传感器虚拟仿真实验解决方案



基于NI平台的传感器虚拟仿真远程实验课程建设方案


一 国家虚拟仿真建设背景

       为贯彻落实习近平总书记关于强化实践育人工作的重要指示精神和全国高校思想政治工作会议精神,根据《教育信息化十年发展规划(2011-2020年)》和《2018年教育信息化工作要点》等相关要求,深入推进信息技术与高等教育实验教学的深度融合,不断加强高等教育实验教学优质资源建设与应用,着力提高高等教育实验教学质量和实践育人水平,经研究,决定在高校实验教学改革和实验教学项目信息化建设的基础上,于2017-2020年在普通本科高等学校开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设工作。

  1.1、建设目标

      紧紧围绕立德树人根本任务,适应经济社会快速发展对人才培养的新要求、现代大学生成长的新特点、信息化时代教育教学的新规律,以提高学生实践能力和创新精神为核心,以现代信息技术为依托,以相关专业类急需的实验教学信息化内容为指向,以完整的实验教学项目为基础,建设示范性虚拟仿真实验教学项目,推动高校积极探索线上线下教学相结合的个性化、智能化、泛在化实验教学新模式,形成专业布局合理、教学效果优良、开放共享有效的高等教育信息化实验教学项目示范新体系,支撑高等教育教学质量全面提高。

  1.2、建设内容

  实验教学项目作为高校开展实验教学的基本单元,其建设水平直接决定实验教学的整体质量。开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设,是推进现代信息技术与实验教学项目深度融合、拓展实验教学内容广度和深度、延伸实验教学时间和空间、提升实验教学质量和水平的重要举措。示范性虚拟仿真实验教学项目应具有:

  (一)以学生为中心的实验教学理念

  坚持一切从学生的需求出发,注重对学生社会责任感、创新精神、实践能力的综合培养,注重知识传授、能力培养、素质提高的协同实施,调动学生参与实验教学的积极性和主动性,激发学生的学习兴趣和潜能,增强学生创新创造能力。

  (二)准确适宜的实验教学内容

  坚持问题导向,重点解决真实实验项目条件不具备或实际运行困难,涉及高危或极端环境,高成本、高消耗、不可逆操作、大型综合训练等问题,能实不需,坚持需求导向,紧密结合经济社会发展对高校人才培养的需求,紧密结合专业特色和行业产业发展最新成果,紧密结合学校定位和人才培养特点,采用现代信息技术,研发原理准确、内容紧凑、时长合理、难度适宜的虚拟仿真实验教学项目。

  (三)创新多样的教学方式方法

  始终关注信息化时代背景下学生需求,重点实行基于问题、案例的互动式、研讨式教学,倡导自主式、合作式、探究式学习。创新实验教学项目资源呈现方式,注重通过文字、图片、视频等各种媒介促进教学准备、线上讨论、线下交流。加强网络化条件下实验教学规律研究,探索提升实验教学效果的方式方法。

  (四)先进可靠的实验研发技术

  虚拟仿真实验教学项目的研发要以完成教学要求和内容为目标,综合应用多媒体、虚实结合、大数据、三维建模、人工智能、人机交互、传感器、超级计算、虚拟现实、增强现实、云计算等网络化、数字化、智能化技术手段,提高实验教学项目的吸引力和教学有效度。加强相关技术可靠性研究,注重对学生使用虚拟仿真实验教学项目的全方位、多层次防护,切实保障学生健康。

  (五)稳定安全的开放运行模式

  充分考虑不同区域、不同层次、不同类型学生接入实验教学项目的运行需求,搭建具有开放性、扩展性、兼容性和前瞻性的虚拟仿真实验教学项目运行平台。注重对相关实验教学项目自有或共有知识产权的保护,注重对学生个人信息等的保护,严格遵守我国教育、知识产权、互联网等相关法律法规,按照“谁开发、谁负责,谁使用、谁负责”的原则确定基本安全责任。积极探索在线虚拟仿真实验教学项目可持续运行的有效模式。

  (六)敬业专业的实验教学队伍

  重视实验教学队伍建设,围绕虚拟仿真实验教学项目建设运行,建设师德高尚、热爱教学、知识丰富、能力过硬、结构合理的虚拟仿真实验教学团队。健全完善实验教学队伍考核、奖励、监督机制,鼓励和支持教师参与虚拟仿真实验教学项目研发和教学实践。

