虚拟仪器技术在电工演示性教学中的应用

2012-06-21田武刚潘孟春陈棣湘

电气电子教学学报 2012年4期

田武刚，潘孟春，陈棣湘

(国防科学技术大学机电工程与自动化学院，湖南长沙 410073)

课堂演示教学是“电工技术”课程理论教学的一个重要而又易忽视的环节，对理论教学可以起到很好的辅助效果[1]。目前“电工技术”课程课堂演示教学的实现，存在着许多问题，如用到的仪器设备繁多，设计复杂，演示效果差。因此，本文提出将虚拟仪器技术应用于“电工技术”课堂演示教学，收到了较好的效果。

1 演示教学法的优缺点

演示教学法，就是教师以教科书或讲义为主要教学材料，以实物、几何模型、物理模型、逻辑模型、计算机数字仿真模型、计算机图形仿真模型和多媒体仿真模型等直观教学媒体为主要教学手段，向学生传授知识与技能的一种教学方法[2]。

演示教学法的优点是:演示内容可重复地再现，教师可运用口语加以讲解、阐释或说明。突出的是演示的过程性、动态性和直观性，强调演示与讲解相配合。

在“电工技术”课程教学过程中，许多物理过程可以通过演示形象直观地表现出来，使课堂表现形式多样。这不仅有助于学生对于难点的理解，也可以巩固和提高他们对知识的运用能力，达到预期的教学目的，改善了教学效果，提高了教学质量。

“电工技术”课程课堂实物演示的可视化效果较差，影响了演示教学的效果。因其涉及到的设备和器材较多，包括电源、信号源、示波器、万用表、电阻、电容和电感等。将它们都搬进教室不太可能，带学生直接去实验室达不到理论教学的效果。

随着电路仿真技术的发展，采用成熟的仿真软件(如 Multisim)设计课堂演示是方便的[3，4]。由于仿真演示结果可以采用投影仪显示，可视化效果较好。但仿真演示给学生的印象不及实物演示的深刻，所以仿真演示作为课堂演示教学也存在着一定的局限性。

2 基于虚拟仪器技术的演示教学

基于虚拟仪器技术设计的“电工技术”课程演示教学实现如图1所示。图中虚框内电路部分为演示教学所涉及的具体电路实物。多功能模块主要包括A/D和D/A模块，用来产生激励信号，并且对电路的响应结果进行数字化采集，该模块采用USB接口，可以方便地和笔记本计算机通信。计算机采用软件编程实现具体仪器的功能(数据处理、存储等)，并通过投影仪把结果以图形化的形式显示在大屏幕上，保证全班学生都能清楚地观察到测试结果。通过转动实物投影仪的摄像头可以把整个实物组成的演示装置投影到大屏幕，使后排学生也能清楚地看到以实物组建的演示装置。其中可以选择具有实物投影和计算机投影功能集成的投影仪，使整个系统更为简化。

图1 基于虚拟仪器技术的演示教学结构框图

多功能模块可以选择USB接口带A/D和D/A功能的数据采集器，如选择美国NI公司的最新推出的NI myDAQ模块和NI ELVIS教学平台等。其中NImyDAQ集示波器、数字万用表、任意波形发生器、波特图仪、动态信号分析仪、函数发生器以及数字输入和数字输出等八种硬件仪器于一身，可以方便地应用于“电工技术”课程演示教学。NI ELVIS教学平台为虚拟仪器套件，其带有实验电路板和12种内置虚拟仪器(如示波器、信号发生器和可变电源等)，将电路和多功能模块集成为一体，可以更为方便地设计演示教学。计算机软件采用NI公司的LabVIEW或LabWINDOW/CVI系列图形化编程软件，完成数据的采集、分析、处理、存储、显示和仪器的控制等功能。