LabVIEW应用于控制类课程教学改革的探讨

李 辉，王晓芳，林 立，邱雄迩

(邵阳学院 电气工程系，湖南 邵阳 422000)

LabVIEW应用于控制类课程教学改革的探讨

李 辉，王晓芳，林 立，邱雄迩

(邵阳学院 电气工程系，湖南 邵阳 422000)

本文提出将LabVIEW应用于控制类课程的教改方案，从专业基础课及专业课两个方面展开论述，并拓展到基于声卡的音频信号分析系统的教学与科研中。实践表明：本方案的实施，不仅使课程体系连贯，而且增加了学生动手实践的机会，提升了教学效果。

现代职业教育；LabVIEW；专业课；专业基础课

0 引言

现阶段国家大力提倡现代职业教育，并建立中职、高职、应用技术型本科到专业硕士研究生培养相贯通的教育体系[1]。我院作为一所具有专业硕士招生资格的地方本科院校，紧跟时代主旋律，基于“应用技术型”办学方针，积极推进学校转型发展。在此背景下，控制类专业教师如何做到“量才施教”“按需培养”是亟需解决的新课题。

1 虚拟仪器和LabVIEW简介

虚拟仪器概念来自美国NI公司于上世纪80年代初提出的：“The Soft is the Instrument”，该公司同时推出了一款基于G语言的开发工具——LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)，其实质就是把复杂、繁琐、费时的文本语言编程简化成明了直接、通俗易懂的功能(图形)模块，用连线的方式把各功能模块(图形)连接起来即可，所用模块可用菜单、图形或图表提示的方法进行选择[2]。它作为新兴的仪器技术而推出，代表着未来仪器发展的方向[3]，并对仪表、控制、测试等的发展和工业生产现场的控制都将产生意义深远的影响。

在国外理工科的高等教育中，虚拟仪器的设计理念与思想以及LabVIEW的应用已经渗透到诸多学科的教学中，比如美国麻省理工学院、加州大学伯克利分校、弗吉尼亚理工大学等已将虚拟仪器教学贯穿到整个高等教育阶段[4]。虚拟仪器技术和LabVIEW于上世纪90年代末期被引入到我国各高校。我院于2008年开始在测控专业增设虚拟仪器课程。

在生均经费、实验设备、“双师型”教师等资源不足的条件下，为了达到增强学生的动手实践、强化学生的动手能力的“应用技术型”的办学目的，高校纷纷引入仿真软件加以应对，其对提高学生的综合设计、工程实践及创新创造等方面能够发挥积极作用。同时，引入LabVIEW进入课堂、实验、实践教学环节之后，可为教师把握教学本质，提高教学质量带来福音。

2 应用于控制类课程中的探讨

控制类课程是指在测控、自动化、轨道等专业中开设的以电机为对象的相关课程，具有跨度大、牵涉面广、实用性强等共性，学生对课程内容的掌握及触类旁通均会感到困难。将虚拟仪器及LabVIEW应用于理论、实验等教学环节可以大大提高教学质量和学生自主学习的能力[4]。学生通过运行G语言程序，观察界面的运行结果，从而达到温习、检验、强化知识点的目标，并给学生应用理论于实践提供了一个开放平台[5]。

按照学科体系结构，控制类课程又有基础课和专业课之区分，本文从基础课、专业课两方面入手，探讨引入LabVIEW技术到控制类课程的可行性。

2.1 在基础课中的应用

我院的控制类课程中，三电(电路、模电、数电)是基础科目，其实验课程在我院单独设课。在此以引入LabVIEW应用到“电路”课程中的二阶电路动态响应为例作一说明。

设有一RLC串联电路，已知L=0.9 H，C=0.1 F，Uc(0-)=1 V，it(0-)=0，t=0时刻开始运作，讨论Uc在不同电阻值时的零输入响应。首先，基于RLC二阶电路模型，建立二阶微分数学模型；然后，结合电路模型，在LabVIEW前面板上设计电路图，如图1上半部所示；接着，利用程序框图实现数学模型；最后经过运行、调试和修改，得出如图1下半部所示的二阶曲线响应。

显然，采用虚拟仪器技术简化了计算，直观得到了结果，通过对前面板上的参数进行修改，还可以发现各变量之间的控制关系，从而加深对知识点的理解和掌握。

2.2 在专业课中的应用

我院控制类专业开设了包含转速检测、电机控制、虚拟仪器、数字控制技术等内容的课程及相关实验。在此，以PWM脉宽调制方法控制电机为例加以说明。与之相关的课程有“电力电子技术”“DSP原理及应用”“电力拖动基础”“计算机控制技术”“虚拟仪器”等。

