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摘 要：本文介绍了河南工业大学测控技术与仪器专业课程体系。针对传统课程教学存在的不足，引入虚拟仪器技术，描述了其在测控技术与仪器专业理论与实验教学中的应用。实践证明，虚拟仪器平台扩充了教师的教学手段，充分调动了学生的学习积极性，为培养创新型工程人才提供了良好的实践平台。
关键词：测控技术与仪器专业；虚拟仪器；教学应用
一、虚拟仪器技术概述
虚拟仪器(Ⅵrtual Instrument，VI)的起源可以追溯到20世纪70年代。“虚拟”的含义主要是强调了软件在这类仪器中的作用，体现了虚拟仪器与主要通过硬件实现各种功能的传统仪器的不同。由于虚拟仪器结构形式的多样性和适用领域的广泛性，目前对于虚拟仪器的概念还没有统一的定义。美国国家仪器公司(NatiOnal Instruments Corporation，NI)认为，虚拟仪器是由计算机硬件资源、模块化仪器硬件和用于数据分析、过程通信及图形用户界面的软件组成的测控系统，是一种计算机操纵的模块化仪器系统。
虚拟仪器技术通过为师生提供强大高效的图形化系统设计平台以及模块化硬件将课程教学与实际有效结合在一起，不断提高全世界理工科的教育水平。通过功能强大的工具，如NILabVIEW图形化开发平台，可以帮助学生完成从理论到实践的学习。虚拟仪器技术已经广泛地应用于教学实验、科学研究和工程实际中。基于LabVIEW的虚拟仪器在教学实验中可以替代许多传统仪器，LabVIEW结合DAQ卡等相应的硬件设备就可以开发出数字万用表、函数信号发生器、示波器、数字I／O和电源等常用的教学实验仪器，具有高效、灵活、功能强大、性价比高等特点，再配以多媒体教学，大大提高了学生的学习积极性，取得了良好的实验效果。
二、测控技术与仪器专业课程体系
测控技术与仪器专业涉及光、机、电、计算机等多门技术学科，是现代测量技术、电子技术、控制技术、光学工程和机械工程等学科互相交叉与融合的综合学科。
在2009年新一轮培养计划中，本着“宽专业、厚基础、重能力”的教学要求，河南工业大学(以下简称“我校”)电气工程学院(以下简称“我院”)积极调查研究国内外多所高校同专业的课程设置和教学改革动态，积极参加各类教研会议，通过多次讨论交流，对我校测控技术与仪器专业的培养方案和教学大纲进行制定。该专业旨在培养从事信息测量与控制工程、电气工程、粮食工程、电子工程、机械工程领域有关的信息处理、工业检测、智能仪器及传感技术、机电一体化技术等方面的研究、开发、设计和制造的应用型工程技术人才，主要学习测控仪器设计与制造工程所必需的基本理论知识，信息的获取、传输、处理与控制知识，电子设备、计算机控制与信息技术等宽广的工程技术方面的知识。测控类专业的主要课程包括：“电路”、“模拟电子技术”、“数字电子技术”、“自动控制理论”、“单片机原理与接口技术”、“传感器原理”、“测试与检测技术基础”、“误差理论与数据处理”、“测控电路”、“测控系统通信与网络”、“测试信息处理”、“计算机控制技术”、“测控仪器设计”、“虚拟仪器原理”。
专业课程类别及学分比例为：通识教育课程占34％，学科平台课程占28.6％，专业平台课程占13.1％，集中实践教学环节占24.3％。
三、虚拟仪器技术在课程中的应用探讨
测控类课程中有许多内容学生理解较为困难，课内学时紧张，详细讲解课时不允许，讲快了学生一知半解。将虚拟仪器应用于课堂教学和实验实践环节可以大大提高教学质量和学生自主学习能力。虚拟仪器技术是基于测试技术发展起来的，应用于测试类课程的优势不言而喻。
1.电工电子类课程
