工业和信息化教育Industry and Information Technology Education2019年10月刊虚拟仿真融入“电子测量与仪器” 课程教学的探索王春杰，张爱华，王 月（渤海大学工学院，辽宁 锦州 121013）【摘要】 电子测量作为测量学的重要组成部分，已经广泛应用于各科研领域及日常生活中的定量和定性测量分析。在国家“新工科”建设的相关政策下，高校的教学模式需要进行相应的改革，完善教与学之间的配合模式，便于学生实现理论知识和实践能力的转化，在实践中更好地学习电子测量相关知识。虚拟仿真是基于计算机系统的一种新型测试技术，常用的仿真软件有LabVIEW、Multisim、MATLAB等，可以根据模拟项目、模拟侧重点不同选择相应的仿真软件，解决实际教学中因硬件设备不足引起的诸多问题，这是目前较为受欢迎的教学模式。针对虚拟仿真在“电子测量与仪器”课程教学中的应用进行了分析和讨论。【关键词】电子测量；虚拟仿真；实践教学；仪器【中图分类号】G642 【文献标识码】A 【文章编号】2095-5065（2019）10-0064-050 引言求与生产实际密切联系，强调培养学生的动手实践、分析、设计能力。信息技术的飞速发展使测“电子测量与仪器”是高等院校电子信息量仪产品不断更新，趋向于集成化、智能化、自类、电子技术类、控制技术类的专业课程之一，动化、网络化多功能发展。但是，对于一般高校主要讲授仪器的原理、使用及设计等相关内容。而言，由于实训场地及经费等条件的限制，测量作为工科主干课程，其教学模式和教学内容都要仪器得不到及时更新。此外，科技的发展使相应的测试工作越来越复杂，测试环境也存在众多不收稿日期：2019-6-30可预知性，而传统仪器由于自身体积和测试环境作者简介：王春杰（1980—），男，吉林白山人，博士，副的限制，已经逐渐无法胜任某些条件的测试工教授，硕士生导师，研究方向为传感器组装及性能研究；作。虚拟仿真仪器在这种环境下应运而生。虚拟张爱华（1977—），女，辽宁抚顺人，博士，教授，硕士生仿真技术至今已有近四十年的发展历程，在仪器导师，研究方向为模拟电路诊断故障与性能监测；仪表等领域有着广泛的应用。虚拟仪器是基于计王月（1982—），女，吉林四平人，博士，副教授，硕士生导师，研究方向为太阳能电池制备及性能研究。算机硬件和专用软件对传统仪器的基本测量功能基金项目：2018年渤海大学教学改革研究项目“新时代背景进行仿真与实现。下‘新工科’实践教学改革的探索与实践”（项目编号：与传统仪器相比，虚拟仿真具备以下5个优BDJG-18-YB-B-09）。点：① 基于计算机强大的数据处理功能可实现数64 实训与实践探索2019年10月刊Practical Training & Practical Exploration据的处理和分析的实时性和全面性；② 结合软扩充性的障碍，减少了仪器系统的构建时间，提件，用户可灵活地自定义设计功能系统；③ 功高了仪器资源的利用率。能多、性价比高、技术更新快、受环境因素影响目前，虚拟仿真授课模式已经在一些实践课小；④ 实现多种测试功能集成于一台计算机中，程中得到了应用，但对于“电子测量与仪器”课便于携带和应用；⑤ 与网络或其他周边设施互程，由于课程性质及内容等因素，尚没有系统的联。虚拟仿真仪器可有效地缓解实验教学资源不虚拟仿真融合教学案例。在“电子测量与仪器”足引起的弊端，结合计算机的处理能力和软件的课程中，融入虚拟仿真仪器作为先进的测量技功能技术，在有限的硬件资源条件下，拓展学生术，通过电子测量仪器、领域前沿技术、虚拟仿专业知识水平。