J].实验技术与管理，2010（6）：156-157.思考、分析、设计、创新等综合能力，提高了实[5] 陈尚松.“电子测量与仪器”课程的沿革与发展[J].国外电子测量技术，2009（28）：3-4.（上接第63页）[4] 曲小瑜.“互联网 + ”背景下“翻转课堂”在运筹生进行自主探究式学习，显著增强学生解决复杂学教学中的探索与设计[J].黑龙江教育学院学报，问题的综合能力、工程应用能力和实践创新能2018，37（7）：52-54.力，切实提高传感器与测量技术实验课程的教学[5] 白朝阳，贺琳，宋林杰.“互联网+”网络课程实践教质量，具有进一步推广应用的价值与意义。学平台建设模式与策略研究[J].实验室研究与探索，2018，37（1）：218-222. 【参考文献】[6] 赵华.面向校企合作的传感器与测试技术课程实验[1] 杨宗凯.高校“‘互联网+’教育”的推进路径与实践教学改革[J].中国教育技术装备，2016（2）：130-探索[J].中国大学教学，2018（12）：13-16.131，135.[2] 董玉冰，李明晶．‘新工科’背景下混合式创新教[7] 全晓莉，古良玲.基于LabVIEW的电子类虚拟实验平学在数字电子课程中的应用探索[J]．长春大学学台设计[J].实验技术与管理，2018，35（2）：121-报，2017，27（10）：117-120.123，129.[3] 教学质量管理办公室.工程教育认证标准（2015版）[8] 李志义.“水课”与“金课”之我见[J].中国大学教[S].北京：中国工程教育专业认证协会，2015.学，2018（12）：24-29.68