电工电子类课程主要包括“电路”、“模拟电子技术”和“数字电子技术”，即俗称的“三电”，是电类学科方向非常重要的专业基础课，既是后续专业课的基础，又是毕业后工作的重要知识积淀。该类课程实践性很强，均配有大量的实验项目。
NI专门提供了一种电子学教育平台，它借助NI图形化系统设计工具(如NI Multisim和NI LabVIEW)，借助原型环境(如NI教学实验室虚拟仪器套件，即NI ELVIS)，师生能够在单一的电子学教育平台上，进行设计和原型开发，并比较仿真电路和真实测量之间的特性。通过仿真和虚拟仪器，缩短了理论和实际电路行为之间的距离，继而推进了互动式教学。此外，克服传统电路设计受实验室客观条件限制的局限性，NI ELVIS平台上集成示波器、数字万用表、函数发生器、可调数字电源、动态信号分析器等12款最常用的仪器组合。这种紧凑但功能强大的仪器可以为实验室节省成本。因此，NIELVIS不仅在课堂教学中得到广泛应用，在实验教学中同样发挥着重要作用。
图1和图2是采用Multisim建立的元件库和电源库，利用虚拟仪器技术可使学生直观地观察电路电压电流特性。动态改变电路的各项参数值，即刻显示变化后的测量值。同样的方法可以适用于电工电子所有理论与实验课程教学，显示各种数值、波形或幅频相频特性等。当然，学生也可在课下或实验室中对教科书中感兴趣的电路进行交互式设计和仿真。在验证电路仿真无误后，学生可以使用LabVIEW和NI ELVIS对实际电路原型化，用于对仿真结果和真实数据进行比较。
2.信号处理类课程
信号处理课程通常包括：“信号与系统”、“数字信号处理”、“自动控制理论”等课程的应用与研究。下面就虚拟仪器技术在“数字信号处理”和“自动控制理论”的理论和实验教学中的应用作细致的介绍。
“数字信号处理”是一门以算法为核心的课程，理论性强，同时需要实验仿真来验证算法理论，因此实验教学和课堂上通过仿真实验使学生深入理解理论是必不可少的教学环节。作为自动化测量领域的专用软件，数字信号处理是LabVIEW的重要组成部分之一。高效、灵活、强大的数字信号处理功能也是LabVIEW的重要优势之一。它将信号处理所需要的各种功能封装为一个个的VI函数，师生利用这些现成的信号处理VI函数可以迅速地实现所需功能，而无须再为复杂的数字信号处理算法花费精力。几年来，将LabVIEW应用于课堂和实验教学，学生对教学效果反馈很好。图3是LabVIEW提供的基本信号分析函数。此外，信号处理实验室包含了55个与信号处理、时频分析、滤波、窗设计、调制、采样等相关的程序演示，可直接运行，非常便于课堂教学。图4为IIR滤波器课堂教学演示。
“自动控制理论”是一门重要的专业基础课，也是一门理论性较强的课程，它来源于工程技术，最终目的是回到工程实际中去指导系统设计。因此我校对该门课程的实践教学很重视_虚拟仪器技术的应用对于学生理解与掌握课程中抽象的理论概念起着至关重要的作用。图5是LabVIEW提供的基本控制设 计与仿真函数。以实验课程为例，根据“自动控制理论”实验教学大纲的要求，虚拟仪器实验室不仅可完成大纲要求的线性系统时域分析、线性系统的根轨迹等六个实验项目，而且可自行命题进行综合性、设计性或开放性实验。
3.虚拟仪器课程
虚拟仪器实验已成为改进教学手段，提高实验效率，降低实验成本的一种有效途径。虚拟仪器课程自然是一门重要的专业课，由于适用于学生的虚拟仪器教材较少，我校新出版ak虚拟仪器教材((LabVIEW虚拟仪器系统开发与实践》，书中共包括7个专题：虚拟仪器技术入门；虚拟仪器硬件技术；包含硬件选型、配置、驱动等内容的虚拟仪器设计；虚拟仪器软件编程；虚拟仪器高级编程技术；包含信号处理、振动噪声等函数的LabVIEW开发应用；虚拟仪器系统开发实践。需要强调的是专题七，通过对虚拟仪器系统开发实践范例的讲解，使学生初步了解虚拟仪器系统开发过程，能够在工作中应用虚拟仪器技术开发各种仪器及系统。本专题介绍内容主要包括教学虚拟仪器、工业测试虚拟仪器、控制虚拟仪器以及其他典型虚拟仪器系统。