真实验等内容的交叉运用，可有效提升学生对相基于上述原因，笔者将虚拟仿真仪器融入关知识的掌握及实践能力的掌握。“电子测量与仪器”课程教学模式改革实践中，并对相应的教学模式和内容进行了探索和设计。1.3 虚拟仿真系统的构建虚拟仿真系统主要包括计算机、测试硬件和测试软件3个部分。而在实践教学中，虚拟仿真系1 虚拟仿真在“电子测量与仪器”统的构建主要分为如下两种方式。课程教学中的应用（1）将现有的传统仪器通过硬件接口与软件技术相结合，达到拓展仪器功能的目的。例如，虚拟信号发生器可通过USB接口将信号发生器与计算机相连，通过相应命令来控制信号发生器设1.1 目前实践教学存在的问题计常用波形（如正弦波、方波、三角波等）进行虚拟仿真。“电子测量与仪器”课程内容均是关于各类（2）设计信号调理电路，通过数据采集电路电子测量仪器的原理、使用及功能系统的组合设与计算机接口相连接，即可在计算机上采集到模计，实验内容多为验证性实验，学生缺乏主动性拟信号。和能动性，无法很好地培养学生的创新思维和探以上两种方式较为适合本科阶段的教学，设索能力。另一方面，由于种种原因，实验室中的计成本低、周期短，易于学生的快速上手及技能各种仪器难以保证正常循环使用，仪器的维护、提高。维修等方面会造成一定的经费消耗，时常会对实验造成影响。而且电子仪器的更新换代很快，很1.4 渐进任务式虚拟仿真教学模式的探索多高校无法实时进行设备更新，学生无法接触到笔者结合多年“电子测量与仪器”课程教学最前沿的测量仪器及相关技术。因此，以虚拟仿经验，对渐进任务式虚拟仿真实践课程教学模式真为基础的“电子测量与仪器”实践教学模式改进行了探索。针对实验课程内容，将实验分为阶革势在必行。段任务，由简入难的渐进模式，基于原理仿真—1.2 虚拟仿真在实践课程中的应用电路设计—软件设计—软件编程—系统设计的理念，更有利于学生掌握知识点、扩展实践技能。虚拟仿真仪器是利用计算机结合相应的测试笔者经过探索将实验分解为7个任务模块，共计32功能卡和软件来实现传统意义上的测量，也可以学时（见表1），即数据采集模块、基本参数测量实现电子测量功能的计算机仪器，即所谓的“软模块、虚拟信号发生器模块、虚拟示波器模块、件就是仪器”。通过软件系统对被测量进行采虚拟分析仪模块、自组装测试系统模块和综合设集、处理、分析、显示、存储，突破了传统仪器计模块，每个模块中又细分支线任务。65 工业和信息化教育Industry and Information Technology Education2019年10月刊表1 “电子测量与仪器”虚拟仿真教学模块教学任务教学内容学时数据采集模块数据采集仿真模拟；数据采集软件设计；数据采集电路设计4基本参数测量模块电流和电压测量；LRC参数测量；基于数据采集电路的测量仪设计4虚拟信号发生器模块信号发生器原理仿真；虚拟仿真软件编程；虚拟信号发生器设计4虚拟示波器模块示波器原理仿真；示波器数据采集系统；虚拟示波器测试仿真4虚拟分析仪模块频谱和逻辑分析仪原理仿真；虚拟仪器设计4自组装测试系统模块虚拟自动测试系统的设计6综合设计模块运用多种虚拟软件构建功能系统并测试6任务内容全面覆盖理论教学内容，渐进实锁存等模块组成的频率计数器仿真系统，结合践，重点突出，前后联系紧密。学生需掌握虚拟Multisim软件，对输出参数进行分析；结合其他仿真的基本原理、设计方法和调试手段，最后根课程内容，使用Multisim软件进一步扩展学生对据多功能、多测试参数进行自动测试系统的仿真交叉课程内容的学习，如针对“传感器原理及应设计及调试。