1 引言

        測(cè)試技術(shù)是我國高校工科專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，隨專業(yè)不同課程內(nèi)容和名稱略有變化，如測(cè)試技術(shù)、機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)、熱能與動(dòng)力工程測(cè)試技術(shù)等。除應(yīng)用背景不同外，這些課程的教學(xué)內(nèi)容基本相同，主要介紹溫度、力、噪聲等常見物理量的測(cè)量原理和測(cè)試信號(hào)的分析方法。目前，測(cè)試技術(shù)課程教學(xué)中存在的主要問題是傳感器部分在課堂上教學(xué)沒有實(shí)物對(duì)象，各種不同的傳感器在學(xué)生看來都是一樣的，相似的原理介紹讓他們覺得枯燥、乏味；而信號(hào)分析理論部分則過于深?yuàn)W，學(xué)生很難理解。 針對(duì)這些問題，我們，提出以虛擬儀器演示實(shí)驗(yàn)和工程案例為主線的測(cè)試技術(shù)課程可視化教學(xué)法；具體做法是選擇若干傳感器，用測(cè)量實(shí)驗(yàn)來呈現(xiàn)傳感器工作原理；選擇若干測(cè)量儀器分析功能，用虛擬儀器技術(shù)來展現(xiàn)信號(hào)分析的作用；選擇若干工程案例，結(jié)合案例來介紹測(cè)試技術(shù)在工業(yè)中的應(yīng)用情況。用實(shí)驗(yàn)和工程案例給枯燥的內(nèi)容以活力、給抽象的理論以形象，改變單一的書本式教學(xué)模式，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和積極性，提高教學(xué)質(zhì)量。

　　對(duì)測(cè)試技術(shù)課程教學(xué)來說，最理想的方式是將課堂放在實(shí)驗(yàn)室，教師一邊講解理論、一邊操作測(cè)試儀器，但這并不現(xiàn)實(shí)。為解決課堂上實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境的營造問題，我們利用承擔(dān)的國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“面向制造業(yè)的可重構(gòu)測(cè)量理論”中研制的可重構(gòu)虛擬儀器技術(shù)，針對(duì)測(cè)試技術(shù)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要，開發(fā)了一個(gè)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的可重構(gòu)虛擬儀器實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)（Dynamic Reconfigurable Virtual Instrument Platform）。并按照教學(xué)知識(shí)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了30多個(gè)實(shí)驗(yàn)，形成一個(gè)虛擬儀器實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境。教師在課堂上可以借助虛擬儀器演示實(shí)驗(yàn)使知識(shí)點(diǎn)可視化和動(dòng)起來，活躍課堂氣氛；學(xué)生在課后則可以用虛擬儀器實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證所學(xué)理論，加深對(duì)知識(shí)的理解。DRVI已在我們承擔(dān)的本科生《工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)》國家精品課程和《工程測(cè)試與信息處理》國家精品課程(網(wǎng)絡(luò))中使用多年，教學(xué)效果良好。目前，國內(nèi)已有約150多所大學(xué)采用該平臺(tái)進(jìn)行測(cè)試技術(shù)類課程教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)，取得了良好的社會(huì)效益。

2 針對(duì)教學(xué)應(yīng)用的設(shè)計(jì)考慮

　　教學(xué)用虛擬儀器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和科研、工業(yè)用虛擬儀器平臺(tái)在技術(shù)上有其共性，但也有其特殊需求。例如，必須易學(xué)、易用；應(yīng)當(dāng)便于安裝、攜帶；便于組織教學(xué)和知識(shí)點(diǎn)演示等。功能的完善和強(qiáng)大不是設(shè)計(jì)時(shí)追求的主要目標(biāo)。