四、结束语
我校于2007年组建了虚拟仪器实验室，不仅能够满足“信号与系统”、“传感器原理”、“测试与检测技术基础”、“虚拟仪器原理”等课程大纲要求的实验，而且向全校开放，每年承担大量的开放实验、毕业设计实验和教师科研项目。通过虚拟仪器技术在理论课程、实验课程、课程设计和毕业设计4个环节中的应用，极大提高了学生的基本实践技能、动手能力与设计能力，尤其在第二课堂的课余实践活动中取得了显著效果。学生在教师的指导下进入学生科技中心进行自主研究和创新基金项目研究，通过“挑战杯”大学生课外科技作品制作、电子设计竞赛等活动进行各种创新研究，每年在开放实验室进行自主研究的学生达到了300余人。学生在2007年全国大学生电子竞赛、挑战杯中获得多种奖项。
为了更好地将虚拟仪器技术应用于教师的专业教学中，教师们也积极申请“测控技术与仪器专业信号类课程的多元化实践教学改革”等各类教研项目进行教学模式探索。
将虚拟仪器引入理论和实验教学，能够使高校的教学内容紧跟时代的发展，能使高校培养出具有创新能力和创新意识的各种人才，尤其对高校实验教学改革是一个新的发展方向。由于电子信息技术的不断发展和社会需求的不断变化，测控类专业的培养体系改革与研究是一项长期艰巨的任务，需要我们不断地探索与研究。
参考文献：
[1]李梅，等．Multisim在课堂教学中的辅助作用[J]中国现代教育装备,2008,(9)：9-10.
[2]黄金林．基于LabVIEw的数字信号处理实验教学系统开发研究[J]．常州工学院学报,2008,(6)：47-49。
[3]刘艳，等．自动控制原理虚拟实验系统设计IJl．中国现代教育装备,2009，(11)：46-47。
关键词：测控技术与仪器专业；虚拟仪器；教学应用
一、虚拟仪器技术概述
虚拟仪器(Ⅵrtual Instrument，VI)的起源可以追溯到20世纪70年代。“虚拟”的含义主要是强调了软件在这类仪器中的作用，体现了虚拟仪器与主要通过硬件实现各种功能的传统仪器的不同。由于虚拟仪器结构形式的多样性和适用领域的广泛性，目前对于虚拟仪器的概念还没有统一的定义。美国国家仪器公司(NatiOnal Instruments Corporation，NI)认为，虚拟仪器是由计算机硬件资源、模块化仪器硬件和用于数据分析、过程通信及图形用户界面的软件组成的测控系统，是一种计算机操纵的模块化仪器系统。
虚拟仪器技术通过为师生提供强大高效的图形化系统设计平台以及模块化硬件将课程教学与实际有效结合在一起，不断提高全世界理工科的教育水平。通过功能强大的工具，如NILabVIEW图形化开发平台，可以帮助学生完成从理论到实践的学习。虚拟仪器技术已经广泛地应用于教学实验、科学研究和工程实际中。基于LabVIEW的虚拟仪器在教学实验中可以替代许多传统仪器，LabVIEW结合DAQ卡等相应的硬件设备就可以开发出数字万用表、函数信号发生器、示波器、数字I／O和电源等常用的教学实验仪器，具有高效、灵活、功能强大、性价比高等特点，再配以多媒体教学，大大提高了学生的学习积极性，取得了良好的实验效果。
二、测控技术与仪器专业课程体系
测控技术与仪器专业涉及光、机、电、计算机等多门技术学科，是现代测量技术、电子技术、控制技术、光学工程和机械工程等学科互相交叉与融合的综合学科。
