可重构虚拟仪器测试技术教学平台

1 引言

　　测试技术是我国高校工科专业的专业基础课，随专业不同课程内容和名称略有变化，如测试技术、机械工程测试技术、热能与动力工程测试技术等。除应用背景不同外，这些课程的教学内容基本相同，主要介绍温度、力、噪声等常见物理量的测量原理和测试信号的分析方法。目前，测试技术课程教学中存在的主要问题是传感器部分在课堂上教学没有实物对象，各种不同的传感器在学生看来都是一样的，相似的原理介绍让他们觉得枯燥、乏味；而信号分析理论部分则过于深奥，学生很难理解。 针对这些问题，我们，提出以虚拟仪器演示实验和工程案例为主线的测试技术课程可视化教学法；具体做法是选择若干传感器，用测量实验来呈现传感器工作原理；选择若干测量仪器分析功能，用虚拟仪器技术来展现信号分析的作用；选择若干工程案例，结合案例来介绍测试技术在工业中的应用情况。用实验和工程案例给枯燥的内容以活力、给抽象的理论以形象，改变单一的书本式教学模式，调动学生的学习热情和积极性，提高教学质量。

　　对测试技术课程教学来说，最理想的方式是将课堂放在实验室，教师一边讲解理论、一边操作测试仪器，但这并不现实。为解决课堂上实验教学环境的营造问题，我们利用承担的国家自然科学基金项目"面向制造业的可重构测量理论"中研制的可重构虚拟仪器技术，针对测试技术课程实验教学需要，开发了一个自主知识产权的可重构虚拟仪器实验教学平台（Dynamic Reconfigurable Virtual Instrument Platform）。并按照教学知识点，设计了30多个实验，形成一个虚拟仪器实验教学环境。教师在课堂上可以借助虚拟仪器演示实验使知识点可视化和动起来，活跃课堂气氛；学生在课后则可以用虚拟仪器实验验证所学理论，加深对知识的理解。DRVI已在我们承担的本科生《工程测试技术基础》国家精品课程和《工程测试与信息处理》国家精品课程(网络)中使用多年，教学效果良好。目前，国内已有约150多所大学采用该平台进行测试技术类课程教学和实验教学，取得了良好的社会效益。

2 针对教学应用的设计考虑

　　教学用虚拟仪器实验平台和科研、工业用虚拟仪器平台在技术上有其共性，但也有其特殊需求。例如，必须易学、易用；应当便于安装、携带；便于组织教学和知识点演示等。功能的完善和强大不是设计时追求的主要目标。

2.1 软件面包板模块化插接装配环境

　　在硬件电路实验中，教师、学生常用面包板来连接电子元件和构造实验电路。在面包板上有许多插接电子元件的小孔，将元件的管脚插接在小孔中就可以利用面包板快速搭建出一个简单的实验电路，十分方便。借鉴其概念，我们用计算机进程间通信的管道来模拟软导线，再用含一组软导线的容器构件来构造软件面包板；然后用管道构件将虚拟仪器功能封装为便于插接的软元件，从而构造出一个类似硬件面包板的适合于教学应用的虚拟仪器插接装配开发环境。应用时，教师和学生可以象搭积木一样在软件面包板上快速拼装出虚拟仪器实验系统。图1是虚拟仪器软件面包板的结构。
　
　　系统在技术实现上采用构件化开发方式，其优点是虚拟仪器实验开发过程中不需要编译、连接环节，可以实现软元件的即插即用和热插拔，便于教师、学生动手操作、尝试；另外，可以将虚拟仪器开发平台的体积做的很小。例如，DRVI平台大小不到5M，同时是绿色免安装。教师、学生可以方便的用U盘将其拷贝到教室、宿舍等场所的计算机上使用。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图1 软件面包板结构

　　图2是在DRVI上装配出的典型信号频谱分析实验运行界面。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图2 典型信号频谱分析实验装配图

2.2 浏览器/虚拟仪器双屏显示结构

　　在教学设计中，我们按测试技术课程体系结构和知识点选择的虚拟仪器实验有30多个，实验脚本、实验说明、理论参考等加起来约有100多个电子文件。最理想的方式是采用网页文件的超级链接方式对这些文件进行管理，并按教学体系对实验进行分类、组织和查找。但虚拟仪器和浏览器是两种不同技术实现形式的东西，让虚拟仪器支持浏览器很难，同样让浏览器支持虚拟仪器也不容易。为此，我们利用IE浏览器可以作为ActiveX控件整体嵌入的特点，将IE浏览器嵌入在虚拟仪器界面中。为保证浏览器界面和虚拟仪器界面不冲突，在阅读实验说明等网页文件时将IE控件最大化，将虚拟仪器界面隐藏；在做虚拟仪器实验时，则将虚拟仪器界面激活，IE控件最小化和隐藏；也就是实现所谓的浏览器/虚拟仪器双屏显示结构。

　　另外，为便于在虚拟仪器和浏览器间做自动操作切换，我们在虚拟仪器中增加了超级链接控件，点击虚拟仪器中的超级链接时可以自动切换到浏览器界面，并加载链接的网页文件。在浏览器中则利用钩子函数对其增加超链接内容辩识和过滤功能，点击浏览器中的超级链接时，浏览器先判断是网页还是虚拟仪器实验脚本，若是网页则交由浏览器显示，若是实验脚本则交由虚拟仪器处理。如图3所显示。