2.1 軟件面包板模塊化插接裝配環(huán)境

　　在硬件電路實(shí)驗(yàn)中，教師、學(xué)生常用面包板來連接電子元件和構(gòu)造實(shí)驗(yàn)電路。在面包板上有許多插接電子元件的小孔，將元件的管腳插接在小孔中就可以利用面包板快速搭建出一個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)電路，十分方便。借鑒其概念，我們用計(jì)算機(jī)進(jìn)程間通信的管道來模擬軟導(dǎo)線，再用含一組軟導(dǎo)線的容器構(gòu)件來構(gòu)造軟件面包板；然后用管道構(gòu)件將虛擬儀器功能封裝為便于插接的軟元件，從而構(gòu)造出一個(gè)類似硬件面包板的適合于教學(xué)應(yīng)用的虛擬儀器插接裝配開發(fā)環(huán)境。應(yīng)用時(shí)，教師和學(xué)生可以象搭積木一樣在軟件面包板上快速拼裝出虛擬儀器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。圖1是虛擬儀器軟件面包板的結(jié)構(gòu)。
　
　　系統(tǒng)在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上采用構(gòu)件化開發(fā)方式，其優(yōu)點(diǎn)是虛擬儀器實(shí)驗(yàn)開發(fā)過程中不需要編譯、連接環(huán)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)軟元件的即插即用和熱插拔，便于教師、學(xué)生動(dòng)手操作、嘗試；另外，可以將虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)的體積做的很小。例如，DRVI平臺(tái)大小不到5M，同時(shí)是綠色免安裝。教師、學(xué)生可以方便的用U盤將其拷貝到教室、宿舍等場(chǎng)所的計(jì)算機(jī)上使用。

圖1 軟件面包板結(jié)構(gòu)
 
　　圖2是在DRVI上裝配出的典型信號(hào)頻譜分析實(shí)驗(yàn)運(yùn)行界面。

圖2 典型信號(hào)頻譜分析實(shí)驗(yàn)裝配圖

2.2 瀏覽器/虛擬儀器雙屏顯示結(jié)構(gòu)

　　在教學(xué)設(shè)計(jì)中，我們按測(cè)試技術(shù)課程體系結(jié)構(gòu)和知識(shí)點(diǎn)選擇的虛擬儀器實(shí)驗(yàn)有30多個(gè)，實(shí)驗(yàn)?zāi)_本、實(shí)驗(yàn)說明、理論參考等加起來約有100多個(gè)電子文件。最理想的方式是采用網(wǎng)頁文件的超級(jí)鏈接方式對(duì)這些文件進(jìn)行管理，并按教學(xué)體系對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分類、組織和查找。但虛擬儀器和瀏覽器是兩種不同技術(shù)實(shí)現(xiàn)形式的東西，讓虛擬儀器支持瀏覽器很難，同樣讓瀏覽器支持虛擬儀器也不容易。為此，我們利用IE瀏覽器可以作為ActiveX控件整體嵌入的特點(diǎn)，將IE瀏覽器嵌入在虛擬儀器界面中。為保證瀏覽器界面和虛擬儀器界面不沖突，在閱讀實(shí)驗(yàn)說明等網(wǎng)頁文件時(shí)將IE控件最大化，將虛擬儀器界面隱藏；在做虛擬儀器實(shí)驗(yàn)時(shí)，則將虛擬儀器界面激活，IE控件最小化和隱藏；也就是實(shí)現(xiàn)所謂的瀏覽器/虛擬儀器雙屏顯示結(jié)構(gòu)。

　　另外，為便于在虛擬儀器和瀏覽器間做自動(dòng)操作切換，我們?cè)谔摂M儀器中增加了超級(jí)鏈接控件，點(diǎn)擊虛擬儀器中的超級(jí)鏈接時(shí)可以自動(dòng)切換到瀏覽器界面，并加載鏈接的網(wǎng)頁文件。在瀏覽器中則利用鉤子函數(shù)對(duì)其增加超鏈接內(nèi)容辯識(shí)和過濾功能，點(diǎn)擊瀏覽器中的超級(jí)鏈接時(shí)，瀏覽器先判斷是網(wǎng)頁還是虛擬儀器實(shí)驗(yàn)?zāi)_本，若是網(wǎng)頁則交由瀏覽器顯示，若是實(shí)驗(yàn)?zāi)_本則交由虛擬儀器處理。如圖3所顯示。