在2009年新一轮培养计划中，本着“宽专业、厚基础、重能力”的教学要求，河南工业大学(以下简称“我校”)电气工程学院(以下简称“我院”)积极调查研究国内外多所高校同专业的课程设置和教学改革动态，积极参加各类教研会议，通过多次讨论交流，对我校测控技术与仪器专业的培养方案和教学大纲进行制定。该专业旨在培养从事信息测量与控制工程、电气工程、粮食工程、电子工程、机械工程领域有关的信息处理、工业检测、智能仪器及传感技术、机电一体化技术等方面的研究、开发、设计和制造的应用型工程技术人才，主要学习测控仪器设计与制造工程所必需的基本理论知识，信息的获取、传输、处理与控制知识，电子设备、计算机控制与信息技术等宽广的工程技术方面的知识。测控类专业的主要课程包括：“电路”、“模拟电子技术”、“数字电子技术”、“自动控制理论”、“单片机原理与接口技术”、“传感器原理”、“测试与检测技术基础”、“误差理论与数据处理”、“测控电路”、“测控系统通信与网络”、“测试信息处理”、“计算机控制技术”、“测控仪器设计”、“虚拟仪器原理”。
专业课程类别及学分比例为：通识教育课程占34％，学科平台课程占28.6％，专业平台课程占13.1％，集中实践教学环节占24.3％。
三、虚拟仪器技术在课程中的应用探讨
测控类课程中有许多内容学生理解较为困难，课内学时紧张，详细讲解课时不允许，讲快了学生一知半解。将虚拟仪器应用于课堂教学和实验实践环节可以大大提高教学质量和学生自主学习能力。虚拟仪器技术是基于测试技术发展起来的，应用于测试类课程的优势不言而喻。
1.电工电子类课程
电工电子类课程主要包括“电路”、“模拟电子技术”和“数字电子技术”，即俗称的“三电”，是电类学科方向非常重要的专业基础课，既是后续专业课的基础，又是毕业后工作的重要知识积淀。该类课程实践性很强，均配有大量的实验项目。
NI专门提供了一种电子学教育平台，它借助NI图形化系统设计工具(如NI Multisim和NI LabVIEW)，借助原型环境(如NI教学实验室虚拟仪器套件，即NI ELVIS)，师生能够在单一的电子学教育平台上，进行设计和原型开发，并比较仿真电路和真实测量之间的特性。通过仿真和虚拟仪器，缩短了理论和实际电路行为之间的距离，继而推进了互动式教学。此外，克服传统电路设计受实验室客观条件限制的局限性，NI ELVIS平台上集成示波器、数字万用表、函数发生器、可调数字电源、动态信号分析器等12款最常用的仪器组合。这种紧凑但功能强大的仪器可以为实验室节省成本。因此，NIELVIS不仅在课堂教学中得到广泛应用，在实验教学中同样发挥着重要作用。
图1和图2是采用Multisim建立的元件库和电源库，利用虚拟仪器技术可使学生直观地观察电路电压电流特性。动态改变电路的各项参数值，即刻显示变化后的测量值。同样的方法可以适用于电工电子所有理论与实验课程教学，显示各种数值、波形或幅频相频特性等。当然，学生也可在课下或实验室中对教科书中感兴趣的电路进行交互式设计和仿真。在验证电路仿真无误后，学生可以使用LabVIEW和NI ELVIS对实际电路原型化，用于对仿真结果和真实数据进行比较。
2.信号处理类课程
信号处理课程通常包括：“信号与系统”、“数字信号处理”、“自动控制理论”等课程的应用与研究。下面就虚拟仪器技术在“数字信号处理”和“自动控制理论”的理论和实验教学中的应用作细致的介绍。