  (七)持续改进的实验评价体系

  将虚拟仿真实验教学项目纳入相关专业培养方案和教学课程,制订相关教学效果评价办法。根据学生和教师反馈,持续改进相关教学评价机制。鼓励高校探索有利于虚拟仿真实验教学项目开放共享的教学绩效激励机制,建立高校间相关实验教学项目成绩互认、学分转换机制。

  (八)显著示范的实验教学效果

  虚拟仿真实验教学效果显著,受益面大,学生实验兴趣浓厚,自主学习能力明显增强,实践创新能力明显提高。通过开展在线教学服务或技术支持等,积极发挥对专业类内实验教学信息化建设的示范引领作用。

1.3具体申报注意事项

  1.申报的虚拟仿真实验教学项目应为高校开展实验教学的基本单元,符合国家虚拟仿真实验教学项目的要求。

  2.申报的虚拟仿真实验教学项目应坚持“能实不虚”,支撑学生综合能力培养,至少满足2个课时的实验教学需求,学生实际参与的交互性实际实验操作步骤须不少于10步。

  3.申报的虚拟仿真实验教学项目应确保符合相关知识产权法律法规,可以完全对外公开服务。

  4.申报的虚拟仿真实验教学项目有效链接网址应直接指向实验项目,且保持链接畅通;应确保所承诺的并发数以内网络实验请求及时响应和对超过并发数的实验请求提供排队提示服务。


二 传感器虚拟仿真技术

 “虚拟仿真”也被称为“虚拟现实技术”或者“模拟技术”,即凭借某虚拟的系统来模仿另外一个真实系统的技术。换句话说,就是通过虚拟仪器教学仪器设备及其相关技术,对实训场地和教学环境进行设计处理,模拟企业真实的工作环境,再通过具体的操作,达成预期的教学目标的一种现代化科技手段。大学实验的自动控制课程专业在虚拟仿真的技术方面主要是应用于实训课程。利用虚拟电脑软件可以营造出一种高度仿真的真实感,学生可在微机上进行自动控制课程线路的基础实验,对象控制等。“虚拟仿真”技术可以有效地营造环境,还原现场场景,为学生的专业技能训练提供真实的工作场所和工具等等,对于提高自动控制课程实训的教学质量具有极大的帮助。

  一、自动控制课程实训教学存在的问题

        (一)专业课程教法老套

        当前,学生对操作性、实践性较强的学习活动较感兴趣。对他们适合运用一些参与体验式的教学方法,而不宜使用那些抽象的概念与逻辑推理居多的教学形式。然而,现行的大学教育课程体系的结构尚不完善,专业课师资优秀率不足,专业课程教法显得老套,教学方式还是以教师讲,全班学生听为主,与此相应的教学内容还是以抽象的理论为主,对学生缺乏足够的吸引力,不利于技能的培养。

        (二)专业教学手段单一

        现在大多数学校采用单一PowerPoint制作电子专业的多媒体课件,这种教学方法实质上是将纸质教材数字化,由于在实际教学中极少使用剪辑管理器中的影片功能,其技能传授方式还是相对抽象、空洞。表面上看,似乎是采用了电化教学,摆脱了传统教学,但教师的讲授还是局限于抽象的概念、逻辑加推理,全然没有顾及学生的实际接受能力,教学手段显得较为单一,仿真操作性差,难以培养学生的兴趣,课堂教学互动环节不足。

        (三)专业实训工位不足

 长期以来,专业实训的工位不足一直困扰许多大学实验教育。虽说这些年来国家对实训的投入增长很快,但僧多粥少,还是无法达到人手一位配备的要求。实训课时,学生只能分组轮流上位,一人做,多人看。这样,一方面,宝贵的实训时间被白白地浪费掉;另一方面,有限的指导教师也疲于应付,许多同样的问题需要重复讲解,这大大影响了学生参与实训活动的积极性。

        二、虚拟仿真技术破解自动控制课程教学难题

大学实验教育扎实的专业技能是毕业生进入社会的立足之本,求职生存的可靠基础。为了有效地促进技能教学的互动性,总结如下:

 (一)虚拟仿真能够有效提高学生的学习兴趣

  运用LabVIEW将一些深奥难懂的自动控制算法模拟仿真实际自动控制的运行效果输入输出,引导学生在虚拟仿真的环境中体验、感知自动控制课程控制电路,让学生的视觉、听觉在实训过程中接受多重刺激。通过LabVIEW的基本应用,理解控制系统的频域分析方法,了解系统绝对稳定性和相对稳定性的判断方法。掌握利用LabVIEW绘制根轨迹图的方法将课程的重点、难点及部分习题用LabVIEW进行形象、直观的可视化计算机模拟与仿真实现,加深对自动控制理论的基本原理、方法及应用的理解,为学习后续课程打好基础。许多教学实践都证明,它对于提高学生兴趣,开阔学生视野,提高实训教学效率具有积极的意义。

        (二)虚拟仿真能够有效促进教学相长

  仿真软件在教学实践中的运用,对实训指导教师的素质要求更高,实训指导教师不仅自身要有扎实的专业基础、娴熟的操作技能、丰富的实践经验,还需要及时更新教学理念,更新知识结构,创新教学方法,掌握最新的教育技术,全面提高教育综合素质和能力。一方面,仿真软件的运用使复杂的教学内容直观展现于学生眼前,使指导教师工作量大为减轻,缩短甚至减免了教师的指导时间。教师可以把更多的时间与精力放在教学的其他方面,多考虑如何改进实训内容与方法,进一步提高自动控制课程实训教学活动的质量;另一方面,当学生在学习过程中遇到问题或者困难的时候,可以通过LabVIEW“虚拟仿真软件自己去分析问题、解决难题。实训指导教师在学生实训教学活动中是管理者与指导者,而学生才是实训活动的主体。教师的作用在于及时发现与指明学生操作过程中出现的问题,确保操作的规范及其要领的落实,培养学生良好的操作习惯,促进学生动手操作能力和独立思考能力的提高。这样,师生互动,教学相长,不但提高了学生群体的整体素质,同时也大大提高了专业教师队伍的综合素质。

        (三)虚拟仿真能够高效利用学校教育资源

LabVIEW软件的操作界面实际上就是个虚拟仪器开发软件,不仅可以创建图标,参数输入输出,测试的仪表、仪器也能在屏幕上显现,通过鼠标便可连接,测量各项数据、波形曲线,测量操作方式等与实训现场的真实仪器没有两样。同时,还避免了实验仪器的不足与实训场地的限制。近年来,虽说各级政府都加大了对大学实验的投入,但多数学校的实训设备与场地不足、实验经费欠缺等现状短期内还是难以根本改善,严重制约了实训质量。因此,在教学中引入虚拟仿真软件,模拟仿真电路,可以有效弥补学校实训硬件的短缺。实训场地超越了传统意义上的实验室与实训工场,微机房、多功能教室。


三 方案框架

30多年来,美国国家仪器公司(NI)帮助测试、控制、设计领域的工程师与科学家解决了从设计、原型到发布过程中所遇到的种种挑战。通过现成可用的软件,如LabVIEW, 以及高性价比的模块化硬件,NI帮助各领域的工程师不断创新,在缩短产品问世时间的同时有效降低开发成本。在八十年代,随着金牌产品NI LabVIEW的诞生,NI提出软件就是仪器的口号,开辟了虚拟仪器的崭新测量概念。25年以来,NI不断致力于开发基于计算机的测试测量与自动化平台。长远的发展目标保证NI的产品具有长期的兼容性,并享有完善的技术支持。 广泛的应用: 目前,NI共提供500多款软硬件产品,应用遍布电子、机械、通信、汽车制造、生物、医药、化工、科研、教育等各个行业领域。从日本的Honda汽车测试、澳洲的心脏起搏器设计/验证到英国电信电话线路性能测试,全世界数以万计的工程师和科学家们都在使用NI的产品达到他们共同的目的——更快、更好、更省钱。 

NI作为全球测试测量行业的领导者与创新者,一直引领并积极推动国内的创新工程教育如支持新工科规划建设、基于学生动手项目的“CDIO”创新教学、产教融合/校企合作等。该白皮书系统地介绍了NI创新的教学软硬件平台,不同学科的实验室建设及案例、丰富的创新创业项目实践、战略新兴产业的科研案例,阐述了NI如何结合自身的国际化优势、行业企业优势、院校教育优势,服务国内的创新工程人才培养。