圖3 用瀏覽器/虛擬儀器雙屏結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)操作聯(lián)動(dòng)

　　利用瀏覽器/虛擬儀器雙屏顯示結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)時(shí)教師、學(xué)生可以在平臺(tái)內(nèi)嵌的瀏覽器中閱讀實(shí)驗(yàn)?zāi)夸?、?shí)驗(yàn)內(nèi)容等信息，點(diǎn)擊網(wǎng)頁中的鏈接，則可以直接調(diào)出相關(guān)虛擬儀器實(shí)驗(yàn)進(jìn)行操作，使用十分方便。

2.3 復(fù)合虛擬儀器文檔

　　在測(cè)試技術(shù)教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，一個(gè)知識(shí)點(diǎn)可能會(huì)分解為幾個(gè)關(guān)聯(lián)的虛擬儀器實(shí)驗(yàn)。例如，在講解信號(hào)調(diào)制解調(diào)知識(shí)點(diǎn)時(shí)，主要內(nèi)容有信號(hào)的同步調(diào)制與解調(diào)，信號(hào)的偏置調(diào)制與解調(diào)，以及載波頻率的影響等。這些內(nèi)容若放在一個(gè)虛擬儀器界面中往往顯示不下，若作為不同的虛擬儀器實(shí)驗(yàn)處理，使用時(shí)又要來回加載虛擬儀器腳本。

　　為此，我們利用了Windows復(fù)合文檔可以存儲(chǔ)多個(gè)文件的技術(shù)，將同一知識(shí)點(diǎn)中的若干個(gè)虛擬儀器腳本組合在一起，形成一個(gè)復(fù)合虛擬儀器文檔。加載虛擬儀器復(fù)合文檔時(shí)，將相關(guān)的虛擬儀器實(shí)驗(yàn)同時(shí)加載，并以頁幀方式層疊顯示在虛擬儀器窗口中。點(diǎn)擊虛擬儀器界面右側(cè)的頁幀選擇按鈕，就可以在組內(nèi)的虛擬儀器實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行快速切換。
圖4是信號(hào)調(diào)制解調(diào)知識(shí)點(diǎn)的虛擬儀器復(fù)合文檔的顯示情況。實(shí)驗(yàn)時(shí)可以用頁幀在信號(hào)同步調(diào)制與解調(diào)實(shí)驗(yàn)、偏置電壓的影響實(shí)驗(yàn)和載波頻率的影響實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行快速跳轉(zhuǎn)。

圖4 信號(hào)調(diào)制解調(diào)知識(shí)點(diǎn)虛擬儀器復(fù)合文檔顯示界面

2.4 Signal Basic腳本語言

　　教學(xué)用虛擬儀器平臺(tái)的另一個(gè)特點(diǎn)是必須具有更強(qiáng)的開放性，學(xué)生除了直接使用波形信號(hào)發(fā)生器、頻譜分析等集成在平臺(tái)中的虛擬儀器功能模塊外，還要能夠了解它們?cè)谔摂M儀器中是如何實(shí)現(xiàn)的；也就是說學(xué)生能夠根據(jù)所學(xué)的有效值計(jì)算、相關(guān)函數(shù)計(jì)算等數(shù)學(xué)公式，自己設(shè)計(jì)出虛擬儀器分析功能。

　　為實(shí)現(xiàn)這一目的，我們利用了Windows平臺(tái)提供的VBScript腳本語言，將其集成到虛擬儀器平臺(tái)中，并添加FFT、FIR等常用信號(hào)分析函數(shù)、聲卡、攝像頭等硬件操作函數(shù)，以及畫線、畫圓等圖形功能函數(shù)，形成一個(gè)滿足測(cè)試技術(shù)課程教學(xué)需要的專用腳本語言，稱之為Signal Basic。