图1 二阶电路动态响应的前面板

可以结合这些课程内容，分阶段、分步骤，递进编写基于LabVIEW的数据采集系统、PWM波实现、系统建模、滤波等一系列框图程序，最后衔接并实现PWM脉宽调制方法控制电机，最终可得出如图2所示的实验结果。

基于LabVIEW平台，既可以开发适应于课堂教学的验证性实验，又可以不受空间和时间的限制，让学生以此工具开展课外科研活动，并调动学生自主学习的积极性[4,6]。

图2 转速检测与控制实验

3 基于声卡的音频信号分析系统

入职以来，笔者就主讲测控专业的“虚拟仪器技术”课程，已经历了课程教学大纲的三次修改，教学计划也一直在摸索中前行，下一步计划将该课程调整为48学时的专业必修课(理论教学38学时，实验教学10学时)。

地方院校存在着实验设备缺乏、陈旧，学生动手机会少，实践锻炼缺乏的通病。鉴于此问题，有计划地引入虚拟仪器技术到相应的实验、课程设计、毕业设计、“三性”实验、学习性与研究性项目等环节中，不仅能降低实验、实践成本，提高教学效率，还能在引导学生进行自主、创新性研究方面发挥积极作用。以笔者指导的2011级毕业生做的一个开放项目：“基于声卡的音频信号分析系统”为例，说明LabVIEW在毕业设计中的应用。其前面板如图3所示。通过项目的实施，可以发现：相较传统基于微控制器的实物开发，应用LabVIEW开发的音频信号分析系统，除了PC机外，几乎零成本，有兴趣的学生均具备开发条件，调试方法简单，结果简洁明了。

图3 基于声卡的音频信号分析系统

4 结语

在应用技术型本科院校的教学中，应该贯彻“强化工程意识，系统训练动手能力，培养面向企业的应用技术人才”的指导思想[7]。实践表明，引入LabVIEW到控制类课程的教学改革，是落实这一指导思想的有益尝试。

[1] 袁文华, 马仪, 向文江,等.地方本科院校工程应用型人才培养模式的探讨[J].北京:中国电力教育, 2014(12):72-73

[2] 许洁.虚拟仪器在测控专业实验教学中的应用[J].西安:高校实验室工作研究, 2013(3):20-21

[3] 李辉, 林立, 邱雄迩.电渗流速度检测研究[J].上海:自动化仪表, 2015, 36(4):79-83

[4] 牛群峰, 王威, 吴才章.虚拟仪器在测控技术与仪器专业教学中的应用探讨[J].北京：中国电力教育, 2010,34:136-138

[5] 周俊, 李宜祥, 洪霞.仪器设备开放共享 培养学生实践创新能力[J].上海:实验室研究与探索, 2013(8) :478-481

[6] 陈学军, 徐明铭.基于虚拟仪器的综合实验室平台探索[J].上海:实验室研究与探索, 2014, 33(10):250-253

[7] 林健.注重卓越工程教育本质 创新工程人才培养模式[J].北京:中国高等教育, 2011(6):19-21

Teaching Reform Research of Applying LabVIEW to Control Courses

LI Hui, WANG Xiao-fang, LIN Li, QIU Xiong-er

(Departmentofelectricalengineering,ShaoyangUniversity,Shaoyang422000,China)

This paper puts forward the teaching reform plan of applying LabVIEW to the control courses with the characteristics of themselves.After the teaching practice of applying LabVIEW to the professional foundation courses and the specialized courses, the scientific research practice of the audio signal analyzing system based on the sound card is introduced.Practice shows that the scheme not only can make the control courses system consistent, but also can increase the opportunities for students to practice and enhance the teaching effect.

modern vocational education; LabVIEW; specialized course; professional foundmental course

2016-01-25;

2016-05-23

2015年邵阳学院教学改革研究立项项目(邵院教通[2015]49号(2015JG14))；2016年湖南省大学生研究性学习和创新性试验计划项目(湘教通[2016]283号) ；2015年湖南省普通高校教学改革研究项目(湘教通[2015]291号)；

李 辉(1984-)，男，硕士，讲师，主要从事测控专业教学及虚拟仪器技术与嵌入式控制系统等方面的研究工作，E-mail：2506623901@qq.com

G642.0

A

1008-0686(2016)06-0150-03