如在数据采集模块中，针对数据采用”课程，可使用Mulitisim软件模拟霍尔传感器集进行仿真测量，同时根据不同的参数来设计软模型，如图1所示。件及电路，并进行组合、调试。本模块是整体教图1中，霍尔传感器的测量范围为－1～1mV， 学模式的基础环节，这个环节可拓展学生的电路其中V1和V2分别为模拟位移电压源和压控电压设计能力、仪器仪表开发能力，同时也为学习后源，VH为模拟霍尔元件随位移而变化的输出。由续课程（如“电子系统设计”“智能仪器仪表基于霍尔电势比较小，一般在毫伏量级，因此，在础”等）奠定良好基础；采用已有的虚拟仪器进实际使用时考虑加上合适的放大电路，笔者设计行实验仿真教学，讲授仪器的组成和基本工作原并加入了一个差分放大电路，如图2所示。理，如在基本参数测量模块中，可采用已开发的将图2中电路霍尔传感器部分的3和4两个节点虚拟数字万用表进行实验演示，重点放在演示工之间接一个交流电源，其幅值和频率范围可设计为作原理上，并结合传统仪表进行实际实验演示，0.1～1V和0.1～50Hz，然后对电路进行交流分析，使学生在实践中进一步加深对理论知识的理解；设置开始和终止频率分别为0.1Hz、1MHz，输出结合具体实例进行讲解，如在虚拟信号发生器节点选择10，进行仿真。学生根据自己的要求，中，可设计由信号发生器、信号放大、闸门、设置电压和电阻数值，或根据实际需求自行设计33112V1++V1V--150 V/V2VH244图1 霍尔传感器66 实训与实践探索2019年10月刊Practical Training & Practical ExplorationV315 VR3R120kΩRXMM1350kΩ6V14U2Key=A1+-1V+-+V10kΩ2-150 V/V2-50%4R26R52+2kΩ1010kΩ3718OP07DPXLV1In1MultisimRV44霍尔传感器部分51kΩ15 V差分放大电路部分图2 霍尔传感器放大电路放大电路模型，然后进行数据模拟。在虚拟示波为单位依据教师分配或学生自拟题目（如系统结器模块中，通过仿真掌握示波器的基本工作原理，构设计、硬件设计和软件设计等）进行分工，最结合虚拟信号发生器通过虚拟仿真软件对波形参后搭建系统进行总体调试，并由教师检验其系统数如频率、周期等进行模拟仿真，并掌握仿真数据功能。的处理和分析方法。正弦波信号的测量结果如图3通过由简入难，使学生在了解相关知识的基所示，学生可以通过波形调节模块得到信号的幅础上，渐进地掌握设计综合测试功能系统的原理值、周期、频率。和方法，通过虚拟仿真仪器进一步开发学生的创新思维，强化动手实践能力，同时增强了学生对理论知识的实践转化能力。2 虚拟仿真教学过程中需注意的问题虚拟仿真仪器已经在一些课程中得到了应用，并取得了一定的效果。在有限的硬件资源条件下，充分利用计算机软件的强大功能，深化学生的知识水平。但在具体的教学过程中需要注图3 正弦波信号的测量结果意，虚拟仿真教学模式的展开，实际上在一定程度上限制了学生的动手实践能力，实际仪器在使在自组装测试系统模块中，学生根据前面的用、分析、操作等方面与虚拟仿真仪器存在一定学习经验，设计一套基于数据采集、虚拟信号发的差异。因此，教师需要在授课的过程中进行适生器、虚拟示波器等虚拟仪器的简单自动测试系当的引导，在虚拟仿真教学过程中，引入实际仪统，调试并实现系统测试功能。在完成了相应的器的操作案例，这样可有效地提高学生的学习技能储备后，进入最后的综合设计模块，以小组效果。67 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