圖5 正弦波信號(hào)發(fā)生器Signal Basic代碼和界面

　　例如，正弦波信號(hào)的數(shù)學(xué)公式為： 
                      (1)

　　其中A為正弦波信號(hào)幅值、f為頻率、為初相位。這個(gè)公式對(duì)學(xué)生來說絲毫不陌生，但通過學(xué)生自己動(dòng)手編程設(shè)計(jì)成一個(gè)正弦波信號(hào)發(fā)生器后，他們對(duì)知識(shí)的理解深度就會(huì)完全不同。圖5是用Signal Basic腳本語言設(shè)計(jì)的正弦波信號(hào)發(fā)生器的例子，只需簡(jiǎn)單的幾行代碼就可以完成。圖中Document.xxx部分函數(shù)就是我們?cè)赩BScript中擴(kuò)展的專用函數(shù)，Sin函數(shù)、For語句等常規(guī)語言元素是VBScript的自有功能。

2.5 實(shí)驗(yàn)過程AVI抓屏和曲線加粗演示模式

　　在教學(xué)中，常常需要借助虛擬儀器實(shí)驗(yàn)來對(duì)一些較難理解的理論內(nèi)容進(jìn)行演示?，F(xiàn)場(chǎng)虛擬儀器實(shí)驗(yàn)操作和演示一是費(fèi)時(shí)間，二是容易出錯(cuò)。為此，我們利用了Windows DirectX多媒體開發(fā)庫中提供的視頻文件讀寫技術(shù)，在虛擬儀器實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)中集成了AVI抓屏功能，可以將虛擬儀器實(shí)驗(yàn)過程直接保存為AVI視頻文件。

　　在用虛擬儀器進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)時(shí)還有一個(gè)問題，就是波形、頻譜等曲線的線條較細(xì)，投影后教室后排的同學(xué)很難看清楚。為此，我們?cè)O(shè)置了曲線加粗演示模式。在該模式下，將實(shí)驗(yàn)中的波形、頻譜等曲線用加粗的線條顯示。這點(diǎn)很象PPT文件和Word文件投影后的顯示區(qū)別，雖然這只是一個(gè)不起眼的技術(shù)改進(jìn)，但卻可以使教學(xué)演示效果提高許多。

3 測(cè)試技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用情況

3.1 信號(hào)分析理論的可視化實(shí)驗(yàn)教學(xué)

　　波形分析、頻譜分析、相關(guān)分析等信號(hào)分析理論是測(cè)試技術(shù)課程教學(xué)中的難點(diǎn)，傅立葉變換公式、卷積分定理等常常讓學(xué)生很頭疼。為提高教學(xué)效果，我們借助虛擬儀器實(shí)驗(yàn)將這些理論知識(shí)進(jìn)行可視化表達(dá)。下面是我們?cè)诮虒W(xué)中設(shè)計(jì)的部分復(fù)合文檔結(jié)構(gòu)的虛擬儀器實(shí)驗(yàn)?zāi)夸?，每個(gè)實(shí)驗(yàn)中又含若干個(gè)小實(shí)驗(yàn)：

1）典型信號(hào)時(shí)域波形分析實(shí)驗(yàn)
2）典型信號(hào)的頻譜分析與應(yīng)用實(shí)驗(yàn)
3）典型信號(hào)的相關(guān)分析與應(yīng)用實(shí)驗(yàn)
4）典型信號(hào)的概率密度分析與應(yīng)用實(shí)驗(yàn)
5）FFT譜分析中的誤差和改進(jìn)方法實(shí)驗(yàn)
6）數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)與應(yīng)用實(shí)驗(yàn)
………

　　例如，圖6是我們?cè)O(shè)計(jì)的虛擬儀器形式的信號(hào)合成與分解實(shí)驗(yàn)。學(xué)生通過直觀的感受，可以更深刻的理解傅立葉變換的工程意義，激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣。

