工程教育专业认证背景下基于MyDAQ的口袋实验室建设

张贞凯 杨永红 伍杰 周辰笛

摘 要：工程教育专业认证背景下，口袋实验室的建设和应用有利于促进教学改革，进一步提升工程人才的培养质量。文中分析口袋实验室建设与工程教育专业认证关系的同时，基于NI公司的MyDAQ构建信号处理口袋实验室，设计函数信号发生器、示波器、滤波器和频谱仪等。仿真结果表明，文中构建的口袋实验室具有较好的工作性能。

关键词：工程教育专业认证;口袋实验室;教学改革;虚拟仪器;工程人才;MyDAQ

中图分类号：TP393;C931.6文献标识码：A文章编号：2095-1302（2019）04-0-02

0 引 言

在我国开展工程教育专业认证具有重大意义，不仅能为实施职业资格证书制度打下基础，还有利于我国学历教育在国际互认体系中得到认可[1]。因此，我国申请加入了“华盛顿协议”预备成员国，这对我国工程教育改革与发展具有深远的影响[2]。文献[3]介绍了美国工程教育专业认证标准，深入揭示了认证的内涵和共性特征。目前，围绕工程教育专业认证开展教学改革是高校教学工作的重点和热点。

1 口袋实验室建设对工程教育专业认证的意义

口袋实验室是将体积较小的实验板卡发到每个学生的手上，装在口袋里可以随身携带、随时操作，不受传统实验室空间和开放时间的限制，在巩固各种基本实验的基础上，充分激发学生的潜力，提升学生的创新能力，是一种全新的理论和实验教学模式[4]。目前清华大学、华中科大等国内重点高校已经开始大力推行口袋实验室的实践和创新，国外很多高校也开始对口袋实验室进行探索和实践，如英国德蒙福特大学，为学生购置了基于微控制器或FPGA的最小系统开发板作为口袋实验室平台，学生在课程实验及毕业设计阶段，都可以在这些口袋实验室平台上开展理论研究和实践设计[5-6]。

口袋实验室建设与应用将利于推进高校的工程教育专业认证工作，能够支撑的标准毕业要求如下：

（1）工程知识。口袋实验室的建设和推广能够促进学生将自然科学、工程基础和专业知识相结合，有利于进一步分析和解决复杂的工程问题。

（2）问题分析。在不受时间和空间限制的实验室平台上，需要学生应用自然科学和工程科学的基本原理完成创新实践，并合理分析实验结果以获得有效结论。

（3）设计/开发解决方案。在口袋实验室的设计过程中，学生需要提出解决和设计方案，并在设计环节中提升创新意识。

（4）研究。基于口袋实验室开展课程所需的实验设计与理论研究，需要学生基于科学原理并采用科学方法对专业中复杂的工程问题进行研究，包括算法设计、理论推导、实验验证等。

（5）使用现代化工具。口袋实验室的应用和推广需要学生掌握和使用现代化软件、硬件工具，实现对复杂工程问题的预测与模拟。

（6）工程与社会。基于口袋实验室的便捷使用，学生能合理评价和预测自己专业的部分工程实践、设计方案等对社会及环境的影响。

（7）个人和团队。在基于口袋实验室的团队作品设计与开发过程中，学生需要在多学科背景下的团队中扮演好自己的角色，完成自己的任务。

（8）沟通。在团队合作中，学生需要在团队间进行有效的沟通和交流，包括任务分工、撰写设计报告、方案交流、作品答辩等。

（9）终身学习。口袋实验室应用中，学生需要根据设计需求，自主学习和研究，有效提升不断学习和适应发展的能力。

由此可以看出，口袋实验室的建设和发展是实现工程教育专业认证的重要基础。本文基于现代信息工具设计科学高效的“口袋实验室”，在NI（National Instrument）公司的MyDAQ平台上，使用LabVIEW设计开发相关信号处理软件，是传统教学方法改革的基础，将有利于激发学生的学习兴趣，培养学生的创新意识，提升学生的动手实践能力。

2 基于NI MyDAQ的口袋实验室构建

MyDAQ是由美国国家仪器公司出品，和大学工程类课程结合十分紧密的便携式设备[7]，即使学生身处实验室之外，也可以随时随地进行学习实践和创新设计。本文基于MyDAQ设计函数信号发生器、示波器和滤波器、频谱仪等常用的信号处理虚拟仪器，方便学生在此基础上进行拓展设计，函数发生器运行结果如图1所示，示波器和滤波器如图2所示，频谱仪运行结果如图3所示。

從图1和图2可以看出，函数发生器首先产生信号，由数据采集卡MyDAQ采集后在设计的虚拟示波器上显示。仿真结果表明，本文设计的函数信号发生器可以产生标准的正弦波、方波、三角波和锯齿波，频率变化范围为0～5 kHz，幅值变化范围为0～10 V。图2是示波器和滤波器的前面板，示波器不仅能够对波形进行显示，还可以自适应调节坐标系的横轴、纵轴和采样信息等。本文设计的滤波器包含低通、带通、高通、带阻等常见的滤波模式，可以自适应调节截止频率等参数。示波器和滤波器功能完善，能够代替实验室的部分实体仪器。由图3可以看出，函数发生器产生信号为100 Hz的正弦波，频谱仪显示在100 Hz处有一个谱峰，准确地反映出了函数信号的频率成分。

3 结 语

本文完成了口袋实验室对工程教育认证中标准毕业要求的支撑情况分析，并基于NI MyDAQ构建了信号处理口袋实验室，设计了函数信号发生器、示波器、滤波器、频谱仪等常见的信号处理仪器，能够为理论和实验教学方法改革提供基础，为学生日常的软硬件开发、设计和研究提供便捷的平台，有利于进一步促进学生创新实践能力的提高。

参 考 文 献

[1]胡顺仁，赵红.电子信息工程专业的工程教育专业认证实践探索[J].武汉大学学报（理学版），2012，58（z2）：130-132.

[2]胡文龙.工程专业认证背景下的高校教师教学发展[J].高等工程教育研究，2015（1）：73-78.

[3]朱永东，叶玉嘉.美国工程教育专业认证标准研究[J].现代大学教育，2009（3）：46-50.

[4]刘艳，秦昌明.“口袋”实验室在物联网工程实验教学中的应用[J].实验技术与管理，2015，32（8）：212-215.

[5]姜志鹏，陈正宇，史金芬，等.应用型功课院校“口袋实验室”培养模式探索[J].统计与管理，2015（10）：173-174.

[6]姜志鹏，陈正宇，阎浩.基于“口袋实验室”的实践教学模式实施方法[J].物联网技术，2015，5（9）：98-99.

[7]伍杰，周辰笛.基于LabVIEW和MyDAQ的虚拟信号处理仪器设计[J].电子测试，2017（16）：28-30.

[8]毕家驹.中国工程专业认证进入稳步发展阶段[J].高教发展与评估，2009（1）：3-5.

[9]罗正祥.工程教育专业认证及其对高校实践教学的影响[J].实验室研究与探索，2008（6）：1-3.

[10]刘宝，任涛，李贞刚.面向工程教育专业认证的自动化国家特色专业改革与建设[J].高等工程教育研究，2016（6）：48-52.