“数字信号处理”是一门以算法为核心的课程，理论性强，同时需要实验仿真来验证算法理论，因此实验教学和课堂上通过仿真实验使学生深入理解理论是必不可少的教学环节。作为自动化测量领域的专用软件，数字信号处理是LabVIEW的重要组成部分之一。高效、灵活、强大的数字信号处理功能也是LabVIEW的重要优势之一。它将信号处理所需要的各种功能封装为一个个的VI函数，师生利用这些现成的信号处理VI函数可以迅速地实现所需功能，而无须再为复杂的数字信号处理算法花费精力。几年来，将LabVIEW应用于课堂和实验教学，学生对教学效果反馈很好。图3是LabVIEW提供的基本信号分析函数。此外，信号处理实验室包含了55个与信号处理、时频分析、滤波、窗设计、调制、采样等相关的程序演示，可直接运行，非常便于课堂教学。图4为IIR滤波器课堂教学演示。
“自动控制理论”是一门重要的专业基础课，也是一门理论性较强的课程，它来源于工程技术，最终目的是回到工程实际中去指导系统设计。因此我校对该门课程的实践教学很重视_虚拟仪器技术的应用对于学生理解与掌握课程中抽象的理论概念起着至关重要的作用。图5是LabVIEW提供的基本控制设 计与仿真函数。以实验课程为例，根据“自动控制理论”实验教学大纲的要求，虚拟仪器实验室不仅可完成大纲要求的线性系统时域分析、线性系统的根轨迹等六个实验项目，而且可自行命题进行综合性、设计性或开放性实验。
3.虚拟仪器课程
虚拟仪器实验已成为改进教学手段，提高实验效率，降低实验成本的一种有效途径。虚拟仪器课程自然是一门重要的专业课，由于适用于学生的虚拟仪器教材较少，我校新出版ak虚拟仪器教材((LabVIEW虚拟仪器系统开发与实践》，书中共包括7个专题：虚拟仪器技术入门；虚拟仪器硬件技术；包含硬件选型、配置、驱动等内容的虚拟仪器设计；虚拟仪器软件编程；虚拟仪器高级编程技术；包含信号处理、振动噪声等函数的LabVIEW开发应用；虚拟仪器系统开发实践。需要强调的是专题七，通过对虚拟仪器系统开发实践范例的讲解，使学生初步了解虚拟仪器系统开发过程，能够在工作中应用虚拟仪器技术开发各种仪器及系统。本专题介绍内容主要包括教学虚拟仪器、工业测试虚拟仪器、控制虚拟仪器以及其他典型虚拟仪器系统。
四、结束语
我校于2007年组建了虚拟仪器实验室，不仅能够满足“信号与系统”、“传感器原理”、“测试与检测技术基础”、“虚拟仪器原理”等课程大纲要求的实验，而且向全校开放，每年承担大量的开放实验、毕业设计实验和教师科研项目。通过虚拟仪器技术在理论课程、实验课程、课程设计和毕业设计4个环节中的应用，极大提高了学生的基本实践技能、动手能力与设计能力，尤其在第二课堂的课余实践活动中取得了显著效果。学生在教师的指导下进入学生科技中心进行自主研究和创新基金项目研究，通过“挑战杯”大学生课外科技作品制作、电子设计竞赛等活动进行各种创新研究，每年在开放实验室进行自主研究的学生达到了300余人。学生在2007年全国大学生电子竞赛、挑战杯中获得多种奖项。
为了更好地将虚拟仪器技术应用于教师的专业教学中，教师们也积极申请“测控技术与仪器专业信号类课程的多元化实践教学改革”等各类教研项目进行教学模式探索。
将虚拟仪器引入理论和实验教学，能够使高校的教学内容紧跟时代的发展，能使高校培养出具有创新能力和创新意识的各种人才，尤其对高校实验教学改革是一个新的发展方向。由于电子信息技术的不断发展和社会需求的不断变化，测控类专业的培养体系改革与研究是一项长期艰巨的任务，需要我们不断地探索与研究。
参考文献：
[1]李梅，等．Multisim在课堂教学中的辅助作用[J]中国现代教育装备,2008,(9)：9-10.
[2]黄金林．基于LabVIEw的数字信号处理实验教学系统开发研究[J]．常州工学院学报,2008,(6)：47-49。
[3]刘艳，等．自动控制原理虚拟实验系统设计IJl．中国现代教育装备,2009，(11)：46-47。