圖6 波形合成與分解實(shí)驗(yàn)

 
3.2 基于PC機(jī)測(cè)試資源的實(shí)物教學(xué)

　　與實(shí)驗(yàn)室中開出的測(cè)試實(shí)驗(yàn)相比，虛擬儀器實(shí)驗(yàn)有一個(gè)不足，就是缺乏實(shí)物實(shí)驗(yàn)。其實(shí)，運(yùn)行虛擬儀器軟件的PC機(jī)自身就是一個(gè)含有豐富測(cè)試資源的裝置。例如，計(jì)算機(jī)上的光電鼠標(biāo)是一個(gè)光電傳感器、麥克風(fēng)是一個(gè)電容傳感器、攝象頭是一個(gè)CCD傳感器，計(jì)算機(jī)聲卡是一個(gè)雙通道的A/D卡+ D/A卡。

　　在測(cè)試技術(shù)虛擬儀器實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)上我們充分利用了這一有利條件，將聲卡、攝象頭驅(qū)動(dòng)集成在平臺(tái)中，形成一個(gè)基于PC的測(cè)試實(shí)驗(yàn)室。學(xué)生可以PC機(jī)鼠標(biāo)做光電傳感器原理實(shí)驗(yàn)，用麥克風(fēng)做電容傳感器原理實(shí)驗(yàn)，用攝象頭做CCD原理實(shí)驗(yàn)，用聲卡做A/D、D/A卡工作原理實(shí)驗(yàn)。從而解決了課堂上傳感器和測(cè)試系統(tǒng)部分教學(xué)中因缺乏實(shí)物而枯燥、乏味的問題。

圖7 基于PC聲卡的信號(hào)發(fā)生器

　　這樣，我們可以不花費(fèi)任何額外的硬件代價(jià)，就可以在教師上課、學(xué)生上網(wǎng)的PC機(jī)上建立起一個(gè)功能強(qiáng)大的含實(shí)物和硬件的測(cè)試實(shí)驗(yàn)室。通過它，教師可以在課堂上向?qū)W生展示測(cè)試技術(shù)的原理和應(yīng)用；課后學(xué)生也可以自己動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)小測(cè)量裝置，在實(shí)踐中將所學(xué)的知識(shí)融會(huì)貫通，培養(yǎng)自己觀察問題和解決問題的能力。圖7是我們利用聲卡設(shè)計(jì)的信號(hào)發(fā)生器界面。

3.3 基于工程案例的實(shí)驗(yàn)教學(xué)

　　為了理論聯(lián)系實(shí)際和開闊學(xué)生的學(xué)術(shù)眼界，我們還發(fā)揮課程組成員承擔(dān)過大量科研項(xiàng)目的優(yōu)勢(shì)，從承擔(dān)的科研項(xiàng)目中抽象出橋梁固有頻率測(cè)量、齒輪箱振動(dòng)故障源分析、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)加速過程噪聲分析等16個(gè)工程測(cè)量案例，并設(shè)計(jì)成虛擬儀器仿真模塊，集成在虛擬儀器實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)中。圖8是轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)模型和用其設(shè)計(jì)的軸心軌跡測(cè)量實(shí)驗(yàn)。

圖8 轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)模型和軸心軌跡測(cè)量實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

4 結(jié)論

　　“教學(xué)工作是學(xué)校的主旋律，提高教學(xué)質(zhì)量是學(xué)校永恒的主題”。為提高測(cè)試技術(shù)課程教學(xué)水平和質(zhì)量，課程組發(fā)揮在虛擬儀器領(lǐng)域的科研優(yōu)勢(shì)，開發(fā)了DRVI可重構(gòu)虛擬儀器實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，使測(cè)試技術(shù)課程中因沒有實(shí)物對(duì)象而枯燥、乏味的傳感器原理部分變得具體和生動(dòng)，使中抽象難學(xué)的信號(hào)分析理論部分變得直觀、形象，課程教學(xué)質(zhì)量和效果得到很大提高。