NI 教育平台

NI 教育平台  包括:灵活的硬件(使用真实信号进行专业级的测控),行业标准软件(电桥理论、仿真与实验)和相关应用及课件(集成课程工具)。NI教育平台旨在为学生营造亲身体验的学习氛围,培养下一代的创新力量。 经济型、可扩展的解决方案为学术机构提供了多门科学和工程学科的灵活集成。例如:

NI 教学实验室虚拟仪器套件(NI ELVIS)将12款常用的即插即用型、基于计算机的仪器集成在一个轻巧的组成结构中。 该套件专为模块化的顶板教学而设计,并采用NI LabVIEW系统设计软件进行支持,教师因而可进行跨学科理论知识的教学,包括电路设计、测试测量、控制、通信和嵌入式/微控制器(MCU)。

让学生有更多的时间使用工具、学习理论、探索并强化科学和工程理论。

  

1 NI课程架体系构

在此教程体系基础上加入虚拟仿真管理平台,VILab虚拟仿真实验系统是专为理工科院校工程创新教育开发设计的虚拟仿真远程实验管理系统。

通过首创性地将互联网技术、视频技术、云应用技术、虚拟仪器技术与NI 工程教育产品有机融合,VILab让学生可以足不出户即可登录实验室、预约实验以及远程操作实验,实现所见即所学的教学效果。

VILab目前已支持自控原理、传感器原理、信号处理、电子电路、机电一体化、通信原理、生物医电等创新与实践课程,并在全国多家高等院校落地运行,取得较好的反馈。

虚拟仿真管理平台

2.2 系统网络框架

网络虚拟仿真实验室大多使用的是BS结合的(客户端/服务端)结构,按其实现功能基本可分为三类:

①软件共享网络虚拟实验室。其特点为,服务端共享本地的虚拟实验室模拟软件平台,接受客户端发送的实验请求,分析和处理实验参数,经过计算模拟最终将结果返回客户端。整个系统不涉及具体的实验仪器硬件设备,只是利用软件模拟实验的过程;

②仪器共享网络虚拟实验室。服务端同样接受客户端的实验请求和实验参数,使用实验参数配置与之连接的实验仪器硬件设备,由实验仪器硬件设备进行实验,并将实验结果返回服务端,最后返回到用户端,实现实验仪器的共享,实验数据的共享。

③远程控制网络虚拟实验室。与仪器共享网络虚拟实验室最大的区别在于除了实验仪器实验数据的共享之外,其还要实现客户端对实验仪器设备的远程控制。

9 虚拟仿真中心网络架构

目前虚拟仿真平台VILab是以B/S模式构建,支持Linux/Windows部署,同时支持内网和外网部署和访问。

1.本地管理终端及管理终端可以通过有线或无线WIFI的方式登陆实验室管理系统,进行实验预约,预约审批,在线学习,虚拟仿真,远程实验。

2. 实验终端可以通过有线或无线WIFI的方式连接到管理服务器,进行数据采集、系统控制与实时动态输出处理和传输,远程实验等操作。


10虚拟仿真中心实验分层体系

对象层:远程实验对象(基于NI虚拟仪器平台,光,机,电,生),对象层通过部署对应基础实验,通过有线和无线方式将数据交互到网络层。

网络层:网络层主要用于管理不同设备发出来的数据以及由上位机或者远程下发的命令。

应用层:基于对象层发布的基于虚拟仪器LabVIEW程序,或WEB端程序,以及3D或者虚拟现实的客户端。

通过构建的应用层的客户,最终可以部署到虚拟仿真平台,学生可以通过虚拟仿真平台实现对实验对象的访问和控制。

网络虚拟实验室的构建多使用BSDA(Browser/Server/DatabaseApplication) 结构,即客户端/服务器/数据库/应用程序结构,其原理如下图 所示,典型的网络虚拟实验室由客户端、网页服务器端、应用服务器端以及实验仪器设备四部分组成。网页服务器主要作用是提供Web接入服务、用户认证管理、开放式交互实验环境以及动态网页的生成;应用服务器主


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